Шалом, хатулим. Иногда так бывает, что даже величайшие ученые мужи, совершившие прорывные научные открытия, могут сделать из них неверные выводы. Впрочем, на этом месте эпистемологический подход дает мне леща, благо неверными их можно назвать только с большой натяжкой: в конце концов, на момент совершения открытия, эти выводы более чем укладывались в существующую научную парадигму. В конце концов, в какой-то момент времени была прорывной даже теория флогистона, которую в 1780-ых годах Антуан Лавуазье (не опять, а снова) разгромил в пух и прах. Кстати, он-то нам сейчас и нужен, сейчас я расскажу, зачем.
В 1774 Джозеф Пристли и Карл Шееле открывают кислород, что окончательно убедило Лавуазье в ошибочности теории флогистона, и он начал развивать собственную теорию горения. Иронично, что Пристли, первооткрыватель кислорода и фотосинтеза, один из основоположников современной химии, до конца своих дней оставался приверженцем флогистона, с лицом лягухи наблюдая за тем, как все его бывшие соратники буквально лет за десять примкнули к Лавуазье. Последний, тем временем, не сидел сложа руки и проводил опыты с кислородом. Под этим следует понимать, что он сжигал все, до чего только мог дотянуться, и делал соответствующие выводы. Например, Лавуазье обнаружил, что при сгорании органических соединений образуются вода и углекислый газ, и резюмировал их состав: "Все ясно: углерод, водород, кислород."
В конечном итоге Антуан Лавуазье пришел к выводу, что практически все на свете состоит из кислорода и чего-нибудь еще. Не то, чтобы он был сильно далек от истины, но основополагающую роль кислорода он явно переоценивал, создавая свою новаторскую классификацию химических элементов. Она базировалась на основе физических свойств (металлы и неметаллы) и характере образующегося кислородного соединения. В 1789 году Лавуазье высказал предположение, что некоторые вещества могут обладать радикальным характером. Не в плане показывать, где солнышко, или кидать бутылки с зажигательной смесью, нет, радикал по представлениям Лавуазье, — это некая группа атомов, переходящих без изменения из одного соединения в другое. Он предположил, что неорганические кислоты — это соединения кислорода с простыми радикалами, то есть состоящими из одного элемента (кстати, само слово кислород/oxygen означает "порождающий кислоты"), а органические вещества — это соединения кислорода со сложными радикалами, как он уже выяснил, состоящими из углерода и водорода. Эти положения позволили зародиться первой теории органической химии — теории радикалов.
Надо сказать, что химия, стремительно избавлявшаяся от захламляющего ее алхимического наследия, все еще не могла избавиться от некоторых алхимических подходов. Например, воспринимать сложные химические вещества исключительно как продукт бинарного обмена или разложения-синтеза. Бинарной была электрохимическая теория Йенса Якоба Берцелиуса, утверждавшая, что все химические вещества состоят из электроотрицательных и электроположительных атомов или групп атомов, удерживаемых в молекуле силами электростатического притяжения. Бинарной стала и Теория Радикалов, много почерпнувшая как из работ Берцелиуса, так и Лавуазье.
Теория радикалов
В ее основу легли исследования соединений циана, открытого Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1815. Этими исследованиями было впервые установлено, что при целом ряде химических превращений группа из нескольких атомов переходит, не изменяясь, из молекулы одного вещества в молекулу другого, подобно тому, как переходят из молекулы в молекулу атомы элементов. Попросту говоря, радикал выступает в роли одного атома, отличаясь от последнего только тем, что он не один атом, а сложная группировка нескольких.
Как это выглядело на практике: поведение органического циан-радикала CN в химических реакциях было крайне похоже на таковое у галогенов (фтор, хлор, бром, йод. Ну, еще астат, для редкостных душнил). Целый ряд сходных солей HCN и НCl может быть получен реакциями обменного разложения: КCl и KCN; AgCl и AgCN; HgCl2 и Hg(CN)2. Есть и другие реакции, в которых циан “притворяется” галогеном, например, в реакциях вытеснения галоидных соединений.
Веселье только начиналось. Юстусом фон Либихом и Фридрихом Вёлером были изучены свойства “горькоминдального масла”, которое мы сейчас называем бензойным альдегидом. Изучая его реакции, они получили ряд соединений, в которых неизменно оказывался радикал из группы атомов С7Н5О, который они прозвали “бензоилом”. В итоге ими были получены соединения типа:
С7Н5О—Н — водородистый бензоил (собственно, бензойный альдегид);
С7Н5О—Cl — хлористый бензоил;
С7Н5О—ОН — гидроокись (бензойная кислота);
С7Н5О—ONa — бензоат натрия.
Помимо этого, были открыты соединения простейших углеводородных и не только радикалов: метил СН3, этил С2Н5, ацетил С2Н3О и др. Были получены метил-галогениды (хлористый, бромистый и йодистый метил) СН3-Hal, диметиловый эфир СН3ОСН3, а также гидроокись метила, или метиловый спирт СН3ОН.
Все это усиливало принятие теории радикалов. Результаты этих исследований были восприняты как доказательство того, что органические вещества состоят из радикалов, точно так же, как неорганические — из атомов, ведь при химических реакциях группы атомов часто в неизменном виде переходят из исходных молекул в образующиеся. Такой подход впервые дал химикам неплохую модель понимания органического синтеза и продвинул дальнейшее изучение органических веществ. Однако чем дальше в лес, тем больше накапливалось противоречий теории и практики.
Теория радикалов вообще не задавалась вопросом строения самих радикалов и считала их неделимыми, как, собственно, и атомы. Несложно догадаться, что потребовалось для отказа от теории радикалов: химическая реакция, которая смогла бы изменить сам радикал. Что и проделал вскоре Жан-Батист Дюма-неродственник.
Исследуя действие хлора на органические вещества, Дюма открыл, что атомы хлора могут замещать в их молекулах атомы водорода. При воздействии хлора на уксусную кислоту легко происходило замещение атома водорода на атом хлора в ацетильном радикале.
С2Н3ООН + Cl2 —> С2Н2ClООН + HCl
Полученное вещество, монохлоруксусная кислота, по своим химическим свойствам мало отличалось от самой уксусной кислоты. При действии хлора на хлоруксусную кислоту легко происходило дальнейшее замещение сначала второго, а затем и третьего атома водорода на атом хлора, причем продукты этих реакций свойствам также мало отличаются как от хлоруксусной, так и от уксусной кислоты.
С2Н2ClООН + Cl2 —> С2НCl2ООН + HCl
С2НCl2ООН + Cl2 —> С2Cl3ООН + HCl
Казалось бы, ну меняется атом и меняется, чего тут такого? Да вот только по Берцелиусу при реакциях замещения нельзя замещать электроположительные, такие, как водород, атомы электроотрицательными, такими, как хлор. Электроположительные атомы заменяются лишь другими электроположительными атомами, электроотрицательные — электроотрицательными, и никак иначе. Да и химическое изменение радикала считалось чем-то невероятным, хотя вот оно, туточки. В итоге, после непродолжительного спора между Дюма и Берцелиусом Теория радикалов крякнула, скрипнула и переформатировалась в метастабильную Теорию Замещения, а затем и в Теорию Типов. В наследие нам остались лишь названия радикалов для функциональных групп в химической номенклатуре (бензоил, ацетил, долготупил, метил и прочая на -ил).
Теория типов
Оттоптавшийся по теории радикалов Дюма дал начало теории типов, ключевую роль в создании и разработке которой сыграл Шарль Фредерик Жерар. Теория типов концентрировалась на изменяющихся частях молекул и причинах изменений, тогда как теория радикалов радикалов принимала во внимание только ту часть молекулы, которая в химической реакции оставалась неизменной. Органические вещества теперь считались не аналогом атомов в неорганических веществах, но производным от них. Если на пальцах, то берем органический радикал... Ох, простите, здесь так говорить больше не принято, теперь его называют “остатком”. Так вот, берем остаток и замещаем им какой-нибудь атом в простом и привычном неорганическом соединении. Химические реакции для получившегося органического соединения будут характерны, или, иными словами, типичны, для оригинального незамещенного вещества, которое мы назовем типовым. И этакий кадавр начинает работать и, более того, кажется весьма логичным, когда мы “замещаем” атом водорода.
Первым типом среди всех стал тип воды, к которому отнесли различные кислородсодержащие соединения. Органические вещества образуются из воды путем замены атома водорода на остатки, таким образом можно получать спирты и эфиры. Химические реакции спирта объяснялись через реакции воды. Например, в молекуле этилового спирта атом водорода может замещаться металлическим натрием аналогично тому, как это происходит в молекуле воды. Протекающие реакции и продукты также аналогичны. А вот в этиловом эфире “водотипичного” атома водорода нема, а значит, вещество с натрием не реагирует. Благодаря теории типов появилась как класс химия соединений типа аммиака, которые назвали аминами. В конечном итоге были выделены четыре главных типа: аммиака, воды, хлороводорода и метана.
К сожалению, по большому счету теория типов не слишком далеко ушла от теории радикалов. Гиперфиксация на кислороде сменила привязку на водород, а неизменяющиеся части молекулы - на изменчивые. Но все еще мы не можем ответить, из чего состоит радикал (простите, остаток), и каким образом он влияет на реакционную способность соединения. Добили теорию типов соединения, которые можно было отнести к нескольким типам за раз. Рисовались десятки формул, придумывались новые типы, сущности множились и копья ломались, но, в конечном итоге, теория типов зашла в тупик.
Теория химического строения
Большой вклад в создание структурной теории внес немецкий химик Фридрих Кекуле. Помимо установления четырехвалентности углерода он также ввел тип метана, предложил известную формулу бензола и, что немаловажно, правильно сформулировал одну из основных задач органической химии того времени: понять, из чего, черт возьми, все-таки состоят радикалы. Однако Кекуле был слишком сфокусирован на реакционной способности и упускал важность структурной составляющей органических соединений.
И тут на сцену врывается пчеловод, энтомолог и чисто по совместительству батя современной органической химии великий Александр Михайлович Бутлеров. Он первый обратился к структуре соединений, утверждая, что химические и реакционные свойства определяются структурой, “химическим строением” вещества и наоборот. Более того, по химическим превращением с участием этого вещества можно это строение установить, что шло вразрез с положениями теории типов, однако это утверждение быстро было подтверждено экспериментально.
Теория химического строения не только на порядок лучше предсказывала результаты синтеза органических соединений, но и связывала его со строением уже известных веществ. Она наконец-то позволила объяснить явление изомерии: существование веществ, обладающих одинаковым составом, но разными свойствами. На основе теории химического строения возникло и выросло учение о стереохимии. Все это дало нехилого толчка науке и промышленности. Так теория химического строения стала основой современной органической химии. Первой по-настоящему непротиворечивой моделью для химического описания материи, которой, пусть и в слегка причесанном виде, мы пользуемся и поныне.
На этом все, котята. Любите маму, папу, химию и всегда относитесь критически к результатам ваших экспериментов. Даже если они вам очень-очень нравятся.
Автор: Илья Пахомов.