4.4 Химия
4.4.031 Теория химического строения вещества Бутлерова
Химик, ботаник, энтомолог-лепидоптерист (специалист по бабочкам), пчеловод, садовод, чаевод; общественный деятель, лектор, популяризатор науки, пропагандист научного спиритизма; профессор химии Казанского университета, заслуженный профессор Петербургского университета, организатор и заведующий академической химической лабораторией Петербургского университета, профессор Высших женских курсов; академик Петербургской АН; председатель Отделения химии Русского физико-химического общества, вице-президент Императорского вольного экономического общества (ВЭО); почетный член Казанского и Киевского университетов, Медико-хирургической академии, английского и немецкого химических обществ, член многих других русских и иностранных ученых обществ; ректор Казанского университета; лауреат Ломоносовской премии, кавалер Большой золотой медали ВЭО — Александр Михайлович Бутлеров (1828—1886) всемирно известен своими теоретическими и экспериментальными работами в области органической химии.
Бутлеров является главой первой русской школы химиков-органиков, создателем классической теории химического строения вещества.
На лекции Бутлерова «О воде», «О светильном газе», о бабочках Волги и Урала, о пчелах и растениях-медоносах, о медиумах и т.п. публика ходила охотнее, чем в театр.
Профессор рассказывал о любом предмете, включая химические цепи, так увлеченно и с такой образностью, что слушатели выносили из аудитории помимо обретенных знаний еще такой заряд бодрости, какой не всегда получишь и на водевиле.
Александра Михайловича интересовало все, он был жаден не только до химической науки, но и до живой природы, и все свои знания преподносил так нестандартно, но в то же время просто, что его с равным удовольствием слушали студенты и академики, статские советники и барышни.
Чем бы ни занимался знаменитый химик, везде он оставил заметный вклад, не потускневший со временем. Даже в спиритизме. Интересно, что вопросы медиумизма интересовали его не меньше, чем права женщин на высшее образование или засилье иностранцев в Петербургской АН.
Но вернемся к главному предмету нашей книги — научным достижениям ученого. Они велики. Особенно в главном деле его жизни — в структурной теории химического строения.
В середине XIX в. органическая химия (новый раздел химии, занявшийся изучением соединений углерода, их структуры и свойств) пребывала в начальной стадии развития. Возникнув в 1828 г. с получением Ф. Вёлером органического вещества — мочевины, наука прошла еще только один этап — разработку теории валентности А.С. Купером и Ф.А. Кекуле в 1857 г.
Как видим, поля молодой науки еще не были даже толком вспаханы. И на них славно потрудился Бутлеров.
Во время своей первой заграничной командировки по Германии, Франции, Англии, Швейцарии, Италии (1857—1858) русский ученый познакомился с трудами выдающихся химиков той поры — Ф.А. Кекуле, Р.В. Бунзена, Э. Эрленмейера, Ш.А. Вюрца и др., а также провел в их лабораториях собственные экспериментальные исследования.
В этих опытах был открыт новый способ получения йодистого метилена, впервые синтезирован гексаметилентетрамин (уротропин) C6H12N4 из полимера формальдегида HC(O)H и аммиака NH3, впервые был выделен «метиленитан» — сахаристое вещество состава C6H12O6 (ныне формоза или акроза). Этот полный синтез глюкозы, осуществленный химиком, стал открытием мирового уровня.
Развивая отдельные положения теории атомности элементов Кекуле, Бутлеров пришел к идее химического сродства химических атомов, на которой и возвел задание теории химического строения (называемой еще «теорией строения молекулы», или структурным учением).
В 1861 г. на химической секции 16-го Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере Бутлеров в своем знаменитом докладе «Нечто о химическом строении тел» изложил начала новой теории, квинтэссенция которой сводилась к следующему:
«Полагая, что каждому химическому атому свойственно лишь определенное и ограниченное количество химической силы (сродства), с которой он принимает участие в образовании тела, я назвал бы химическим строением эту химическую связь, или способ взаимного соединения атомов в сложном теле… Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением».
Там же Бутлеров наметил пути для определения химического строения, «впервые объяснил явление изомерии тем, что изомеры — это соединения, обладающие одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением».
Может быть потому, что доклад был принят немецкими химиками довольно прохладно, все свои теоретические выводы ученый поспешил подтвердить блестящими экспериментами.
Собственно, этому он посвятил всю свою жизнь, и для этого создал первую русскую школу химиков-органиков, в которой воспитал будущих профессоров В.В. Марковникова, А.Н. Попова, А.М. Зайцева, Д.П. Коновалова, А.Е. Фаворского, М.Д. Львова, И.Л. Кондакова и др.
Десятки последователей Бутлерова были благодарны учителю за то, что он научил их главному в профессии ученого-химика — лабораторным приемам и методам исследования веществ, получаемых часто с невероятным трудом и в мизерных количествах, а также следованию в трактовке полученных результатов общим принципам теории.
Теория химического строения тел внесла новое направление в химические исследования и оказала огромное влияние на развитие органической химии в новейшее время. Она полностью вошла в элементарные курсы органической химии, также как и многие другие работы Бутлерова, написанные на ее основе и в ее развитие.
Теория дала в руки исследователей возможность по химическому строению вещества судить о его свойствах.
Предсказывание свойств еще не открытых веществ в химии стало революционным открытием — и по сути своей, и по масштабу — равновеликим Периодической таблице элементов Менделеева. (К слову сказать, скептик Менделеев полностью признал справедливость теории гениального современника лишь спустя десять лет после смерти Бутлерова).
Уже в XX в. Бутлеровская концепция взаимного влияния атомов получила электронную интерпретацию.
Так, на основаниях теории химического строения было предсказано, а затем и доказано существование позиционной и скелетной изомерии, третичного бутилового спирта и его изомеров, двух бутанов, трех пентанов, триметилформена, изобутилена, триметилуксусной кислоты, осуществлен синтез пинаколина, изучены металлоорганические соединения, начато систематическое исследование полимеризации, завершившееся открытием С.В. Лебедевым промышленного способа получения синтетического каучука...
Показав возможность обратимой изомеризации, ученый заложил еще и основы учения о таутомерии (явление обратимой изомерии, при которой два или более изомера легко переходят друг в друга).
В развитие своей теории Бутлеров в 1863 г. опубликовал в «Kritische Zeitschrift f. Chemie» и в «Ученых записках Казанского университета» основополагающую статью «О различных способах объяснения некоторых случаев изомерии», а в 1864—1866 гг. издал в Казани тремя выпусками «Введение к полному изучению органической химии», которое тут же было переведено на немецкий язык.
Полностью базировавшееся на идеях теории химического строения, «Введение» (фактически заново написанный курс органической химии) в считанные годы стало достоянием всего научного мира.
Проникновению учения во многом способствовала одновременная публикация многочисленных работ Бутлерова на русском, немецком и французском языках в химических журналах разных стран.
Став основой современной органической химии, химической физики, биохимии, генетики, теория Бутлерова служит источником бесконечного ряда открытий, имеющих теоретическое и практическое значение.
По образному определению Я.К. Голованова, Бутлеров «химию «плоскостную»… сделал «объемной», создал мир новых химических измерений, показал, как в этом мире становится объяснимо то, что вчера еще нельзя было объяснить».
Что же касается синтезированных Бутлеровым веществ, без них сегодня не обходится многие отрасли хозяйства. Йодистый метилен, например, — первое вещество. полученное химиком, активно используется минералогами и петрографами при определениях удельного веса и состава минералов и горных пород, а разнообразные углеводороды и спирты, которыми занимался ученый, ныне производятся миллионами тонн.