Разумная материя

[grihan]

Попробую-ка описать загадку мироздания, о которой почему-то мало кто знает.



Маленький дисклеймер: этой темой сам не занимался, и специально не следил. Буду рад дополнениям и исправлениям.

Чтоб не лезть глубоко в теорию, перейдём сразу к примеру - одному из самых наглядных.



Сначала очень важно понять отличие левой части уравнения от его правой части. Слева нарисованы две реальные молекулы, присутствующие одновременно в растворе в количестве, связанным с их относительной стабильностью. Одна молекула превращается в другую и обратно - что схематически обозначено двумя паралельными стрелками, с противоположной направленностью. Это - так называемое "химическое равновесие", в приведённом частном случае - кето-энольная таутомерия.

Теперь мееедленно переходим на правую сторону уравнения, путём отрыва протона. Внимание! - не верьте своим глазам. Вы вроде видите опять два рисунка молекул, которые очень похожи на молекулы слева. Но это не так - это одна молекула: энолат, в которой реакционно способные электроны сидят одновременно и на кислороде и на углероде, то есть размазаны между ними. Классический котег в коробке. Энолат можно нарисовать и в виде наиболее правого рисунка - но этот рисунок, в отличии от двух т.н. резонансных форм, не несёт никакой полезной информации.

Теперь сосредотачиваемся: ниже представленна сопсна загадка мироздания.


Итак, молекула значит одна, но реагирует она - как будто их таки две! Кремнёвый катион - садится на кислород, а углеродный (в примере этильный) - на углерод. И в том и в другом случае получившийся продукт наиболее термодинамичсеки стабильный из двух возможных (то есть при его получении выделяется наибольшее количество энергии).

Всё это выглядит, как будто молекула (или мироздание) заранее знает, какой продукт выгоднее, и при взаимодействии с реагентам меняет электронную конфигурацию соответственно.

Схема под спойлером дана на всякий случай, возможно она ответит на некоторые вопросы, которые могут у кого-то на этом этапе возникнуть.





Можно опуститься на электронный уровень. В растворе реагенты сталкиваются и происходит взаимодействие электронной плотности на энолате с "отсутствием таковой" на катионе (электрофиле). Есть какая-то переходная стадия с энергетическим максимумом, и вероятно в каждом случае она выглядит по другому. Но вопрос никуда не делся - с какого перепугу в двух очень похожих случаях получаются совершенно разные переходные состояния, ведущие к совершенно разным продуктам.

Это конечно же не единственный случай - явление наблюдается всегда, когда имеет место реакция с молекулой, у которой можно выделить несколько неэквивалентных резонансных структур.

Старый пыст о резонансных структурах
Старый пыст об энергетическом контролировании реактивности

Comments

[andresol.livejournal.com]

У меня в какой-то момент тоже возникли похожие вопросы. Применительно даже к более простой ситуации, вроде H + H = H₂. Если забыть о химии и сосредоточиться на физике, то перед нами наборы ядер и электронов, между которыми действуют кулоновские силы. Еще у молекул есть запас энергии, который позволяет им перемещаться, сталкиваться, вращаться, колебаться, меняя расстояния между ядрами (и, наверно, электронами). И то, что мы называем химической реакцией, это переход случайно возникшей системы взаимодействующих частиц в более устойчивое состояние в согласии с базовыми физическими законами. Если решить все эти уравнения, то не останется никакой тайны, но так как математически все сложно, то мы прибегаем к приблизительным качественным абстракциям: резонанс, двойные связи, электрофилы, жесткие/мягкие и т.д.