Появление теории химического строения органических веществ

Тем временем
1861 г.
Альфонс Муха «Отмена крепостного права».
В 1861 году было отменено крепостное право
в России
В XIХ веке происходит бурный процесс урбанизации.
Промышленные города превращаются в крупные центры. Это стало возможным в связи с ростом продуктивности сельского хозяйства – возникла возможность прокормить большие города, а также с развитием городского транспорта. XIХ столетие стало веком парового дви-
гателя. В 1846 г. во Франции начали применять паровой
молот. В Англии в 40-х гг. появились усовершенствованные механические станки для обработки металла.
Производство машин машинами завершило промышленный переворот в наиболее развитых странах мира. К
1840 г. железнодорожная сеть в Европе и Америке составляла 8 тыс. км, в 1850 г. – более 38 тыс. км, а к 60-м
гг. XIХ в. протяженность железных дорог в Европе и
Америке увеличилась до 168 тыс. км. Деревянные парусные суда стали заменять стальными. В военных
флотах в 60-х гг. появились броненосцы. В 1859–1869
гг. был построен Суэцкий канал, соединивший Средиземное и Красное моря. Путь из Европы в Индийский
океан стал значительно короче.
В 1847 году Европу потряс мировой экономический
кризис, вызвавший резкое сокращение производства и
расстройство денежной системы. Искра революции
вспыхнула в феврале 1848 г. во Франции, а оттуда пожар перекинулся в ряд германских и итальянских государств, на Австрийскую империю.
После поражения революции 1848–1849 гг. Италия и
Германия оставались раздробленными государствами.
Политическая раздробленность препятствовала росту
торговли и промышленности, мешала железнодорожному строительству, прокладке шоссейных дорог. Проблема объединения, а в Италии еще и проблема освобождения от иноземного австрийского гнета, были главными для этих стран в 50–60-е гг. XIХ в.
Создание в конце XVIII века независимого государства США создало условия для развития капитализма. Социально-экономическое развитие страны в первой половине XIХ века шло по двум основным направлениям: на
севере и востоке страны происходил промышленный переворот, а на юге укреплялось рабовладельческое плантационное хозяйство. Это привело к острейшему противоречию между Северными и Южными штатами, вылившемуся в гражданскую войну 1861–1865 гг.
Начинается период проведения буржуазных реформ
Александра II. В 1861 г. происходит отмена крепостного
права в России.
В 1859 г. английский биолог Чарльз Дарвин опубликовал свою книгу «Происхождение видов путем естественного отбора», обосновывавшую эволюционную теорию. В конце 50-х гг. русский ученый И.М. Сеченов начал исследования физиологии нервной системы.
Портреты
Александр Михайлович Бутлеров
Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886), Россия
Русский химик Александр Михайлович Бутлеров родился
в 1828 году в Чистополе близ Казани в семье помещика,
бывшего офицера, участвовавшего в Отечественной
войн 1812 года. С 1844 по 1849 год учился в Казанском
университете. Химию в университете преподавали К.К.
Клаус и Н.Н. Зинин. Окончив университет, работал в нём
преподавателем. В 1851 году Бутлеров защитил магистерскую диссертацию «Об окислении органических соединений», а в 1854 году в Московском университете –
докторскую диссертацию «Об эфирных маслах». С 1854
года А.М. Бутлеров стал профессором, а 1860–1863 годах – ректором Казанского университета. В 1857–1858
годах Александр Михайлович совершил поездку в Европу, где познакомился со знаменитыми А.Кекуле и
Э.Эрленмейером, работал в Париже в лаборатории
Ш.Вюрца.С 1868 года Александр Михайлович Бутлеров
стал профессором Петербургского университета.
Главной заслугой Александра Михайловича Бутлерова явилось создание теории химического строения,
главные положения которой он изложил в докладе на
Съезде немецких естествоиспытателей и врачей в 1861
году. Бутлеров утверждал, что свойства веществ определяются их химическим строением, строение вещества
познаваемо химическими методами. Он впервые объяснил явление изомерии. На пути создания теории и в
процессе её подтверждения Бутлеров провёл большую
экспериментальную работу. Например, впервые получил гексаметилентетрамин (уротропин), полимер формальдегида, впервые провёл синтез искусственного сахара. Синтезировал изомерные бутанолы, осуществил
реакцию и изомеризации, получив изобутан, изобутилен, изомерные пентаны, исследовал полимеризацию
этиленовых углеводородов. Учениками Александра Михайловича Бутлерова были В.В. Марковников, А.М. Зайцев, Е.Е. Вагнер, А.Е. Фаворский. Бутлеров был одним
из организаторов Высших женских курсов, создал для
них химические лаборатории.
Минимум знаний
1861 г.
Александр Михайлович Бутлеров разработал теорию химического строения органических соединений
19 сентября 1861 года на съезде немецких врачей и естествоиспытателей в г. Шпейере профессор Казанского
университета Александр Михайлович Бутлеров сделал
доклад «О химическом строении тел». В этом докладе
Бутлеров подверг критике господствующую тогда в органической химии теорию типов, приверженцы которой
считали невозможным установить строение вещества.
Наоборот, Бутлеров ввёл термин «химическое строение», подразумевая под ним, говоря современным языком, последовательность соединения атомов в молекуле в соответствии с их валентностью. Хотя некоторые
учёные уже пользовались формулами, в которых «единицы сродства» (валентности) каждого из атомов обозначались чёрточками таким образом, чтобы они были
насыщены «единицами сродства» других атомов, но для
отражения структуры молекулы эти формулы не предназначались. Такими формулами, например, пользовался шотландский химик Арчибалд Купер. Немецкий
химик Август Кекуле, тоже составлявший свои графические формулы на основании валентности атомов (основности, по его терминологии), не считал их отражением строения веществ, а только способом описания состава веществ и их способности вступать в реакции.
Основная мысль была сформулирована Бутлеровым так: «химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей,
количеством их и химическим строением». Иначе говоря, свойства веществ определяются их качественным
и количественным составом, а также химическим строением. Из этого следует вывод, что на основании строения вещества можно прогнозировать его свойства, и наоборот, зная свойства вещества, можно сделать вывод
о его строении. Эта идея легла в основу дальнейшего
развития органической химии. Анализируя различные
аспекты химических свойств вещества, химики стали
составлять не десяток формул теории типов, а одну
структурную формулу, показывающую строение молекулы. Уже в ХХ веке известный американский физик
Р.Фейнман в своих популярных лекциях говорил: «Чтобы узнать, как расположены атомы в какой-нибудь невероятно сложной молекуле, химик смотрит, что будет,
если смешать два разных вещества! Да физик нипочём
не поверит, что химик, описывая расположение атомов,
понимает, о чём он говорит. Но вот уже больше 20 лет,
как появился физический метод, который позволяет разглядывать молекулы… и описывать расположение атомов не по цвету раствора, а по измерению расстояний
между атомами. И что же? Оказалось, что химики почти
никогда не ошибаются». В то же время органический
синтез с момента возникновения структурной теории
стал целенаправленным. Первым результатом применения теории стал синтез Бутлеровым в 1863 году ранее
неизвестного
третичного
спирта
–
2-
метилпропанола-2, доказательство его строения, предсказание существования его гомологов и, наконец, синтез ещё трёх третичных спиртов.
Теория химического строения позволила объяснить явление изомерии – существования веществ с
одинаковым составом и разными свойствами. Согласно
структурной теории, свойства веществ определяются не
только составом, но и строением. Значит, вещества
одинакового состава отличаются по свойствам, если у
них различное строение. И это положение теории химического строения Бутлеров доказал, целенаправленно
синтезировав ранее неизвестный изомер бутана – 2метилпропан (изобутан).
Свои идеи Бутлеров развивал в серии статей. В
1863 году он высказывает идею о взаимном влиянии
атомов в органических соединениях. В 1864–66 годах
издаётся учебник Александра Михайловича Бутлерова
«Введение к полному изучению органической химии»,
созданный на основе структурных воззрений. Вскоре
учебник Бутлерова был переведён на немецкий язык.
Однако идеи Бутлерова не сразу нашли отклик у
коллег. Маститый немецкий химик Герман Кольбе отрицал существование связей между атомами, а потому не
признавал понятия «химическое строение». Теорию Бутлерова он упрекал в том, что она слишком легко отвечает на трудные вопросы, позволяя судить о них молодым
и неопытным химикам. Действительно, сторонниками
идей Бутлерова были молодые учёные Эрленмейер и
Вислицениус, совершившие свои знаменитые открытия
уже на основе структурной теории. Знаменитый французский химик Марселен Бертло, как и Кольбе, был противником теории химического строения. Он не признавал
структурные формулы, которые, по его мнению, внушали
учащимся ложные представления о молекулах. Даже
Дмитрий Иванович Менделеев имел ряд возражений
против основных положений теории. Наиболее последовательным противником теории оказался Николай Александрович Меншуткин. Он считал, что нельзя судить о
строении молекул на основании гипотез, и потому не
принимал объяснение изомерии. Все возражения противников теории побуждали Бутлерова к новым исследованиям и поискам доказательств правоты его теории. Он
писал: «…встречаются факты, которые не отвечают
строго понятию о химическом строении. … факты, не
объяснимые существующими теориями, наиболее дороги для науки, от их разработки следует по преимуществу
ожидать её развития в ближайшем будущем». Со временем строгие критики теории химического строения вынуждены были согласиться с выводами Бутлерова, подтверждающимися всё новыми фактами. Дмитрий Иванович Менделеев в 1889 году признал теорию Бутлерова
как «великий успех химических знаний». Николай Александрович Меншуткин в новых изданиях 1897 и 1901 года своих «Лекций по органической химии» оперировал
понятиями теории химического строения.
Увеличение числа сторонников структурной теории
привело к тому, что о приоритете Бутлерова в её созда-
нии стали забывать. Идеи теории были настолько «просты», что сначала многие химики не могли в них поверить, а убедившись в их правильности, сочли очевидными. В 1867 году Бутлеров в одной из статей писал: «Факты, мною открытые в последние годы, и различные открытия других химиков подтвердили основательность
моих воззрений. … Всё это не мешает, однако, многим
заграничным учёным недостаточно признавать то участие, которое я принимал в разработке взглядов, делающихся ныне господствующими в науке, и высказывать нередко как новость то, что было уже мною говорено». И сейчас многие западные авторы учебников органической химии, излагая основы структурной теории, в
основном ссылаются на Августа Кекуле, который одним
из первых заявил о четырёхвалентности углерода и способности атомов углерода соединяться друг с другом.
Следует отметить, что Кекуле был не единственным, кто
это установил (вспомним, например, Арчибалда Купера).
Просто его авторитет был наиболее высок, а его работы
привлекали наибольшее внимание. Однако именно Бутлеров сумел разрозненные мысли своих предшественников объединить вокруг главной, никем до него не высказанной идеи о зависимости свойств веществ от их соста-
ва и строения. А затем развил эту идею, сделал из неё
выводы, нашёл доказательства. Прошло уже более века
со времени создания теории, но она до сих пор является
главной теорией, не потерявшей своего значения, а
только углублённой и получившей развитие.
Методические рекомендации
Материалы этой карточки можно использовать при подготовке уроков по органической химии по темам «Теория химического строения органических соединений.
Изомерия», при обобщении знаний по курсу органической химии.
Портрет А.М.Бутлерова можно демонстрировать
на соответствующих уроках.
Что еще можно прочитать
Коновалов Д.П. У Бутлерова в лаборатории.
«Химия и жизнь», 1976, № 8, с. 81–86.
Зяблов В. Правила гармонии. «Химия и жизнь»,
1978, № 9, с. 76–83.