Уровень структурной химии

Структурная химия исследует специфику химических структур молекулы, макромолекулы, монокристалла и формирует неизвестные ранее возможности качественного и целенаправленного влияния на преобразование вещества. Еще французский химик Ш. Жерар (1816—1856) отмечал, что различные атомы, образуя молекулу, известным образом преобразуют друг друга, но он не мог показать механизма такого преобразования.

Немецкий химик Ф. Кскуле (1829—1896) выявил связь структуры с понятием валентности (от лат. valentia — сила, способность) химического элемента — «способности его атомов соединяться с другими атомами в определенных отношениях»^[1][2]. Выделяют одно-, двух-, трехи четырехвалентные химические элементы.

В 1857 г. Ф. А. Кекуле показал, что углерод четырехвалентный, а это позволяет присоединять к атому углерода четыре элемента одновалентного водорода. В 1865 г. Кекуле публикует работу, описывающую строение бензольного кольца, — C_cH_G. По легенде, во сне он увидел хоровод обезьянок, взявшихся за руки, и поэтому сумел построить структуру бензольного кольца из шести атомов углерода. На основе представлений о валентности возникли те структурные формулы, которыми сегодня пользуются при изучении химии, особенно органической.

Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов и тем самым — управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами. Но именно это и составляет важнейшую задачу химической науки^[3].

Информация к размышлению

Структура играет важную роль и в неорганической химии. Так, известны шесть кристаллических модификаций углерода.

Карбип — искусственно полученный порошок, кристаллическая структура которого образуется посредством длинных цепочек атомов углерода, расположенных параллельно друг другу.

Лонсдейлит обнаружен в метеоритах и получен искусственно.

Фуллерены обнаружены в 1980;х гг. и представляют собой шарообразные молекулы С₆₀ или молекулы С₇₀, по форме близкие к дынеобразному мячу для регби. Поверхность молекул состоит из пятии шестиугольников, образованных атомами С (углерода), внутри молекулы полые. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза — куб с четырьмя дополнительными атомами, расположенными внутри куба. Атомы углерода образуют прочные ковалентные связи, направленные под углом 109°28' относительно друг друга, благодаря чему алмаз — самое твердое из известных в природе веществ.

Графен — революционный материал XXI в., самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения, образованный слоем атомов углерода, соединенных в двумерную кристаллическую решетку. Существует углерод с неупорядоченной структурой — аморфный углерод (сажа, кокс, древесный уголь).

По мысли А. М. Бутлерова, структурные формулы отражают реальное строение химических веществ: «Исходя из мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует определенным количеством принадлежащей ему силы (сродства), я называю химическим строением распределение этой силы, вследствие которого атомы … соединяются в частицу»¹.

Перечислим основные положения теории химического строения А. М. Бутлерова.

• 1. Атомы в молекулах соединены в определенной последовательности.
• 2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.
• 3. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их химического строения^[4][5].

А. М. Бутлеров также считал, что по структурной формуле вещества можно делать выводы о его свойствах, и предсказал существование многих органических соединений. Однако, прежде всего, А. М. Бутлерову принадлежит заслуга выявления большой роли той энергии, которая связывает вещества между собой.

Факт из истории науки

Бутлеров выдвинул на первый план представления о химической связи и о «химической энергии», за счет которой атомы объединяются в молекулу. Бутлеров также первым показал, что мало знать валентность химических элементов (по тогдашней терминологии — «количество сродства»):

«От количества сродства необходимо отличать его напряжение, — большую или меньшую энергию, с которой оно связывает вещества между собой… Напряжение это изменяется, смотря по натуре действующих веществ и по условиям, при которых действие происходит»^[6].

Развитием структурной химии стала стереохимия (от греч. stereos — пространственный) — учение о пространственном расположении атомов в молекулах и влиянии его на химические свойства, а также на направление и скорость реакций (динамическая стереохимия). Некоторые молекулы (оптические изомеры) вращают плоскость поляризации света в направлении, противоположном тому, в котором сто вращают другие молекулы. При этом и первые, и вторые являются молекулами одного типа и состоят из одинакового числа атомов. Я. Г. Вант-Гофф (1852—1911) предположил, что оптическая активность органических соединений связана с их асимметрической молекулярной структурой. Существуют молекулы, идентичные по химическому составу, но являющиеся зеркальным отображением друг друга по структуре, что и объясняет различия в оптических свойствах.

Число изомеров (различных структур при единстве состава) особенно велико у органических веществ. Характерными являются предельные углеводороды (алканы). Если у пентана С₅Н₁₂ существует лишь три изомера, то у декана С₁₀Н₂₂ — 75, а у пентадекана С₁₅Н₃₂ — 4347. Начиная с С₁₆₇Н_ззб число изомеров превышает число элементарных частиц в видимой части Вселенной.

Идеи структурного строения были приняты далеко не сразу. Так, немецкий химик А. В. Кольбе счел принципиально невозможным выяснение химического строения молекул, а работу Я. Г. Вант-Гоффа он назвал «фантастической чепухой, напрочь лишенной какого бы то ни было фактического основания и совершенно непонятной серьезному исследователю»^[7].

К 1860−1880 гг. на основе достижений структурной химии формируется промышленность органического синтеза. Стало возможным дорогие естественные вещества, полученные из редких растений, заменять гораздо более дешевыми синтетическими веществами и материалами. Так, для получения анилиновых красителей, в частности, ализарина и фуксина, использовались аммиак и каменноугольная смола. Позднее методами органического синтеза были получены взрывчатые вещества — тротил, тринитрофенол. Органический синтез стал важным средством получения лекарственных препаратов: аспирина, уротропина, антипирина. Успехи органического синтеза стали основанием для оптимистических заявлений о том, что химики могут все. В частности, к началу XX в. было получено уже более 1200 синтетических органических красителей.

Казалось бы, структурная химия наглядно и верно указывает пути синтеза различных углеводородов. Однако в условиях химического производства многие реакции показывали весьма низкую эффективность: выход необходимого продукта был весьма мал, а отходы в виде побочных продуктов — слишком велики. Зачастую трудно управлять технологическим процессом. К тому же в качестве сырья для органического синтеза вначале использовались дорогостоящие сельскохозяйственные продукты.

Информация к размышлению

Способностью соединяться в длинные цепочки (полимеры) обладают атомы углерода, с которыми соединены несколько атомов водорода, — углеводороды. Если в такой молекуле менее пяти атомов углерода, то вещество обычно газ (например, бутан С₄И₁₀); от 5 до 11 атомов углерода — уже жидкости (например, пентан С₅Н₁₂); более 12 атомов углерода — твердые вещества (например, парафин гексадекан С₁₆Н₂₄). Цепочки из десятков и сотен тысяч атомов углерода образуют высокопрочные пластические вещества (например, полиэтилен).

Так, в 1928 г. русский химик С. В. Лебедев (1874—1934) открыл метод получения искусственного каучука из дивинила, синтезируемого из этилового спирта. Однако полезный выход имела лишь третья часть спирта, все остальное шло в отходы. На повестку дня стал вопрос эффективного управления химическими реакциями на основе углубления знаний о природе химических процессов.

• [1] Подробнее см.: Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия — основа новых материалов //Химия и жизнь.
• [2] Глинка Н. Л. Общая химия. С. 33.
• [3] На рубеже XX—XXI вв. еженедельно в мире синтезировалось не менее 10 тыс. новыхорганических веществ.
• [4] Цит. по: Серая Н. Бутлеров Александр Михайлович // Жас талап-KZ. 2011. № 2(11).С. 41.
• [5] Подробнее см.: Глинка Н. Л. Общая химия. С. 110.
• [6] Бутлеров А. М. Соч. Т. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1953. С. 72.
• [7] Kolbe II. Zeichen der Zeit //Journal fur praktische Chemie. 1877. Bd. 14. S. 268.