Структура химических соединений

 

Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения элементов, но и от специфики их взаимодействия, то есть от структуры. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании веществ и их реакционной способности химикам приходится заниматься изучением их структуры. При этом соответственно уровню достигнутых знаний менялись представления о химической структуре вещества. И, хотя в этом разделе химии существовали разные концепции, в соответствии с которыми ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между элементами.

Сам термин «структурная химия» – понятие условное. Под ним прежде всего подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Берцелиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верным не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных химических элементов с учетом их единиц сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения, как уже известного, так и неоткрытого.

Важнейшим шагом в развитии структурной химии стало появление теории химического строения органических соединений русского химика A. M. Бутлерова. Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

Теория химического строения Бутлерова смогла стать для химиков практическим руководством в синтезе органических веществ. Появление этой теории позволило превратить химию из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие, В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры – устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом; и молекулярной, структуры – сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

Кроме того, современная наука дает возможность определять не только состав, но и строение молекул. Изучить пространственное расположение атомов позволяет метод рентгеноструктур-ного анализа, основанный на явлении дифракции. Он позволяет изучить все соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии, причем для определения параметров кристаллической структуры требуется всего 10 мкг вещества. Также существует метод нейтронографии, основанный на дифракции нейтронов. Он позволяет с высокой точностью определить относительное расположение атомов.

Химия органического синтеза

 

С появлением методов структурной химии у ученых появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 1860–1880-е годы и стал обозначать целую область науки, названную так в противоположность общему увлечению анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в. число органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с пятисот тысяч до двух миллионов.

В это время появились всевозможные красители для текстильной промышленности, различные препараты для фармацеи, искусственный шелк и т.д. До этого подобные материалы добывались в ограниченных количествах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного труда.

Тем не менее, классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящего в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям, должны быть вполне осуществимы многие реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же такой синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитные активные реагенты и сельскохозяйственную продукцию, в том числе и пищевую, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резкие изменения свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов. Учет и использование этих факторов вывел химию на новый качественный уровень ее развития.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Сегодня синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и т.д.

Самым последним достижением структурной химии является открытие совершенно нового класса металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

– синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

– создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои сложности. Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому такие кристаллы выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что наряду с запрограммированными дефектами практически всегда образуются и нежелательные нарушения.