Как химики полтора века пытаются понять ароматичность

N+1Наука

4N + 2

Как химики полтора века пытаются понять ароматичность

Михаил Бойм

В 2021 году британские химики рассказали о получении соединения тория со связями между атомами металла. Авторы утверждали, что такой ториевый кластер — ароматический, хотя на классические органические ароматические молекулы вроде бензола он совсем не похож. Химическое сообщество довольно ревностно отнеслось к использованию одного из базовых понятий органической химии для кластеров металлов, поэтому через год вышла статья-опровержение, в которой ученые из Чехии и Польши доказывали, что ничего ароматического в этом ториевом кластере нет. Завязался спор, после которого каждая группа осталась при своем мнении, а статья осталась на месте.

История повторилась в 2023 году: в этот раз объектом спора разных групп ученых стал якобы ароматический висмутовый кластер. Теперь статья вышла в Nature Chemistry, а опровержение и ответ на него выложены в виде препринтов на СhemRxiv. Критики тоже указывают на то, что полученный кластер не соответствует современным критериям ароматичности.

Но что это за критерии? Спорщики описывают одно и то же соединение по-разному. И оттого неясно, что вообще такое ароматичность, и почему это свойство заслуживает дискуссий. Остался ли смысл в классическом термине, который сейчас пытаются использовать для новых классов химических соединений?

Источник аромата

История открытия ароматических соединений — это во многом история счастливых случайностей. Началась она с того, что в 1819 году изобретатели Дэвид Гордон и Эдвард Хёрд запатентовали способ удобного хранения горючего газа, который получался при пиролизе природной нефти. Их идея была в том, чтобы сжижать его при давлении в 30 атмосфер в небольшие медные контейнеры, а потом в нужный момент заполнять с помощью них газовые лампы для освещения улиц. Этот газ представлял собой смесь метана, угарного газа и других продуктов пиролиза, включая очень небольшую долю ароматических соединений, о которых Гордон и Хёрд ничего не знали.

В 1825 году Гордон поделился этим сжиженным газом с Майклом Фарадеем, который выделил из него новое вещество с резким запахом и большой массовой долей углерода. Оно кипело при 80 градусах Цельсия, а плавилось — при шести. Оно не реагировало с иодом, калием, едкими щелочами и серной кислотой. Реакция пошла только с хлором — и то лишь на свету. Такая избирательность для ненасыщенных углеводородов была удивительна.

То же самое вещество получил через девять лет после Фарадея немецкий химик Эйльхард Мичерлих, нагрев бензойную кислоту с гидроксидом кальция. Он назвал его Benzin — а мы сегодня именуем его бензолом.

К концу 1830-х годов химикам, помимо бензола, стали известны нитробензол, анилин, фенол и некоторые другие ароматические вещества — и сходство между всеми ними первыми заметили немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман и его ученик Чарльз Мэнсфилд. Они выделили из каменноугольной смолы, помимо самого бензола, набор его производных: толуол, кумол, цимол, анилин и бензойную кислоту. Мэнсфилд в своей работе показал, что все эти вещества содержат один и тот же фрагмент из шести атомов углерода, к которому могут присоединяться разные группы атомов. А Гофман в 1857 году обнаружил этот же самый фрагмент у некоторых карбоновых кислот, и назвал их всех «ароматическими» — за присущий им резкий запах. Термин прижился, и так стали называть все известные производные бензола.

81e295cd749f205f3dfd29d37e1eda7a.jpg
Ряд ароматических кислот, которые исследовал Гофман. В брутто-формулах удвоено количество атомов углерода и кислорода. Это связано с тем, что в формулах Гофман указывал не количество атомов, а количество эквивалентов соответствующего химического элемента в молекуле. Во времена Гофмана химики считали, что один атом водорода эквивалентен двум атомам кислорода или двум атомам углерода. August Wilhelm Von Hofmann / Proceedings of the Royal Society of London, 1857

Из-за большой массовой доли углерода эти производные напоминали обычные ненасыщенные углеводороды, в которых некоторые связи углерод-углерод одинарные, а некоторые — двойные. Но их химические свойства отличались от свойств всех прочих углеводородов: например, ненасыщенные соединения с двойными связями (алкены) легко вступают в реакции присоединения с галогенами и галогенводородными кислотами, а ароматические вещества никого присоединять не хотят — они вступают только в реакции замещения. Отличие в том, что в первом случае атомы галогена и водорода просто присоединяются к атомам углерода по двойной связи, превращая ее в одинарную. А в случае реакций замещения атом галогена может только заменить собой водород, оставив двойную связь нетронутой.

Но было непонятно, какая структура должна быть у молекулы, чтобы она так себя вела.

После десяти лет экспериментов стало ясно, что каждое ароматическое соединение имеет строго определенное число изомеров — веществ с тем же элементным составом, но разных по строению. И это число зависит от количества разных неуглеродных заместителей в молекуле. Например, у всех производных с одним заместителем был только один изомер, а если заместителя было два — то число изомеров увеличивалось до трех. Это явно говорило о симметрии молекул, и из этого немецкий химик Фридрих Август Кекуле в 1865 году вывел теорию строения ароматических соединений. В своей статье он утверждал, что все они содержат шестичленное углеродное кольцо, в котором три связи одинарные, а три — двойные. Теория успешно предсказывала уже найденные химиками изомеры ароматических веществ, но все еще не могла объяснить, почему эти вещества так отличаются по свойствам от обычных алкенов и алкинов. С этого момента ароматичность перестала иметь отношение к запаху вещества — она стала сообщать нечто о его строении.

Формулы разных ароматических соединений в изображении Кекуле. Небольшие круги на этих схемах — атомы водорода, а вытянутые фигуры — атомы углерода. August Kekulé / Bulletin mensuel de la Société Chimique de Paris, 1865

Делокализация электронной плотности

За следующие 60 лет объяснения химическим свойствам ароматических соединений так никто и не предложил, но появились точные данные о строении бензольного кольца. В 1929 году ирландская исследовательница Кэтлин Лонсдейл опубликовала расшифровку кристаллической структуры ароматического соединения гексаметилбензола. Из ее данных следовало, что все связи углерод-углерод в цикле молекулы одинаковой длины, то есть в нем нет отдельных одинарных и двойных связей. Тогда, учитывая элементный состав молекулы, возникали противоречия с теорией строения органических соединений Кекуле.

7f7b971520e5240b8b10a076f56ff3ea.png
Ортогональная проекция элементарной ячейки гексаметилбензола на одну из ее граней. Kathleen Lonsdale / Proceedings of the Royal Society of London, Series A, 1929

Объяснил симметрию молекулы бензола и равнозначность связей в нем Эрих Хюккель. Для этого пришлось дождаться появления квантовой физики, чтобы от нее двинуться в квантовую химию. В 1931-м году немецкий химик использовал для описания электронного строения бензола теорию молекулярных орбиталей, разработанную в конце 20-х годов.

Хюккель показал, что в бензоле нет обычных направленных и локализованных двойных связей, как предполагал Кекуле. А те электроны, которые должны эти двойные связи образовывать, распределены между всеми атомами углерода в кольце одновременно. Такая делокализация электронной плотности приводит к повышенной стабильности углеродного кольца, потому что располагаются делокализованные электроны на связывающих молекулярных орбиталях, удерживающих все атомы кольца вместе. При этом каждый нейтральный углерод отдает в кольцо по одному валентному электрону с p-орбитали (остальные уходят на образование классических одинарных связей с соседними атомами).

Молекулярные орбитали бензола. Заполнены только три связывающие орбитали, а разрыхляющие — пустые. Seymour Blinder / Chem.libretexts.org

По сути, Хюккель утверждал, что в бензоле нет чередующихся двойных и одинарных связей, а есть одинаково прочные связи одной длины и одного порядка — и они намного устойчивее, чем была бы «полуторная» связь, промежуточная между одинарной и двойной. Благодаря этому открытию стало понятно, почему бензол и его производные не похожи на обычные алкены, в которых есть точно локализованная двойная связь углерод-углерод, которая легко присоединяет к себе галогены.

Кроме того, из расчетов Хюккеля следовало правило: чтобы циклическое (а тогда вся известная ароматика была циклической) соединение было ароматическим, в его кольце должно быть делокализовано 4

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Посмотри на себя: почему тяжело применять критическое мышление к себе Посмотри на себя: почему тяжело применять критическое мышление к себе

Почему применять критическое мышление по отношению к себе гораздо сложнее?

Правила жизни
Космические лучи предупредят о землетрясениях Космические лучи предупредят о землетрясениях

Предвестником землетрясений могут оказаться космические лучи

Наука и жизнь
Любовная переписка: зачем нам это — преимущества и недостатки Любовная переписка: зачем нам это — преимущества и недостатки

Выиграли ли мы от технологической революции в столь тонкой сфере, как любовь?

Psychologies
Тибетские выдры пристрастились к выпускаемой буддистами рыбе Тибетские выдры пристрастились к выпускаемой буддистами рыбе

Тибетские выдры явно предпочитают охотиться на чужеродные виды рыб

N+1
От оскорблений до нападений: с чем сталкиваются женщины-политики От оскорблений до нападений: с чем сталкиваются женщины-политики

Женщины-политики чаще, чем мужчины, подвергаются оскорблениям и получают угрозы

Forbes
Формула любви: как построить идеальный союз — 2 шага Формула любви: как построить идеальный союз — 2 шага

Существует ли совершенное чувство любви?

Psychologies
Большое чувство Большое чувство

Мысль о новом романе может казаться пугающей. Попробуем побороть страх!

Лиза
Исследование: мозг использует для сохранения памяти не только соединения нейронов, но и электрические поля Исследование: мозг использует для сохранения памяти не только соединения нейронов, но и электрические поля

Информация, сохраняемая в памяти, координируется электрическим полем

ТехИнсайдер
Под ториевой аномалией на обратной стороны Луны заподозрили крупный гранитный массив Под ториевой аномалией на обратной стороны Луны заподозрили крупный гранитный массив

В районе ториевой аномалии на Луне располагается крупный гранитный массив

N+1
Что читать в поездке: 5 детективов, от которых вы не сможете оторваться Что читать в поездке: 5 детективов, от которых вы не сможете оторваться

Чем можно заняться на отдыхе? Например, отоспаться... или провести расследование

Psychologies
Корпорация Барби: как кукла за $3 положила начало многомиллиардной бизнес-империи Корпорация Барби: как кукла за $3 положила начало многомиллиардной бизнес-империи

В 2000-х Барби из куклы превратилась в «источник вдохновения»

Forbes
Что поможет ребенку пережить смерть родителя: 6 факторов Что поможет ребенку пережить смерть родителя: 6 факторов

Как помочь ребенку пережить утрату?

Psychologies
«Мною сильно манипулировали»: Кристина Асмус объяснила, почему не уходила от избивавшего ее мужчины «Мною сильно манипулировали»: Кристина Асмус объяснила, почему не уходила от избивавшего ее мужчины

Актрису возмутили предположения о том, что она сама виновата в домашнем насилии

VOICE
19 цитат Чехова про русских, водку, женщин и нашу жизнь, которые стыдно не знать 19 цитат Чехова про русских, водку, женщин и нашу жизнь, которые стыдно не знать

Дух Чехова бессмертен, цитаты его не горят!

Maxim
Вывести новый софт: как обновления ПО могут уберечь компанию от хакерских атак Вывести новый софт: как обновления ПО могут уберечь компанию от хакерских атак

Как компании могут свести возможность кибератак к минимуму

Forbes
«Шизофрения без страха» «Шизофрения без страха»

Книга для людей с диагнозом и всех, кто рядом

N+1
Я — сноб. Режиссер Игорь Твердохлебов Я — сноб. Режиссер Игорь Твердохлебов

Режиссер Игорь Твердохлебов о своем главном достижении последнего года

СНОБ
Искусственные клетки с минимальным геномом быстро адаптировались в процессе эволюции Искусственные клетки с минимальным геномом быстро адаптировались в процессе эволюции

Результаты наблюдений за эволюцией клеток с минимальным геномом

N+1
5-аминолевулиновая кислота помогла дрозофилам с дефектом дыхательной цепи выработать АТФ 5-аминолевулиновая кислота помогла дрозофилам с дефектом дыхательной цепи выработать АТФ

Открытие, которое может помочь в лечении митохондриальных нарушений

N+1
Квантовые компьютеры Квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры: как они появились и как устроены сейчас

Наука и жизнь
Тонкий вопрос: почему медики и ученые сомневаются в объективности индекса массы тела Тонкий вопрос: почему медики и ученые сомневаются в объективности индекса массы тела

Из рабочего инструмента оценки здоровья ИМТ превратился в орудие фэтшейминга

Forbes
Астрономы используют дипфейки, созданные ИИ, для исследования солнечной атмосферы Астрономы используют дипфейки, созданные ИИ, для исследования солнечной атмосферы

Как созданные ИИ изображения помогают исследовать корональный солнечный дождь

ТехИнсайдер
Стивен в стране кошмаров: 20 лучших экранизаций короля ужасов Стивена Кинга Стивен в стране кошмаров: 20 лучших экранизаций короля ужасов Стивена Кинга

Для поклонников Стивена Кинга собрали 20 его экранизаций

Правила жизни
Восточные горизонты: почему российские предприниматели выбирают ОАЭ Восточные горизонты: почему российские предприниматели выбирают ОАЭ

Что привлекает российских предпринимателей в ОАЭ?

Правила жизни
«Ситуация ухудшается для таких, как я»: интервью публициста Александра Архангельского «Ситуация ухудшается для таких, как я»: интервью публициста Александра Архангельского

Александр Архангельский рассказал, можно ли продолжать преподавать в России

Forbes
Почему так трудно распознать биполярное расстройство: две реальные истории Почему так трудно распознать биполярное расстройство: две реальные истории

Биполярное расстройство: как не спутать его с другими болезнями?

Psychologies
Как сооснователи банка «Точка» строят чат-бот для бизнеса в Великобритании Как сооснователи банка «Точка» строят чат-бот для бизнеса в Великобритании

Борис Дьяконов и Эдуард Пантелеев и их финтехстартап в Великобритании

Forbes
Почему даже летом мы умудряемся простужаться? Почему даже летом мы умудряемся простужаться?

Как это нам удается простудиться летом и как себя защитить от болезни

ТехИнсайдер
«Папа пробрался в шоу-бизнес лучше мамы»: дочь Глюкозы рассказала, кто помогает ей в карьере «Папа пробрался в шоу-бизнес лучше мамы»: дочь Глюкозы рассказала, кто помогает ей в карьере

16-летняя дочь Глюк’оZы пошла по ее стопам

VOICE
От театрофона до AirPods: как появились первые наушники От театрофона до AirPods: как появились первые наушники

Когда-то люди платили, чтобы успеть поймать отрывок из оперы...

ТехИнсайдер
Открыть в приложении