Материал: Павлов, Борис Алексеевич. Курс органической химии учебник для химических техникумов

Неорганические прототипы этих соединений реально не су­ ществуют: смешанный тип воды и хлористого водорода—это не раствор последнего в воде (т. е. обычная соляная кислота). Свой­ ства аминоуксусной кислоты также не подобны свойствам водного раствора аммиака. Но если исходные типы реально не сущест­ вуют, необходимо ли, чтобы типические формулы органических соединений выражали действительное строение молекул этих со­ единений?

Жерар и его последователи отвечали на этот вопрос отрица­ тельно. Типические формулы—это только рациональные формулы, которые условно указывают лишь на аналогию в химических пре­ вращениях. И так как таких превращений может быть много, то для одного и того же соединения может быть несколько таких формул. Изучением химических свойств, по мнению Жерара и его последователей, невозможно определить действительное строение молекулы вещества.

Такой вывод, приводящий к философскому агностицизму, тем более был странен, что теория типов в своем развитии чрезвычай­ но много сделала для развития фактического содержания химии.

По существу к 60-м годам были установлены основные поло­ жения для создания правильной теории. Вместо прежних эквива­ лентов начали пользоваться истинными атомными весами; было установлено понятие о валентности элементов. Весьма важными для создания новой теории органической химии были работы (1858—1860) шотландского ученого Арчибальда Купера и круп­ нейшего немецкого химика Августа Кекуле. Ими было установ­ лено, что углерод в своих соединениях имеет постоянную валент­ ность, был предложен новый тип органических соединений—тип метана (Кекуле, 1958) и показана способность углерода к обра­ зованию углеродных цепей. Однако эти отдельные факты и поло­ жения не были сведены в единую стройную теоретическую си­ стему. Создание этой новой теории принадлежит Александру Ми­ хайловичу Бутлерову.

10, Теория химического строения Бутлерова. Основные идеи нового учения были впервые высказаны публично А. М. Бутле­ ровым в докладе, произнесенном 19 сентября 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере.

«-Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением»,—таково общее положение Бутлерова. Все атомы, составляющие молекулу сложного вещества, взаимодействуют друг с другом; наиболее сильное взаимное влияние наблюдается у атомов, непосредственно связанных; меньшее взаимное влияние наблюдается между атомами элементов, • связанных лишь через посредство других атомов. Распределение этого взаимодействия,

3—1779

34 Введение

определяемое порядком связи атомов в молекуле, Бутлеров назы­ вает химическим строением.

Можно ли определить химическое строение? На этот вопрос Бутлеров отвечает положительно: «Возможность судить о хими­ ческом строении достаточно доказывается настоящим состоянием наших знаний».

Изомерия соединений углерода. В органической химии, в отли­ чие от неорганической, особенно большое значение приобретает явление изомерии.

У соединений углерода, как было уже ранее указано, одна и. та же молекулярная формула отвечает не одному, а нескольким соединениям, различающимся по физическим и химическим свой­ ствам. Это явление было открыто давно. В 1830 г. Берцелиус дал ему название «изомерия»*. Даже у сравнительно простых со­ единений углерода существуют многочисленные изомеры. Так, на­ пример, известно свыше 20 различных веществ состава С4Н80г, которые резко отличаются по физическим и химическим свой­ ствам и иногда принадлежат к различным классам; некоторые из них—кислоты (масляная и изомасляная), другие—нейтральные вещества (например, диоксан). Составу C6Hi202 отвечают 80 ве­ ществ, описанных в литературе. Подобных примеров можно при­ вести бесчисленное множество.

Теория химического строения Бутлерова позволила правиль­ но объяснить причины изомерии.

Рассматривая явления изомерии, Бутлеров указывает, что при одном и том же молекулярном составе порядок связей атомов в молекулах изомеров различен: «Единственно только некоторым различием этого отношения (различием способа связи) и можно объяснить явления изомерии». Иными словами, различие в по­ рядке связей в молекуле и является причиной изомерии.

Основные методы определения химического строения. В про­ тивоположность сторонникам теории типов Бутлеров утверж­ дает, что для каждого соединения возможна лишь одна формула строения, которая должна выражать все свойства данного вещества.

«Заключение о химическом строении веществ, по всей вероят­ ности, можно лучше всего основывать на изучении способов их синтетического образования—и преимущественно на тех синтезах, которые совершаются при температуре мало возвышенной и— вообще—при условиях, где можно следить за ходом постепенного усложнения химической частицы». Этот путь постоянно исполь­ зуется в химии. В указанных условиях, как правило, наблюдается нарушение одной или нескольких связей; происходит перераспре-

* От греческого слова «изомерес», что означает «состоящий из равных частей».

деление радикалов и остатков без нарушения структуры последних.

Характерными примерами здесь являются: получение углево­ дородов по реакции Вюрца (стр. 48), реакции образования про­ стых (стр. 161) и сложных эфиров (стр. 225), синтезы с помощью металлорганических соединений (стр. 112), синтезы с участием малонового эфира (стр. 246) и др.

«...Аналитические реакции могут также служить для опреде­ ления химического строения: так, например, если тело претерпе­ вает определенное разложение под каким-либо малоэнергичным влиянием, то необходимо принять, что происходящие из него про­ стейшие вещества или остатки (радикалы) их находились гото­ выми в разложившейся частице».

Первые стадии процессов изучения строения природных со­ единений, как правило, начинаются с разложения—Систематиче­ ской деструкции сложного вещества. Таковы пути изучения строе­ ния жиров, сахаров, белков, натурального каучука, витаминов, антибиотиков и многих других.

, Прошло уже свыше 90 лет с того времени, когда эти положе­ ния были установлены. История развития органической химии только подтвердила и дополнила их. Конечно, наряду с реакци­ ями, подчиняющимися этому основному «принципу наименьших изменений», наблюдаются и реакции, сопровождающиеся более или менее сильными изменениями структуры радикалов. Но и эти нарушения проходят обычно закономерно.

Бутлеров не мог в то время предложить широко использовать физические методы, поскольку для этого не было достаточного материала и физика того времени еще не владела теми средства­ ми, которыми она располагает в настоящее время. Однако он предвидел возможность использования физических свойств ве­ ществ для определения их строения. Именно этим вопросам по­ священа обширная глава в его учебнике «Введение к полному изучению органической химии».

Изучение оптических и электрических свойств органических веществ позволяет современной науке часто не только более бы­ стро и точно определять относительное расположение атомов в молекуле, но и устанавливать количественные характеристики прочности связей между атомами и вычислять расстояния между атомами в абсолютных единицах.

Пророчески прав был Бутлеров, говоря, что «...исследование физических свойств имеет, для достижения упомянутой цели (определения химического строения), огромное значение».

В нашем элементарном курсе мы лишь частично касаемся при­ менения физических методов в органической химии—определения дипольных моментов (стр. 59), молекулярной рефракции (стр. 78). вращения плоскости поляризации (стр. 140 сл.).

3*