Чудесная молекула

Могут ли две удобно связанные между собой волны-восьмерки реагировать с третьей? Ответ будет положительным, если удобная ситуация сложится на обоих концах, и отрицательным, если хотя бы с одной стороны ситуация будет неудобной

 

Свойства трех волн-восьмерок атома углерода, главного атома органических молекул, связаны преимущественно с этим сосуществованием. Например, зададим себе такой вопрос: могут ли две волны-восьмерки, непосредственно связанные между собой удобным образом (как во внешней волне двойной связи), образовать связь с волной-восьмеркой, принадлежащей третьему атому? Следует ответить утвердительно, если эта третья волна направлена своим гребнем одновременно к обеим другим волнам. И ответ будет отрицательным, если ее гребень направлен к одной волне, а впадина — к другой. В этом последнем случае зона покоя новой волны расположилась бы между атомами, что сделало бы волну неудобной и свело бы на нет благоприятный характер волны, образующейся на другом конце. Этот пример хорошо иллюстрирует, насколько важна точность ориентации реагирующих молекул для того, чтобы реакция могла произойти.

Может ли быть успешной реакция замыкания цепи волн-восьмерок? Ответ зависит от числа волн в цепи

 

Еще один вопрос: могут ли две волны, соединенные цепочкой волн-восьмерок, удачно прореагировать, приблизившись друг к другу, чтобы замкнуть цепь? И опять ответ будет положительным или отрицательным в зависимости от числа волн в цепи, как это хорошо видно из рисунка. Таким образом, становится понятным, что возможность существования или устойчивость молекул могут сильно меняться даже в ряду родственных систем. Необходимость замыкания цепи волн благоприятным образом будет продемонстрирована в дальнейшем.

5.2. Волны в виде лент

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