История открытия бензола
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В 1865 году выдающийся немецкий химик Август Кекуле после долгих и мучительных поисков установил первую структурную формулу бензола. Это открытие было исключительно важным: в первом приближении раскрылось строение молекулы бензола, а вместе с ним и всех его производных, играющих чрезвычайно существенную роль в органико-химическом производстве. Этот класс органических веществ (ароматических) долгое время упорно не поддавался теории химического строения. И только благодаря открытию Кекуле этот научный бастион был взят.
Много изменений претерпела формула Кекуле за прошедшее время, но основа, самый принцип ее построения — ее циклический характер — сохраняется неизменным. Варьировались и, вероятно, еще не раз будут варьироваться лишь ее детали.
Попытаемся теперь проанализировать механику открытия Кекуле и, сравнивав его с другими открытиями, сходными с ним в смысле логического построения, выяснить некоторые общие пути научного творчества.
В чем же состоит решающий этап научного открытия?
Суть открытия Кекуле
Еще в 50-х годах XIX века Кекуле установил три важных теоретических положения, касающихся строения органических (углеродистых) соединений:
1) четырехвалентность углерода (С).
2) способность атомов углерода соединяться между собою и образовывать открытые цепи.
На основе этих положении в 1861 году А. М. Бутлеров создал теорию химического строения. Ей подчинился весь ряд жирных соединений. Но вот ряд ароматических соединений, казалось бы, выпадал из круга новых представлений. Простейший и важнейший его представитель — бензол — обнаруживал странную особенность: его молекула состояла из шести атомов углерода и шести атомов водорода, причем все его монозамешенные не давали изомеров. Другими словами, какой бы водород в бензоле ни был замещен, скажем, на хлор (при хлорировании бензола) или на нитрогруппу (при его нитровании), в итоге всегда получался один и тот же хлорбензол или один и тот же нитробензол.
Это означало; что у бензола все шесть атомов водорода совершенно одинаковы между собой в отличие, например, от пентана, где при замещении одного водорода на хлор могут образоваться три разные изомеры.
Все попытки представить строение бензола, исходя из принятых уже теоретических положении, кончались безрезультатно. Если есть шесть атомов углерода, то, очевидно, 18 единиц валентности идут у них на взаимной их насыщение, а остальные 6 единиц — на соединении с шестью атомами водорода.
Однако легко заметить, что во всех этих случаях не выполняется условие равноценности всех шести атомов водорода в молекуле бензола, поскольку атомы водорода, стоящие у атомов углерода внутри цепи, всегда будут отличны от атомов водорода, стоящих у атомов углерода по ее краям. Тем не менее решение задачи химико-органики, в том числе и сам Кекуле, упорно искали в плоскости того или иного цепеобразного строения бензола.
Сила инерции мысли была настолько велика, что догадка о возможности в принципе иного строения соединений, кроме цепочного, даже не зарождалась. Однажды, находясь в Лондоне, Кекуле ехал в омнибусе и по обыкновению думал о строении бензола. Случайно его внимание было привлечено клеткой с обезьянами, которых везли куда-то в цирк или зверинец. Обезьяны прыгали, сцеплялись друг с другом лапами, образуя как бы иные кольца. И тут же у Кекуле родилась ассоциация: обезьяны — атомы углерода, их лапы — валентности, которыми атомы сцепляются между собой, а их хвосты — те свободные валентности углерода, которые насыщаются водородом. Главной же была сама идея: атомы углерода могут образовывать замкнутые цепи! Именно этим и был прорван закрепившийся круг представлений о том, что соединение атомов углерода может быть лишь одним — цепеобразным.
Как только возникла новая идея об углеродном кольце, так немедленно пришло и самое решение задачи, столь долго мучившей умы химиков. В самом деле, надо сразу принять, что, по крайней мере, две единицы валентности у каждого атома углерода идут на образование связей с соседними атомами углерода в кольце бензола (это, как минимум, необходимо для того, чтобы могло образоваться кольцо); третья ее единица у каждого углерода, очевидно, должна идти на соединение с водородом.
Четвертая единица валентности остается пока еще не связанной. Однако, учитывая способность углерода образовывать двойные связи, легко допустить, что оставшиеся свободными 6 единиц валентности у углерода взаимно попарно насыщаются и образуют три двойных связи, чередующихся с тремя ординарными. Отсюда выводится окончательная формула. Получалась строгая шестиосная симметрия для всех шести атомов углерода, а значит, и полная равноценность всех шести атомов водорода.
Так было сделано одно из самых замечательных открытий в истории органической химии. Позднее были предложены варианты этой формулы, пытавшиеся устранить ее недостатки, но все они в основе своей имели формулу Кекуле.
Автор: Б. Кедров.