Наука о соединениях углерода

С органическими  веществами человек знаком с давних времен. Наши далекие предки применяли  природные красители для окраски  тканей, использовали в качестве продуктов  питания растительные масла, животные жиры, тростниковый сахар, получали брожением  спиртовых жидкостей уксус… 

Но наука о соединениях  углерода возникла лишь в первой половине ХIХ века. 

В 1828 году ученик Я. Берцелиуса – немецкий ученый Ф.Велер из неорганических веществ синтезирует органическое вещество -–мочевину. В 1845 году немецкий химик А.Кольбе искусственным путем  получает уксусную кислоту.

В 1854 году французский  химик М.Бертло синтезирует жиры. Русский ученый

А.М. Бутлеров в 1861 году впервые синтезом получает сахаристое вещество. 

Известно, что развивающаяся  промышленность, практика ставят новые  задачи перед наукой. Как только у общества появляется техническая  потребность, она продвигает науку  вперед больше, чем десяток университетов. 

Для подтверждения  этих слов можно привести такой пример. Текстильная промышленность в 40-х  годах девятнадцатого века уже не могла себя обеспечить натуральными красителями – их не хватало. Перед  наукой встала задача получения красителей синтетическим путем. Начались поиски, в результате которых были синтезированы  различные анилиновые красители  и ализарин, добываемый ранее из корней растения марены. Полученные красители  в свою очередь способствовали бурному  росту текстильной промышленности. 

В настоящее время  синтезированы многие органические вещества, не только имеющиеся в  природе, но и не встречающиеся в  ней, например, многочисленные пластмассы, различные виды каучуков, всевозможные красители, взрывчатые вещества, лекарственные  препараты. 

Синтетически полученных веществ сейчас известно больше, чем  найденных в природе, и их число  быстро растет. Начинают осуществляться синтезы самых сложных органических веществ – белков. 

2. Состояние органической  химии в середине ХIХ века. 

Между тем существовали доструктурные теории – теория радикалов  и теория типов. 

Теория радикалов ( ее создатели Ж. Дюма, И. Берцелиус) утверждала, что в состав органических веществ входят радикалы , переходящие  из одной молекулы в другую: радикалы постоянны по составу и могут  существовать в свободном виде. В  дальнейшем было установлено, что радикалы могут подвергаться изменениям в  результате реакции замещения (замещение  атомов водорода атомами хлора). Так ,была получена трихлоруксусная кислота. Теория радикалов была постепенно отвергнута , однако она оставила глубокий след в науке: понятие о радикале прочно вошло в химию. Верными оказались  утверждения о возможности существования  радикалов в свободном виде, о  переходе в огромном числе реакций  определенных групп из одного соединения в другое. 

Наиболее распространенной в 40-е г.г. ХIХ века была теория типов.

Согласно этой теории все органические вещества считали  производными простейших неорганических веществ – типа водорода, хлоро-водорода, воды, аммиака и др. Например, тип  водорода 

Согласно этой теории формулы выражают не внутреннее строение молекул, а только способы образования  и реакции вещества. Создатель  этой теории

Ш.Жерар и его  последователи считали, что строение вещества не может быть познано, так  как молекулы в процессе реакции  изменяются. Для каждого вещества можно написать столько формул, сколько  различных видов превращений  может испытывать вещество. 

Теория типов в  свое время была прогрессивной, так  как она позволила провести классификацию  органических веществ, предсказать  и открыть ряд несложных веществ, если удавалось отнести их по составу  и некоторым свойствам к определенному  типу. Однако далеко не все синтезируемые  вещества укладывались в тот или  иной тип соединений. Теория типов  обратила основное внимание на изучение химических превращений органических соединений, что важно было для  познания свойств веществ. В дальнейшем теория типов стала тормозом развития органической химии, так как она  не в состоянии была объяснить  факты, накопившиеся в науке, указать  пути синтеза новых веществ, необходимых  для техники, медицины, ряда отраслей промышленности и др. Нужна была новая теория, которая смогла бы не только объяснить факты, наблюдения, но и прогнозировать, указывать пути синтеза новых веществ. 

Фактов, требовавших  объяснений много – 

- вопрос валентности 

- изомерии 

- написание формул. 

Предпосылки теории химического строения. 

К моменту появления  теории химического строения А.М. Бутлерова  многое уже было известно о валентности  элементов: Э. Франкланд установил  валентность для ряда металлов, для  органических соединений А.Кекуле предложил  четырехвалентность атома углерода ( 1858) , было высказано предположение  об углерод-углеродной связи, о возможности  соединения атомов углерода в цепи ( 1859, А.С. Купер, А.Кекуле ). Эта идея сыграла  большую роль в развитии органической химии. 

Важным событием в химии был Международный  конгресс химиков ( 1860, г.Карлсруэ), где  были четко определены понятия об атоме, молекуле, атомном весе, молекулярном весе. До этого не было общепризнанных критериев для определения этих понятий, поэтому была путаница в  написании формул веществ.

А.М. Бутлеров считал самым существенным успехом химии  за период с 1840 по

1880г. установление  понятий об атоме и молекуле, что дало толчок развитию учения  о валентности и позволило  перейти к созданию теории  химического строения. 

Таким образом, теория химического строения возникла не на пустом месте.

Объективными предпосылками  ее появления явились: а). Введение в  химию понятий о валентности  и особенно, о четырехвалентности атома углерода, б).

Введение понятия  об углерод-углеродной связи. в). Выработка  правильного представления об атомах и молекулах. 

Взгляды А.М. Бутлерова  на строение вещества. 

В 1861 году был произнесен доклад А.М. Бутлерова на ХХХУI съезде немецких врачей и естествоиспытателей  в Шпейере. Между тем его первое выступление по теоретическим вопросам органической химии состоялось в

1858г, в Париже  в Химическом обществе. В своем  выступлении, а также в статье  о А.С. Купере ( 1859г.) А.М. Бутлеров  указывает на то, что в создании  теории химического строения  должна сыграть роль валентность  ( химическое сродство ). Здесь он  впервые употребил термин «структура»,  высказал мысль о возможности  познания строения вещества, об  использовании для этих целей  экспериментальных исседований. 

Основные идеи о  химическом строении были изложены А.М. Бутлеровым в1861 году в докладе «О химическом строении веществ». В нем  отмечалось отставание теории от практики, указывалось на то, что теория типов, несмотря на некоторые ее положительные  стороны, имеет крупные недостатки. В докладе дано четкое определение  понятия о химическом строении, рассмотрены  пути установления химического строения ( способы синтеза веществ, использование  различных реакций ). 

А.М. Бутлеров утверждал, что каждому веществу соответствует  одна химическая формула: она характеризует  все химические свойства вещества, реально отражает порядок химической связи атомов в молекулах. В последующие  годы А.М. Бутлеров и его ученики  осуществили ряд экспериментальных  работ с целью проверки правильности предсказаний, сделанных на основе теории химического строения. Так, были синтезированы изобутан, изобутилен, изомеры пентана, ряд спиртов  и др. По значимости для науки  эти работы можно сравнить с открытием  предсказанных Д.И. Менднлеевым элементов ( экабор,экасилиций, экаалюминий). 

В полном объеме теоретические  воззрения А.М. Бутлерова нашли  отражение в его учебнике «  Введение к полному изучению органической химии» ( первое издание вышло в 1864-1866г.г.), построенном на основе теории химического  строения. Он считал, что молекулы –  это не хаотичное скопление атомов, что атомы в молекулах соединены  между собой в определенной последовательности и находятся в постоянном движении и взаимном влиянии. Изучая химические свойства вещества, можно установить последовательность соединения атомов в молекулах и выразить ее формулой. 

А.М. Бутлеров считал, что с помощью химических методов  анализа и синтеза вещества можно  установить химическое строение соединения и, наоборот, зная химическое строение вещества , можно предсказать его  химические свойства. 

Основные положения  теории А.М. Бутлерова. 

Основываясь на приведенных  выше высказываниях А.М. Бутлерова, сущность теории химического строения можно выразить в следующих положениях: 

- атомы в молекулах  располагаются не беспорядочно, они соединены друг с другом  в определенной последовательности  согласно их валентности 

А) последовательность соединения атомов в молекуле 

Б) углерод четырехвалентен 

В) структурные формулы (полные) 

Последовательность  соединения атомов в молекуле 

Г) сокращенные формулы 

Д) виды цепей 

- Изомерия объясняет  многообразие органических веществ.  Различному порядку взаимосвязи  атомов при одном и том же  качественном и количественном  составе молекулы отвечают, как  учит теория химического строения, разные вещества. Если эта теория  правильна, должны существовать  два бутана, различающиеся по  своему строению и свойствам.  Так как в то время был  известен лишь один бутан, то  А.М. Бутлеров предпринял попытку  синтезировать бутан другого  строения. Полученное им вещество  имело тот же состав 

, но другие свойства, в частности более низкую температуру  кипения. В отличие от бутана  новое вещество получило название  « изобутан» ( греч. « изос»-  равный): 

Рассматривая возможное  строение пентана А.М.

Бутлеров пришел к выводу, что должны существовать три углеводорода такого состава: 

Все эти вещества были получены. 

С увеличением числа  атомов углерода в молекуле число  веществ одного и того же состава  сильно возрастает. Так, согласно теории может существовать

75 углеводородов  состава , 1858 веществ с формулой  и т.д. Явление изомерии, то  есть существование разных веществ  одного и того же состава,  известно давно. Но только теория  химического строения дала ему  убедительное объяснение. Теперь  мы можем сформулировать более  точно, какие вещества называются  изомерами. 

- вещества, имеющие  одинаковый состав молекул ( одну  и ту же молекулярную формулу), но различное химическое строение  и обладающие поэтому разными  свойствами, называются ИЗОМЕРАМИ. 

Взаимное влияние  атомов в молекулах. 

При образовании  химических связей электроны от одних  атомов переходят к другим или  же образуют общие электронные пары. При этом наибольшая электронная  плотность спаренных электронов может быть сдвинута в сторону  того или иного из атомов в зависимости  от их электроотрицательности. В этом взаимодействии электронов, их перераспределении  при химических реакциях и заключается  взаимное влияние атомов. Результаты его сказываются на свойствах  вещества, поскольку частично изменяются сами атомы. Например. В молекуле хлороводорода  хлор сильно оттянул в свою сторону  электронную плотность связи  с водородом, поэтому вещество легко  распадается в водном растворе на ионы. В молекуле воды сдвиг электронной  плотности к кислороду меньше, чем к хлору в хлороводороде, поэтому молекулы воды распадаются  на ионы в малой степени. В молекулах  аммиака азот еще в меньшей  степени оттягивает к себе электроны  связей с атомами водорода, и молекула в водном растворе не подвергается диссоциации. 

Химические свойства молекулы определяются свойствами составляющих ее атомов, их числом и химическим строением. 

Значение теории. 

Теория химического  строения позволила объяснить многие факты, накопившиеся в органической химии в начале второй половины ХIХ  в., доказала, что с помощью химических методов ( синтеза, разложения и других реакций) можно установить порядок  соединения атомов в молекулах ( этим самым была доказана возможность  познания строения вещества); 

Внесла новое в  атомно-молекулярное учение ( порядок  расположения атомов в молекулах, взаимное влияние атомов, зависимость свойств  от строения молекул вещества). Теория рассматривала молекулы вещества как  упорядоченную систему, наделенную динамикой взаимодействующих атомов. В связи с этим атомно-молекулярное учение получило свое дальнейшее развитие, что имело большое значение для  науки химии;