Это сравнение, весьма сложное для упомянутых реакций, мы хотим проиллюстрировать здесь на примере встречи двух молекул водорода, которые захотели бы образовать молекулу, составленную из четырех атомов водорода (такая реакция запрещена). В исходных молекулах обе волны, занятые электронными парами, со всех сторон похожи друг на друга. Про такие волны говорят, что они симметричны. В противоположность этому в продукте реакции правая часть одной из волн представляет собой гребень, а левая — впадину, разделенные посередине зоной покоя, т. е. такая волна антисимметрична.
Значит, в результате реакции изменилось бы важнейшее свойство удобной волны-симметрия. Такое изменение и внезапное появление зоны покоя, которой до этого не было, равноценны разрыву электронной пары в волне. А поскольку такой разрыв противоречит заповеди, о которой мы говорили выше, реакция будет запрещена.
Таким образом, в химических реакциях, как это показали Вудворд и Хофман, во избежание разрыва электронной пары симметрия удобной волны должна сохраняться.
5.6. Змея, кусающая себя за хвост
Если молекуле бутадиена дать дополнительную энергию, она может реагировать сама с собой, и в результате замкнется цепочка из четырех атомов углерода. Образуется новая молекула-молекула циклобутена. Для того чтобы сделать это, нужно заставить атомы водорода на концах цепи повернуться так, чтобы волны-восьмерки, принадлежащие концевым атомам углерода, оказались друг против друга. Тогда они смогут перекрыться и образовать новую удобную волну.
Вудворд и Хофман заметили, что для этой реакции возможны два пути в зависимости от того, вращаются ли оба конца молекулы в одном и том же направлении или в противоположных. Они установили, что разрешен лишь один из этих путей.
Замыкание молекулы бутадиена в молекулу циклобутена: перестройка менее удобной волны-ленты в случае двух возможных движений (при замыкании амплитуды волн двух центральных атомов углерода исчезают)
Японский химик Фукуи доказал, что ход реакции определяется наименее удобной из волн, занятых электронами. В данном случае волна-лента, охватывающая всю цепь (как в молекуле бензола), на одном конце имеет гребень, а на другом — впадину как над плоскостью молекулы, так и под ней. Для того чтобы образование углерод-углеродной связи протекало в благоприятной ситуации, требуется, очевидно, встреча двух гребней. А для обеспечения такой встречи гребней на концах цепи — что напоминает змею, кусающую себя за хвост, — оба конца должны вращаться в одном направлении.
5.7. Столкновения между молекулами происходят по правилам бокса
Как мы уже говорили, реагирующая молекула подобна велосипедисту-гонщику. Ее путь представляет собой извилистую трассу, изобилующую поворотами. Но если все гонщики стремятся выполнить вираж след в след, то каждая молекула мчится по своей трассе, отличной от трасс других молекул, и при этом еще вертится волчком и делает танцевальные па. Ясно, что движение по такой трассе должно быть очень сложным.
Реакция происходит, так как атом застает молекулу в момент растяжения
Для примера рассмотрим встречу атома дейтерия и молекулы водорода (одинокий электрон атома старается разделить электронную пару молекулы). Пока атом приближается, молекула продолжает совершать свои танцевальные па: связь между атомами водорода то растягивается, то сжимается. Если атом застигает молекулу в момент растяжения связи, происходит реакция и атом связывается с одним из атомов молекулы. Если же атом застает молекулу в момент сжатия связи, реакции не происходит.
Реакция не происходит, так как атом застает молекулу в момент сжатия
Эта ситуация очень напоминает встречу боксеров. Если боксер наносит удар противнику в тот момент, когда тот отступает или уклоняется, удар гораздо менее эффективен, чем тот, который нанесен "в лоб", в момент сближения.
Выходит, что для результативного взаимодействия между молекулами еще недостаточно соответствующего расположения электронных волн; необходимо также, чтобы соблюдалось соответствие в расположении атомов в каждый момент, т.е. порядок системы.
5.8. Сигналы молекул
Как же молекулы дают о себе знать? Прежде всего вращательное движение изолированной молекулы и колебательные движения ее атомов подчиняются строгим законам. В любой момент молекула может изменить свои движения, обменявшись с внешней средой крупицей энергии. Это изменение выражается в виде какого-то сигнала, который может быть зарегистрирован и который несет важную информацию о молекуле.