Разобравшись в тонкостях валентного штриха, мы можем приступить к препарированию сопряженных связей.
Итак, физическая картина валентной черточки — «арахисовый орех»? В случае молекулы водорода — да. В случае ординарной C—C связи — да. А в случае двойной — нет. Вернее, наполовину нет.
Потому что одна из связей все же именно такая, как в молекуле H—H. Ее обозначают греческой буквой «сигма». Зато вторая — так называемая пи-связь — выглядит совершенно иначе. Как?
Изобразите на листке бумаги арахисовый орех. У вас получится плоский рисунок, похожий на восьмерку. Это сигма-электронное облако. Поставьте жирную точку в центре каждой из округлостей «восьмерки». Это ядра атомов углерода. Соединим их прямой. Перед нами чертеж сигма-связи. А теперь вообразите, что наша прямая линия — палка, на обоих концах которой прикреплено по двухлопастному пропеллеру. Нарисуем и их. Получили две восьмерки. Каждая восьмерка с виду плоская. Но так же, как и рисунок арахисового ореха, она изображает пространственную фигуру. Что-то вроде толстой балясины с тонкой перемычкой посередине. «Балясина» — это пи-электронное облако. «Перемычка» — место, где находится атом углерода. А где же пи-связь? Округлости обеих балясин так толсты, что входят друг в друга (вспомните, что перед нами не крепкие деревяшки, а эфемерные воображаемые облачка!). Подобное двойное зацепление и есть грубый набросок пи-связи. Теперь мы можем соединить точки, изображающие атомы C, еще и второй линией.
Картина двойной углерод-углеродной связи готова.
Когда ученые разобрались в премудростях ординарной и двойной ковалентной связи, настал черед и бензола. Хватит, решили ученые, поморочил голову, пора и честь знать. Бензол просветили рентгеновыми лучами. Расшифровали структуру «скелета». И что же? Оказалось, что молекула бензола — правильный плоский шестиугольник.
Трехмерная призматическая архитектура сразу же отпала. Все шесть связей в бензоле одинаковой длины. Отпали структуры с перекрестными штрихами и формула Дьюара. Каждая углерод-углеродная связь короче обычной ординарной, но длиннее двойной. И все они равноценны. Так что и конструкция Кекуле отпадает! Что же остается? Формула Тиле. Но ведь половинные валентности с точки зрения бутлеровской теории — абсурд! По какой же формуле прикажете рассчитывать бензол? Было над чем поломать голову.
В тридцатых годах нашего столетия появился метод валентных схем. Он восходил к классической работе Гейтлера и Лондона. Валентные схемы очень похожи на структурные формулы, которые появились в обиходе химиков около ста лет назад. В них символом «буква — черточка — буква» означены спаренные электроны. Вроде бы просто, лаконично и наглядно. Однако очень скоро эта кажущаяся простота ввергла математиков в омут головоломок.
Молекулы с сопряженными связями первые подняли черное знамя анархии. Самые интересные, пожалуй, с точки зрения химиков и биологов, они, видите ли, не желали подчиняться квантово-механическому кодексу. И уж, конечно, в первых рядах мятежников очутился наш бензол.
Непокорный эффект сопряжения снова заставил физиков призадуматься.
А может, догадка Кекуле не так уж и наивна? Вдруг бензол действительно не имеет единой структуры?
Еще в 1923 году английским химиком Ингольдом была выдвинута теория мезомерии. Допускалось, что формулы Кекуле отвечают предельным, или возбужденным, состояниям бензола. Реальный же статус молекулы — ни то ни се. Промежуточное бытие, которое возникает в результате взаимодействия предельных структур. Мезосостояние, как назвали его ученые. И хотя еще сам Кекуле подозревал, что любая из его формул — кривое зеркало призрака, было введено представление о мезомерии. Дескать, предельные структуры путем перераспределения химических связей перевоплощаются в реально существующую мезоструктуру.
Под зыбкую идею многоликих химических фантомов вскоре был подведен квантово-механический фундамент.
Американский физико-химик Полинг предложил рассматривать строение молекул, не укладывающихся в обычную валентную схему, как результат электронного резонанса.