К 187-летию бензола

Бензол в органической химии является, наверное, таким же важным веществом, каким является серная кислота в химии неорганической. И если последняя известна химикам еще с древнейших времен, то бензол был открыт лишь в начале девятнадцатого века, на заре рождения новой химии - именно той, которая лидирует в наши дни, той, с которой связано появление различных полимеров, искусственных тканей и волокон, синтетических красителей, именно той, которая так круто изменила нашу жизнь, преимущественно, к лучшему. А путь к многообразию продуктов химии лежит именно через бензол - ничем не примечательную, прозрачную жидкость, с резким запахом, которой и название дали не сразу, формулу не могли определить, а строение было загадкой и предметом многочисленных научных дискуссий. В 2012 году бензол отметит своё 187-летие - именно в 1825 году самоучка Майкл Фарадей выделил его из каменноугольной смолы...
Открытый дважды
Англичанин Майкл Фарадей (22.IX. 1791 - 25.VIII. 1867) - был самоучкой. Подростком работая в переплетной мастерской, он посещал лекции знаменитого Гемфри Дэви (17.XII.1778 - 29.V.1829), а затем поступил к нему на должность лаборанта. Спокойный, старательный Фарадей работал аккуратно и тщательно. Оценив достоинства способного ученика, Дэви помог своему ученику опубликовать первую статью в журнале Лондонского королевского общества, а год спустя Фарадей, почувствовав себя увереннее, опубликовал уже шесть работ. Работы Фарадея посвящены самым разным проблемам естествознания. Физики, безусловно, отметят, что главным достижением Фарадея является открытие электромагнитной индукции, давшее мощный толчок к развитию техники. Среди других его работ - изучение и усовершенствование оптических стекол (1824-1830 гг.), получение сжиженных газов (1824 г.) и изучение состава сталей. Тем не менее, для химика имя Майкла Фарадея ассоциируется с одним лиш словом: "бензол". Между тем, на это открытие Фарадея подтолкнул простой случай. В начале девятнадцатого века в Лондоне для уличного освещения стали использовать так называемый "светильный газ", получаемый из каменноугольной смолы. Помимо того, что новым освещением были недовольны жители туманного Альбиона (Вальтер Скотт писал: "мир перевернулся, Лондон будет освещаться угольным дымом"), а производители свечей открыто громили новые фонари, "светильный газ" имел существенный недостаток: со временем он утрачивал свою горючесть, а на дне баллонов оседала неизвестная маслянистая жидкость. Особенно обильным было её выделение в холодную погоду. Этой проблемой, чисто из практических соображений и решил заняться Майкл Фарадей в мае 1825 года. С присущей ему аккуратностью он подверг неизвестную жидкость самым разнообразным испытаниям, предварительно очистив её вымораживанием: при 7 0С вещество превращалось в белую кристаллическую массу, тогда как все остальные примеси оставались жидкими. В июне Фарадей уже получил новое вещество в чистом виде и подверг его элементному анализу. Оказалось, что оно содержит только два элемента - углерод и водород, в соотношении 11,4:1. Пользуясь атомными массами Дальтона, Фарадей вывел формулу С2Н и назвал вещество "двууглеродистым водородом" (bicarburet of hydrogen). Вскоре, однако, формулу бензола пришлось изменить: шведский химик Яков Берцелиус (1779-1848) опубликовал уточненную таблицу атомных масс. Отныне простейшей формулой бензола следовало считать CH. Его истинная формула С6Н6 была определена еще позже, когда была определена его молекулярная масса. Интерес к бензолу на некоторое время был утерян, и возродился лишь в 1835 году, когда немец Эйльхард Митчерлих (1796-1863) нагрел негашеную известь CaO с бензойной кислотой C6H5COOH (она содержится во многих ягодах, в частности, в клюкве и бруснике, и препятствует их гниению) и получил неизвестную, легкокипящую жидкость с резким запахом. Вот тогда и вспомнили об открытии Фарадея.
"Яванский ладан"
Митчерлих признал приоритет Фарадея, но дал новое имя веществу с формулой С6Н6. Он назвал его "бензином". Название это не укрепилось: против выступили ряд ведущих химиков, во главе с Юстусом Либихом (12.V.1803 - 18.IV.1873). Они полагали, что суффикс "-ин" указывает на присутствие в молекуле атомов азота, а потому, поменяли его на "-ол", исходя из маслянистости бензола (от англ. oil - "масло"). Следует отметить, что это название также не вполне грамотно, т.к. суффикс "-ол" уже стал атрибутом спиртов (этиловый спирт - этанол). Споры о названии продолжались довольно долго, в результате, вещество С6Н6 в английском языке получило название "бензен" ("-ен" - суффикс, указывающий на двойную связь), а в остальном мире авторитет Либиха был настолько силен, что закрепилось название "бензол", хотя, повторяю, оно менее грамотно чем "бензен".
В 1837 году уроженец Франции Огюст Лоран (1807-1853) предпринял попытку вовсе отказаться от корня "бенз" и предложил связать название вещества с его происхождением. Альтернативное название было производным от греческого "phaine" - "освещать", но название "фенол" также не прижилось, а закрепилось за другим, правда, родственным бензолу, веществом, поскольку фенол С6Н5ОН тоже получали из каменноугольной смолы - сырья для получения "светильного газа". Читателя, наверное, давно терзает вопрос: откуда взялся корень "бенз"? Понятно - из бензойной кислоты, а откуда происходит её название? Любопытные соображения изложены в книге Айзека Азимова "Язык науки". В средние века арабские торговцы стали вывозить из Азии красно-коричневую смолу, горение которой сопровождалось приятным запахом. Сами купцы называли её "яванским ладаном" - по-арабски "лубан джави". Европейцам первый слог в названии напоминал артикли "la" и "le" в итальянском и французском языках, поэтому его откинули. Получилось "банджави". С течением времени произношение слова менялось: "бенджами", "бенджоин", а примерно с середины семнадцатого века - "бензоин".
"Обезьяний бензол"
Окрестив бензол, химики продолжили свои исследования. Уже господствовала теория химического строения А.М. Бутлерова, а вопрос о строении бензола был по-прежнему открытым. Всему виной были удивительные противоречия в свойствах бензола. Если сравнить бензол с гексаном C6H14 - самым насыщенным углеводородом, то видно, что бензол - сильно "ненасыщенное" соединение, в его молекуле не достает 8 атомов водорода. Поэтому логично было бы ожидать, что бензол, как все ненасыщенные соединения будет обесцвечивать бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. будет веществом довольно активным. Но все оказалось совсем не так. "Насытить" бензол водородом или хлором удавалось с большим трудом, реакции проводились при высокой температуре, давлении и требовали интенсивного ультрафиолетового облучения. И даже в этом случае при гидрировании получался не гексан, а циклогексан C6H12. Кроме того, химики не сталкивались ранее с циклическими молекулами, а потому и не предполагали их существование. На основании различных экспериментальных данных химики всех стран мира принялись искать ключ к разгадке строения бензола. 
Окрестив бензол, химики продолжили свои исследования. Уже господствовала теория химического строения А.М. Бутлерова, а вопрос о строении бензола был по-прежнему открытым. Всему виной были удивительные противоречия в свойствах бензола. Если сравнить бензол с гексаном C6H14 - самым насыщенным углеводородом, то видно, что бензол - сильно "ненасыщенное" соединение, в его молекуле не достает 8 атомов водорода. Поэтому логично было бы ожидать, что бензол, как все ненасыщенные соединения будет обесцвечивать бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. будет веществом довольно активным. Но все оказалось совсем не так. "Насытить" бензол водородом или хлором удавалось с большим трудом, реакции проводились при высокой температуре, давлении и требовали интенсивного ультрафиолетового облучения. И даже в этом случае при гидрировании получался не гексан, а циклогексан C6H12. Кроме того, химики не сталкивались ранее с циклическими молекулами, а потому и не предполагали их существование. На основании различных экспериментальных данных химики всех стран мира принялись искать ключ к разгадке строения бензола.
   
Успеха добился немец Август Кекуле и, как часто бывает, успех пришел к нему во сне: "...Моя лаборатория находилась в переулочке, и даже днем в ней царил полумрак. Для химика, который проводит целые дни в лаборатории, это не было помехой. Я занимался работой над своим учебником, но что-то мне мешало, и мои мысли где-то витали. Я повернул кресло к камину и задремал. Атомы принялись танцевать перед моими глазами. На этот раз маленькие группы держались скромно на втором плане. Мой взор, обостренный от повторения одних и тех же образов, обратился скоро к более крупным фигурам различной формы. Длинные нити очень часто сближались и свертывались в трубку, напоминая двух змей. Но что это? Одна из них вцепилась в собственный хвост, продолжая насмешливо кружиться перед моими глазами. Я внезапно пробудился и на этот раз провел остаток ночи, чтобы изучить следствия из моей гипотезы..." Так Кекуле пришел к циклическому строению бензола: шесть атомов углерода соединены в кольцо, чередуются двойными связями, а каждый еще соединен с водородом - до насыщения валентности. С 1865 года и отсчитывается эра ароматических соединений, которыми стали считать все соединения, содержащие бензойное кольцо - фенол, бензойную кислоту, бензальдегид. Кстати именно последний и дал название всему классу веществ: бензальдегид обладает ярким запахом горького миндаля.
"Бегающие атомы"
С усиленной энергией принялись химики за изучение бензола и его производных. И сразу же натолкнулись на трудности. Формула Кекуле предусматривала существование, например таких двух разных изомеров

- веществ одинакового состава, но разного строения. На практике же любые попытки получать два разных вещества приводили к одному и тому же. Поэтому уже в 1867 году, как из рога изобилия посыпались новые "формулы" бензола. Среди них были формулы К. Дьюара (а), А. Клауса (б) и А. Ладенбурга (в).

Но, несмотря на всю их оригинальность, формула Кекуле была более привычной. Тогда Кекуле, дабы теория не расходилась с практикой, предположил, что атомы углерода в бензоле очень быстро колеблются - "осциллируют" и каждый из них попеременно соединен то с простой, то с двойной связью.

Этим удавалось объяснить относительно низкую химическую активность бензола.
Но и эта гипотеза не удовлетворила химиков. Многочисленные факты подталкивали химиков к мысли, что в бензоле нет ни простых, ни двойных связей, а есть... "полуторные". Это предложил И. Тиле (опять немец!), уже на рубеже XIX и XX веков. Он утверждал, что атомы углерода соединены простыми связями, а остаточные валентности равномерно распределяются по всему кольцу. Девять валентностей приходится на шесть атомов - вот и получается, что связи в бензоле - "полуторные". После этого формулу бензола стали изображать в виде шестиугольника с кольцом. Такое изображение оказалось более чем правильным. С помощью сложных физических наблюдений было установлено, что шесть электронов от "лишних" связей (по два на одну связь) образуют единую структуру т.н. "единое электронное облако", которое и стало признаком ароматичности (в химическом смысле) соединения. А почти вековое исследование бензола завершилось.
Хвала бензолу и не только...
Как уже говорилось в начале, бензол - важнейшее сырье для химической промышленности, поскольку, он используется и как исходный реагент (практически все современные синтетические материалы, как правило, содержат ароматические группировки), и как растворитель для других реакций (бензол растворяет практически все органические соединения, это своего рода "органическая вода"). Вот только основные синтезы с участием бензола: получение фенола, бензойной кислоты, анилина, фенолформальдегидных смол, специальных видов каучука, толуола, а, следовательно, и взрывчатых веществ (тринитротолуола, он же тротил), лекарств (например, аспирина)... Перечислять можно очень долго. В истории бензола главное мне видится не в том, что это принципиально важный продукт химической промышленности. Важно другое: читая историю бензола можно проследить за изменением химических взглядов, за появлением новых теорий и уходом старых, и главное, увидеть, что за сегодняшним успехом химии стоит кропотливый труд многих ученых прошлого.

Источники: ресурсы Интернет.
https://infourok.ru/stati-s-biografiyami-velikih-uchenihfizikov-3058119.html