Чудесная молекула

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

Американские химики Вудворд и Хофман обратили внимание на различие между двумя предыдущими реакциями и установили его причину, сравнив волны исходных веществ и волны продуктов реакции.

Реакция между двумя молекулами водорода запрещена: сравните волны исходных молекул и удобные волны продукта реакции (если бы такой существовал). В исходных реагентах волны атомов слева и справа одинаковы (симметричны). Одна из волн гипотетического продукта является антисимметричной — между ее левой и правой частями расположена зона покоя

 

Это сравнение, весьма сложное для упомянутых реакций, мы хотим проиллюстрировать здесь на примере встречи двух молекул водорода, которые захотели бы образовать молекулу, составленную из четырех атомов водорода (такая реакция запрещена). В исходных молекулах обе волны, занятые электронными парами, со всех сторон похожи друг на друга. Про такие волны говорят, что они симметричны. В противоположность этому в продукте реакции правая часть одной из волн представляет собой гребень, а левая — впадину, разделенные посередине зоной покоя, т. е. такая волна антисимметрична.

Значит, в результате реакции изменилось бы важнейшее свойство удобной волны-симметрия. Такое изменение и внезапное появление зоны покоя, которой до этого не было, равноценны разрыву электронной пары в волне. А поскольку такой разрыв противоречит заповеди, о которой мы говорили выше, реакция будет запрещена.

Таким образом, в химических реакциях, как это показали Вудворд и Хофман, во избежание разрыва электронной пары симметрия удобной волны должна сохраняться.

5.6. Змея, кусающая себя за хвост

Если молекуле бутадиена дать дополнительную энергию, она может реагировать сама с собой, и в результате замкнется цепочка из четырех атомов углерода. Образуется новая молекула-молекула циклобутена. Для того чтобы сделать это, нужно заставить атомы водорода на концах цепи повернуться так, чтобы волны-восьмерки, принадлежащие концевым атомам углерода, оказались друг против друга. Тогда они смогут перекрыться и образовать новую удобную волну.