Чому одні речовини стають м "якими, а інші твердішають? Одні набувають пружності, а інші - крихкість? Нарешті, якими були люди, які зробили найбільші відкриття в хімії, і яку роль в їхньому успіху зіграв елемент випадковості? У книжці "Лабораторія хімічних історій. Від електрона до молекулярних машин "(видавництво" Альпіна нон-фікшн ") фахівець у полімерній та елементоорганічній хімії Михайло Левицький відповідає на ці та інші питання, розповідаючи про основні етапи розвитку, найбільш видатні дослідження та досягнення хімії. Пропонуємо вам ознайомитися з фрагментом, присвяченим фероцену - сполукою, яка розширила розуміння про природу хімічного зв'язку.
Нові грані фероцену
У 1952 р. було синтезовано сполуку, яка здивувала весь хімічний світ і стала на чолі нового розділу науки - хімії - комплексів перехідних металів. Атом заліза знаходиться між двома паралельно розташованими циклопента дієновими молекулами, при цьому вся конструкція схожа на сендвіч. З "єднання було названо фероценом. На рис. 8.1 показано різні способи зображення молекули.
Найбільш незвичайне полягає в тому, що атом металу взаємодіє не з одним конкретним атомом вуглецю, а з усіма атомами вуглецю в обох органічних молекулах. Це новий тип хімічних зв'язків, названих лід-комплексними. Таку назву вибрано тому, що в освіті зв'язків беруть участь - електрони, і при їх взаємодії утворюються - зв'язки. Поява фероцену помітно розширила наші уявлення про природу хімічного зв'язку. Роль циклопентадієна стає зрозумілою, якщо розглянути стадії синтезу фероцену.
На першій стадії циклопентадієн реагує з металевим натрієм. Атом водню у фрагменті СН2 циклопентадієнильного кільця заміщається на натрій. Відбувається наступне: водень відривається у вигляді протона Н +, залишаючи біля атома вуглецю свій електрон. В результаті у вуглецю тепер знаходяться два електрони, і циклічна молекула набуває негативного заряду (рис. 8.2а). Натрій віддає свій електрон протону, і водень виділяється у вигляді нейтральної молекули Н2, а сам натрій стає катіоном (рис. 8.2б).
Утворена сполука циклопентадієнлнатрій складається з аніону і катіону. Зв'язок натрію з циклом іонного типу - як у хлориді натрію. Але головне - те, що у циклопентадієнльного кільця тепер є шість -електронів: чотири від двох подвійних зв'язків і ще два електрони у реагуючого атома вуглецю. Всі ці електрони об'єднуються в єдину шестиелектронну хмару. Прості і кратні зв'язки усереднюються подібно до того, як це відбувається в бензолі, що позначають кільцевою лінією всередині циклу (рис. 8.2в). Циклопентадієнлнатрій, що утворився, реагує далі з галогенідом двовалентного заліза з утворенням фероцену (рис. 8.2г)
Природа хімічного зв'язку у фероцені пояснюється наступним чином. З'єднання розглядається як комплексне, де в утворенні зв'язку з залізом беруть участь всі - електрони циклопентадієнильних кілець, утворюючи координаційні зв'язки з вільними орбіталями іона металу. Нагадаємо, що орбіталь - це просторова область найбільш імовірного розташування електрону. Таким чином, це - комплекс (термінологія запозичена з координаційної хімії), атом заліза називають центральним атомом, циклопентадієнильні кільця - лігандами (лат. - «зв'язувати»).
Фероцен легко і природно вписався в структуру органічної хімії ароматичних сполук. Каркас фероцену виключно стійкий і не змінюється в процесі більшості реакцій. Він бере участь тільки в реакціях заміщення атомів водню в циклопентадієнильних кільцях, а реакції приєднання для нього досить ускладнені. Це типові ознаки ароматичних систем, причому ароматичні властивості у фероцена проявляються набагато більш виразно, ніж у звичайних ароматичних систем. Можна сказати, що він «більше бензол, ніж сам бензол».
Отримано сендвічеві сполуки більшості перехідних металів (рис. 8.3а), а також «багатопалубні» сполуки (рис. 8.3б). Бензол, як і циклопентадієн-аніон, теж містить шість -електронів, об'єднаних в єдину сполучену систему, і тому він не «упустив можливості» взяти участь у створенні подібних молекул (рис. 8.3в).
Фероцен виявився не тільки найпершим представником нового класу сполук, але і в певному сенсі найкращим. Дивовижно точний збіг геометрії - електронних орбіталів циклопентадієнильних кілець і орбіталів іона заліза забезпечив його виключно високу стабільність, що призвело до найбільш інтенсивного вивчення саме цього з'єднання.
Хімія фероцену вивчена досить детально, і настав час продемонструвати його корисні властивості при розробці нових матеріалів. Створення матеріалу являє собою отримання речовини або суміші речовин, з яких виготовляють вироби з певними властивостями, що наприклад володіють механічною міцністю, електропровідністю, теплопровідністю, світловідбивною здатністю, теплостійкістю тощо. Часто потрібно, щоб у матеріалі поєднувалися різні властивості.
Сучасний підхід до створення нових матеріалів передбачає, що в процесі роботи вони можуть реагувати на зовнішні впливи (температура, тиск, дія хімічних реагентів), змінюючи свої властивості. Причому такі зміни повинні бути обратими - тобто при припиненні впливу колишні властивості повинні відновлюватися. У результаті з'являється можливість контролювати властивості матеріалу зміною зовнішніх умов. Саме такими якостями володіють так звані «розумні» матеріали, в англомовній літературі - smart materials. Далі ми розповімо про роботи професора Д. А. Леменовського (р. 1946) і професора С. З. Вацадзе (р. 1967) спільно зі співробітниками Московського державного університету ім. м. М. В. Ломоносова.
Детальніше читайте: . Лабораторія хімічних історій. Від електрону до молекулярних машин/Михайло Левицький. - М.: Альпіна нон-фікшн, 2022. - 352 с. - (Серія «Книги Політеху»).