Симметрия глазами химика - Харгиттаи И.
ISBN 5-03-000276-6
Скачать (прямая ссылка):
чески неэкстремальных условиях. Образование комплекса часто оказывает сильное воздействие на форму и симметрию его составных частей [10]. Например, донорно-акцепторный комплекс Н3МА1С13 [11] имеет форму тригональной антипризмы с симметрией С31„ как показано на рис. 3-26. В роли исходных молекул при образовании такого комплекса выступают аммиак (С3„) и А1С1, (03)|). Симметрия донорной части (14Н3) при переходе в комплекс остается неизменной, а геометрические вариации сравнительно невелики. С другой стороны, в акцепторной части (А1С13) происходят более резкие геометрические изменения вследствие нарушения плоской координации всех четырех атомов, что приводит к понижению точечной группы симметрии. Однако изменение строения акцепторной части можно также рассматривать как стремление обоих центральных атомов в исходных молекулах получить тетраэдрическую координацию в результате комплексообразования. Конфигурацию атома азота в аммиаке уже можно считать тетраэдри-ческой, учитывая неподеленную электронную пару в качестве четвертого заместителя. Для атома же алюминия только комплексообразование способствует построению тетраэдрической координации. Таким образом, координационные соединения в целом часто демонстрируют то, как удобно описывать форму молекул, их симметрию и геометрическое строение с помощью многогранников. Разумеется, такое описание может оказаться одинаково полезным и для соединений, принадлежащих к другим классам.
3.7. Строение полиэдрических молекул
В предисловии к третьему изданию своей книги «Правильные политопы» [12] Кокстер стремится привлечь внимание читателя к икосаэдрической структуре соединений бора, в которой двенадцать атомов бора располагаются в вершинах икосаэдра. До этого господство-
Глава 3
вало мнение, что в неживой природе икосаэдр, равно как и правильный додекаэдр, не должны встречаться.
Однако в 1982 г. было опубликовано сообщение о синтезе и свойствах нового полициклического углеводорода С20 Н20, названного додекаэдраном [13]. Двадцать атомов углерода в этой молекуле как бы расположены в вершинах правильного додекаэдра. Любопытно, что, когда Шульц [14] в начале 60-х годов обсуждал топологию молекул полиэдранов и призманов (см. ниже), это больше выглядело как увлечение геометрией, а не истинной химией. И вот теперь это стало уже настоящей химией.
Следует снова подчеркнуть, что приведенные выше примеры высокосимметричных систем относятся к изолированным молекулам, а не к кристаллическим структурам. Несомненно, что кристаллография как раз и была одной из главных областей, где давным-давно была выявлена важная роль многогранников вместе с некоторыми ограничениями, которые запрещают существование в кристаллах правильных пятиугольных фигур. Полиэдры не теряют своей значимости в мире молекул, где ограничения, свойственные кристаллам, перестают существовать.
В первом издании своей книги «Правильные политопы» [ 12] Кокстер утверждал, что «... основной побудительный мотив при исследовании правильных многогранников остался таким же, как и во времена пифагорийцев, и он состоит в эстетической привлекательности этих симметричных форм». Успехи современной химии, изучающей молекулы, не уменьшают справедливость этого суждения. Даже наоборот: нет никакого сомнения, что эстетическая привлекательность этих систем немало способствовала быстрому развитию той области, которую можно было бы назвать химией полиэдров*.
Один из пионеров в химии полиэдрических боранов, Мьюттертиз весьма трогательно описал [15] свое увлечение химией гидридов бора, сравнивая его с пристрастием Эшера создавать рисунки, обладающие периодичностью [16]. Мы цитируем здесь самого Мьюттертиза [15]: «Когда я пытаюсь проследить пути моего раннего увлечения химией гидридов бора, нужный тон здесь задает поэтический самоанализ Эшера. Еще будучи студентом я был заинтригован первым описанием необычных гидридов, но тогда я не обладал даром предвидеть будущие успехи синтеза, в равной мере я не мог тогда дать высокую научную оценку представлениям симметрии, операциям симметрии и теории групп. Тем не менее казалось, что какая-то внутренняя неодолимая сила толкает и влечет меня только в сторону химии бороводородов. В моих первоначальных попытках синтеза я не смог покорить эти молекулы; казалось, их судьба не зависела от моих незрелых действий любителя. Позже, когда на горизонте уже появились первые признаки развития химии полиэдрических боранов, я заметил, что мое общее мировоззре-
* Для публикации научных статей в этой области в 1982 г. был основан специальный международный журнал «Полиэдр» (Polyhedron).- Прим. перев.
Молекулы, их форма и геометрическое строение
119
ние изменилось весьма характерным образом. Так, например, изменилось мое рисование различных каракулей, чем неизбежно приходится заниматься во время заседаний: от обозначений, которые трудно описать, я перешел к полиэдрам, конденсированным полиэдрам и графам.
Я, так же как и другие (поскольку мои собственные открытия не были ни единственными и ни первыми в своем роде), находился под глубоким впечатлением от того, насколько всеохватывающей оказалась концепция трехцентровых связей для объяснения как наличия (например, в бора-нах), так и отсутствия химических связей. Я нашел единый и единственный геометрический мотив, который повторяется в органической, неорганической и металлоорганической химии: предпочтительной геометрической формой в координационных соединениях, боранах и металлических кластерах является многогранник, все грани которого правильные или почти правильные треугольники...»
