Тео­рия стро­е­ния ор­га­ни­че­ских ве­ществ А.М. Бут­ле­ро­ва

1. Возникновение органической химии

В конце XVIII в. на­ча­лись ис­сле­до­ва­ния ор­га­ни­че­ских ве­ществ. Из рас­те­ний были вы­де­ле­ны и изу­че­ны ор­га­ни­че­ские кис­ло­ты – ща­ве­ле­вая, ли­мон­ная, яб­лоч­ная, мо­лоч­ная и др. Ис­сле­до­ва­лись про­дук­ты жиз­не­де­я­тель­но­сти жи­вот­ных ор­га­низ­мов, на­при­мер, были вы­ве­де­ны и изу­че­ны мо­че­ви­на и мо­че­вая кис­ло­та.

По мере изу­че­ния ор­га­ни­че­ских ве­ществ, были уста­нов­ле­ны факты, до­ка­зы­ва­ю­щие, что между ве­ще­ства­ми рас­ти­тель­но­го и жи­вот­но­го про­ис­хож­де­ния нет прин­ци­пи­аль­ной раз­ни­цы. На­при­мер, при окис­ле­нии рас­ти­тель­но­го ве­ще­ства – са­ха­ра – по­лу­ча­ет­ся му­ра­вьи­ная кис­ло­та – ве­ще­ство жи­вот­но­го про­ис­хож­де­ния; жиры со­дер­жат­ся и в жи­вот­ных, и в рас­ти­тель­ных ор­га­низ­мах.

На­коп­лен­ные факты за­ста­ви­ли пе­ре­смот­реть пред­став­ле­ния о ве­ще­ствах рас­ти­тель­но­го и жи­вот­но­го про­ис­хож­де­ния и вве­сти общее по­ня­тие «ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства».

Химия, за­ни­ма­ю­ща­я­ся изу­че­ни­ем этих ве­ществ, была на­зва­наор­га­ни­че­ской. Такое пред­ло­же­ние было сде­ла­но в 1807 г. швед­ским хи­ми­ком Иен­сом Бер­це­ли­усом (Jens Jakob Berzelius; 1779–1848). По его мне­нию и мне­нию дру­гих уче­ных, вы­де­ле­ние химии ор­га­ни­че­ских ве­ществ в от­дель­ную науку объ­яс­ня­ет­ся не толь­ко их слож­но­стью по срав­не­нию с неор­га­ни­че­ски­ми (ми­не­раль­ны­ми) ве­ще­ства­ми, но и тем, что ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства об­ра­зу­ют­ся толь­ко в живых ор­га­низ­мах под вли­я­ни­ем «жиз­нен­ной силы».

2. Крах идеалистического учения о «жизненной силе»

В 1824 г. уче­ник Бер­це­ли­уса немец­кий уче­ный Фри­дрих Вёлер (Wöhler Friedrich, 1800–1882) син­те­зи­ро­вал ща­ве­ле­вую кис­ло­ту – ве­ще­ство рас­ти­тель­но­го про­ис­хож­де­ния – из неор­га­ни­че­ско­го ве­ще­ства – газа ди­ци­а­на (CN)₂.

В 1828 г. Вёлер про­вел вто­рой син­тез: на­гре­вая неор­га­ни­че­ское ве­ще­ство ци­а­нат ам­мо­ния NH₄OCN, он по­лу­чил ор­га­ни­че­ское ве­ще­ство – про­ду­ют жиз­не­де­я­тель­но­сти жи­вот­но­го ор­га­низ­ма – мо­че­ви­ну (NH₂)₂CO.

В 1845 г. немец­кий химик Гер­ман Коль­бе (Adolph Wilhelm Hermann Kolbe; 1818–1884) син­те­зи­ро­вал из неор­га­ни­че­ских ве­ществ ук­сус­ную кис­ло­ту; в 1854 г. фран­цуз­ский химик М. Берт­ло (Berthelot, Pierre-Eugene-Marcellin, 1827- 1907) син­те­зи­ро­вал жир; а в 1861 г. рус­ско­му хи­ми­ку А.М. Бут­ле­ро­ву уда­лось син­те­зи­ро­вать са­ха­ри­стое ве­ще­ство. Как из­вест­но, жиры и са­ха­ра иг­ра­ют боль­шую роль в про­цес­сах жиз­не­де­я­тель­но­сти ор­га­низ­ма.

Эти от­кры­тия при­ве­ли к краху иде­а­ли­сти­че­ско­го уче­ния о «жиз­нен­ной силе».

3. Предпосылки теории, объясняющей многообразие органических веществ

Чтобы объ­яс­нить мно­го­об­ра­зие ор­га­ни­че­ских ве­ществ, со­сто­я­щих всего из несколь­ких эле­мен­тов, в ис­то­рии ор­га­ни­че­ской химии вы­дви­га­лись все­воз­мож­ные ги­по­те­зы и тео­рии.

Воз­мож­ность опи­сать стро­е­ние ор­га­ни­че­ских мо­ле­кул по­яви­лась после того, как в 1852 г. ан­глий­ский химик Эду­ард Фран­кланд (Edward Frankland, 1825–1899) ввел по­ня­тие «ва­лент­ность». Он счи­тал, что каж­дый атом об­ла­да­ет спо­соб­но­стью со­еди­нять­ся с дру­ги­ми ато­ма­ми по­сред­ством опре­де­лен­но­го, ха­рак­тер­но­го для этого атома, числа свя­зей. Это число он на­звал ва­лент­но­стью (от ла­тин­ско­го valentia – «сила»).

 Атом во­до­ро­да обыч­но об­ра­зу­ет одну связь, т.е. он од­но­ва­лен­тен, атом кис­ло­ро­да в боль­шин­стве со­еди­не­ний двух­ва­лен­тен и т.д.

Немец­кий уче­ный Фри­дрих Ке­ку­ле (Friedrich August Kekulé von Stradonitz, 1829–1896) пред­по­ло­жил, что в ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ни­ях ва­лент­ность уг­ле­ро­да равна че­ты­рем. Че­ты­рех­ва­лент­ные атомы уг­ле­ро­да спо­соб­ны, по Ке­ку­ле, со­еди­нять­ся друг с дру­гом и об­ра­зо­вы­вать цепи.

 Од­на­ко мно­гие хи­ми­ки того вре­ме­ни счи­та­ли, что с по­мо­щью хи­ми­че­ских фор­мул нель­зя от­ра­зить стро­е­ние со­еди­не­ния, и тем более невоз­мож­но на ос­но­ва­нии фор­му­лы пред­ска­зать свой­ства ве­ще­ства.

 Тот же Ке­ку­ле утвер­ждал: «Кон­сти­ту­ции тела они (фор­му­лы) не пред­став­ля­ют, яв­ля­ясь лишь вы­ра­же­ни­ем для ме­та­мор­фоз тела и для срав­не­ния раз­лич­ных тел».

 Нам это может по­ка­зать­ся стран­ным, но в се­ре­дине XIX века для уче­ных не была оче­вид­на ре­аль­ность су­ще­ство­ва­ния ато­мов и мо­ле­кул.

 Для того чтобы свя­зать стро­е­ние и свой­ства ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний, нужно было кри­ти­че­ски обоб­щить все со­здан­ные ги­по­те­зы.

4. Предположения Ф. Кекуле

Че­ло­ве­ком, ко­то­рый пре­одо­лел за­блуж­де­ния то­гдаш­них ав­то­ри­те­тов, стал мо­ло­дой рус­ский уче­ный Алек­сандр Ми­хай­ло­вич Бут­ле­ров (1828–1886). Рис. 1.

Рис. 1. А.М. Бут­ле­ров

Глав­ные по­ло­же­ния своей тео­рии хи­ми­че­ско­го стро­е­ния Бут­ле­ров впер­вые из­ло­жил в до­кла­де «О хи­ми­че­ском стро­е­нии ве­ще­ства», про­чи­тан­ном в хи­ми­че­ской сек­ции Съез­да немец­ких есте­ство­ис­пы­та­те­лей и вра­чей в Шпей­е­ре (сен­тябрь 1861 г.).

Ос­но­вы этой тео­рии сфор­му­ли­ро­ва­ны таким об­ра­зом:

1. «По­ла­гая, что каж­до­му хи­ми­че­ско­му атому свой­ствен­но лишь опре­де­лён­ное и огра­ни­чен­ное ко­ли­че­ство хи­ми­че­ской силы (срод­ства), с ко­то­рой он при­ни­ма­ет уча­стие в об­ра­зо­ва­нии тела, я на­звал бы хи­ми­че­ским стро­е­ни­ем эту хи­ми­че­скую связь, или спо­соб вза­им­но­го со­еди­не­ния ато­мов в слож­ном теле»

2. «… хи­ми­че­ская на­ту­ра слож­ной ча­сти­цы опре­де­ля­ет­ся на­ту­рой эле­мен­тар­ных со­став­ных ча­стей, ко­ли­че­ством их и хи­ми­че­ским стро­е­ни­ем»

С этими ос­нов­ны­ми по­сту­ла­та­ми свя­за­ны и все осталь­ные по­ло­же­ния клас­си­че­ской тео­рии хи­ми­че­ско­го стро­е­ния. Бут­ле­ров на­ме­тил путь для опре­де­ле­ния хи­ми­че­ско­го стро­е­ния и сфор­му­ли­ро­вал пра­ви­ла, ко­то­ры­ми можно при этом ру­ко­вод­ство­вать­ся.

 Бут­ле­ров впер­вые объ­яс­нил яв­ле­ние изо­ме­рии тем, что изо­ме­ры – это со­еди­не­ния, об­ла­да­ю­щие оди­на­ко­вым эле­мен­тар­ным со­ста­вом, но раз­лич­ным хи­ми­че­ским стро­е­ни­ем. В свою оче­редь, за­ви­си­мость свойств изо­ме­ров и во­об­ще ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний от их хи­ми­че­ско­го стро­е­ния объ­яс­ня­ет­ся су­ще­ство­ва­ни­ем в них пе­ре­да­ю­ще­го­ся вдоль свя­зей «вза­им­но­го вли­я­ния ато­мов», в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го атомы в за­ви­си­мо­сти от их струк­тур­но­го окру­же­ния при­об­ре­та­ют раз­лич­ное «хи­ми­че­ское зна­че­ние». Самим Бут­ле­ро­вым и осо­бен­но его уче­ни­ка­ми В.В. Мар­ков­ни­ко­вым и А.Н. По­по­вым это общее по­ло­же­ние было кон­кре­ти­зи­ро­ва­но в виде мно­го­чис­лен­ных «пра­вил». Уже в XX в. эти пра­ви­ла, как и вся кон­цеп­ция вза­им­но­го вли­я­ния ато­мов, по­лу­чи­ли элек­трон­ную ин­тер­пре­та­цию.

5. Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова

1. Атомы в мо­ле­ку­лах со­еди­не­ны друг с дру­гом в опре­де­лен­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти со­глас­но их ва­лент­но­стям. По­сле­до­ва­тель­ность меж­атом­ных свя­зей в мо­ле­ку­ле на­зы­ва­ет­ся ее хи­ми­че­ским стро­е­ни­ем и от­ра­жа­ет­ся одной струк­тур­ной фор­му­лой (фор­му­лой стро­е­ния).

2. Хи­ми­че­ское стро­е­ние можно уста­нав­ли­вать хи­ми­че­ски­ми ме­то­да­ми. В на­сто­я­щее время ис­поль­зу­ют­ся также фи­зи­че­ские ме­то­ды.

3. Свой­ства ве­ществ за­ви­сят от их хи­ми­че­ско­го стро­е­ния.

4. По свой­ствам дан­но­го ве­ще­ства можно опре­де­лить стро­е­ние его мо­ле­ку­лы, а по стро­е­нию мо­ле­ку­лы – пред­ви­деть свой­ства.

5. Атомы и груп­пы ато­мов в мо­ле­ку­ле ока­зы­ва­ют вза­им­ное вли­я­ние друг на друга.

6. Значение теории химического строения А.М. Бутлерова

На­уч­ная тео­рия может счи­тать­ся спра­вед­ли­вой толь­ко в том слу­чае, если с ее по­мо­щью можно не толь­ко объ­яс­нить из­вест­ные факты, но и пред­ска­зать неиз­вест­ные яв­ле­ния.

 Боль­шое зна­че­ние для ста­нов­ле­ния тео­рии хи­ми­че­ско­го стро­е­ния имело её экс­пе­ри­мен­таль­ное под­твер­жде­ние в ра­бо­тах как са­мо­го Бут­ле­ро­ва, так и его школы. Он пред­ви­дел, а затем и до­ка­зал су­ще­ство­ва­ние изо­ме­рии по­ло­же­ния и ске­лет­ной изо­ме­рии. По­лу­чив тре­тич­ный бу­ти­ло­вый спирт, он сумел рас­шиф­ро­вать его стро­е­ние и до­ка­зал (сов­мест­но с уче­ни­ка­ми) на­ли­чие у него изо­ме­ров. В 1864 Бут­ле­ров пред­ска­зал су­ще­ство­ва­ние двух бу­та­нов и трёх пен­та­нов, а позд­нее и изо­бу­ти­ле­на.

Рис. 2. По­лу­че­ние ве­ществ, под­твер­жда­ю­щих тео­рию стро­е­ния.

В на­сто­я­щее время обыч­но упо­треб­ля­ют тер­мин «стро­е­ние мо­ле­ку­лы», не ис­поль­зуя опре­де­ле­ние «хи­ми­че­ское». Во время Бут­ле­ро­ва стро­е­ние ве­ще­ства ис­сле­до­ва­ли толь­ко хи­ми­че­ски­ми ме­то­да­ми, сей­час ос­нов­ные ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния – фи­зи­че­ские, пре­жде всего раз­лич­ные виды спек­тро­ско­пии.

Раз­ра­бо­тан­ная Бут­ле­ро­вым тео­рия стро­е­ния была со­зда­на для ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний, од­на­ко она спра­вед­ли­ва для всех ве­ществ с ко­ва­лент­ной свя­зью.

Тео­рия стро­е­ния ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний дала тол­чок бур­но­му раз­ви­тию ор­га­ни­че­ской химии. С тех пор пред­став­ле­ния о стро­е­нии мо­ле­кул зна­чи­тель­но углу­би­лись, од­на­ко эта тео­рия не по­те­ря­ла сво­е­го зна­че­ния до на­сто­я­ще­го вре­ме­ни.

Под­ве­де­ние итога

Вы изу­чи­ли тему «Ис­то­рия раз­ви­тия пред­став­ле­ний о стро­е­нии ве­ще­ства». По­зна­ко­ми­лись с уче­ни­ем о стро­е­нии ве­ще­ства, ис­то­рии его ста­нов­ле­ния и раз­ви­тия. Боль­шая часть урока по­свя­ще­на ос­нов­ным по­ло­же­ни­ям тео­рии Бут­ле­ро­ва и зна­че­нии этой тео­рии. Было уде­ле­но осо­бое вни­ма­ние хи­ми­че­ским си­сте­мам и их осо­бен­но­стям, при­ве­де­ны ос­нов­ные све­де­ния о стро­е­нии ве­ще­ства от древ­но­сти до со­вре­мен­но­сти.