Лев Власов - Занимательно о химии

Среди его работ есть небольшое исследование. В нем сообщается о приготовлении простого химического соединения — гидрата хлора. Здесь к молекуле хлора присоединялось шесть молекул воды: Cl2 · 6H2O.

Дэви тщательно изучил свойства этого вещества. Но так и не узнал, что получил соединение совершенно нового типа. Соединение, в котором отсутствует химическая связь.

В этом убедились химики двадцатого столетия. Они пытались объяснить существование гидрата хлора с помощью современных представлений о валентности. И безуспешно: вещество оказалось крепким орешком.

И далеко не единственным.

Десятилетиями химики искали ответа на вопрос: так ли уж безнадежно инертны инертные газы или все-таки их можно заставить вступить в химическое взаимодействие? Мы с вами уже знаем, чем все кончилось. Но пока дело решалось, ученым удалось приготовить несколько гидратов аргона, криптона, ксенона и радона.

И в них обычная химическая связь отсутствовала. Между тем многие из них сравнительно прочные вещества.

Новую загадку загадало химикам простое органическое соединение, называемое мочевиной. Она охотно объединялась со многими углеводородами и спиртами. Эта странная «дружба» вызывала удивление: какие силы влекут друг к другу молекулу мочевины и спирта? Какие угодно, только не химические…

Как бы там ни было, новый класс соединений — веществ без химической связи — разрастался с пугающей быстротой.

Но оказалось, что в этом нет ничего сверхъестественного.

Две молекулы, вступающие в союз, неравноправны. Одна вступает как хозяин, другая же «приходит в гости».

Молекулы-хозяева образуют кристаллическую решетку. В решетке всегда есть пустоты, полости, не занятые атомами. В такие пустоты и входят молекулы-гости. Однако гостеприимство в данном случае довольно оригинальное. Пришельцы надолго засиживаются в гостях у хозяев, поскольку просто так не могут покинуть полости кристаллической решетки.

Так, молекулы газов хлора, аргона, криптона и других попадают, как в западню, в пустоты кристаллической структуры воды.

Химики называют теперь эти и ряд других веществ без химической связи между разными молекулами клатратнымй (или клеточными) соединениями включения.

Называются эти вещества катенанами. От латинского слова «катена», что означает цепь.

Ну что ж: цепь так цепь. Кого этим удивишь? В словаре химика-органика понятие «цепь» употребляется едва ли не чаще прочих терминов.

Однако цепь цепи рознь. Мы с вами уже имели возможность убедиться, что всякие бывают цепочки — и линейные и разветвленные, подчас весьма хитроумные комбинации цепочек.

Но вдумайтесь: цепь в органических соединениях — понятие образное, но не очень-то строгое. Ведь в обиходе под цепью понимают нечто иное. Ее звенья не скреплены жесткой механической связью, а свободно входят одно в другое.

В сложных органических соединениях циклы как бы «припаяны» друг к другу. Например, три бензольных кольца в антрацене. Вроде бы цепочка из циклов. Цепочка, да не совсем…

Вот химики и стали ломать голову: а нельзя ли соединить отдельные циклы, как два звена сочленяются в обычной цепи? Скажем, так:

Словом, чтобы две циклические молекулы соединялись без участия химической связи, так сказать, чисто механически.

Эта заманчивая идея много лет вызревала в умах ученых. На их стороне была теория. Она не ставила непреодолимых препятствий для задуманного синтеза. Она даже высчитала, из скольких углеродных атомов должны состоять циклы, чтобы они могли сплестись подобающим образом.

У практики же дела долго обстояли не блестяще: на какой-то из стадий процесс синтеза заходил в тупик. И химикам приходилось пускаться на новые ухищрения.

Новое соединение родилось в прекрасный апрельский день 1964 года. Его сотворили два немецких химика, Люттрингхауз и Шилл. Для этого потребовалось двадцать последовательных химических операций, двадцать стадий.

Соединение состоит из двух циклических молекул, связанных друг с другом, подобно звеньям цепи. Одно звено содержит 26, другое — 28 углеродных атомов. Отсюда и столь прозаическое название вещества: катенан 26, 28.

Два сцепленных кольца — это уже вчерашний день катенановой химии. Ученые теперь работают над получением еще более причудливых образований из колец, например такого:

 или такого:

Здесь мы видим модели трехзвенных катенанов. У верхнего среднее звено должно содержать 26 атомов углерода, а крайние — по 20. Для сложного переплетения трех колец (нижний катенан) они должны состоять как минимум из 30 атомов каждое.

Внешний вид старшего в новом семействе — катенана 26, 28 до удивления обычен: белый кристаллический порошок, плавящийся при 125 градусах.

Известны ли катенаны в природе? В ней все целесообразно, она не растрачивает свои способности попусту. Если природные катенаны существуют, они должны выполнять какую-то функцию.

Это-то и предстоит выяснить ученым.

В 1760 году малоизвестный французский химик Кадэ, сам того не подозревая, вошел в историю.

В своей лаборатории он провел (нам неведомо — зачем) вот какой химический опыт.

Кадэ нагрел уксуснокислую соль калия с окисью мышьяка. Что при этом получилось, он так никогда и не узнал. Причиной тому было образовавшееся вещество, которое имело поистине дьявольский характер.

Это была черная густая жидкость. Она дымилась на воздухе. Легко воспламенялась. И в довершение всего обладала совершенно непереносимым запахом.

Жидкость Кадэ изучили лет семьдесят спустя. И обнаружили, что ее главные составные части — мышьяковистые соединения. Соединения в высшей степени своеобразные.

Чтобы это своеобразие оценить, вспомним, что все органические соединения отличаются одной главнейшей особенностью: в их основе лежат цепи из атомов углерода — прямые, разветвленные или замкнутые. Правда, в эти цепи могут вклиниваться атомы некоторых других элементов. Но таких элементов (органогенов) очень немного: кислород, азот, водород, сера, ну еще фосфор.

Мышьяк к ним уж никак не принадлежит.

В состав жидкости Кадэ входило вещество, названное дикакодилом (от греческого слова «какадос» — зловонный). Оно было построено так, что атомы мышьяка прочно затесались между атомами углерода:

Органические соединения, в которых углеродные цепи включают в себя атомы элементов — неорганогенов (металлов и неметаллов), именуют ныне элементоорганическими соединениями (в случае металлов — металлоорганическими).

Стало быть, Кадэ синтезировал первое в мире элементоорганическое соединение.

Теперь подобных веществ известно более 15 тысяч. Элементоорганика, металлоорганика стала большой самостоятельной областью химии. Одной из важнейших ее глав.

Она перекинула мостик между химией органической и химией неорганической. И лишний раз подчеркнула, сколь условно подразделение наук в наше время.

В самом деле, какая же это органика, если ей приходится изучать соединения, где важнейшую роль играют металлы — типичные представители неживой природы?

И напротив, какая же это неорганика, если многие подвластные ей вещества все же во многих своих проявлениях чистейшей воды органические производные?

Особый интерес для науки представляют металлоорганические соединения. Обязательное условие их существования — связь между атомом металла и атомом углерода.

Почти все металлы главных подгрупп Большого дома могут входить в состав металлоорганических соединений.

Свойства этих веществ чрезвычайно разнообразны.

Одни со страшной силой взрываются даже при температурах много ниже нуля. Другие, напротив, обладают завидной термической устойчивостью.

Одни чрезвычайно активны химически, тогда как другие не очень-то подвержены всевозможным внешним воздействиям.

И все до единого ядовиты. Кроме металлоорганических соединений германия. Их безобидность остается пока загадкой.

Диапазон применения элементоорганических соединений чрезвычайно широк и практически неисчерпаем. Где только они не «работают»! С их помощью получают пластмассы и каучуки, изготовляют полупроводники и сверхчистые металлы. Они выступают в роли лекарственных препаратов и средств для борьбы с вредителями растений, они входят в состав ракетных и моторных топлив. Они являются, наконец, ценнейшими химическими реактивами и катализаторами, позволяя проводить многие важные процессы.

В нашей стране сложилась крупнейшая школа химиков-элементооргаников. Ею руководит академик Александр Николаевич Несмеянов. Недавно за свои работы он был удостоен Ленинской премии.