Цены – химические соединения

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

Когда-нибудь об этих соединениях будут много писать. Их имя станет известным широкому кругу читателей, как сегодня известен полиэтилен. Они войдут в наш быт и прочно займут подобающее им место. А сегодня их название знакомо только узкому кругу специалистов, прокладывающих новым веществам дорогу в будущее. Речь идет о новом классе химических соединений — так называемых ценах (разумеется, речь тут идет не о тех ценах, которые из магазина-базара).

Цены — очень молодые вещества. Вы еще не найдете их описания в учебниках органической химии. Они были открыты совершенно случайно. Идя привычной и хорошо изученной дорогой магнийорганических реакций, ученые неожиданно для себя свернули на непроторенную тропинку, которая привела их к получению нового класса химических соединений с необычной связью между метаном и ароматическими кольцами. Этот класс соединений получил название «цены». Их рождение не привлекло к себе особого внимания химиков.

НЕОБЫЧНОЕ СТРОЕНИЕ

В литературе цены часто называют «сэндвичами». Действительно, их строение напоминает строение бутерброда или пирога с начинкой: сверху и внизу — пятичленные углеводородные кольца, в середине — атом металла. «Начинка» может быть самой различной, но наиболее устойчиво железо; тогда соединение называется ферроценом.

Ферроцен представляет собой оранжево-рыжий кристаллический порошок с довольно неприятным запахом. Он летуч; это объясняется тем, что ферроцен так же, как, например, нафталин и камфара, способен испаряться без плавления, то есть возгоняться. Углеводородные кольца ферроцена, между которыми находится железная «начинка», имеют по пять атомов углерода и водорода. Кольца образуют в пространстве так называемую антипараллельную призму. С химической точки зрения цены относятся к ароматическим соединениям: ведут себя так же, как и бензольные кольца. Это в какой-то степени и определило дальнейшую судьбу ферроцена.

Но самое удивительное в его строении — связь железа с кольцами; она совершенно нового типа, и ее даже нельзя изобразить в привычных символах классической химии: атом — черточка — атом. Ведь обычные «валентные штрихи», которыми мы пользуемся еще со школьной скамьи для обозначения химической связи, подразумевают, что в образовании данной связи участвуют два валентных электрона. В молекуле же ферроцена этих двух электронов не набирается.

Каждое пятичленное кольцо вносит в общий «валентный котел» по пять электронов. Итого их набирается 10. Железо «богаче» углерода, и его «пай» соответственно больше — оно дает все свои 8 валентных электронов. В сумме собирается не так уж мало — 18 электронов, участвующих в образовании связи между железом и кольцами. Это количество устойчиво, так как оно соответствует электронной оболочке инертного газа— криптона.

Что же в итоге получается? На каждую связь железо — углерод приходится по… 1,8 электрона! Ясно, что обычной чертой такую связь уже не изобразишь, ее попросту нет. И поэтому говорят о делокализованных связях.

Однако такая неполноценность связей вовсе не означает слабости всей молекулы в целом. Хотя каждая из связей действительно слабее обычной валентной, но в итоге ведь образуется электронная оболочка из 18 электронов, то есть оболочка, обладающая прекрасной устойчивостью. Этим и объясняется очень большая прочность ферроцена в отличие от всех ранее известных элементоорганических соединений железа, хрома и других метал лов.

Под действием окислителей, даже слабых, молекула ферроцена может переходить в катион — так называемый ферроциний. Однако такое состояние менее устойчиво, и поэтому ферроциний может снова легко переходить в ферроцен.

Все эти особенности в сочетании с другими химическими свойствами ценов (в первую очередь характерными для ароматических соединений) и явились одной из причин повышенного интереса ученых к новым веществам. И не удивительно, ведь переменная валентность связана со многими, в том числе и с жизненно важными, химическими процессами.

ТАИНСТВЕННЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ

Ароматический характер пятичленных колец позволил предположить, что ферроцен и его производные (подобно производным бензола) способны полимеризоваться, то есть связываться между собой с образованием цепей. Поэтому, естественно, первые же работы в области ферроценовых соединений, были направлены именно на получение полимеров.

Как и следовало ожидать, это удалось сделать. Правда, особо больших цепей не получилось, но все же молекулярный вес их достигал 30 тысяч. Полимеризация ферроцена может идти тремя путями и дает соответственно разные типы полимеров.

У первого типа все атомы углерода колец (двух соседних молекул) связываются между собой параллельными этильными цепочками, образующими как бы фонарики. Получаются своеобразные бусы. Если их подвесить вертикально, то молекулы ферроцена будут расположены одна под другой; при этом прямая, проходящая через атомы железа и центры колец, является той нитью, на которую нанизаны бусинки мономера.

Второй тип полимера ферроцена стоит несколько особняком: в его молекулах, кроме железа и ароматических колец, имеются атомы кремния и кислорода. Такие соединения получили название полиферроценсилоксанов. Они интересны тем, что являются единственными жидкими полимерами ферроцена. Конечно, на свойства этих полимеров не могло не повлиять наличие кремния и кислорода. Молекула стала очень устойчива к действию высоких температур. Это, очевидно, позволит в недалеком будущем создать на основе таких полимеров термостойкие смазки, а также смолы для пластмасс. Смазки будут отличаться не только теплоустойчивостью, но и способностью хорошо удерживаться на металлических поверхностях — их высокая адгезия обусловлена наличием атомов железа.

Третий тип полимера ферроцена получается при реакции с органическими перекисями (в результате процесса полирекомбинации). При этом ценовые «этажерки» располагаются рядом и соединяются уже непосредственно друг с другом одной углеродной связью, которая может быть произвольной: и между верхними кольцами и между нижними. Сейчас трудно сказать с уверенностью, какой именно тип полимера окажется более перспективным. Возможно, что первый, так как в его цепи атомы железа являются своего рода шарнирами, придающими гибкость длинной молекуле. А это, понятно, очень ценное качество для полимеров.

Но самые неожиданные перспективы перед ценами открылись, когда началось изучение различных электрических и магнитных свойств полимеров. При исследовании обнаружились «странности» новых соединений.

Пока ученые имели дело с одним звеном ферроцена, он был диамагнитен, то есть все электроны у него были спарены, и явления парамагнитного резонанса не наблюдалось. Но уже при небольшом увеличении цепи полимер в некоторых случаях вдруг начинал давать эффект парамагнитного резонанса, хотя, казалось бы, никаких неспаренных электронов быть не могло. Предположили, что это — влияние железа, то есть обычный ферромагнетизм. Проверили. Оказалось, что нет. Сейчас это явление, названное «антиферромагнетизм», всесторонне изучают.

Причины антиферромагнетизма пока не выяснены, но все же попытаемся сделать некоторые прогнозы о будущем ценовых полимеров. Еще рано употреблять вкупе с ферроценами слово «полупроводник», но, во всяком случае, уже сегодня мы знаем об особых электрических и магнитных свойствах новых соединений. В различных электронных приборах, например, в запоминающих устройствах, направленных антеннах, самое широкое применение сейчас нашли материалы с магнитными свойствами — ферриты. Возможно, эти же свойства откроют и ценовым полимерам дорогу в радиотехническую промышленность.

Автор: В. Азерников.