Хлор с углеродом соединились слишком сильно

Химики из Университета имени Людвига и Максимилиана опубликовали характеристики молекулы тринитрохлорметана, с которой они провели множество экспериментов. Согласно их данным, эта молекула обладает самой короткой химической связью между углеродом и хлором.

Казалось бы, простенький научный фактик может повлечь за собой большие научные последствия. Потому что изменение длины связи между атомами резко влияет на их химическую активность и может привести к созданию уникальных соединений.

Связь без брака

Химические свойства элемента определяются строением его внешней электронной оболочки. На ней может находиться от одного до восьми электронов. Упрощенно говоря, существует неформальное «правило восьми», согласно которому внешняя электронная оболочка атома старается заполниться максимально. Если на внешней оболочке один-два-три электрона, атому проще отдать их, сделав внешним следующий слой электронов. Такие атомы называются металлами. Если же внешних электронов пять-шесть-семь, атом достраивает оболочку за счет чужих электронов. Это неметалл. Именно поэтому и возникают химические связи -- за счет перетягивания ядрами электронов. И только инертные газы без человеческого желания в образовании связей не участвуют, потому что в их оболочке максимальное количество электронов, восемь.

Когда соединяются металл и неметалл, все происходит очень грубо и просто: металлический электрон убегает от хозяина, встраивается в оболочку неметалла, и оба атома становятся частичками с заполненной внешней оболочкой. Правда, при этом они, в отличие от инертных газов, оказываются заряженными, что определяет и их свойства, и применение (как, например, в случае поваренной соли -- NaCl).

Связи между атомами металла тоже имеют свои особенности, так как они собираются в кристаллические решетки, а электроны свободно гуляют от атома к атому, позволяя людям передавать электрический ток.

Но самое интересное происходит, когда между собой связываются неметаллы. В данном случае электроны обоих участников химической связи образуют пары, которые, скорее всего, болтаются где-то между атомами. В зависимости от того, какие атомы находятся на концах связи, электронная плотность смещается в ту или иную сторону, но пара все же остается общей для обоих атомов. Такая связь называется ковалентной. Она таит в себе невероятные возможности для умеющих с ней обращаться. Это можно увидеть, просто посмотрев вокруг, или хотя бы на себя. Ведь человек практически полностью состоит из веществ, построенных на ковалентных связях.

В зависимости от того, насколько сильна и длинна та или иная ковалентная связь в соединении, оно может проявлять разные физические и химические свойства, что и показали немецкие химики.

Фейерверк

Группа под руководством профессора Томаса Клапотке (Thomas M. Klapötke) работает со взрывчатыми веществами, окислителями, детонаторами и другими типами веществ, которые могут давать большое количество энергии. А запасти эту энергию можно только в необычных связях или в особой геометрии молекул. Одним из любимых, выдающихся по количеству запасенной энергии веществ группы профессора Клапотке стал тринитрохлорметан. В нем все связи -- ковалентные. Но при том это молекула, в которой атом углерода окружен четырьмя группами, которые «тянут» электроны на себя.

Необычные свойства

При помощи рентгеновских методов ученым удалось определить длину связи в тринитрохлорметане между хлором и углеродом. Она оказалась рекордно малой --1,69Å. В ранее известных соединениях эта величина колеблется от 1,71 до 1,91Å. Когда исследователи стали разбираться в причинах этого, то выяснилось, что связь С-Cl не обычная. Три нитрогруппы настолько сильно оттягивают на себя электроны с атома углерода, что у него начинается настоящий дефицит. И единственное место, где он может эти электроны получить -- атом хлора. Поэтому в отличие от большинства известных органических соединений, в которых есть связь C-Cl, на атоме хлора не частично отрицательный, а частично положительный заряд. Здесь вступают в действие другие силы -- положительный хлор притягивается отрицательными атомами кислорода из нитрогрупп. И тем самым еще больше прижимается к углероду.

Подобные «выверты» органических соединений давно сводят с ума химиков-органиков. Особенно когда речь идет о синтезе веществ-изомеров, одно из которых -- лекарство, а другое -- яд. Поэтому понимание процессов, которые происходят на атомном уровне, помогает получать материалы с заданными или, что еще важнее, новыми свойствами, а также разрабатывать системы «химического» узнавания, которые так активно используются в природе, например, в молекулах ДНК.

Кроме того, расположение и заряды атомов в молекулах играют важнейшую роль в медицине: именно благодаря им, например, становятся патогенными те или иные штаммы вирусов, а также появляются высокоизбирательные и очень мощные лекарства.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Chemistry.