Ціни – хімічні сполуки

Коли-небудь про ці з’єднання будуть багато писати. Їх ім’я стане відомим широкому колу читачів, як сьогодні відомий поліетилен. Вони увійдуть в наш побут і міцно займуть належне їм місце. А сьогодні їх назва знайоме лише вузькому колу фахівців, які прокладають новим речовинам дорогу в майбутнє. Йдеться про новий клас хімічних сполук – так звані ціни (зрозуміло, мова тут йде не про ті ціни, які з магазину-базару).

Ціни – дуже молоді речовини. Ви ще не знайдете їх опису в підручниках органічної хімії. Вони були відкриті абсолютно випадково. Йдучи звичною і добре вивченою дорогою магнійорганічних реакцій, вчені несподівано для себе звернули на не протоптану стежку, яка привела їх до отримання нового класу хімічних сполук з незвичайним зв’язком між метаном і ароматичними кільцями. Цей клас сполук отримав назву «ціни». Їх народження не привернуло до себе особливої уваги хіміків.

НЕЗВИЧАЙНА БУДОВА

У літературі ціни часто називають «сендвічами». Дійсно, їх будова нагадує будову бутерброда або пирога з начинкою: зверху та знизу – п’ятичленні вуглеводневі кільця, в середині – атом металу. «Начинка» може бути самою різною, але найбільш стійке залізо; такі з’єднання називається ферроценами.

Ферроцен являє собою оранжево-рудий кристалічний порошок з досить неприємним запахом. Він леткий; це пояснюється тим, що фероцен так само, як, наприклад, нафталін і камфора, здатний випаровуватися без плавлення. Вуглеводневі кільця ферроцена, між якими знаходиться залізна “начинка”, мають по п’ять атомів вуглецю і водню. Кільця утворюють в просторі так звану антипаралельну призму. З хімічної точки зору ціни відносяться до ароматичних сполук: поводяться так само, як і бензольні кільця. Це в якійсь мірі і визначило подальшу долю ферроцена.

Але найдивовижніше в його будові – зв’язок заліза з кільцями; він абсолютно нового типу, і його навіть не можна зобразити у звичних символах класичної хімії: атом – риска – атом. Адже звичайні «валентні штрихи», якими ми користуємося ще зі шкільної лави для позначення хімічного зв’язку, мають на увазі, що в утворенні даного зв’язку беруть участь два валентних електрона. У молекулі ж ферроцена цих двох електронів не набирається.

Кожне п’ятичленне кільце вносить до загального «валентного котла» по п’ять електронів. Разом їх набирається 10. Залізо «багатше» вуглецю, і його «пай» відповідно більше – воно дає всі свої 8 валентних електронів. У сумі збирається не так вже й мало – 18 електронів, що беруть участь в утворенні зв’язку між залізом і кільцями. Ця кількість стійка, так як вона відповідає електронній оболонці інертного газу – криптону.

Що ж у підсумку виходить? На кожен зв’язок заліза з вуглецем припадає по … 1,8 електрона! Ясно, що звичайним малюнком таку зв’язок вже не змалюєш, його просто немає. І тому говорять про делокалізованні зв’язки.

Однак така неповноцінність зв’язків зовсім не означає слабкості всієї молекули в цілому. Хоча кожен з зв’язків дійсно слабше звичайного валентного, але в підсумку адже утворюється електронна оболонка з 18 електронів, тобто оболонка, що володіє прекрасною стійкістю. Цим і пояснюється дуже велика міцність ферроцена на відміну від усіх раніше відомих елементоорганічних сполук заліза, хрому та інших металів.

Під дією окислювачів, навіть слабких, молекула ферроцена може переходити в катіон – так званий фероциній. Однак такий стан менш стійкий, і тому фероциній може знову легко переходити в фероцен.

Всі ці особливості у поєднанні з іншими хімічними властивостями ценів (в першу чергу характерними для ароматичних сполук) і стали однією з причин підвищеного інтересу вчених до нових речовин. І не дивно, адже мінлива валентність пов’язана з багатьма, в тому числі і з життєво важливими, хімічними процесами.

ТАЄМНИЧІ ЕЛЕКТРОНИ

Ароматичний характер п’ятичленних кілець дозволив припустити, що фероцен і його похідні (подібно похідним бензолу) здатні полімеризуватись, тобто зв’язуватися між собою з утворенням ланцюгів. Тому, природно, перші ж роботи в області ферроценових сполук, були спрямовані саме на отримання полімерів.

Як і слід було очікувати, це вдалося зробити. Щоправда, особливо великих ланцюгів не вийшло, але все ж молекулярна вага їх сягав 30 тисяч. Полімеризація ферроцена може йти трьома шляхами і дає відповідно різні типи полімерів.

У першого типу всі атоми вуглецю кілець (двох сусідніх молекул) зв’язуються між собою паралельними етільними ланцюжками, що утворюють як би ліхтарики. Виходять своєрідні намиста. Якщо їх підвісити вертикально, то молекули ферроцена будуть розташовані одна під іншою; при цьому пряма, через атоми заліза та центри кілець, є тією ниткою, на яку нанизані намистинки мономера.

Другий тип полімеру ферроцена стоїть дещо окремо: у його молекулах, крім заліза і ароматичних кілець, є атоми кремнію і кисню. Такі сполуки отримали назву поліферроценсілоксанів. Вони цікаві тим, що є єдиними рідкими полімерами ферроцена. Звичайно, на властивості цих полімерів не могло не вплинути наявність кремнію і кисню. Молекула стала дуже стійка до дії високих температур. Це, очевидно, дозволить у недалекому майбутньому створити на основі таких полімерів термостійкі мастила, а також смоли для пластмас. Мастила будуть відрізнятися не тільки теплотривкістю, але і здатністю добре утримуватися на металевих поверхнях – їх висока адгезія обумовлена наявністю атомів заліза.

Третій тип полімеру ферроцена виходить при реакції з органічними перекисами (в результаті процесу полірекомбінаціі). При цьому цінові «етажерки» розташовуються поруч і з’єднуються вже безпосередньо одна з одною одним вуглецевим зв’язком, який може бути довільним: і між верхніми кільцями і між нижніми. Зараз важко сказати з впевненістю, який саме тип полімеру виявиться більш перспективним. Можливо, що перший, так як в його ланцюзі атоми заліза є свого роду шарнірами, що додають гнучкість довгій молекулі. А це, зрозуміло, дуже цінна якість для полімерів.

Але найнесподіваніші перспективи перед цінами відкрилися, коли почалося вивчення різних електричних і магнітних властивостей полімерів. При дослідженні виявилися «дивацтва» нових сполук.

Поки вчені мали справу з однією ланкою ферроцена, він був диамагнітен, тобто всі електрони у нього були спарені, і явища парамагнітного резонансу не спостерігалося. Але вже при невеликому збільшенні ланцюга полімер в деяких випадках раптом починав давати ефект парамагнітного резонансу, хоча, здавалося б, ніяких неспарених електронів бути не могло. Припустили, що це – вплив заліза, тобто звичайний феромагнетизм. Перевірили. Виявилося, що ні. Зараз це явище, назване «антиферомагнетизмом», всебічно вивчають.

Причини антиферомагнетизму поки не з’ясовані, але все ж спробуємо зробити деякі прогнози про майбутнє цінових полімерів. Ще рано вживати вкупі з ферроценами слово «напівпровідник», але, в усякому разі, вже сьогодні ми знаємо про особливі електричні і магнітні властивостях нових сполук. У різних електронних приладах, наприклад, в запам’ятовуючих пристроях, спрямованих антенах, саме широке застосування зараз знайшли матеріали з магнітними властивостями – ферити. Можливо, ці ж властивості відкриють і ціновим полімерам дорогу в радіотехнічну промисловість.

Автор: В. Азерников.