Метиллитий в кубе

При некоторых условиях вместо тетрамера из органолитиевого соединения можно получить димер — состоящий из двух молекул. Структура органолитиевого димера выглядит попроще — вот так:

Рис. 2. Димер органолитиевого соединения (R — органическая группа)

Структуру кристаллов поваренной соли (NaCl), самого известного из соединений щелочных металлов с галогенами, определили сразу как только научились определять кристаллическую структуру чего-либо. Вот так выглядит кристаллик соли на атомном уровне — чередующиеся атомы натрия и хлора в трехмерном пространстве. Каждый отрицательный атом хлора связан с шестью положительными атомами натрия, каждый положительный атом натрия — с шестью отрицательными атомами хлора.

Рис. 3. Структура кристалла поваренной соли NaCl. Зеленые шарики — хлор, фиолетовые — натрий

Если изобразить тетрамер по-другому, нарисовав связи между атомом углерода и каждым атомом лития, картина становится уже не такой странной. Атомы лития друг от друга отталкиваются, но в агрегате они связаны с отрицательными атомами углерода, которые их удерживают в такой структуре. Это как магниты с разными полюсами: если два магнита притянутся противоположными полюсами, то и одинаковые полюса станут ближе друг к другу (рис. 4).

Рис. 4. Метиллитий можно сравнить с магнитом

Если рассмотреть гипотетический тетрамер поваренной соли, «вырвав» его из бесконечно чередующихся атомов натрия и хлора, то окажется, что он образует такой же куб, только без атомов водорода. То же получится (рис. 5), если приложить друг к другу два димера органолитиевого соединения, изображенных на рисунке 2.

Рис. 5. Загадочный агрегат не так уж и загадочeн (R — органическая группа, в данном случае CH₃)

Шесть связей углерода не нарушают законы валентности, так как связи углерода с атомами лития не ковалентные, а, скорее, ионные — существующие за счет притягивания положительного заряда к отрицательному.

Химия занимается превращением веществ, в том числе их синтезом. Органическая химия занимается синтезом органических веществ, или углеводородов (то есть органическим синтезом). Самой главной задачей органической химии был и остается синтез связи углерод-углерод. В природе связь углерод-углерод, как правило, получается в результате сложных биохимических процессов под контролем белков-ферментов. На заре химии ученые контролировать биохимические процессы не могли (да и сейчас могут далеко не всё) и поэтому искали другие методы синтеза. Например, связь углерод-углерод можно получить, добавив углерод с положительным зарядом к углероду с зарядом отрицательным.

Углеродные соединения с положительным зарядом получить несложно — это, например, соединения углеводородов с галогенами (фтор, хлор, бром, йод, ...). Самое известное такое соединение — хлороформ (CHCl₃) — было получено еще в 1831 году независимо тремя химиками — американским врачом Самуэлем Гутри (Samuel Guthrie), затем немецким химиком и отцом-основателем органической химии Юстусом фон Либихом и французским ученым Эженом Субераном (Eugène Soubeiran). А определил химическую формулу хлороформа и дал ему название французский химик Жан-Батист Дюма в 1834 году.

Чтобы получить углерод с отрицательным зарядом (карбанион), достаточно приставить к нему атом металла, желательно щелочного (литий, натрий, калий, ...) — как наиболее стремящегося отдать электрон углероду. Но получить такие соединения оказалось гораздо сложнее, поскольку они мгновенно реагируют с кислородом и влагой из атмосферы. Соединения углеводородов с щелочными металлами научились делать через сто лет после хлороформа — в начале XX века, до этого обходясь другими, менее прямыми методами получения связи C–C.

Oрганолитиевые соединения впервые были получены в 1930-е годы немецкими химиками Карлом Циглером (лауреатом Нобелевской премии 1963 года за исследование полимеров) и Георгом Виттигом (удостоившемся в 1979 году Нобелевской премии за реакцию Виттига) и американским химиком, отцом металлоорганической химии Генри Гилманом (Henry Gilman, см. Gilman reagent). С реакциями органолитиевых соединений оказалось всё гораздо сложнее, чем можно было ожидать. Но несмотря на эти сложности, органолитиевые реагенты (см. Organolithium reagent) представляют сегодня огромную важность для химической промышленности и исследований и их в мире ежегодно синтезируют тоннами. Реакции, открытые Циглером, Виттигом и Гилманом, используются и по сей день в синтезе лекарств, удобрений и вообще почти любых органических соединений.