Ученые уже давно знали о бензоле — одном из важнейших органических соединений. Знали, что он состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода. Изучили многие его реакции.
И не ведали главного: как шестерка углеродных атомов располагается в пространстве.
Эта проблема не давала покоя Кекуле. А решил он ее так. Впрочем, дадим ему слово: «Я сидел и писал учебник, но работа не двигалась. Мысли мои витали где-то далеко. Атомы прыгали перед моими глазами. Мой умственный взор мог различить длинные ряды, извивающиеся подобно змеям. Но смотрите! Одна из змей схватила свой собственный хвост и в таком виде, как бы дразня, завертелась перед моими глазами. Как будто вспышка молнии разбудила меня…»
Случайный образ, возникший в сознании Кекуле, помог ему сделать вывод: углеродные цепи способны замыкаться, образовывать циклы.
Вслед за Кекуле химики стали изображать строение бензола следующим образом:
Бензольное кольцо сыграло в органической химии колоссальную роль.
Кольца могут содержать разные количества углеродных атомов. Кольца могут и сращиваться, образуя причудливые геометрические фигуры. В мире колец существует такое же разнообразие конструкций, как и среди незамкнутых цепей атомов углерода. Любая книга по органической химии чем-то напоминает учебник геометрии, ибо чуть ли не на каждой ее странице встретишь «геометрические фигуры» — структурные формулы сложных органических соединений.
Вот какие занятные «гармошки» могут образовывать бензольные кольца:
Левая «гармошка» — структурная формула нафталина. Правая — это антрацен, он содержится в каменном угле.
Считалось, что элемент углерод един в трех лицах. Ученые это «триединство» именовали так: аллотропия. Иными словами, один и тот же элемент может существовать в трех аллотропных модификациях.
Три лица углерода — алмаз, графит и сажа. Они весьма не похожи друг на друга: «король твердости» алмаз, мягкие шелушащиеся чешуйки графита и матово-черный порошок сажи. Причина такого различия — неодинаковое расположение углеродных атомов в молекуле.
У алмаза они лежат в вершинах геометрической фигуры, именуемой тетраэдром. Атомы связаны здесь чрезвычайно прочно. Потому алмаз и отличается небывалой твердостью.
Атомы углерода в графите, напротив, имеют плоскостное расположение. Отдельные же плоскости связаны между собой довольно слабо. Благодаря этому графит мягок и легко расслаивается на чешуйки.
О строении сажи много спорили. Долгое время господствовало мнение, что сажа не является кристаллическим веществом. Ее рассматривали как аморфную разновидность углерода. И вот сравнительно недавно выяснилось: графит и сажа практически одно и то же. Их молекулярное устройство одинаково. Итак, остались алмаз и графит. Третьего не дано.
Ученые, однако, задались целью искусственно создать третью разновидность углерода. Задача формулировалась следующим образом.
В алмазе и графите цепочки атомов углерода замкнутые, хотя и по-разному расположены в пространстве. Но нельзя ли заставить углеродные атомы вытянуться в длинную линейную цепочку? Иными словами, нельзя ли получить полимерную молекулу, состоящую только из углеродов, расположенных на одной прямой?
Для изготовления любого химического продукта требуется исходное сырье. Для получения «углерода номер 3» выбор такого сырья однозначен.
Начальным продуктом может быть только ацетилен — соединение двух атомов углерода и двух атомов водорода, С2Н2.
Почему ацетилен? Да потому, что в его молекуле с атомами углерода связано наименьшее из возможных количество водородных атомов. А лишние водороды оказались бы помехой для синтеза.
У ацетилена есть еще одна особенность: он, как говорят химики, весьма реакционноспособен. Атомы углерода связаны в его молекуле тремя химическими связями (Н—С
С—Н), причем две из них сравнительно легко разрываются и могут быть использованы на соединение с атомами других молекул, например, того же ацетилена.
Итак, первый шаг задуманного: из мономера — ацетилена приготовить полимер — полиацетилен.
Попытка эта не первая. Еще в прошлом веке немецкий химик Байер пытался провести такую реакцию. Но единственно, чего достиг, — получил учетверенную молекулу ацетилена — тетраацетилен. Однако она оказалась феноменально непрочной. Этим путем шли и другие химики разных стран. Увы, результаты их работ приносили лишь разочарование.