Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе

Грэхэм Лорен

Глава IX. Химия

Английский журналист: «Если вы посмотрите на историю науки после Революции, то увидите несколько случаев вмешательства политического характера в фундаментальные исследования… Как Вы думаете, может ли это случиться снова?»

Академик В. Коптюг, председатель Сибирского отделения АН СССР: «Видите ли, это очень сложный вопрос… Когда в прошлом с философских позиций критиковалось понятие резонанса в химии… это, с моей точки зрения, было верно. Но когда с общих философских позиций пытались решать основные научные проблемы, например, является ли генетика наукой или псевдонаукой, это было ошибкой».

Телевизионное интервью Би-би-си, 8 ноября 1981 г.

Природа межатомных связей имеет фундаментальное значение для химии, так как эта наука в большой степени является изучением изменения таких связей. Однако неадекватность диаграмм связей при описании важных химических соединений была известна с самого начального этапа структурной химии. Последующие диаграммные системы были отвергнуты по причине их несостоятельности

в объяснении определенных явлений. Древний спор идеализма и материализма был внесен в обсуждение, когда некоторые химики начали использовать модели, казавшиеся другим химикам физически непонятными.

Формулы и модели, построенные химиками, должны объяснять не только состав химических соединений, но и их свойства. В первой половине XIX в. ни один метод или соглашение о представлении соединений не был принят. Дж. Р. Партингтон заметил: «Стремление иметь свой собственный набор формул явно рассматривалось как проявление независимости мышления каждого химика» [694] . Еще в 1861 г. Фридрих Август Кекуле предложил девятнадцать формул для уксусной кислоты [695] .

694

Partington J.R.A Short History of Chemistry. N. Y. P. 255.

695

Ibid.

Основанием для фрагментарности теорий и использования многочисленных формул была невозможность увидеть и измерить непосредственно молекулы. Химия в целом и органическая химия в частности были ужасающе мало изучены. В 1835 г. Вёлер писал Берцелиусу, что «органическая химия кажется мне первобытным тропическим лесом, полным самых замечательных существ» [696] . За следующие тридцать лет химики собрали удивительное количество данных и выделили множество соединений, но формулы соединений все еще были предположениями, основанными на очень неполных экспериментальных фактах [697] .

696

Ibid. P. 216.

697

Действительно, сейчас химики все еще работают в первую очередь скорее путем сбора данных о химических реакциях, а не тем путем, которым физики подходят к субмолекулярному и субатомному уровням. Сама теория резонанса, как указывал Лайнус Полинг, была в большей степени выведена методом химиков. Этот упор химиков на эмпирический подход по большому счету не игнорировал, конечно, возрастающее использование физических методов исследования, таких, как спектроскопия, рентгеноскопия, методы электронной дифракции, которые являются ценным дополнением к работе химиков. — См.: Полинг Л.Природа химической связи. М.; Л., 1947. С. 162.

Химики XIX в. в скором времени пришли к заключению, что многие соединения не могут быть представлены одной формулой, объясняющей все их известные реакции. Одна формула объясняла одну реакцию, другая — другую. Возможно, путем использования четырех или пяти различных моделей молекулы одного соединения химик мог объяснить все известные реакции этого соединения, но этот метод ставит еще дилемму: здравый смысл подсказывал химикам, что любое вещество должно иметь молекулы определенной формы, которая может быть воспроизведена моделью (оставив на время изомеры и таутомеры, которые составляют отдельную тему; см. примечание 7). Но с точки зрения геометрии было всего лишь определенное количество возможностей построения некой модели молекулы, но ни одна из возможных моделей не объясняла всех реакций данного вещества. Эта же ситуация имеет место со многими соединениями в настоящее время, наиболее известное такое соединение — бензол.

Как только Кекуле предложил простую гексагональную схему для объяснения ароматических соединений, он столкнулся с проблемой локализации химических связей [698] . Кекуле полагал, что атомы углерода четырехвалентны, следовательно, каждый атом углерода имеет одну незадействованную связь. Кекуле принял идею чередующихся двойных и одинарных связей:

Эта формула, хотя она использовалась почти универсально, была неудовлетворительной. Если бензол действительно имеет такое строение, то, следовательно, могут быть получены следующие два изомера:

698

О толковании этой теории Кекуле см.: Kekule A.Sur la constitution des substances aromatiques // Bulletin de la Society Chemique. 1865. № 3, P. 98—110; Kekule A.Untersuchungen uber aromatische Verbindungen // Justus Lebig's Annalen der Chemie. 1866. Vol. 137. P. 129–196. Александр Финдлей в своей книге «Сто лет химии» ( Findlay A.A Handred Years of Chemistry. N. Y.,1937. P. 147) писал: «Возможно, Кекуле рассматривал свою теорию в первую очередь как элегантную философскую систему, в которой все известные факты относительно ароматических соединений могут быть четко и удовлетворительно сгруппированы вместе; и первым, кто рассматривал эту теорию

как экспериментально доказуемую, был ученик Кекуле — Кернер». Кекуле был скрупулезным химиком, который тщательно проверял свои теории эмпирическими тестами. Тем не менее он расценивал умозрение как один из самых плодотворных методов исследования; по его воспоминаниям, вдохновение для создания двух его наиболее важных теорий пришло к нему во сне. Говорят, что он понял цепную структуру алифатических соединений в то время, как он спал на втором этаже омнибуса летней ночью, а кольцёвая структура ароматических соединений предстала перед ним, когда он дремал у камина.

При изучении вышеприведенных диаграмм можно увидеть различия: в первом случае существует двойная связь между двумя добавленными атомами хлора, в то время как во втором случае имеет место одинарная связь. Но таких двух изомеров не существует ни с хлором, ни с другими добавочными группами; мы знаем, что невозможно создать изомеры ортодизамещенных соединений бензола.

В 1872 г. Кекуле выдвинул концепцию о том, что связи постоянно «изменяют положение между чередующимися секциями как пара распахивающихся дверей» [699] .

699

French S.J.The Drama of Chemistry. N. Y., 1937. P. 93.

Обычно химики, чтобы не чертить такую сложную формулу бензола, приводят две формулы возможных позиций. Эти две диаграммы обычно называют «идеальные структуры Кекуле» [700] .

То объяснение, что связи в бензоле смещаются туда и обратно, удовлетворяло химиков многие годы. Краткие или устаревшие описания истории химии обычно заканчивают на этом рассказ о бензоле. Однако химики выяснили, что должны существовать связи между противоположными атомами углерода или связь между парными позициями:

700

Студенты часто рассматривают эти структуры как изомеры или таутомеры, но они не являются ни тем, ни другим, так как молекулы Кекуле не существуют. Изомеры есть соединения одинаковых элементов в одинаковых пропорциях, обладающие различными свойствами из-за различий в структуре, таутомеры же — это изомеры, быстро переходящие один в другой и обычно находящиеся в равновесии между собой.

Эта формула изначально была предложена сэром Джеймсом Дьюаром, который предполагал дополнить ею две первоначальные структуры Кекуле [701] . Теперь существовали три формулы бензола, и представить себе картину «распахивающихся дверей» становилось все более трудно. Более того, добавлялись другие варианты. Но что озадачивало больше всего: стало ясно, что в молекуле бензола не происходит действительного движения между простыми конфигурациями связей.

701

Armstrong E.F.Chemistry in the Twentieth Centure. L., 1924. R. 121.

Резонансная теория валентности, разработанная примерно в 1930 г. Лайнусом Полингом и развитая далее Дж. В. Уэландом, — это попытка объяснить структуру таких молекул, как бензол [702] . Значение теории резонанса, согласно Уэланду, заключается в том, что «истинное состояние молекулы не идентично с состоянием, изображаемым одной классической валентной структурой, а является промежуточным между состоянием, изображаемым двумя или несколькими валентными структурами» [703] . Такая средняя структура известна как «резонансный гибрид». Структурными химиками описано множество таких гибридов. Двумя структурами валентной связи, «делающими свой вклад» в карбоксилатионе, являются [704] :

702

Теории резонанса в 20-х годах предшествовали теории некоторых немецких и английских химиков, особенно К. Ингольда в Англии. Ингольд называл свою особую версию практически того же явления «мезомерией», что является более точным названием, чем «резонанс», так как буквально означает «находящийся между формами». «Резонанс», с другой стороны, подразумевает движение, которого нет в химическом резонансе. Термин «резонирующая система», часто использующийся химиками, еще менее точен.

703

Уэланд Дж.Теория резонанса и ее применение в органической химии. М., 1948. С. 13.

704

Эти конфигурации резонансных структур карбоксилатионов даются в кн.: Паулинг Л.Природа химической связи. С. 202.