ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Принципы классической теории химического строеПринципы теории химического строения Бутлерова из "Теория строения органических соединений" Подобно тому, как современный химик начинает исследование неизвестного соединения с изучения его свойств, так и на заре органической химии особенности свойств веществ растительного и животного происхождения летучесть, горючесть, легкая измен 1емость и т. п. позволили усмотреть их общую природу и выделить в специальный класс. Но качественное исследование органических веществ не могло дать сколько-нибудь удовлетворительной основы для понимания их свойств или поведения. Без количественного подхода, без знания состава соединений химики блуждали в потемках, оказывались в мире шатких, произвольных, ошибочных умозаключений. Еще в начале прошлого века высказывалось убеждение, что существует лишь одна единственная органическая кислота, которая выступает в многообразных модификациях. Подлинно научная история органической химии начинается с классических работ Лавуазье по количественному анализу соединений растительного и животного происхождения, к которым отныне могли быть применены принципы атомистической гипотезы. При этом сразу же выявилась специфика органических веществ если в минеральном мире так называемые радикалы, т. е. бескислородные остатки (сера в серном ангидриде, железо в окислах и т. п.) весьма просты, то органические радикалы сами по себе сложны и состоят из водорода, углерода, азота и некоторых других элементов. Вывод Лавуазье породил целую серию попыток обнаружить органические радикалы. [c.6] Либиха и Велера над горькоминдальным маслом позволили обнаружить радикал бензоил. Вскоре были открыты новые радикалы этил, метил, ацетил и др. Все это дало возможность Берцелиусу и Дюма сформулировать первую, специфическую для органической химии общетеоретическую концепцию — теорию радикалов. Эта теория верно подметила особенность объекта органической химии, для которой характерно существование устойчивых группировок атомов, сохраняющихся в ходе превращений. Современная органическая химия, хотя и в преобразованном виде, но содержит в себе эту основную идею теории радикалов. [c.7] Тем не менее, теория радикалов должна была пасть, и она пала, уступив место унитарным взглядам и теории типов Жерара, Дело в том, что теория радикалов основывалась на дуалистическом принципе, согласно которому органические соединения всегда состоят из кислорода (а также его аналогов или иной кислородсодержащей группы неорганической природы) и бескислородного углеродистого остатка. Этот принцип явно выдает свое происхождение, поскольку в начале-прошлого века частичное или полное, прямое или косвенное окисление было почти единственной формой преобразования органической материи. Дуалистическая концепция поддерживалась и фактами из неорганической природы, где известные в то время вещества (окислы, соли и т. п.) можно было рассматривать как бинарные, т. е. построенные из положительно и отрицательно заряженных частиц. Отмеченные факты объясняют позицию Берцелиуса, который был убежден, что, вычленяя в органической молекуле радикал и электроотрицательный кислородсодержащий остаток, химики познают ее истинную конституцию. [c.7] Но первоначально стройное здание теории радикалов рухнуло, поскольку с одной стороны были обнаружены сложные кислородсодержащие радикалы, а затем явление металепсии продемонстрировало возможность замены внутри радикалов одних атомов другими, в том числе электроположительных электроотрицательными, без существенного изменения химического поведения радикала. Химикам пришлось отбросить дуалистические представления, учение о неизменяемости радикалов, а заодно и распроститься с надеждой узнать их химическую конституцию или строение. [c.7] На месте, оставшемся после крушения теории радикалов, Жерар начал строить новое здание, подойдя к органической молекуле не со стороны ее углеродистого радикала, а как бы с противоположной точки зрения со стороны функциональной группы. Не претендуя на познание строения молекулы, опираясь лишь на известные аналогии в поведении веществ, Жерар сформулировал теорию типов, согласно которой органические соединения можно сопоставлять с простейшими неорганическими веществами (водород, хлористый водород, вода, аммиак) и рассматривать их как аналоги неорганических молекул, в которых вместо водорода помещены органические остатки. Теория типов содействовала становлению учения о валентности, поскольку стало ясным, какое число атомов или групп может быть связано с водородом, кислородом, азотом. Максимальной вершины теория типов достигла в работах Кекуле, который установил тип метана и тем самым открыл четырехвалент-ность углерода. Кекуле принадлежит также огромная заслуга в том, что он обнаружил способность атомов углерода насыщать валентность друг друга, т, е. образовывать цепи. И все же Кекуле не сделал решающего шага, необходимого для того, чтобы стать творцом принципиально новой теории последователь Жерара, он продолжал считать химическую конституцию тел непознаваемой, а свои формулы — лишь удобным способом описания некоторых превращений и аналогий веществ. [c.8] Искусственность теории типов к 60-м годам прошлого столетия стала очевидной многим. Для сложных соединений пришлось вводить кратные и смешанные типы, химиков беспокоил произвол в выборе типических формул, которых, вопреки унитарной исходной позиции Жерара, пришлось писать множество для одного и того же соединения, чтобы показать все его возможные способы химического взаимодействия и происхождения. Необходимо было новое слово в науке, и его сказал великий русский химик А. М. Бутлеров. [c.8] Бутлеров зачитал свой доклад О химическом строении веществ , в котором отметил, что теоретическая сторона химии более не соответствует ее фактическому развитию, и изложил основные принципы теории химического строения. 0)здание этой теории выдающийс5г химик наших дней Вудворд справедливо назвал первой великой революцией в органической химии. [c.9] Еще не изжито до конца мнение, согласно которому теория химического строения сводится к формальной схеме, позволяющей рисовать органические молекулы, приписав атому водорода одну черточку валентности, кислороду и сере — две, азоту и фосфору — три, а углероду — четыре. Бутлеров был бесконечно далек от такого подхода к делу и считал валентность атома углерода, как и других элементов, переменной. Труды Бутлерова сохранили свое значение до сего времени, поскольку он верно решил коренные методологические проблемы органической химии, над которыми безуспешно бились его современники. [c.9] Будучи естествоиспытателем-матерргалистом, Бутлеров настаивал на том, что химические молекулы существуют объективно (в начале XX века Оствальд, Мах и многие другие естествоиспытатели не верили и это) и могут быть познаны при помощи наблюдения, эксперимента и мышления. Такая позиция означала разрыв с агностицизмом тео-рии типов л открывала путь к познанию внутреннего строения молекулы. Фактической, экспериментальной основой для решения этой задачи стало явление изомерии. [c.9] Отдельные случаи изомерии были известны химикам задолго до Бутлерова их предвидел еще М. В. Ломоносов, наблюдали Гей-Люссак и Фарадей, но они, по словам Либиха, бесприютно скитались по просторам науки , не находя себе объяснения. Это обстоятельство имеет любопытную теоретико-познавательную сторону. Если нет идеи, то не видишь и факта , — справедливо отмечал акад. И. П. Павлов. Если факт не вплетен в систему понятий, если он не осмыслен, то он как бы и не существует для науки. Такова была судьба явления изомерии, пока оно не было положено в основу нового теоретического подхода к строению молекул, предложенного Бутлеровым. [c.9] Заслуга Бутлерова состоит и в том, что он очень продуманно определил понятие химического строения. Исследователи до него, в том числе Берцелиус и Жерар, понимали иод строением или конституцией истинную геометрию молекулы, т. е. пространственное расположение в ней атомов. Решение этой задачи для химиков XIX века было непосильным делом, порождало бесплодные спекуляции. Бутлеров прекрасно понимал трудности, стоящие на пути установления физического строения молекулы (с межатомными расстояниями, валентными углами) и, опираясь на факт существования изомеров, выдвинул более определенную и реальную задачу обнаруживать химическими методами порядок взаимодействия атомов. Такой порядок должен был существовать и быть устойчивым, в противном случае мы не наблюдали бы явления изомерии. Этот устойчивый порядок взаимодействия атомов в молекуле Бутлеров и назвал химическим строением. [c.10] Поскольку такой порядок существует, то каждому химическому соединению может быть поставлена в соответствие лишь одна структурная формула, которая и должна объяснить все свойства данного соединения. Теория строения положила конец представлению о множественности и неопределенности типических формул для одного и того же органического соединения. [c.10] Бутлеров понимал химическое строение не как ригидную, неподвижную структуру, а как взаимодействие в своей основе динамическое, отражающее непрерывные колебания атомов около некоторых равновесных положений. Отсюда Бутлеров естественно приходил к заключению о возможности существования динамической изомерии, т. е. взаимного перехода изомеров друг в друга, что, в частности, наблюдается при таутомерии. Эти же соображения привели Бутлерова к пониманию химизма как особой формы движения материи, способной переходить в другие (тепловую, световую, электрическую и т. п.). [c.10] Признание устойчивого порядка взаимодействия атомов в молекуле, с одной стороны, и их всеобщего взаимного влияния с другой — отражает внутренне противоречивые тенденции теории химического строения, объективную диалектику покоя и движения, дискретного и непрерывного на химическом уровне организации материи. Первая тенденция в своем развитии в конечном итоге привела к пониманию пространственной структуры молекулы, т. е. к стереохимии, вторая через теорию парциальных валентностей, через осцилляцию связей в бензоле, через концепцию мезо-мерии смыкается с современными представлениями о механизмах химических реакций. [c.11] Бутлеров напротив, утверждал, что это не все равно, поскольку в приведенных структурах различен порядок связей, и они должны соответствовать разным веществам, что и подтвердил синтез. [c.11] Если Лавуазье определил химию как науку аналитическую, то с возникновением теории химического строения начался период бурного, лавинообразного целенаправленного синтеза миллионов новых, неведомых веществ. Органическая химия стала наукой синтетической, и о ней с законной гордостью мог сказать Бертло, что она творит свой собственный объект. [c.12] Бросается в глаза, насколько она по своему характеру напоминает типическую формулу моноформиата глицерина, как ее писали сто лет тому назад (IV). В конечном итоге удается установить порядок связей всех атомов в молекуле и на этой основе идти дальше к пониманию пространственного и электронного строения. Но какие бы свойства молекулы не изучались, ее химическое строение остается отправным пунктом всех исследований и рассуждений. [c.13] Вернуться к основной статье