Вклад Бутлерова в развитие органической химии

     Лет за десять до создания теории химического строения было обнаружено, что две винные кислоты, имея одинаковый состав и химические свойства, отличаются отношением к поляризованному лучу света. Кристаллы их, так же как, например, левая и правая перчатки, являются, как бы зеркальным отражением друг друга и не могут быть совмещены. Были изучены вещества, которые при одинаковом химическом строении отличались не только физическими, но и химическими свойствами. Один из наиболее ярких примеров такой изомерии представляют малеиновая и фумаровая кислоты. Обе они — сильные двухосновные непредельные кислоты, т. е. способны замещать два атома водорода на металлы, способны присоединить два атома водорода или галогена, воду и т. д. Отличие же их заключается не только в физических свойствах, но и в том, что малеиновая кислота способна к образованию ангидрида, а фумаровая — нет. С точки зрения одной теории химического строения объяснить различие свойств этих двух кислот не удавалось.

     К началу 70-х гг. русские и иностранные химики чувствовали необходимость пополнить теорию химического строения новыми, пространственными представлениями. Согласно учению Вант-Гоффа, сделавшему из одних и тех же посылок значительно более далекие выводы, чем Ле Бель, молекула, в которой атом углерода соединен с четырьмя атомами другого элемента, представляет как бы правильный тетраэдр, в центре которого находится углерод, а в вершинах — другие атомы.

 

 

 

 

 

     Химические связи между ними расположены в пространстве так, что соединяют центр и вершины тетраэдра. Если все четыре атома или группы, соединенные с углеродом, различны, то они могут быть расположены двояко, а именно так, что одно расположение является зеркальным изображением другого и несовместимо с ним. Атом углерода, соединенный с четырьмя различными атомами или группами, был назван асимметрическим, и с наличием в молекулах асимметрических атомов углерода были связаны их оптическая деятельность и существование оптической изомерии

     Изомерия малеиновой и фумаровой кислот, если отбросить первоначальные модели, оказавшиеся неверными, объяснялась тем, что вокруг двойной связи в отличие от простой не может быть вращения и поэтому должно существовать различие между двумя веществами, изображенными формулами:

№ 1

 

№ 2

      

    Первая формула была приписана фумаровой, а вторая — малеиновой кислоте, так как очевидно, что образование малеинового ангидрида возможно только при пространственном сближении карбоксильных групп. В дальнейшем учение о пространственном положении атомов в молекулах, оказавшееся чрезвычайно плодотворным, получило название стереохимии, т. е. химии в пространстве.

     Понятие о механическом строении молекул, как об относительном расположении атомов в пространстве, обусловленном определенным направлением химических связей между атомами, занимает в стереохимии центральное положение. Было бы, однако, ошибочным связывать с этим понятием представление о жестком закреплении атомов в каком-то определенном положении. Первыми еще в 50-х гг. XIX в. к выводу о том, что атомы в молекулах находятся в колебательном состоянии, пришли, физики-спектроскописты, затем такое представление приняли и химики. «Мы смотрим на химическое соединение,— говорил Бутлеров,— не как на что-либо мертвое, неподвижное; мы принимаем, напротив, что оно одарено постоянным движением, заключенным в его самых мельчайших частичках, частные взаимные отношения которых подлежат постоянным переменам, суммируясь при этом в некоторый постоянный средний результат». В другом месте он писал, что «...представление, предполагающее прикрепление или неподвижность...» атомов, «...является совершенно ненужным и произвольным». Справедливость этих положений была подтверждена современными физическими методами исследования

     С развитием схематического выражения направления связей в пространстве, или, что то же, относительного положения атомов. Так, две оптически изомерные молочные кислоты условно изображаются формулами, в которых точки пересечения прямых соответствуют асимметрическому атому углерода.

 

  

  Как легко видеть, эти формулы нельзя совместить вращением в плоскости чертежа. Примером изображения геометрической изомерии могут служить приведенные выше формулы фумаровой и малеиновой кислот.

2.2.  Развитие теории химического  строения в XX в.

     В результате накопления фактов, не укладывавшихся в рамки теории химического строения, а также дискуссии вокруг нее в 70—80-х гг. прошлого века наметился ряд вопросов, разрешение которых было необходимо для ее новых успехов. Особенно важен был вопрос о природе валентности и химической связи, т. е. требовалось дальнейшее углубление тех представлений, которые лежали в основе самого понятия о химическом строении. «Это было связано отчасти с тем, что гипотезы, предложенные для решения частных задач теории химического строения — исследования строения непредельных и ароматических соединений, оказались в явном противоречии с некоторыми хорошо и неоднократно проверенными фактами. Было непонятно, почему молекулы с сопряженными двойными связями имеют свойства, которые отсутствуют у молекул с двойными связями, разделенными более чем одной простой связью. Предложенная Кекуле формула бензола с тремя двойными связями противоречила тому факту, что для бензола не характерны реакции, свойственные этилену и другим, непредельным соединениям. Кроме того, согласно той же формуле для каждой пары заместителей должны бы существовать два изомерных ортопроизводных бензола, что опровергалось фактами, и т. д. Очевидно, что традиционные структурные формулы непредельных и ароматических соединений уже не могли считаться точно передающими их строение.

     С другой стороны, для более глубокого изучения реакционной способности органических соединений, для предсказания направления реакций в зависимости от реагента и условий, для понимания механизма химических превращений, в особенности изомеризации, необходимо было вскрыть внутренний механизм взаимного влияния атомов в молекулах.

     Успехи физики в XX в. оказали огромное влияние на развитие теории химического строения почти во всех направлениях. Особенно большое значение имело в этом отношении открытие электрона (1897 г.), создание затем учения о строении атома и электронное истолкование природы химической связи. Могущественную помощь в пополнении наших знаний о внутреннем строении молекул оказали физические методы исследования. Наконец, к обычным, хотя и усовершенствованным, химическим методам исследования прибавился новый, особенно плодотворный при изучении химического строения и механизмов химических реакций,— изотопный метод, известный также под названием метода меченых атомов.

 

Заключение

     Теория химического строения, созданная Бутлеровым, позволила не только объяснить многие факты, известные в конце 19 века, но и систематизировала весь материал органической химии. Она явилась мощным оружием в руках химиков, позволившим предсказывать существование новых классов, новых органических соединений, вести целенаправленный синтез органических веществ. Данная теория доказала:

 

• что с помощью химических методов  (синтеза, разложения и других

реакций) можно установить порядок соединения атомов в молекуах;

• Внесла новое в атомно-молекулярное учение (порядок расположения атомов молекулах, взаимное влияние атомов, зависимость свойств от строения молекул вещества);
• Дала возможность предвидеть свойства органических соединений на основании строения, синтезировать новые вещества, придерживаясь плана;
• Позволила объяснить многообразие органических соединений;
• Дала мощный толчок синтезу органических соединений, развитию

промышленности органического  синтеза ( синтез спиртов, эфиров, красителей, лекарственных веществ и др.).

    

     Основные положения теории строения органических соединений были выдвинуты Бутлеровым в тот исторический период, когда в науке только что были приняты представления о реальном существовании атомов и молекул.

     Разработав теорию и подтвердив ее правильность синтезом новых соединений, А.М. Бутлеров не считал теорию абсолютной и неизменной. Он утверждал, что она должна развиваться, и предвидел, что это развитие пойдет путем разрешения противоречий между теоретическими знаниями и возникающими новыми фактами.

    Теория химического строения, как и предвидел А.М. Бутлеров, не осталась неизменной. Дальнейшее ее развитие шло главным образом в двух

взаимосвязанных направлениях.

     Первое из  них было предсказано самим  А.М.Бутлеровым.

Он считал, что наука в будущем сможет устанавливать не только порядок

соединения атомов в молекуле, но и их пространственное расположение. Учение о пространственном строении молекул, называемое стереохимией       ( греч.«стереос» - пространственный), вошло в науку в 80-х годах прошлого

столетия. Оно позволило  объяснять и предсказывать новые  факты, не

вмещавшиеся в рамки прежних  теоретических представлений.

     Второе направление связано с применением в органической химии учения об электронном строении атомов, развитого в физике ХХ века. Это учение

позволило понять природу  химической связи атомов, выяснить сущность их

взаимного влияния, объяснить  причину проявления веществом тех  или иных

химических свойств.

    Данные положения выдержали испытание времени и остались справедливыми и теперь, когда установлена сложность строения атомов и заложены основы учения о природе химической связи. Поэтому дальнейшее развитие теории идёт в тесной связи с развитием представлений о строении молекул и типах химической связи. В наши дни теория строения органических широко использует представление об электронном строении органических молекул.

 

 

 

 

 

Список  использованной литературы:

1. Брокгауз Ф.А. и  Ефрон И.А. Энциклопедический словарь. — СПб.: Полрадис , 1996.
2. БСЭ.- М.: Советская энциклопедия, 1969-1978.
3. Ингольд К., Теоретические основы органической химии, 2изд., пер. с англ., М., 1973.
4. А. М. Бутлеров. 1828—1928. Сб. статей. - Л., 1929.
5. «А.М. Бутлеров по материалам современников». - М., 1978.
6. Быков Г. В., История классической теории химического строения. -М., 1960.
7. его же, Александр Михайлович Бутлеров. - М., 1961.
8. Чичибабин А. Е., Основные начала органической химии, 6 изд., т. 1-2, М., 1954-58.
9. Л. Гумилёвский «Бутлеров 1828-1886» Молодая гвардия 1951.
10. Письма русских химиков к А. М. Бутлерову, в кн.: Научное наследство, т. 4, М., 1961.
11. Пособие по химии для поступающих в ВУЗы. – М.: Моск. Ун., 1998.
12. Общая органическая химия, под ред. Д. Бартона и У. Д. Оллнса, пер. с англ., т. 1-12, М., 1981-88.
13. А. Зайцев, "А. М. Бутлеров", СПб., 1957.
14. Терней А., Современная органическая химия, пер. с англ., т. 1-12, М., 1981.
15. "Биографический словарь профессоров Имп. СПб. Университета", т. I, СПб., 1896.
16. Садохин А.П.Концепции современного Естествознания.- М.:  Юнити-Дана,2009.
17. Бутлеров А. М. Сочинения. Том 3. (Научно-популярные, исторические, критико-библиографические и другие работы по химии. Путешествия).- М.: Изд-во АН СССР, 1975.