Страница 21 из 52
Что же такое квантовая химия и биология? Почему они появились на свет? Что нового внесли в классический язык букв и черточек? Какие горизонты распахнули перед человечеством?
…Немало диковинок встречается в мире молекул. С затейливыми названиями. С редкостными свойствами. С увлекательной биографией. Но эти…
Их называют так: соединения с сопряженными связями. Теми самыми, что придают молекулам полимеров необычные свойства. Сверхпроводников, например. Полупроводников. Магнитов. Связями, которые вот уже без малого сто лет интригуют ученых своей загадочностью. А началось все с простенького архитектурного сооружения, простенького, но куда более необычного, чем брюссельский «Атомиум».
Забегая вперед, можно сказать, что между «Атомиумом» и архитектурным сооружением Кекуле есть прямая аналогия: оба они «металличны».
Это сооружение воздвигли не из металла. Даже не из камня.
Из чернильных черточек на бумаге. И оно поначалу вовсе не поражало воображение ни вычурностью архитектуры, ни грандиозными масштабами. Напротив, то был крохотный незатейливый шестиугольник. Единственной достопримечательностью его было чередование двойных и единичных линий, обрисовывавших стороны плоской фигуры. Но именно эта деталь и смутила вскоре химиков.
Да, химиков, ибо автором шестиугольной конструкции был не зодчий. Правда, Фридрих Август Кекуле, профессор Гентского университета, смолоду и в самом деле собирался посвятить себя архитектуре. Но, к счастью, судьба распорядилась иначе. Он стал архитектором от химии, талантливым конструктором молекулярных формул. И шедевром зодческого искусства Кекуле по праву считается шестиугольная формула бензола, опубликованная им в 1865 году.
Шедевром? Искусства? Но к чему этот выспренний «штиль»? Любой старшеклассник изобразит вам пространственную схему дюжины куда более сложных соединений! И даже досконально объяснит, почему и куда должны быть направлены черточки в любой сложной структуре. Объяснит, жонглируя понятиями «валентность», «электронная конфигурация», «сопряженные связи».
Порой нам и невдомек, что многие азбучные истины, которые любой школьник затвердит в один присест по четким абзацам учебника, в свое время оказались величайшим научным откровением, принятым после длительных споров. Сто лет назад таким откровением стала теория химического строения. Она была изложена казанским профессором Бутлеровым всего лишь за четыре года до появления на свет формулы Кекуле. Формулы, которая вполне могла и не появиться на свет, если бы Кекуле не пришел к тем же взглядам, что и Бутлеров. Ибо в те времена оживленно дискутировался даже такой ясный для нас вопрос: а можно ли вообще изобразить строение вещества единой формулой?
Мы знаем: водород одновалентен. Иными словами, может вступать в химическую связь только с одним атомом. Эта единичная связь изображается черточкой. Валентность углерода равна четырем. Значит, каждый его атом располагает набором из четырех связей-черточек. Весь комплект штрихов в случае бензола расходуется на установление межатомных контактов между шестью атомами C и столькими же атомами H. Простенькая геометрическая комбинация! А в те годы, когда Кекуле принялся возводить свою знаменитую архитектуру, валентный штрих был непроверенным нововведением.
Поначалу строительство шло гладко. Как говорится, без сучка и задоринки. Кекуле отлично знал, что в бензольной цепочке все атомы углерода равноценны. Ага, рассуждал он, цепочка не может быть разомкнутой. Иначе краевые звенья отличались бы по химическим свойствам от тех, что в середине. И вот на свет появился замкнутый цикл. Шестичленное кольцо, в котором ординарные и двойные связи между атомами углерода чередуются. Ради краткости в формуле латинские символы углерода и водорода, а также штрихи, обозначающие связь между C и H, опускаются. Получается голый скелет, составленный из CC связей. И надо же было так случиться, что скелет оказался призраком!
Читатель! Чувствуя собственное превосходство, не забывай: своей эрудицией ты обязан и ошибкам на которых учились наши предки.
Формула бензола стала величайшим откровением своего времени и наряду с этим… величайшим заблуждением. «В бензоле нет обычных двойных связей», — напишет вскоре Кекуле, чтобы тем самым поставить перед наукой проблему, которая неразрешима в рамках классической теории химического строения.
Да, чередование одиночных и двойных штрихов в бензольном кольце оказалось фикцией. В физическом смысле слова. Правда, фикцией удобной — в химическом смысле слова. Настолько удобной, что органики до сей поры используют в своих длинных выкладках элегантную конструкцию Кекуле. Что ж, химикам вполне достаточно, что формула наглядно отражает картину целочисленных межатомных взаимоотношений при любых превращениях бензола, наблюдаемых в пробирке. И впрямь: к чему экспериментаторам вдаваться в физический смысл валентного штриха? Но дотошным химикам-теоретикам, а особенно физикам… Не счесть, сколько хлопот доставила им структура Кекуле!
С одной стороны, формула вроде бы правильна. Во-первых, потому, что в ней действительно присутствуют три двойные связи. Доказательство? Пожалуйста: бензол присоединяет ровно шесть атомов водорода — по паре на каждую двойную связь, разрывающуюся в процессе реакции. Во-вторых, двойные связи чередуются. Это подтверждается тем, что, бензол можно получить из трех молекул ацетилена HC = HC.
Каждая из них напоминает шейку трехструнной балалайки. Представьте, что у всех трех инструментов лопнуло по одной струне. Осталось три грифа с двумя струнами и с двумя обрывками каждый. Нетрудно соединить теперь обрывок струны одной балалайки с обрывком другой. Два обрывка, скрепленных воедино, — модель ординарной связи. Совершенно очевидно, что связанные струны оказались между двухструнными балалайками. Так что никуда не денешься: ординарные и двойные связи в бензоле должны чередоваться…
Должны… Но чередуются ли?
Есть такое вещество — ортодихлорбензол. Его получить несложно — стоит только на две соседние вершины бензольного шестиугольника «посадить» по атому хлора взамен атомов водорода. Если справедлива формула Кекуле, то возможны два варианта структуры ортодихлорбензола:
когда между атомами хлора заключена двойная связь и когда между ними связь ординарная.
Химический состав один. А физические свойства должны разниться! Хотя бы ненамного. Между тем известен лишь один-единственный тип ортодихлорбензола. Выходит, ординарная и двойная связь равнозначны? Но это же противоречит фундаментальнейшему положению бутлеровской теории химического строения! Да и разговоры о чередовании утрачивают всякий смысл…
Химики заметались, мучительно отыскивая выход из тупика. Дьюар предложил симметричную структуру бензола, в которой одна из связей соединяла не соседние, как у Кекуле, а противолежащие вершины. Посыпались формулы с перекрестными валентными штрихами:
Была даже предпринята попытка вырваться из плоскости и возвести объемную архитектуру в виде трехгранной призмы с атомами углерода в шести ее вершинах. Но, увы, все поползновения сохранить целочисленность межатомного взаимодействия, приписываемую валентному штриху, оставались тщетными. Новые постройки грешили еще более уродливыми несообразностями, чем классическая конструкция Кекуле…
Тогда Тиле, коллега и соотечественник Кекуле, отвергнув табу целочисленности, нарисовал внутри бензольного шестигранника пунктирную оторочку. Взяв от каждой двойной связи по одному валентному штриху, он расщепил их на шесть половинных!
В лицо теории строения был брошен прямой вызов. Но, увы, робкая догадка Тиле опиралась всего лишь на зыбкую почву интуиции.
А Кекуле? Родительская слепота не мешала ему видеть пороки своего детища. Сомнения привели ученого к осцилляционной гипотезе. Дескать, двойные и единичные штрихи непрерывно меняются местами. И реальное состояние бензола — дрожь, непрерывная вибрация сопряженных связей. Иными словами, мгновенные превращения прежней формулы Кекуле в ее зеркальное отображение: