лассификация органических соединений. В этом отношении «теория типов» сыграла, конечно, положительную роль. Поэтому она завоевала большую популярность среди химиков.
Но полностью удовлетворить химиков эта теория также не могла. Она по-прежнему исходила из того, что органические соединения построены из радикалов. В то же время главный вопрос — вопрос о внутреннем строении молекул — обходился стороной. Даже расположение атомов в самих радикалах оставалось неясным. Правда, пока химики имели дело с более или менее простыми веществами, эта теория еще могла «работать». Но с появлением более сложных веществ началась путаница. Например, хлоруксусную кислоту пришлось отнести сразу к двум типам — к «типу воды» и «типу хлороводорода»:
Даже соединение, имеющее формулу С2Н6 (этан), вызвало затруднение. Так, согласно «типу водорода», это вещество должно существовать в виде двух продуктов:
Сейчас известно, что формула С2Н6 выражает собой газ — этан, у которого изомеров нет.
Все это происходило потому, что в те далекие времена химики еще долго считали формулы веществ лишь средством, позволяющим только изображать превращения веществ, но не строение их молекул. Они даже одному и тому же веществу часто приписывали несколько формул. Например, А. Кекуле в своем учебнике по органической химии (1861) приводил для уксусной кислоты два десятка формул!
Действительно, в трудном положении оказались химики в начале второй половины XIX в.!
1.6. О химическом строении тел
И все же выход из «дремучего леса» был найден. Этим выходом оказалась новая теория в органической химии, которая позже легла в основу современных представлений об органических соединениях.
Создателем новой теории стал выдающийся русский химик, профессор Казанского университета Александр Михайлович Бутлеров. Он смело порвал с устаревшими взглядами и предложил свой путь познания строения органических соединений. В отличие от своих предшественников, А. М. Бутлеров исходил из представлений о реальном существовании атомов и молекул. Он твердо верил в возможность установления строения органических молекул.
Конечно, теория А. М. Бутлерова не возникла на пустом месте. Мы уже знаем о первых теориях органической химии, о попытках химиков разгадать тайну органических веществ. Все, что было разумным и передовым, использовалось и развивалось А. М. Бутлеровым. Известно, что к тому времени были сделаны некоторые довольно важные предпосылки для создания единой теории. Так, благодаря исследованиям, проведенным в 1857-1858 гг. немецкими химиками А. Кекуле и Г. Кольбе, а также шотландским химиком Арчибальдом Купером (1831-1892), стало известно, что углерод имеет валентность, равную четырем, а его атомы могут соединяться друг с другом, образуя различные цепи. Уже стало привычным обозначать углеродный атом символом «С» с четырьмя черточками, под которыми понимали химические связи:
Однако этого было мало, чтобы вплотную подойти к созданию общей теории органической химии. Многое мешало этому. Например, А. Кекуле, известный в то время химик, вовсе отрицал возможность установления порядка связи атомов в органической молекуле, а А. Купер даже химические формулы продолжал изображать по-разному...
Но уже многие чувствовали, что наступила пора объединить многие разрозненные факты в единое учение о строении органических молекул. И такой день настал...
9 сентября 1861 г. — особая дата в истории органической химии. В этот день в г. Шпейере (Германия) на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей А. М. Бутлеров прочел свой доклад, который назывался «Нечто о химическом строении тел». Свое сообщение он начал словами: «Ныне, после открытия массы неожиданных и важных фактов, почти все сознают, что теоретическая сторона химии не соответствует ее фактическому развитию. Теория типов, принятая теперь большинством, начинает оказываться недостаточною».
Остановившись на критике теории типов за ее положение о непознаваемости строения молекул, А. М. Бутлеров переходит к изложению своей теории. Ученый сформулировал ее так: «Химическая натура (т. е. свойства) сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Под «химическим строением» А. М. Бутлеров понимает порядок соединения атомов в молекуле. Он подчеркивает, что молекула вещества — это частица с определенной химической структурой, т. е. с определенным расположением атомов. Это расположение можно установить опытным путем, исследуя химические свойства вещества. И наоборот — если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства. Эти свойства зависят не только от того, какие атомы и сколько их входит в состав молекулы, но и в какой последовательности они соединены между собой в молекуле. Далее ученый утверждает, что атомы, входящие в состав молекулы, влияют друг на друга. Такое влияние проявляется особенно заметно в том случае, если атомы связаны друг с другом непосредственно. Наконец, А. М. Бутлеров высказывает мысль о том, что строение молекулы можно выразить при помощи структурной формулы, которая для данного вещества является единственной. В конце доклада ученый дает четкое определение органической химии: «Органическая химия — это химия соединений углерода».
В докладе ученого сквозила необычайная уверенность в теории, которую он излагал слушателям. Эта теория уже успела «поработать» на него: ученый мог не только предсказать существование неизвестных еще пока веществ, но и успел синтезировать некоторые из них.
А. М. Бутлеров сделал интересный вывод о том, что если свободные валентности углерода не насыщены водородом, то у углеродных атомов появляется возможность связываться между собой не только одной, но и двумя, и даже тремя химическими связями. Это было позже доказано строением этилена и ацетилена:
Понятие о химическом строении, высказанное А. М. Бутлеровым, позволило объяснить такое загадочное явление в органической химии, как изомерия.
Конечно, в своем докладе ученый сказал не все. Многое еще предстояло домыслить. Основные положения теории строения А. М. Бутлерова не были опубликованы в одной статье, книге или докладе. Они, как драгоценные зерна, были рассеяны во многих статьях, выступлениях, дискуссиях великого химика. Сегодня эти положения кажутся нам понятными и логичными, но тогда они казались одним химикам гениальными, другим — фантазией, а у третьих вызывали чувство откровенного неприятия и даже раздражения. Да и как можно было оставаться равнодушным, если идеи новой теории прямо противоречили всем предыдущим учениям? Теория А. М. Бутлерова перечеркивала выводы известных ученых-химиков, которые утверждали, что строение молекул познать нельзя.
Некоторые западные химики сознательно старались принизить и даже отрицать заслуги русского химика. Находились и такие, которые прямо обвиняли А. М. Бутлерова в попытке присвоить чужие идеи, якобы высказанные ранее другими химиками, например А. Кекуле и А. Купером. Эти химики действительно внесли определенный вклад в развитие органической химии, однако считать их основателями общей теории строения все же нельзя. Ведь самым главным вкладом А. М. Бутлерова, отличающим его труды от работ других химиков, было ясное и последовательное положение о взаимосвязи между химическим строением и свойствами органических соединений.
Создавая теорию строения, А. М. Бутлеров уже тогда предполагал возможность и даже необходимость установления пространственного строения органических веществ. Дело в том, что теория строения в то время еще не могла объяснить некоторые факты в органической химии, например особые случаи изомерии. Это касалось, прежде всего, оптической и геометрической изомерии. Исследования причин этих видов изомерии, исходя из теории химического строения органических соединений А. М. Бутлерова, привели впоследствии к созданию учения о пространственном строении молекул — стереохимии (от греч. стереос — пространственный). В 1874 г. голландский химик Якоб Гендрик Вант-Гофф (1852-1911) и французский химик Жак Ашиль Jle Бель (1847-1930) выдвинули идею, согласно которой четыре связи атома углерода направлены в пространстве к четырем углам тетраэдра (если представить, что сам углерод находится в его центре (см. рис. 9). В дальнейшем на основании теории пространственного расположения химиче-ских связей и теории химического строения А. М. Бутлерова была развита наука о трехмерной ориентации атомов в молекулах.
К концу 90-х гг. XIX в. бутлеровская теория стала господствующей в органической химии. Этому способствовали два обстоятельства. Во-первых, теория строения привела наконец-то все разрозненные факты в систему. Во-вторых, она смогла не только объяснить многие известные факты, например явление изомерии, но и предсказать еще неизвестные.
Теория А. М. Бутлерова и сегодня остается фундаментом органической химии. Однако она не является чем-то незыблемым. Происходит постоянное совершенствование многих положений теории, их обогащение новыми фактами. И все же основные, главные положения бутлеровской теории сохранили и будут сохранять свою силу.
1.7. Как нарисовать молекулу
Можно ли нарисовать молекулу на бумаге? Такой вопрос задавали химики еще в середине XIX в. Они пытались это сделать, но такие попытки, конечно, были безуспешными.
Теперь нам понятны причины этих неудач. Для того чтобы изобразить молекулу на листке бумаги, необходимо было знать строение органических веществ.
Для решения этой проблемы много сделали химики, развивая учение о валентности химических элементов. Напомним, что валентность химического элемента — это свойство его атомов присоединять определенное число атомов других элементов. Поскольку углерод является основой всех органических соединений, то установление его четырехвалентности было важным моментом для объяснения строения этих веществ. Как известно, идеи о четырехвалентности атома углерода высказал А. Купер еще в 1858 г. При этом он считал, что углеродные атомы могут соединяться друг с другом (правда, эта мысль была уже не новой; ее высказал Фридрих Рохледер еще в 1852 г.). Однако этого было, конечно, недостаточно. Для построения даже простейшей (эмпирической) формулы химического вещества необходимо было знать его качественный и количественный состав. Известно, что многие органические соединения состоят из углерода, водорода и кислорода. Определив содержание этих элементов, уже можно было установить эмпирическую формулу соединения. Правда, в отличие от веществ неорганических, с органическими соединениями дело обстояло сложнее, так как последние отличались большим содержанием атомов в молекуле. Например, долго велись дискуссии по поводу эмпирической формулы уксусной кислоты, которая оказалась не такой уж и сложной (С