История развития органической химии

Лекция 1. История развития органической химии.   

  Органическая химия  изучает соединения  углерода — углеводороды и их производные, в состав которых могут входить почти все элементы периодической системы.  

  Выделение органической химии в самостоятельную научную дисциплину обусловлено большим числом и многообразием соединений углерода, наличием специфических свойств, отличающих их от соединений других элементов, и, наконец, их исключительным значением в жизни человека. В настоящее время известно более 4,5 миллионов органических соединений, в то время как соединений неорганических всего около 700 тыс. Превращения органических соединений управляются общими законами химии, а также специфическими закономерностями, характерными только для органических соединений. Органические соединения обычно менее стойки, чем неорганические, легче окисляются (горят), подавляющее большинство из них имеет только ковалентные связи между атомами. Особое положение органической химии в системе наук обусловлено еще и тем, что она изучает более высоко организованную материю, чем неорганическая химия, и тесно связана с биологией: органические вещества появились на Земле позже неорганических, они являются носителями жизнедеятельности животных и растительных организмов.  

  Но не только этим определяется исключительное значение органической химии. Органические соединения составляют основу многих отраслей химической промышленности (пластических масс, синтетического каучука и резины, моторного топлива и смазочных материалов, растворителей, лаков и пигментов, красителей для волокна, медикаментов, взрывчатых веществ, текстильных, Кожевенных и пищевых материалов и т. д.) и широко используются в производстве. С древнейших времен люди использовали природные органические вещества и получали из них различные продукты, например спиртные напитки (вино, пиво, «мед»), уксус, органические красители (пурпур, индиго, ализарин), эфирные масла, сахар и др. Затем научились видоизменять эти вещества и воспроизводить природные процессы в расширенных масштабах и в условиях, отличных от природных. И уже значительно позже стали получать не существующие в природе вещества и материалы и изучать механизм химических процессов. 

  Одним из первых методов переработки природных веществ была перегонка. С ее помощью, например, из уксуса была получена уксусная кислота (IX в.), из бродящих жидкостей — этиловый спирт (XI в.), а затем из спирта — перегонкой с серной кислотой — этиловый эфир (XVI в.), из природных смол — янтарная и бензойная кислоты. Впоследствии научились выделять нужные вещества методами кристаллизации, перегонки с паром и т. д. 

  Во второй половине XVIII в. М. В. Ломоносов и А. Лавуазье установили закон сохранения вещества и положили начало количественным методам исследования в химии. С этого времени в химию вошел химический анализ, т. е. определение качественного и количественного состава веществ. Прогресс в области химического анализа способствовал совершенствованию методов очистки химических веществ. В «аналитический» период развития химии начинает обособляться органическая химия. 

  Первая классификация химических соединений была дана в учебнике Лемери в 1675 г. Он делил их по происхождению на минеральные, растительные и животные. Этот принцип, однако, не позволял отделить органические вещества от неорганических: по классификации Лемери, например, янтарная кислота относилась к группе минеральных веществ, так как ее получали перегонкой ископаемого янтаря, поташ попадал в группу растительных веществ, а фосфат кальция — в группу животных веществ, так как их получали прокаливанием соответственно растительных (древесина) или животных (кости) материалов.  

  В первой половине XIX в. было предложено выделить соединения углерода в самостоятельную химическую дисциплину — органическую химию.  

  Многие ученые, в том числе знаменитый шведский химик Берцелиус, тогда полагали, что органические вещества возникают только в живом организме под влиянием особой «жизненной силы». Этот взгляд на происхождение органических веществ получил название витализма[1].   

  Идеалистическое  учение виталистов  тормозило развитие  органической химии, ограничивало попытки синтеза органических веществ. Однако оно вскоре было опровергнуто практикой, химическими экспериментами. Так, немецкий химик Вёлер получил из неорганических веществ щавелевую кислоту (1824) и мочевину 2 (1828). Русский ученый Н. Н. Зинин получил анилин (1842), который ранее получали из растительного сырья. В 1845 г. немецкий химик Кольбе синтезировал уксусную кислоту, в 1854 г. французский ученый Бертло — жиры, а в 1861 г. А. М. Бутлеров получил первое синтетическое сахаристое вещество.   

  Гибель витализму принес успешно развивающийся в первой половине XIX в. основной метод органической химии — метод органического синтеза.   

  Первоначально синтез одних веществ из других осуществлялся случайно, по интуиции. Однако исследователи подмечали все больше закономерностей в переходах одних веществ в другие. Эти закономерности позволяли группировать органические вещества. Так, например, выявилось сходство между такими веществами, как спирт, хлористый этил, этиловый эфир. Все они содержат группировку атомов (радикал) С2Н4 (в современном написании), названную «этерином». Спирт и эфир рассматривались как гидраты этерина, хлористый этил — как гидрохлорид этерина (Дюма, Берцелиус).   

  Крупнейший немецкий ученый Либих, используя масло горьких миндалей, получил ряд веществ, содержащих группировку (радикал) СвН5СО (бензойный альдегид С6Н5СО—Н, бензойную кислоту С„Н5СО—ОН, хлористый бензоил C6H5CO—C1 и т. д.). Эти и другие достижения химиков привели к созданию первой теории органической химии — теории радикалов (Дюма, Либих, Берцелиус). Ее авторы полагали, что радикалы играют в органических соединениях роль атомов и не могут изменяться при химических превращениях. Однако вскоре было установлено, что в органических радикалах атомы водорода могут замещаться даже на такие отличные от водорода по химической природе атомы, как атомы хлора (Дюма), и при этом тип химического соединения сохраняется.   

  Теорию радикалов сменила более совершенная и охватывающая больший экспериментальный материал теория типов (Лоран, Жерар, Дюма).    

  Большинство сторонников теории типов (Жерар, Кольбе, Кекуле и др.) были идеалистами-агностиками. Они исходили из того, что невозможно определить строение вещества опытным путем. Можно только классифицировать органические вещества по типам превращений, в которые эти вещества вступают. При такой классификации одно и то же органическое вещество можно было относить к разным типам. Первоначально насчитывали четыре, затем пять типов органических соединений: тип водорода, хлористого водорода, воды, аммиака и метана. Теория типов искусственно и с большими натяжками позволяла классифицировать большой экспериментальный материал, накопившийся к середине XIX в. Однако предсказать существование и пути синтеза органических соединений неизвестных классов она не могла. Органическая химия в эти годы представлялась, по выражению Вёлера, «... дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть».   

  Дальнейшее развитие науки требовало создания новой, более прогрессивной теории. В создание такой теории органической химии внесли свой вклад ученые нескольких стран — в первую очередь русский ученый А. М. Бутлеров, шотландец Купер и крупнейший немецкий химик Кекуле.   

Кекуле (одновременно с его соотечественником Кольбе) установил четырех валентность углерода и (одновременно с Купером) развил идею о способности углеродных атомов соединяться в длинные цепи. Купер предложил современную систему изображения связей в химических соединениях с помощью черточек. Однако эти ученые считали строение молекул непознаваемым и, выдвигая свои идеи, имели целью лишь систематику, классификацию и описание экспериментального материала.  

  Начиная с 1858 г. А. М. Бутлеров развивает и экспериментально обосновывает теорию химического строения. А. М. Бутлеров исходил из материалистических представлений, основанных на атомистическом учении М. В. Ломоносова и Дальтона. Сущность этой теории сводится к следующим основным положениям.

1.Химическая  природа каждой  сложной молекулы  определяется природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением.

2.Химическое  строение — это  определенный порядок  в чередовании  в молекуле атомов, во взаимодействии, взаимном влиянии  атомов друг на  друга (как соседних, так и через  другие атомы).

3. Химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства.

4. Изучение свойств  веществ позволяет  определить их  химическое строение.   

  В отличие от ранее существовавших теорий теория химического строения позволяла классифицировать весь накопившийся и новый экспериментальный материал и, что самое важное, предсказывать возможное число органических соединений определенного состава и вероятные пути их синтеза, т. е. допускала экспериментальную проверку. Она стала общей теорией органической химии как науки.  

  Теорию химического строения подтвердило получение Бутлеровым и его учениками, а затем и другими химиками всех предсказанных изомеров простейших органических соединений. Так, были синтезированы изобутан, изобутилен, третичные спирты и т. д. Позднее Кекуле также стал на позиции теории строения и внес особенно крупный вклад в создание структурной теории разработкой вопросов строения ароматических соединений. Для написания структурной формулы любого органического соединения используют четыре основных свойства углерода: четырех валентность, а также способность его атомов соединяться в цепи, образовывать двойные и тройные связи и циклы.  

  В 70-х годах XIX в. теория строения дополнилась теорией пространственного расположения атомов в молекулах — стереохимической теорией (Вант-Гофф, Лебедь). Создание теории химического строения способствовало бурному развитию органической химии и в последней четверти XIX в. она приняла современный облик. Уже в конце XIX в. синтетический метод органической химии стал проникать в химическую промышленность. Возникают производства синтетических красителей, взрывчатых веществ, медикаментов. Сырьевую базу для них дает коксохимическая промышленность: необходимые для этих производств органические вещества получают преимущественно из каменноугольной смолы и продуктов ее переработки. Развитие промышленности в свою очередь стимулировало научные исследования1.  

  В начале XX в. органическая химия и промышленность обогащаются новыми методами синтеза: широко используются высокие давления (В. Н. Ипатьев), катализ (Габер, Н. Д. Зелинский, Сабатье), электрохимические методы. Особенно бурно развивается химическая промышленность в Германии. Именно благодаря развитию металлургии и химической промышленности Германия становится одной из наиболее развитых империалистических держав. В результате первой мировой войны Германия утратила свое преимущество в развитии химической промышленности. На первое место в области развития химии вышли Соединенные Штаты Америки. В качестве сырья для получения органических соединений в США использовалась главным образом нефть. Преимущественное развитие получили такие отрасли химической промышленности, как производство искусственного моторного топлива и смазочных масел, растворителей, лаков и красок, позже пластических масс.  

  В царской России несмотря на ведущую роль отечественных химиков во многих областях химии химическая промышленность была развита слабо и в основном находилась в руках иностранного капитала. Это несоответствие между развитием науки и промышленности было характерно для господствовавшего в России самодержавного буржуазно-помещичьего строя, неспособного использовать богатейшие материальные и духовные ресурсы страны.   

  В результате мировой войны 1914 г. и гражданской войны и эта слабо развитая химическая промышленность была почти полностью разрушена. Химическую промышленность в Советском Союзе фактически пришлось создавать заново. В короткие сроки были созданы такие отрасли химической промышленности, как азотно-туковая, анилинокрасочная, пластических материалов, искусственного волокна, лакокрасочная. Впервые в мире были построены заводы по производству синтетического каучука способом, разработанным С. В. Лебедевым. Выпуск химической продукции увеличился в 1940 г. по сравнению с 1913 г. почти в 25 раз.   

  Нападение фашистской Германии на нашу страну нанесло всей промышленности, в том числе и химической, огромный урон. Было выведено из строя более половины всех производственных мощностей. Химическая промышленность, как и остальные отрасли народного хозяйства, после войны была быстро восстановлена и реорганизована. Выпуск химической продукции к 1959 г. — первому году семилетнего плана — увеличился по сравнению с довоенным 1940 г. больше чем в пять раз. Советский Союз по производству химической продукции занял первое место в Европе и второе в мире (после США), а по темпам развития опередил все капиталистические страны. Несмотря на это потребности нашего народного хозяйства в некоторых важных химических продуктах удовлетворялись далеко не полностью.