Органическая химия

В конце XIX в. Лавуазье счел органическими соединения, включающие углерод, водород и кислород, а также азот, серу, фосфор; органическими кислотами – окислы сложных радикалов. Химики тогда верили в особую жизненную силу, заключенную в органических молекулах. Даже Берцелиус разделял такое мнение, а потому отрицал возможность синтеза соединений, определяющих жизнедеятельность.

Со временем выяснилось, что это – научный предрассудок. Удалось осуществить синтез органических веществ, считавшихся принадлежностью только живых организмов. Интерес к этой области химии возрастал в связи с потребностями развивающейся химической промышленности и появлением все новых ее отраслей. Были созданы хорошо оборудованные лаборатории. Химические эксперименты вышли на новый уровень. Крупные школы химиков возникли во Франции, Германии.

Дюма Жан Батист Андре

Дюма Жан Батист Андре (1800–1884) – французский химик. Родился в г. Алэ, работал фармацевтом в Женеве и учился в местном университете. Благодаря любознательности, интересу к химии и физиологии стал ассистентом в Политехнической школе (Париж). В 1826 г. опубликовал способ определения плотности паров, установив атомные веса некоторых элементов и допустив немало ошибок из-за отсутствия четкого различия между атомами и молекулами.

Он написал «Курс химии в приложении к ремеслам» (1828), а через четыре года стал преемником Гей-Люссака, профессором в Сорбонне и членом Парижской АН.

В 1830 г. Дюма предложил объемный способ определения количества азота в органических соединениях. Большой успех выпал на долю его «Лекций по химической философии» (1836). Через 5 лет вышли его совместно с Ж. Б. Буссенаго «Очерки химической статистики организованных существ». Дюма установил: при обработке органических соединений хлором происходит замещение водорода. Это был «эмпирический закон замещения», опровергший мнение об антагонизме между положительно и отрицательно заряженными частицами (так полагал Берцелиус).

Дюма открыл (1843) существование гомологических, подобных по составу и свойствам, рядов в органической химии в связи с муравьиной, уксусной и масляной кислотами: «Под телами одного и того же химического типа понимаются такие вещества, которые характеризуются одними и теми же основными реакциями, при условии, что эти тела образованы из одинакового числа эквивалентов и что считается возможным доказать соединение этих эквивалентов одним и тем же способом».

После избрания Луи Наполеона в конце 1848 г. президентом республики, Дюма, дружившего с ним, назначили министром. Через 3 года после государственного переворота при Наполеоне III Дюма стал его советником, членом сената, президентом Парижского муниципального совета, генеральным инспектором высшего образования. Он усовершенствовал систему снабжения столицы питьевой водой. Занимался также улучшением шелководства и борьбой с филоксерой, вредителем виноградников.

Буссенаго Жан Батист

Буссенаго Жан Батист (1802–1887) – французский химик. Окончил высшую горную школу в Сен-Этьене. Несколько лет сражался в армии Симона Боливара за освобождение испанских колоний в Южной Америке. Вернувшись во Францию, стал профессором химии в Лионе, исследовал состав минералов, изучал обмен веществ в природе и в живых организмах. С 1839 г. – профессор Консерватории искусств и ремесел (Париж). Вместе с Жаном Дюма написал «Очерки химической статистики организованных существ» (1841).

Буссенаго – основоположник агрохимии. (книги: «Агрохимия и физиологическая химия», «Сельское хозяйство», «Агрохимия»). Он установил, что все растения, кроме бобовых, извлекают азот из почвы, а клевер и люцерна обогащают ее этим элементом. Доказал, что источником углерода для зеленых растений служит углекислый газ воздуха.

Либих Юстус

Либих Юстус (1803–1873) – немецкий химик. Первые химические опыты проводил еще ребенком в пристройке аптекарской лавки отца, приготавливая краски и лаки. Изучал химию в Боннском и Эрлангенском университетах. Не окончив курса, переехал в Париж, где работал у Л. Теннара и Ж. Гей-Люссака. С 1824 г. – профессор университетов в Гисене и с 1852 г. – в Мюнхене; с 1860 г. – президент Баварской АН. В 1825 г. в Гисенском университете организовал лабораторию – первый научно-учебный центр Германии, где учились и работали А. Гофман, Ф. Кекуле, Ш. Жерар, А. А. Воскресенский, Н. Н. Зинин.

Основные исследования Либиха – в области органической химии, нередко при участии Ф. Вёллера. В 1823 г. они открыли изомерию, установив, что гремучекислое и циановокислое серебро при одинаковом химическом составе обладают разными свойствами. В статье «О радикале бензойной кислоты» (1832) показали, что при разных превращениях горькоминдального масла (бензальдегида) одна и та же группа атомов, названная ими сложным радикалом бензоилом, неизменно переходит из одного соединения в другое.

Вместе с Дюма Либих определил органическую химию как химию сложных радикалов: «Органическая химия имеет свои собственные элементы, которые выполняют то функции хлора и кислорода, то функции металла. Циан, амид, бензоил, радикалы аммиака, жиров, спирта и его производных представляют настоящие элементы органического вещества».

Либих усовершенствовал методику определения в органических соединениях углерода и водорода, установив точный химический состав многих соединений. С 1939 г., изучая химию биологических процессов, разработал теорию брожения и гниения; обосновал положение о минеральном питании растений, что способствовало использованию в земледелии минеральных удобрений. Он предполагал возможность синтеза любых органических соединений, но не живого организма.

В науке ценится приоритет. Творца новой теории, автора новой идеи чествуют, подобно победителю мировых спортивных соревнований. Это оправдано далеко не всегда. Любое новшество в науке и технике – результат труда поколений ученых. Неслучайно многие открытия делаются разными учеными почти одновременно. Значит, идея созрела.

Так произошло с концепцией типов органических соединений и теорией замещения. Приоритет Дюма в этих случаях могли бы оспорить Лоран, Жерар, Либих, Вёлер. Первые два ученых (впрочем, и последние двое) были друзьями, обменивались мнениями по разным вопросам, а потому порой невозможно определить, кто из них первым высказал ту или иную мысль. Да и сами они об этом не заботились, увлеченные познанием.

Лоран Огюст

Лоран Огюст (1807–1853) – французский химик. Окончил Горный институт в Париже. Стал ассистентом Ж. Дюма (1831–1833), с которым произвел ряд важных синтезов, в частности, выделил из каменноугольной смолы антрацен. С 1838 г. – профессор химии университета Бордо. Позже работал в Монетном дворе (Париж).

Одновременно с Дюма выдвинул теорию замещения, обосновал ее экспериментально. Разрабатывал теорию ядер, согласно которой органические соединения являются продуктами замещения водорода в углеводородах («основных ядрах») на другие элементы. Его теория позволила классифицировать органические соединения, многие из которых Лоран открыл.

Вместе с Жераром Лоран издавал «Ежемесячное обозрение новейших химических работ» (1845–1848), проводил исследования. В 1845 г. Лоран сформулировал правило четности: сумма атомов водорода, азота, фосфора, мышьяка, галогенов и металлов с нечетной валентностью в органических соединениях должна быть четным числом. Это правило облегчило установление молекулярных весов органических соединений. В своих работах (например, в книге «Метод химии», 1854) разграничивал понятия о молекуле, атоме и эквиваленте.

Жерар Шарль Федерик

Жерар Шарль Федерик (1816–1856) – французский химик. Родился в Страсбурге, учился торговому делу в Лейпциге. После недолгой военной службы работал в лаборатории Ю. Либиха, слушал лекции Ж. Дюма и работал в его лаборатории. В 1841 г. защитил докторскую диссертацию, став профессором университета Монпелье. В 1848 г. переехал в Париж, где работал вместе с Лораном в его лаборатории при Монетном дворе. С 1855 г. преподавал химию в Страсбургском университете.

В совместных с Лораном работах разграничил понятие молекулы как наименьшего количества соединения или химического элемента, существующего в свободном состоянии, и понятие атома как наименьшего количества элемента, имеющегося в молекуле. Предложил удвоить атомные веса кислорода, серы, углерода и считать молекулы водорода, кислорода, хлора состоящими из двух атомов. Труды Жерара способствовали утверждению закона Авогадро.

В статьях «Опыт химической классификации органических веществ» (1842), «Соображения об эквивалентах некоторых простых и сложных тел» (1843) и двухтомном «Очерке органической химии» Жерар изложил свои теоретические идеи и верно установил формулы воды, хлористого калия, соляной, серной и уксусной кислот и ряда других веществ. Он представлял химическое соединение как единую систему атомов; ввел понятие «остаток», имея в виду группу атомов, которые при химических реакциях переходят из одного соединения в другое, не меняясь.

Его учение освободило науку от гипотез, связанных с теорией радикалов. Он разработал теорию типов, способствовавшую классификации органических соединений. Несмотря на ошибочность некоторых положений Жерара, Д. И. Менделеев называл его революционером в химии. (Жерар, подобно Лорану, придерживался революционных взглядов и в политике.)

Чем быстрей развивалась промышленность в странах Запада, тем острей ощущалось отставание России в науке, на которую государство не обращало должного внимания. Приходилось наверстывать упущенное, создавать собственные научные кадры. Отставание в науке и технике отчасти определило и поражение нашей державы в Крымской войне (1853–1856).

Воскресенский Александр Абрамович

Воскресенский Александр Абрамович (1809–1880) – русский химик. Родился в Торжке. Окончил Педагогический институт (Петербург), стажировался на Западе, год работал в лаборатории Ю. Либиха. С 1840 г. – профессор Петербургского университета. Преподавал в разных высших учебных заведениях; с 1864 г. – член-корреспондент Петербургской АН.

В 1838 г. он определил по плотности пара элементарный состав нафталина, что помогло верно определить атомный вес углерода и выяснить состав ароматических углеводородов (работа была написана и издана в Германии на немецком языке). На следующий год установил точный состав хинной кислоты. Открыл хиноил (хинон), имеющий сходное строение со многими красителями.

С начала 1840 г. он изучал отечественные горючие ископаемые и, как писал Д. И. Менделеев, «тем показал, что для всяких требований техники найдутся в России свои собственные каменные угли, ни в чем иностранным не уступающие». Воскресенский ратовал за актвное использование в нашей стране минеральных удобрений, получаемых из собственного сырья.

Зинин Николай Николаевич

Зинин Николай Николаевич (1812–1880) – русский химик. Родился в Нагорном Карабахе, учился в саратовской гимназии. Окончив Казанский университет, два года преподавал там физику и механику. Защитил магистерскую диссертацию о химическом сродстве. Стажировался в лучших лабораториях Западной Европы. Год работал у Ю. Либиха. В 1941 г. защитил докторскую диссертацию «О соединениях бензола и об открытых новых телах, относящихся к бензоиловому ряду». Стал профессором химической технологии Казанского университета, а позже – Медико-хирургической академии (Петербург). С 1858 г. – академик Петербургской АН.

?.И. Зинин

Зинин исследовал и открыл целый ряд органических соединений. Создал метод получения ароматических аминов из нитробензола («реакция Зинина») и впервые синтезировал анилин (1842) и его производные, заложив основы производства синтетических красителей, лекарств, душистых веществ. В 1853 г. исследовал нитроглицерин как взрывчатое вещество и пытался поставить его на вооружение русской армии. Вместе с А. А. Воскресенским создал русскую школу химиков. В числе его учеников – А. М. Бутлеров, Н. Н. Бекетов, А. П. Бородин и др. Зинин был одним из организаторов Русского химического общества и его президентом.

Вюрц Шарль Адольф

Вюрц Шарль Адольф (1817–1884) – французский химик, историк науки. Родился и учился в Страсбурге (Эльзас), где получил степень доктора медицины; изучал химию у Ю. Либиха в Гисене и у Ж. Б. Дюма в Париже. С 1849 г. – профессор Высшей медицинской школы (Париж), а через 3 года – Сорбонны. В 1867 г. был избран в Парижскую АН.

Он обогатил органическую химию оригинальными методами синтеза и открытием многих новых соединений. Получил метиламин и этиламин – простейшие представители ряда жирных аминов. Предложил носящий его имя общий способ синтеза углеводородов. Синтезировал этиленгликоль – первый из двухатомных спиртов или гликолей (смеси его с водой широко применяются как антифризы); получил окись этилена, которая послужила ему исходным материалом для синтеза полиэтиленовых спиртов, холина.

В 1867 г. он получил фенол (карболовую кислоту); его способ применяется для промышленного производства фенола, необходимого при изготовлении красителей, лекарственных препаратов и взрывчатых веществ. Был активным сторонником атомного учения и теории химического строения Бутлерова; поддерживал идеи Лорана и Жерара. Одним из первых оценил значение периодической системы элементов Менделеева. Вюрц написал «Лекции по химической философии» (1864), «Начальные лекции по современной химии» (1871), «Атомистическую теорию» (1879) и ряд других работ.

«История химических доктрин от Лавуазье до наших дней» (1868) Вюрца начинается с утверждения: химия – французская наука, основанная Лавуазье. Это возмутило немцев. Они стали принижать достижения французских химиков, превознося своих. Русские ученые (Зимин, Бутлеров, Менделеев, Энгельгардт) опубликовали письмо, осуждающее националистические высказывания и Вюрца, и его немецких коллег.

Увы, отличные специалисты порой придерживаются ложных, а то и недостойных взглядов в политике, социологии. Во второй половине XIX в. стал популярен в Англии, Франции, Германии национализм, отвечающий интересам колониальных держав. Неслучайно против таких взглядов выступали русские ученые, в частности, Н. Н. Миклухо-Маклай. Это отвечало и традициям русского народа, и политике государства Российского, не имевшего колоний.

А существуют ли национальные особенности наук?

На первый взгляд, этого быть не может. Дважды два везде равно четырем. Но, как справедливо отметил Достоевский, дважды два – еще не наука. Она требует осмысления фактов. И тут национальность ученого может сказаться. Существуют национальные научные школы и традиции, сказываются природные особенности стран.

Но все-таки остается единое интеллектуальное пространство человечества, так же как единая область обитания – биосфера Земли. Успехи ученых любой страны определяются предшествующими достижениями представителей многих народов. А законы природы для всех едины, познание их – общая задача человечества.

Скажем, химия корнями своими уходит в далекую древность, к египетским и арабским алхимикам. Во времена Вюрца, Либиха, Дюма, Вёлера едва ли наибольший вклад в теорию валентности внес англичанин Эдуард Франкленд (или Франкланд). Впрочем, он был причастен к немецкой школе. Другой английский химик-органик, Александр Уильям Уильямсон (1824–1904), успешно изучавший эфиры и сопоставлявший строение соединений со структурой воды, стажировался и в Германии, и во Франции, так же как некоторые русские ученые.

Франкленд Эдуард

Франкленд Эдуард (1825–1899) – английский химик. Родился в Чертчтауне, Высшее образование получил в Германии (Марбургский университет), стажировался у Либиха и Бунзена. В 1847 г. совместно с Г. Кольбе дал способ превращения спиртов в кислоты с повышенным числом атомов углерода, чем в исходных веществах. Через два года открыл цинкалкилы и нашел способ получения предельных углеводородов. Создал несколько соединений и новые методы органического синтеза. С 1851 г. – профессор Оуэнского колледжа в Манчестере, через 12 лет – Лондонского королевского института. В 1853 г. избран в Лондонское королевское общество, с 1876 г. член-корр. Петербургской АН.

Большее значение имело введенное им в науку понятие о валентности, изложенное в статье «О новом ряде органических тел, содержащих металлы» (1853). Но в ней не говорится о валентности углерода – одного из основных элементов органической химии, потому что Франкленд относил металлоорганические соединения к неорганическим типам (он показал их сходство в таблице). Обнаружил трех– и пятивалентность (атомность) азота, фосфора, мышьяка, сурьмы и, совместно с Г. Кольбе, четырехвалентность углерода. В 1864 г. дал метод получения насыщенных и ненасыщенных оксикислот из щавелевокислого эфира и цинкалкилов.

В связи с сильным загрязнением рек Англии промышленными и бытовыми отходами, была создана специальная комиссия, в которую вошел и Франкленд. Он разработал методы анализа и очистки речных вод.

Работы Франкленда свидетельствовали о единстве химии. Успехи ее органического раздела обрели общенаучное значение. Как отметил Э. Мейер: «Знаменателен факт, что для основания учения о валентности послужили не простые соединения неорганической химии, а более сложные соединения химии органической… Именно исходя из состава органометаллов, Франкленд сделал заключения, которые составляют ядро современной теории валентности».

…Логика развития знаний привела к тому, что идея валентности «носилась в воздухе». Август Кекуле в 1857 г. указал на четырехвалентность (или, как тогда называли, атомности) углерода. Определились две позиции. Одни ученые разделяли мнение А. Вюрца о том, что элементы имеют переменную валентность; другие вслед за А. Кекуле считали, что валентность столь же постоянна, как атомный вес. Веские доводы выдвигала каждая сторона, хотя взгляды Вюрца оказались ближе к истине.

Кекуле Фридрих Август

Кекуле Фридрих Август (1829–1896) – немецкий химик. Учился в Гисенском университете, затем слушал лекции Ж. Дюма, А. Вюрца в Париже. С 1858 г. – профессор Гентского (Бельгия), затем Боннского университета; с 1886 г. – президент Немецкого химического общества. Основные работы посвящены теоретической химии.

В 1854 г. первым высказал идею о «двухосновности» (двухатомности или двухвалентности) серы и кислорода; в 1857 г. разделил элементы на одно-, двух– и трехосновные (атомные); определил углерод (одновременно с Г. Кольбе) как четырехатомный элемент. После его работ теория атомности получила широкое распространение. Но он ошибочно полагал, что элементы обладают постоянной валентностью.

Кекуле разработал теорию строения органических соединений, изложив ее «Учебнике органической химии» (3 тома, 1859–1866). По его признанию, открытие кольцевых молекулярных структур он сделал во сне: увидел обезьян, прыгающих по деревьям и вдруг, сцепившись, образовавших круг. Проснувшись, он записал формулу бензольного кольца.

Система валентностей, благодаря которым атомы сцепляются между собой, делает их похожих на обезьян. Сновидение Кекуле показывает, что в науке важны конкретные образы, порой поэтические. А озарение во сне приходит только тем, кто до этого упорно размышлял на данную тему.

Изучение связей атомов в молекулах сложных органических соединений навело ученых на мысль, что такие структуры имеют объемную конфигурацию. Идея созрела в умах нескольких ученых. Назовем прежде всего Луи Пастера, знаменитого микробиолога (подробнее о нем – в другом разделе), который был выдающимся химиком и кристаллографом. Он доказал, что оптическая активность (отклонение поляризованного света) винной кислоты вызвана ассиметричным строением ее кристаллов. Его работы по молекулярной диссимметрии привели к созданию стереохимии.

(Асимметрия – это отсутствие симметрии. Ее некоторое устойчивое нарушение называют диссимметрией. Именно нарушение, а не отсутствие симметрии характерно для многих органических соединений.)

Вант-Гофф Якоб Хендрик

Вант-Гофф Якоб Хендрик (1852–1911) – голландский химик. Родился в Роттердаме в семье врача. Окончив Политехническую школу в Делфте, работал в Лейдене, Бонне у А. Кекуле и в Париже у А. Вюрца. В 1874 г. защитил в Утрехтском университете докторскую диссертацию, работал доцентом Ветеринарной школы в Утрехте. С 1878 г. – профессор химии, минералогии и геологии Амстердамского университета. Член Прусской, иностранный член Петербургской АН.

Он создал теорию пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений, основав стереохимию. Тогда же эту идею выдвинул французский химик Жак Ашиль Ле Бель (1847–1930) в работе «Об отношениях, существующих между атомными формулами органических тел и способностью вращения их растворов» (1874). Стереохимия позволила открыть целый ряд изомеров – молекул одного состава, но разной симметрии, как бы зеркально отраженных.

Вант-Гофф изучал динамику химических реакций, выразив ее закономерности в виде формул; ввел и обосновал понятие «твердый раствор»; определял условия фазовых переходов солевых растворов, образования осадков; восстанавливал природную обстановку накопления соленосных пластов. Широко использовал графики, диаграммы. Его работы помогли лучше понять ход природных процессов и создавать новые химические технологии. Он обосновал закон Гесса и принцип подвижного равновесия: «Любое равновесие между двумя различными состояниями вещества (системами) смещается при понижении температуры в сторону той из систем, при образовании которой происходит выделение тепла». Другой выдвинутый им принцип: «Ход химического превращения характеризуется исключительно числом молекул, при взаимодействии которых происходит превращение».

Вант-Гофф получил первую Нобелевскую премию по химии «за открытие законов химической динамики и осмотического действия в растворах» (1901).