Теория химического строения органических соединений — теоретический фундамент органической химии

Выше отмечалось, что с появлением теории химического строения органическая химия стала развиваться как структурная химия и все проблемы, связанные с её дальнейшим развитием, базируются на структурных принципах. Из большого числа факторов, определяющих ход химического процесса, структурный фактор является определяющим, и он должен стать основным базовым принципом при изучении органической химии. Такой подход базируется на теории химического строения, основные положения которой приведены ниже.

В конце 50-х годов XIX века был накоплен огромный фактический материал о свойствах и превращениях органических соединений, утвердился органический синтез, а теории, которая бы смогла наиболее полно их обобщить, не было. Отставание теории от эксперимента серьёзно тормозило дальнейшее развитие органической химии. Предпринимались многократные попытки дать органической химии подлинно научную теорию, однако, в лучшем случае, удавалось решать отдельные частные вопросы.

Почётная миссия поставить молодую науку на прочный теоретический фундамент выпала на долю великого русского химика, профессора Казанского университета Александра Михайловича Бутлерова.

Развитие любой науки протекает таким образом, что все плодотворные идеи предыдущего периода не отбрасываются, а переосмысливаются и вплетаются в ткань новых воззрений. Справедливость требует отметить, что и при создании теории химического строения были учтены наиболее значимые результаты предыдущего периода развития органической химии.

Наиболее существенным опорным материалом при создании теории химического строения были экспериментальные результаты трёх химиков — Э. Франкленда, Ф. Кекуле и А. Купера.

Английский химик Э. Франкленд в 1853 г., сравнивая органические производные металлов с неорганическими, ввёл понятие о «соединительной силе», явившееся предшественником понятия валентности (от латинского valentia — сила). Термин «валентность» ввёл немецкий химик К. Г. Вихельхауз в 1868 г. До сих пор нет единого определения понятия валентности, но большинство авторов сходятся на следующем:

Валентность — это способность атома присоединять или замещать определённое число атомов или групп атомов с образованием химической связи.

Большинство химиков того времени (в том числе А. М. Бутлеров и Д. И. Менделеев) пользовались другим термином — атомность, длительное время остававшимся синонимом термина «валентность». Сущность валентности была вскрыта после прихода в химию электронных представлений.

Значительный вклад в создание теории химического строения внёс немецкий химик Ф. Кекуле, установивший четырёхвалентность углерода (1857 г.). Почти одновременно с Ф. Кекуле к заключению о четырёхвалентности углерода пришёл шотландский химик А. Купер (1858 г.). Он же указал на способность углерода к образованию углерод-утлеродных связей (т.е. цепей), а также предложил систему изображения структурных формул с помощью символов элементов и черточек.

Взгляды А. Купера являлись ближайшими предшественниками теории химического строения А. М. Бутлерова. Тем не менее, ни Кекуле, ни Купер даже после того, как Бутлеров изложил свои взгляды на химическое строение, не стали активными сторонниками новой теории, длительное время оставаясь приверженцами теории типов.

Основные положения теории химического строения А. М. Бутлеров изложил в своём докладе «О химическом строении веществ», с которым выступил 19 сентября 1861 г., на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в немецком городе Шпейере. Сущность этих положений сводится к следующему:

1. Молекулы любого вещества имеют строго определённое химическое строение, представляющее собой последовательность соединения атомов в молекуле в соответствии с их валентностью. Химическое строение выражается структурной формулой.

Таким образом, в органическую химию вводятся новые понятия — химическое строение и структурная формула. Структура молекулы представляется как совокупность химически связанных атомов. Вопрос о природе сил, удерживающих атомы в составе молекулы, не ставился (оставался открытым). Этот вопрос решался много десятилетий спустя на совершенно иной научной базе. По Бутлерову атомы в молекулах связаны силами химического сродства. Понятие «химическое строение» в структурной теории является ключевым.

2. Свойства веществ (физические и химические) зависят от вида и количества атомов, входящих в состав молекулы, а также от химического строения. Это положение более кратко звучит: «Структура определяет свойства» и является важнейшим следствием теории химического строения.

Это положение позволило навести порядок в органической химии, объяснить многие экспериментальные данные, накопившиеся за весь период её развития, в том числе и явление изомерии (глава 4). Определение взаимосвязи структуры и свойств вещества — одна из важнейших задач теоретической органической химии. Решение этих задач позволяет вести синтез веществ с заранее заданными свойствами (целенаправленный синтез).

3. Свойства атомов и групп атомов в составе молекулы не являются постоянными, а зависят от ближнего и дальнего соседства с другими фрагментами молекулы. Это положение известно как взаимное влияние атомов в молекулах.

Может показаться, что это положение в какой-то степени повторяет предыдущее. Да это и не удивительно, так как теория химического строения — единое учение, а приводимые здесь отдельные положения. — чисто искусственный приём, чтобы сконцентрировать внимание на сущности теории. Свойства вещества есть реальное отражение взаимного влияния атомов в молекуле. Выяснение природы этого влияния позволяет предсказывать свойства вещества, представленного структурной формулой.

Основная задача обучения органической химии — как можно глубже понять сущность взаимного влияния атомов с целью извлечения максимальной информации из структурной формулы. О свойствах вещества надо читать не в тексте учебника, а по структурной формуле. Грамотность химикаорганика определяется в первую очередь тем, насколько он научился читать текст, зашифрованный структурной формулой.

4. Химическое строение (структура) может быть установлено в результате изучения свойств вещества. И, наоборот, свойства вещества можно предсказать на основании знаний о его химическом строении и наметить путь его синтеза.

Это положение широко применяется в синтетической органической химии, так как каждый синтез нового вещества требует доказательства его структуры. Часто подтверждение предполагаемой структуры достигается не в результате изучения свойств вещества, а путём проведения его синтеза по другой схеме с последующим сопоставлением идентичности веществ (встречный синтез). В настоящее время наличие различных физических методов установления структуры вещества значительно упрощает проблему.

5. Принцип минимального изменения структуры. Сущность этого положения теории химического строения сводится к тому, что в процессе химических реакций происходит минимальное изменение структуры. Основной скелетный остов исходного соединения мы обнаруживаем в структуре продукта реакции. А так как химическая реакция — это процесс разрыва старых и образования новых химических связей, то можно говорить, что в химических реакциях принимает участие ограниченное число химических связей (обычно одна-две). Редко встречаются отклонения от этого принципа, объясняемые перегруппировками.

Иногда задают вопрос, сколько положений в теории химического строения, в каком порядке они перечисляются по степени важности. Сам автор теории их особенно не выделял и не нумеровал. Теория внедрялась в науку не одномоментно в виде единого пакета положений. Выше приведена официальная дата представления теории химического строения на международном уровне. По свидетельству современников основные идеи теории Бутлеров вводил в лекционный курс, читаемый в Казанском университете, начиная с 1858 г. Он же в 1864 г. издал учебник «Введение к полному изучению органической химии» — первое в истории науки руководство, основанное на теории химического строения, где теория получила дальнейшее развитие. Закреплению приоритета Бутлерова в разработке теории химического строения способствовало издание данного учебника на немецком языке (1867 г.). А учение о взаимном влиянии атомов в молекулах сформировалось к 1868 г. (в соавторстве с его учеником В. В. Марковниковым).

Прошло полтора века. Все естественные науки сделали гигантский шаг в своем развитии. Разная судьба у научных теорий. Они живут до тех пор, пока способствуют развитию науки, а не становятся её тормозом. Многие теории умирали, уступая место более совершенным. Завидная судьба оказалась у теории химического строения.

Введение

в органическую химию стереохимических и электронных представлений не поколебало ни одно из положений, составляющих её основу. Теория совершенствовалась, принципиальные её положения оказались незыблемыми. Теория химического строения оказалась всесильной, потому что она была верна изначально.

Теория химического строения и по сей день остаётся теоретическим фундаментом органической химии. И если попытаться одной фразой отразить её основное содержание с учётом нынешнего состояния науки, то это прозвучит примерно так:

Свойства органических соединений определяются составом их молекул, а также химическим, пространственным и электронным строением.

В авторское определение вносится небольшое уточнение — более глубокий смысл вкладывается в понятие строение. И по настоящее время весь фактический материал по органической химии вписывается в рамки теории химического строения. Те успехи, которых достигла органическая химия, обусловлены тем, что полтора столетия назад молодая наука получила надёжный теоретический фундамент — теорию химического строения.

Роль теории химического строения сравнивают с величайшим обобщением знаний о неорганических веществах — Периодическим законом и Периодической системой элементов Д. И. Менделеева. Вот как оценивает роль теории химического строения выдающийся химик XX века, предложивший электронную трактовку ковалентной связи, Гилберт Льюис: «В науке нет общей теории (даже если мы будем рассматривать те из них, которые имеют строгую математическую формулировку), которая имела бы больший успех в обобщении самых разнообразных фактов в простой форме, чем это приходится на долю концепций, которые мы называем структурной теорией».

Выше были перечислены основные положения, в совокупности составляющие теорию химического строения. Преподаватели химии и учащиеся при изучении каждой темы, каждого класса органических соединений найдут многочисленные примеры, подкрепляющие эти положения. Какую бы тему дисциплины вы не изучали, какую бы страницу школьного учебника не открыли, задайте себе вопрос «С каким положением теории химического строения это связано?». Вы обязательно обнаружите связь с тем ли иным, а то и с несколькими положениями теории химического строения. Это подтверждает, что теория химического строения охватывает всю органическую химию, скрепляет всю конструкцию этого здания, даёт ответы на экспериментальные факты и определяет пути её дальнейшего развития.

К сожалению, ещё не на все вопросы «как» и «почему» мы можем дать однозначные ответы. Не всегда срабатывает принцип аналогии. Химия — наука экспериментальная. Факты, которые в настоящее время мы ещё не можем объяснить, служат стимулом для дальнейших творческих поисков. Рано или поздно мы получим ответы и на эти вопросы.

Теория химического строения продолжает развиваться. Вспомним, что полтора столетия назад, когда теория создавалась, мы не имели представления о природе валентности и химической связи, об электронных эффектах, о механизмах химических реакций и многом другом. Постепенно мы узнавали все больше и больше об окружающем нас мире, а основные положения теории химического строения оставались незыблемыми.