Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Две особенности сульфловера особенно заинтересовали ученых – отсутствие растворимости и красный цвет соединения. Казалось бы, такие малозначащие свойства прямого отношения к научному исследованию не имеют, однако внимание именно к этим деталям было не случайным. Два отмеченных свойства четко отличали сульфловер от похожих соединений: рассмотренные ранее тиофеновые спирали были бесцветными и, кроме того, хорошо растворимыми. Окраска вещества, как правило, зависит от электронного строения самой молекулы, но теоретический расчет спектра поглощения (в видимой области), проведенный для одиночной молекулы, показал, что она должна быть бесцветной. Ситуация стала напоминать детективную историю.

Ответ на поставленные вопросы дало внимательное изучение того, как расположены молекулы сульфловера в кристалле. Плоские циклические молекулы расположены в виде наклоненных стопок – колонн. Молекулы в колоннах сдвинуты вбок относительно друг друга таким образом, что наиболее короткими оказались расстояния C ∙∙∙S между атомами в молекулах, расположенных друг над другом (рис. 7.18).

Расстояния между молекулами оказались весьма короткими, что приводит к сильным межмолекулярным взаимодействиям и, соответственно, к резкому снижению растворимости, что объясняет, почему вещество возгоняется при такой высокой температуре.

Еще более интересным оказался следующий факт: молекулы, расположенные в соседних колоннах, тесно контактируют друг с другом, причем это контакты между атомами серы (линии с поперечной штриховкой). Анализ электронного строения таких контактов показал, что они сопровождаются частичным переносом заряда, напоминающим тот, который происходит в активированных проводящих полимерах.

Именно эти взаимодействия с переносом заряда приводят к тому, что поглощается определенная часть видимого света (для сульфловера – в области 400–500 нм), и в результате вещество приобретает красный цвет. Несколько необычное явление: сама по себе молекула бесцветна, а окраска возникает только при образовании кристаллической структуры.

Полученные результаты не только позволили объяснить необычное сочетание свойств в веществе, они указали ту область, в которой сульфловер может проявить новые интересные качества. Сильные межмолекулярные контакты и взаимодействия с переносом заряда делают перспективным, прежде всего, изучение электрофизических и электрооптических свойств вещества.

Появление столь эффектного и необычного соединения было отмечено многими: по крайней мере шесть групп ученых начали дальнейшее исследования сульфловера. Диапазон подобных молекул начал расширяться: был получен сульфловер, в котором часть атомов серы заменена селеном, – селеносульфловер (рис. 7.19). Это соединение так же, как и родоначальник сульфловер, обладает полупроводниковыми свойствами в результате контактов S ∙∙∙S между колоннами в кристаллической фазе. Квантовохимические расчеты показали, что сульфловер, селеносульфловер и линейный карбосульфид представляют собой новое перспективное семейство материалов для молекулярной электроники. Расчеты также помогли указать иную область применения этих веществ – в качестве материала, адсорбирующего молекулы водорода. Согласно расчетам, между плоскостями молекул сулфловера в кристалле может расположиться до пяти молекул Н 2. Это представляет интерес для развивающейся водородной энергетики.

Станет ли сульфловер символом нового направления – пока сказать трудно, он еще «молод», однако есть некоторые косвенные указания, что такое возможно. При знакомстве с историей открытия соединений, ставших символами, обращает на себя внимание одна деталь. Их строение было предугадано до того, как появилось надежное подтверждение структуры объективными физическими методами. Речь идет, прежде всего, о рентгеноструктурном анализе. А. Кекуле предложил структуру бензола по крайней мере за 50 лет до того момента, когда его строение было надежно подтверждено. Это не удивительно, поскольку метод анализа структуры еще не был создан. Необычную структуру ферроцена в виде сэндвича из двух циклов с зажатым между ними атомом железа предложил Р. Вудворд в 1952 г., имея в руках весьма скромные сведения – результат ацетилирования (введение ацетильной группы – С(О)СН 3) этого соединении, его магнитные свойства и исключительную стабильность. Рентгеноструктурный анализ подтвердил блестящую догадку Вудворда через год. Относительно карборана также есть косвенные сведения, что его структура была предсказана. С фуллереном дело обстояло похожим образом. Первооткрыватели фуллерена Г. Крото и Р. Смолли знали об этом соединении совсем немного – его молекулярную массу и то, что оно состоит только из атомов углерода. Это оказалось достаточным, чтобы предложить широко известную теперь шарообразную структуру, напоминающую футбольный мяч. Рентгеноструктурный анализ подтвердил их правоту спустя шесть лет.

Переходим к главному герою нашего рассказа – сульфловеру. В.Г. Ненайденко с коллегами имели заметно больше сведений о новом веществе, нежели Крото и Смолли о фуллерене. Тем не менее все доказательства были косвенные, что не помешало авторам смело предложить необычную молекулу сульфловера. Рентгеноструктурный анализ подтвердил истинность структуры через два года.

В каждом из рассмотренных случаев были свои причины, почему отставал рентгеноструктурный анализ, позволяющий «увидеть» молекулу, однако, когда рассматриваешь такие факты совместно, невольно приходишь к определенному выводу. Несмотря на то что физические методы исследования вещества постоянно совершенствуются, химики, как в прежние времена, так и ныне, высоко ставят свою научную интуицию, когда после напряженной работы и сосредоточенных раздумий перед глазами химика возникает новая молекула, в истинности которой он уже не сомневается. Может быть, это одна из важных особенностей химической науки, объединяющая ученых многих поколений.

В заключение отметим, что химики часто стараются внести в работу некий элемент романтики: например, яркое образное название для нового соединения. Кроме того, даже статьи в серьезных научных журналах они иногда дополняют картинками. В статье Ненайденко о сульфловере помещена картина Ван Гога «Подсолнухи», а вышедшая позже работа об адсорбции сульфловером водорода предваряется стилизованным рисунком, где молекула сульфловера изображена как цветок (рис. 7.20).