Чудесная молекула: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В молекуле бензола каждый атом углерода окружен только тремя соседними атомами. Поскольку атомы водорода могут образовывать только одну простую связь, каждый атом углерода в кольце должен быть соединен с одним из соседних атомов углерода двойной связью. Тогда для молекулы в целом имеются два возможных варианта, которые представлены на рисунке и которые были открыты немецким химиком Кекуле в 1867 г. Но молекула бензола не решается принять одну из этих возможных форм. Такое колебание между двумя химическими структурами, которое американский химик Полинг назвал резонансом, служит фактором стабильности. В действительности молекула выбирает промежуточную структуру: все углерод-углеродные связи бензола имеют одинаковую длину. Они длиннее двойной, но короче простой связи.

Молекула бензола колеблется в выборе между этими двумя структурами

Особенности геометрии молекулы бензола находят свое глубокое объяснение в природе удобных волн этой молекулы, которые устроены так же, как и волны в молекуле этилена. Прежде всего с помощью волн-лепестков образуются в молекуле шесть периферических углерод-углеродных связей. Затем остающиеся волны-восьмерки по одной на каждом атоме углерода, соприкасаясь друг с другом, создают еще шесть волн, которые охватывают всю молекулу. Так же как и при встрече двух атомных волн, образуется одинаковое число удобных (три) и неудобных (три) волн. Проследите за гребнями или впадинами таких удобных волн: они лентой вьются вокруг нескольких атомов. В одной из волн гребень образует полный круг. В двух других гребень имеет меньший размер и разделен на два участка зоной покоя.

Три удобные волны-ленты в молекуле бензола. В каждой содержится по электронной паре

Первая из трех волн самая удобная. Действительно, чем большую протяженность имеет гребень волны, тем она удобнее, так как у длинных волн уменьшается число резких переходов от гребня к впадине, сопровождающихся появлением зон покоя между атомами углерода. В отличие от первой удобной волны молекулы бензола в двух других волнах такой резкий переход существует. В каждой из трех удобных волн находится электронная пара. В принципе эти три пары могут сформировать три двойные связи в молекуле. Но так же как молекула колеблется в распределении своих трех связей, три удобные пары служат в равной степени укреплению шести углерод-углеродных связей.

5.3. Правило 2, 6, 10

Если молекула бензола так устойчива, то чем же объяснить неустойчивость молекулы циклобутадиена, представляющей собой правильный квадрат? Почти сто лет химики искали это вещество, и им удалось его выделить на очень короткое время лишь при очень низких температурах. Однако его можно стабилизировать атомами металла в виде супермолекулы циклобутадиентрикарбонила железа, похожей на молекулы-сэндвичи, о которых мы рассказывали выше.

Молекула циклобутадиена очень неустойчива, устойчивой она может стать только в супермолекулах, например в циклобутадиентрикарбониле железа

Все это говорит о том, что жизнь молекул управляется очень тонкими законами. Исполнителями этих законов служат электроны и их волны. Один из основных законов касается стабильности молекул, он позволяет или не позволяет ансамблю атомов построить устойчивое здание. Закон требует, чтобы электронные пары занимали только удобные волны. Так это было в молекуле бензола, а раньше мы это видели на примере молекул водорода, метана и этилена. И напротив, в молекуле циклобутадиена с двумя электронными парами в волне-ленте только одна из них находит подходящую удобную волну. Вторая же должна довольствоваться волной, у которой характер серединка наполовинку — ни совсем удобный, ни совсем неудобный. Заселение этой "безликой" волны и приводит к малой стабильности молекулы.

Неустойчивость молекулы циклобутадиена вызвана присутствием электронной пары в 'безликой' волне-ленте, где удобные и неудобные свойства уравновешены

Различие между бензолом и циклобутадиеном иллюстрирует химическое правило 2, 6, 10, которое гласит, что среди молекул, атомные волны которых соприкасаются гребнями, образуя волну-ленту, устойчивы лишь те, которые имеют 2, 6, 10... электронов, или 1, 3, 5... электронных пар!

5.4. Запрещенные и разрешенные реакции

Сблизим две молекулы этилена. Поскольку в них атомы углерода владеют совместно двумя связями и двумя парами, представим себе, что каждая молекула отказывается от одной связи и от одной пары. Освободившиеся при этом две электронные пары могли бы создать две связи между молекулами. Так получилась бы хорошо известная молекула циклобутана. Тем не менее эта реакция не идет даже при очень сильном нагревании.

Эта реакция не может произойти: две молекулы этилена встречаются и расходятся без изменений

А теперь к одной из таких же молекул этилена приблизим молекулу бутадиена, скелет которой содержит четыре атома углерода и две двойные связи, т.е. две пары электронов в волнах-лентах. На этот раз даже при слабом нагревании молекулы соединяются легко, и образуется молекула циклогексена с шестью атомами углерода и одной двойной связью. Эта реакция называется реакцией Дильса-Альдера в честь открывших ее немецких ученых. Особую ценность она представляет для химического синтеза многочисленных циклических молекул, поскольку эта реакция легко приводит к образованию колец из атомов.

Эта реакция протекает легко: при встрече молекулы этилена с молекулой бутадиена образуется новая молекула циклогексена

Несомненно, читателю покажется поразительной аналогия, которую можно провести между удавшейся реакцией образования шестизвенного кольца из трех электронных пар и стабильностью молекулы бензола, с одной стороны, и неудавшейся реакцией образования цикла из четырех атомов и нестабильностью молекулы циклобутадиена, с другой.

5.5. Закон, управляющий развитием волн