Глазами Монжа-Бертолле

Помните наши балясины? Тогда мы пририсовали к сигма-штриху между C и C вторую валентную черточку. Сплошную линию, которая символизировала собой сцепление пары балясин. А зря. Надо было нарисовать не сплошную черточку, а прерывистый пунктир. И протянуть его не только над сигма-штрихом двойной связи, но и над соседними сигма-штрихами одиночных связей. Так ведь это же не что иное, как формула Тиле! Да, если угодно, это она. Старая знакомая, однако смысл новый. Пунктирный кант — никакие не половинные валентности. Это символ обобществления пи-электронов вдоль всей цепи. Каждая балясина взаимодействует с обоими соседями. Образуется непрерывная цепочка взаимосвязанных электронных облаков.

Так постепенно уточнялась модель пи-связей. Квантово-химические расчеты убедительно свидетельствовали, что она является гораздо большим приближением к действительности, чем прежняя. И тем не менее трудности давали о себе знать.

Теперь, когда обобществленное электронное облако протянулось сплошь по всей молекулярной цепочке, особенно много беспокойства доставлял ученым вопрос о границах. Как отделить одно углерод-углеродное звено от другого? Точно определить, какая часть облака находится окрест атома, какая — в межатомном пространстве, было практически невозможно. Приходилось выделять часть облака, находящегося около атома, в особую зону. Не мудрено, что установлению демаркационной линии сопутствовал произвол. Этот произвол и приводил к расхождению результатов при расчетах разными методами.

Вот тогда-то и была высказана Быковым новая идея — пи-электронные заряды атомов равны нулю. Иными словами, пи-электронное облако расквартировано целиком в межатомном пространстве. Новое понятие — электронные заряды связей — было предложено считать вполне реальной структурной характеристикой молекулы.

Необходимость делить электронное облако между атомом и связью отпала. Неопределенность в установлении границ при подобном разделе — тоже. Расчеты существенно упростились.

Вскоре американские теоретики Рюденберг и Шерр разработали новую модель пи-связей. Модель одномерного электронного газа. В поле положительно заряженного сигма-электронного остова движутся пи-электроны. Движутся свободно, независимо друг от друга — совершенно иначе, чем это позволяли представить балясины, накрепко привинченные к месту. Движутся так, словно текут, переливаются по узеньким трубочкам, соединяющим вершины сигма-электронного остова — шестиугольника в бензоле. Трубочки одномерны. Они имеют только длину, тогда как балясины — объемные фигуры. Именно эти трубочки и подразумевает сегодня химик-квантовик, рисующий по стопам Тиле пунктирную окантовку внутри сплошного бензольного цикла.

Первые же расчеты пи-электронных зарядов связей на основе новой модели увенчались успехом. А начиная с 1956 года Быков пользуется в своих работах новым понятием о сигма-электронных зарядах связей! Это еще в большей степени, чем понятие о пи-электронном заряде, противоречит традиционным взглядам.

Как нечто само собой разумеющееся, химики привыкли считать, что сигма-связь образуется локализованным (пришпиленным к определенному месту) дублетом. Что сплошная черточка между атомами символизирует собой целочисленную электронную связь. И нельзя рассчитывать эту связь, приняв, что электронное облако рассредоточено по всей молекуле.

Самый строгий и нелицеприятный судья в науке — опыт. Здесь пришлось ставить эксперимент теоретический. Были совершенно независимо рассчитаны сигма-электронные заряды связей в пропане (у него отсутствуют пи-связи) сразу двумя учеными, живущими по разные стороны Атлантики. Одному из них, Сандорфи, понадобилось несколько часов работы вычислительной машины. Другому, Быкову, — несколько минут с карандашом в руках. И вот результат — блестящее совпадение!

Здесь впервые мы сталкиваемся с вопросами: а всегда ли нужны электронные машины в квантово-механических расчетах?

Так контроль со стороны математики позволяет уточнять в деталях строение молекул. Химики теперь не просто рисуют бутлеровские черточки. Они строят их физические модели. И проверяют правильность своих допущений математическими средствами.

Проверяют для того, чтобы лучше постигнуть таинства химических явлений. И на этом пути они достигли многого. Но еще больше предстоит сделать впереди.

В наше время выявлены основные физические законы, которые необходимы для построения строгих количественных теорий чуть ли не во всех областях химии. К сожалению, точное применение этих законов ограничено: чересчур громоздки математические выкладки.

Однако нынешние ученые по-современному нетерпеливы. Дожидаться, когда будет разработан более совершенный математический аппарат? Нет! В конце концов наряду с количественными выводами квантовая химия способна дать и качественные.