3. ПРОВЕРКА ТЕОРИИ И БОРЬБА С ПРОТИВНИКАМИ

3. ПРОВЕРКА ТЕОРИИ И БОРЬБА С ПРОТИВНИКАМИ

Приступая к экспериментальной проверке своих теоретических воззрений, Бутлеров правильно решил, что для разъяснения химического строения сложных соединений начинать нужно с изучения химического строения простейших веществ. Он взялся за синтез уксусной кислоты, что ему не только вполне удалось, но и привело к открытию более важному: к синтезу третичных спиртов.

Этот синтез имел чрезвычайно важное значение, так как сразу осветил вопрос об изомерии и в дальнейшем привел к полному разрешению этой важнейшей проблемы, являвшейся пробным камнем для новой теории.

До того как Бутлеров приступил к сбоим исследованиям, было известно довольно значительное число алкоголей, близких по их химической природе к обыкновенному спирту. Исследования некоторых ученых указывали на существование изомерных спиртов, но природа их оставалась неразъясненной и общепринятая теория типов не могла ничего сказать по этому поводу.

Ни одна из господствовавших до Бутлерова химических теорий вообще не могла ответить на вопрос, что такое изомерия.

В самом деле, это явление чрезвычайно странное. Вы имеете два вещества, исследуете их свойства, природу, отношение к другим веществам и ясно видите, что оба они не имеют ровно ничего общего между собою, иной раз даже обладают свойствами, прямо противоположными друг другу. Начинаете изучать их состав и тут убеждаетесь, что не только оба эти вещества состоят из одних и тех же элементов, но и количества их, вошедшие в соединение друг с другом, одни и те же в обоих случаях и по своему составу оба изучаемые вещества должны быть признаны тождественными друг другу.

Никто не мог дать этому явлению никакого разумного объяснения. Жерар пробовал объяснить изомерию, выдвинув свою теорию генераторов. Кольбе признавал и защищал теорию генераторов. Согласно этой теории различие изомерных веществ объяснялось тем, что различны были реакции при их образовании.

Бутлеров опроверг эту теорию опытами своего ученика А. Н. Попова, который одно и то же вещество — метиламилкетон — получил в результате двух разных реакций, то-есть, говоря словами Жерара, при разных генераторах.

«Таким образом, — заключает Александр Михайлович, — само собою естественно вытекло заключение о том, когда получаемые вещества, несмотря на различие ближайших генераторов, должны быть тождественны потому, что представляют случай одинакового распределения химического взаимодействий элементарных атомов, то-есть одинакового химического строения. Раз дойдя до этого, нетрудно было убедиться, что гораздо проще, оставляя в стороне ближайшие генераторы, судить прямо, насколько то возможно, о строении — вещества».

Значит, не генераторы, а только атомы, их размещение в молекуле и их различное взаимоотношение в молекуле данного вещества могут объяснить явление изомерии, — таков вывод из структурной теории.

Александр Михайлович своими классическими исследованиями над группой таких изомерных веществ, известных под именем бутильных алкоголей, показал, в чем дело. Опираясь на свою теорию строения химических соединений, он показал, что атомы, образующие частицу химического соединения, находятся в ней в известном, строго определенном отношении друг к другу. От расположения атомов в частице, от взаимных отношений друг к другу, от порядка и способа их связи друг с другом зависят все свойства данного химического соединения, зависит его способность вступать во взаимодействие с другими веществами.

Вы имеете, например, группу, состоящую из 4 атомов углерода, 8 атомов водорода и 2 атомов кислорода. В одном случае эти атомы группируются так, что из них образуется вещество, обладающее сильно кислыми свойствами, неприятным запахом, энергически взаимодействующее с другими; в другом же случае из того же числа атомов тех же элементов образуется соединение, резко отличающееся от первого: оно совершенно не имеет кислых свойств, обладает приятным ароматом и относится индиферентно к тем веществам, с которыми энергично взаимодействовало первое.

От чего зависит эта разница? Понятно, не от состава: он один и тот же.

Теория химического строения объясняет, в чем дело, и показывает, что атомы углерода, водорода и кислорода в обоих случаях связаны друг с другом неодинаково, и это различие обусловливает разницу в свойствах обоих веществ. Но теория Бутлерова не только объясняет это, но и доказывает.

Исходя из простейших веществ, состоящих из двух элементов, соединившихся в небольшом числе атомов, веществ, в которых взаимное отношение составных частей престо и наглядно, она выводит строго логическим и опытным путем все самые сложные вещества, замещая какую-нибудь из составных частей на другие элементы и группы по их возрастающей сложности. Она показывает самый порядок замещения, способ его и доказывает свои выводы каждый раз теми превращениями, к каким становится способным вновь образовавшееся вещество.

Мало того, она говорит: если атомы таких-то элементов, например углерода, водорода и кислорода, соединятся между собою в таком-то числе и в таком-то порядке, то должно образоваться такое-то вещество, обладающее такими-то свойствами. Исходя из простейших веществ, в которых строение ясно, химик, руководясь этой теорией, начинает создавать предположенное вещество, вводя в избранное простейшее — на место той или другой составной части — нужные для него элементы, и в результате получает именно то вещество, — которое предвиделось теорией, со всеми теми свойствами, которые последняя ему приписывала.

Бесчисленный ряд таких синтезов поставил теорию строения химических соединений на незыблемую почву опыта и факта.

Для исследований изомерных веществ Бутлеров воспользовался известным изобутиловым спиртом, который был выделен еще в 1852 году из сивушного масла. По своим химическим свойствам изобутиловый спирт близок к винному спирту. Бутлеров выбрал для исследования изобутиловый спирт потому, что он был наиболее доступным по цене и легко очищался от примесей.

Исходя из теории строения, можно было предвидеть существование бутилового спирта в четырех изомерных видоизменениях. Бутлеров дал этим четырем бутиловым спиртам названия нормального, первичного, вторичного и третичного. Вюрцевский спирт Бутлеров назвал нормальным бутиловым; существование остальных предстояло доказать.

К величайшему торжеству теории химического строения в 1863–1864 годах Бутлеров действием цинкметила на хлорангидрид уксусной кислоты получает триметилкарбинол — простейший и исторически первый третичный спирт. В то же время в других лабораториях были синтезированы вторичный бутиловый спирт, а затем и первичный. Основанные на теории химического строения первые предсказания Бутлерова оправдались самым блестящим образом: Бутлерову удалось не только показать существование изомерии спиртов, но и подтвердить правильность объяснения явления изомерии химическим строением молекул.

Вслед за тем, изучая производные триметилкарбинола, Бутлеров опубликовал не менее важное в истории органической химии исследование, в котором подобным же образом доказал изомерию открытого им изобутана с нормальным бутаном.

Разъяснение сущности чрезвычайно распространенного в органической химии и загадочного явления изомерии было столь блестящим торжеством Бутлерова и проводимых им теоретических воззрений, что, говоря о значении созданной им теории строения, великий русский ученый был вправе сказать:

«Повторяю, что химическое строение является настоящим объяснением причин изомерии. Мы можем прямо сказать, что вещества, содержащие одинаковые элементарные составные части и в одинаковом количестве, бывают различны потому, что зависимость движения между атомами этих составных частей распределена различно в различных случаях. Это все, что можно требовать ныне от химического объяснения. Само собой разумеется, что когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, когда законы механики получат и здесь приложение, тогда учение о химическом строении падет, как падали прежние химические теории, но, подобно большинству из них, оно падет не для того, чтобы исчезнуть, а для того, чтобы войти в измененном виде в круг новых и более широких воззрений. Что учение о химическом строении существует ныне законно, что оно отслужило уже не малую службу — доказательством те десятки тысяч фактов, которые были найдены именно благодаря этому учению и которые оно во множестве случаев сумело предсказать заранее. Чего же можно более требовать и ожидать от теории в такой науке, как химия, где мы еще далеки от совершенства теорий механических?»

Продолжая доставлять подтверждения своей теории экспериментальным путем, Александр Михайлович в то же время пользовался каждым случаем для ее пропаганды. Он объясняет свои воззрения на примерах и печатает ряд статей в иностранных журналах. В напечатанной в 1863 году Бутлеровым статье «О различных способах объяснения некоторых случаев изомерии» он разъясняет представителям двух противоположных лагерей — Кекуле и Кольбе, что, по существу, взгляды их во многом сходны и разнятся чаще всего лишь способами выражения в формулах.

Полагая, что многим, в том числе и Кекуле, помехой для принятия теории строения служит авторитет Жерара, Бутлеров указывает, что и сам Жерар, отвергавший конституционные формулы и предсуществование радикалов в химически сложных частицах, в некоторых случаях вынужден был допустить эти радикалы.

Бутлеров пользовался каждым случаем, чтобы показать, к какой непоследовательности и к каким ложным выводам приходят те химики, которые не проводят логически строго основных принципов теории строения. Эта непоследовательность служила особенно частым поводом для критических замечаний, задевавших самолюбие авторитетов, тем более, что подобные же упреки стали делать и молодые ученики Бутлерова.

В 1864 году появились, например, две большие статьи «О систематическом применении принципа атомности для предсказания изомеров и метамеров» Бутлерова и статья В. В. Марковникова «О бромиде аллильного алкоголя и изомерии некоторых веществ пропильного ряда» с примечаниями к ней Бутлерова.

В 1864 году в связи со своей работой над третичными спиртами Бутлеров, разъясняя вопрос о строении углеводородов и алкоголей, указал на возможность существования изомерных предельных углеводородов и изомерных первичных спиртов, между тем, как «сам» Вюрц не признавал возможности изомерии предельных углеводородов. В статье «К вопросу об изомерии акриловой кислоты» Бутлеров критически разобрал с точки зрения теории химического строения работы Франкланда и Дюппа.

Уже в эти годы напряженной и необычайно плодотворной деятельности Бутлеров обнаруживает свою проницательность, свою гениальную способность предвидеть «тень грядущих событий».

В статье «О различных способах объяснения некоторых случаев изомерии» он предвидит рождение новой науки, получившей позднее название стереохимии, составляющей сейчас одну из важнейших дисциплин.

«Вряд ли можно присоединиться к мнению Кольбе, — пишет он, — что положение атомов в пространстве нельзя изобразить в плоскости бумаги; ведь математическими формулами выражается положение точек в пространстве, и можно надеяться, что законы, управляющие образованием и существованием химических соединений, найдут в свое время математическое выражение. Но если атомы действительно существуют, тогда я не понимаю, почему все попытки определения их группировки в пространстве, как это полагает Кольбе, должны быть тщетными, почему будущее нас не научит произвести такие определения?»

В этих строках, предвещавших новый фазис развития химии, Бутлеров как химик-философ с необычайно развитой интуицией проявляется как нельзя более ярко. Через одиннадцать лет, в 1874 году, Вант-Гофф и Лебель положили основание «химии в пространстве», или стереохимии.

А как в это же самое время относились к вопросу о «химии в пространстве» выдающиеся ученые Запада, которых их соотечественники рекламируют как «творцов структурной теории»?

Попытки иллюстрировать предполагаемое расположение атомов в пространстве при помощи чертежа Кольбе, например, считал «пустым фокусничаньем с формулами», а о книге Вант-Гоффа «Химия в пространстве» Кольбе, издеваясь над автором, писал:

«Некий доктор Я. Г. Вант-Гофф, служащий ветеринарной школы в Утрехте, повидимому, не имеет никакого вкуса к точному химическому исследованию. Он предпочел сесть верхом на Пегаса (взятого, вероятно, напрокат в ветеринарных конюшнях) и провозглашать в своей «Химии в пространстве» о том, как в продолжение его смелого полета на вершину химического Парнаса атомы казались ему сами себя группирующими во всем мировом пространстве».

В этом злобном выпаде, как в зеркале, отразился весь Кольбе — типичный химик-практик, презирающий теоретические построения, неспособный к философским обобщениям. Противник теории типов, структурной теории, он, естественно, выступил и противником пространственной химии.

Нынешние успехи физико-химических наук подтвердили предвидение Бутлерова о том, что химические, физические, механические и все иные свойства веществ зависят не только от последовательности сцепления атомов в молекулах, то-есть химического строения, но и от размещения атомов в пространстве. Пространственные представления в современной физике и химии стали столь же необходимыми, как и представления об атомах и молекулах.

Отсюда ясно, как глубоко, хотя и опираясь лишь на свою интуицию, Бутлеров проникал в тайны химического строения и как прав был он, предвидя все колоссальное значение созданной им теории химического строения для будущего.

Руководясь ею, не только возможно выяснить причину изомерии громадного числа соединений, но возможно и сознательно выбирать пути к синтезу новых органических соединений, так как из всего огромного числа мыслимых сочетаний атомов способными к существованию оказываются те, которые удовлетворяют основным принципам теории химического строения.

Установление строения органических соединений обратилось в одну из важнейших и труднейших задач органической химии. Для решения вопроса о строении некоторых соединений понадобилось немало труда и времени со стороны исследователей, перед которыми природа ставила все новые и новые загадки. Такой загадкой явился, например, особый вид изомерии, когда вещество способно в одних случаях реагировать, как имеющее одно строение, а в других, как имеющее другое строение.

Для характеристики непосредственного чутья истины в области химических превращений, которым обладал Бутлеров, достаточно указать на тот факт, что возможность взаимных изомерных превращений он предвидел задолго до того, как с этим видом изомерии столкнулись исследователи. Его указание на возможность двойственного поведения вещества в реакциях, вследствие способности вещества к легкому превращению в другое, изомерное ему вещество, кажется каким-то чудом, откровением поэта.

По мнению Бутлерова, сосуществование изомерных веществ в подвижном равновесии могло иметь внешнее проявление, как двойственность свойств одного вещества.

Так Бутлеров правильно объяснил то явление, которое в настоящее время известно под названием таутомерии.

Еще в 1876 году, за десять лет до того, как химик Лаар столкнулся с явлением таутомерии, Бутлеров писал:

«Мыслимо, что частицы некоторых веществ постоянно изомеризуются, переходя из одного видоизменения в другое и обратно…

В огромном большинстве случаев мы имеем дело с веществами, в газообразной или жидкой массе которых при обыкновенных условиях химическому равновесию соответствует присутствие частиц одного определенного строения в бесконечно большем числе, чем частиц других строений, изомерных с первым; но не невероятно, что в некоторых случаях можно встретить и такие тела, масса которых постоянно заключает в заметном количестве изомерные частицы различного химического строения. В первом случае можно смело говорить об определенном химическом строении тела, а во втором… вся эта масса, понятно, будет подвергаться реакциям, свойственным строению, смотря, так сказать, по направлению действия этой реакции».

Идеи Бутлерова о взаимно превращающихся друг в друга изомерах вытекали из основных принципов созданной им теории, из основных его воззрений на химизм. Все это высказано было русским химиком еще в то время, когда в органической химии господствовали представления о неизменности атомных группировок в молекулах.

Правда, Бутлерову в то время казалось еще невозможным решить вопрос о том или ином строении находящихся в таутомерной смеси веществ. Но важно, что в его идее о взаимном превращении веществ, о внутренних перестройках молекул, вопреки укоренившимся взглядам, отражено явление динамической изменчивости молекул.

Дальнейшее усовершенствование методов исследования таутомерных смесей привело к тому, что в ряде случаев удалось по физическим свойствам или различными химическими методами определить, какое процентное количество молекул того или другого рода содержится в смеси при данных условиях, и показать их строение методами структурной химии.

Исследования последнего времени не только доказали правильность взгляда Бутлерова, но и показали, кроме того, как широко распространены явления таутомерии среди органических веществ.

Изучение внутренних переходов органических молекул, начатое Бутлеровым и продолженное его учениками, сыграло огромную роль в развитии органической химии.

Объяснив истинный смысл конституции химических соединений, благодаря последовательному проведению идеи химического строения, Бутлеров не только указал всем последующим химическим работам новое и правильное направление, но и создал совершенно самостоятельную школу в науке.

Как ни полезны были отдельные разъяснения и указания Бутлерова на способ применения его теории к различным отдельным группам органических соединений, все же отсутствие специального труда с последовательным проведением через всю органическую химию принципа химического строения, без сомнения, сильно задерживало его распространение.

Непосредственные ученики Бутлерова не чувствовали этого недостатка. Само учение о химическом строении создавалось у них на глазах, в их присутствии. Они не только могли получить ответ на любой вопрос непосредственно от самого творца этого учения, — они имели возможность следить за всеми изгибами его мысли, улавливать малейшие ее оттенки, усваивая не только конечные результаты, но и видя ход творческой мысли или догадываясь о нем.

Поэтому ученики Бутлерова владели не одним только готовым знанием, но методом его приобретения, и многие из них, как Марковников или Зайцев, уже самостоятельно шли по пути учителя.

Но мировая химическая наука для глубокого понимания сущности учения Бутлерова нуждалась в работе, систематически излагавшей теоретические взгляды Бутлерова и объяснявшей весь фактический материал, накопленный химией на новой основе.

Такую работу считал необходимым сделать и сам Александр Михайлович, и, можно сказать, она создавалась одновременно и параллельно с развитием его теоретических представлений. Работу над книгой «Введение к полному изучению органической химии» он вел в течение нескольких лет.

Начатое в 1864 году издание «Введения к полному изучению органической химии» было закопчено лишь в 1866 году, появляясь отдельными выпусками в течение трех лет. В заключении к книге Бутлеров писал «Предлагая это сочинение учащимся читателям, автор находит нелишним высказать, что он считает свой труд пособием по преимуществу для тех, кто намерен изучать химию вполне и для нея самой. Здесь, слишком много подробностей и обобщений для нуждающегося в химических знаниях, как в средстве для других целей, но для всякого — слишком мало фактических подробностей. Отсюда название «Введение к полному изучению», которое автор счел приличным дать своему учебнику».

Обращаясь далее к тому ограниченному кругу читателей, для которых, собственно, и предназначалась книга, Бутлеров подчеркивает:

«Учащийся будущий химик пусть позволит заключить это сочинение советом: окончив чтение, приняться за него еще раз, с начала. То, что успел извлечь он, внимательно прочитав эту книгу до конца, будет достаточно для того, чтобы многое, при повторном чтении, представилось ему с большею отчетливостью и ясностью, чтобы ко многому он мог отнестись теперь с более самостоятельной, критической точкой зрения и, не принимая на веру прочитанного, оценил, с одной стороны, взаимные отношения различных фактов и соображений, с другой — достоинства и недостатки этих последних».

Формально названное учебником, «Введение» Бутлерова, по сути дела, откровение химика-философа, химика-практика, перестроившего весь накопленный наукой материал на основе установленного им нового принципа химического строения.

Мы можем гордиться тем, что в России, на русском языке, появилось впервые подробно изложенное учение, которое вот уже скоро сто лет является, по словам известного химика, современника Бутлерова, Виктора Мейера, «путеводной звездой для громадного большинства исследований в области органической химии».

Только после выхода в свет книги в России Бутлеров предоставил в 1867 году право издания ее заграничным издателям. «Введение» вышло в Лейпциге на немецком языке. В то время когда подготовлялось это издание, в Лейпциге у Кольбе работал В. В. Марковников, который принимал некоторое участие как в переговорах с издателями, так и в просмотре перевода с помощью одного из молодых немецких химиков.

«В интересах науки и моего учителя я не мог не радоваться появлению этого перевода, — говорит он. — Прожив два года в Германии и ознакомившись со многими химиками, я убедился, как было необходимо такое издание. Только немногие усвоили тогда новые взгляды во всем их объеме, и мне не раз приходилось слышать от людей, составивших уже себе имя в науке, такие вопросы, которые объяснялись Ал. М. в его элементарном курсе студентам. Особенно памятен мне следующий вопрос, наиболее простой с точки зрения теории строения, поставленный мне Гребе: «Почему хлор в хлористом ацетиле так резко отличается от хлора в хлористом этиле?» Я не могу не вспомнить при этом также о многочисленных и продолжительных дебатах, которые мне приходилось иметь с Кольбе. Мое положение в его лаборатории было несколько иное, чем всех остальных. Уже три года как я был магистром и работал на собственные темы. Уже в первый год по приезде в Германию я убедился, что казанская лаборатория в теоретическом отношении далеко опередила все лаборатории Германии; курсы же лекций были слишком элементарны. Не особенно много также пришлось пользоваться и практическими указаниями профессоров… Кольбе очень часто подходил ко мне и после обыкновенного вопроса: «Что вы делаете, господин доктор?», нередко начинал оживленный спор о каком-нибудь теоретическом вопросе, и вся лаборатория с ассистентами собиралась вокруг нас. Кольбе упорно держался раз усвоенных им взглядов и, повидимому, считал совершенно излишним читать работы, в которых ему возражали. Положение мое, как работающего в его лаборатории, при этих дебатах было несколько неловко. Но сила вещей была на моей стороне. Ошибочные выводы Кольбе происходили большею частью оттого, что он употреблял тогда в своих формулах старый атомный вес кислорода, и как я ни убеждал его попробовать выразить свою мысль с удвоенным паем кислорода, он отказывался, уверяя, что это все равно. Кольбе, конечно, мало придавал значения моим возражениям и упорно стоял на своем, несмотря на факты, противоречившие его взглядам, и часто кончал спор фразой: «Вы увидите, что я буду прав. Многое, что я давно утверждал, не хотели признавать, а теперь говорят то же самое. Так будет и в этом случае». Когда профессор уходил, то более смелые из его ассистентов решались сказать, что он неправ. Это было лестно моему молодому самолюбию, но я не мог внутренне не чувствовать, что победой я обязан своему казанскому учителю, на что и обращал внимание своих немецких товарищей. Перед отъездом из Лейпцига я счел долгом передать свою работу Кольбе для напечатания, хотя он не принимал в ней никакого участия. Прочитав ее, он пригласил меня к себе в кабинет и указал на одно из моих объяснений, по его мнению, неправильное. Спор сводился к старой кислородной истории. «Вы меня не понимаете, потому что не привыкли к моим формулам, — заметил Кольбе, — я выражу свою мысль вашими формулами». Ну, подумал я, теперь вы, г. профессор, попались. Мне только это и было нужно. Он начал писать и остановился на половине формулы, подумал с минуту и положил карандаш. «Да, вы правы!» Потом дописал формулу и снова повторил: «Да, да, это верно, вы правы!», и несколько сконфуженно начал что-то объяснять. Я быстро ретировался, щадя самолюбие почтенного ученого. Через год я получил от него брошюру по другому нашему спорному вопросу. В ней он подробно развивал свою идею о коренном углероде, но пай кислорода писал уже новый».

Книга Бутлерова на немецком языке много способствовала распространению нового учения и окончательному признанию теории химического строения передовыми учеными всего мира.

Преемник Бутлерова в Казанском университете и его ученик А. М. Зайцев говорит о своем учителе в связи с появлением его книги:

«Обозревая всю массу его почтенных экспериментальных трудов, видим, что большая часть их касается весьма интересных и очень важных теоретических вопросов органической химии и что для решения затронутых им вопросов он не щадил ни труда, ни времени для того, чтобы полученные результаты отличались точностью и полной определенностью. Одним словом, по важному значению поставленных для решения задач, по изяществу открытых превращений и по определенности сообщенных результатов экспериментальным исследованиям нашего знаменитого покойного ученого должно быть отведено одно из самых почетных мест в ряду химических исследований его времени. На страницах химических русских и иностранных журналов и в его классическом «Введении к полному изучению органической химии» мы встречаем ряд новых воззрений, элегантно и просто разъясняющих многие важные вопросы из области теоретической химии. Кроме того, на страницах тех же журналов мы находим большое число экспериментальных исследований, принадлежащих ученикам покойного, — исследований, которые были предприняты по его указанию и в исполнении которых он принимал самое живое и теплое участие».

Появление «Введения к полному изучению хи-. мии» явилось событием и в личной жизни Бутлерова. И не столько потому, что эта книга устанавливала за ним первенство и славу творца структурной теории, сколько потому, что с окончанием ее освобождались ум и сердце ученого для иных забот, дотоле отстранявшихся и откладывавшихся.

Это освобождение было тем ощутительнее, что к этому времени Александр Михайлович освободился и от обязанностей ректора, так его тяготивших. Еще до поездки своей за границу летом 1861 года Бутлеров заявил совету университета о своем намерении отказаться от ректорства. Но в начале 1862/63 учебного года было восстановлено в университетах право избрания ректора, и в октябре 1862 года совет университета произвел баллотирование всех профессоров в ректоры. Несмотря на отказы Бутлерова от ректорства, при баллотировке он получил большинство — 14 шаров против 8 и оказался избранным, а 19 ноября был утвержден в должности.