1.2. Основные этапы развития органической химии

Органическая химия начала свою историю как химия соединений, полученных из объектов животного и растительного мира (начало XVIII в.). Впоследствии химики научились искусственно синтезировать органические вещества из неорганических соединений и соединений, составляющих основу нефти, угля и природного газа.

Одной из первых попыток проникнуть в сущность органического вещества была теория радикалов Ж. Дюма и Я. Берцелиуса (начало

XIX в.). Согласно этой теории, признаком органических веществ являются группы атомов—радикалы (бензил, ацетил, метил и др.), способные в неизменном виде переходить от одного вещества к другому. В рамках теории радикалов Я, Берцелиус развил дуалистические представления о том, что каждое соединение состоит из двух частей: электроотрицательной — кислорода и электроположительной, представляющей собой органический радикал.

Поиски в молекулах неизменных фрагментов вскоре уступили место изучению ее изменяющихся частей (говоря современным языком — функциональных групп). Этот этап привел к развитию унитарной теории типов Ш. Жерара (середина XIX в.), в которой вещество рассматривалось как единое целое, Известные в то время соединения были классифицированы как продукты замещения водорода на органические остатки в соединениях Так, спирт относился к типу воды, а хлористый этил — к типу хлороводорода. Немецкий химик А. Кекуле установил тип метана.

50-е годы XIX в. ознаменовались развитием теории валентности (Э. Франкланд, А. Купер, А. Кекуле), были построены первые структурные формулы. А. Кекуле установил четырехвалентность углерода (1857 г.) и способность его атомов насыщать друг друга, т. е. образовывать цепи. Чтобы соблюсти постоянство валентности атомов углерода, А. Кекуле допустил существование двойных и тройных связей д.), предложил структурную формулу бензола (1865 г.). Однако А. Кекуле не создал новой теории, поскольку он стоял на идеалистических позициях, полагая, что конституция (строение) молекул непознаваема, а их формулы представляют собой лишь удобный способ описания свойств. Часто одному и тому же веществу приписывались разные формулы.

Новое слово в органической химии было сказано русским ученым А. М. Бутлеровым. Обобщив накопленные к тому времени данные, он создал стройную теорию химического строения и подтвердил ее новыми экспериментальными примерами (1861 г.). Были объяснены явления изомерии и таутомерии (динамической изомерии). Развивая материалистический образ мышления в познании химических явлений, А. М. Бутлеров решил коренную методологическую проблему органической химии.

Основные положения теории Бутлерова:

1. Молекулы существуют объективно и могут быть познаны с помощью эксперимента, наблюдения и мышления.

2. Порядок связывания атомов в молекуле называется «химическим строением». Каждому химическому соединению соответствует одна структурная формула, т. е. строгая последовательность связи атомов в соответствии с их валентностью. Валентность атомов переменная.

3. Химическое строение вещества определяет его физические и химические свойства. Изменение последовательности связи атомов приводит к появлению нового вещества. Этим объясняется явление изомерии, суть которого заключается в том, что вещества с одинаковым качественным и количественным составом имеют разное строение и поэтому обладают различными свойствами.

4. Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга. Свойства определенного атома в молекуле зависят от тою, с каким атомом он связан. Например, химическое поведение атома водорода гидроксильной группы в спиртах существенно отличается от поведения атомов водорода алкильного радикала. Изолированные атомы также влияют друг на друга, хотя это влияние и более слабое.

5. Структуру органического соединения можно установить путем химических превращений, и наоборот — зная структуру вещества, можно предсказать его реакционную способность.

С появлением теории Бутлерова центральная проблема химической науки «состав — свойства» уступила место проблеме «строение — свойства».

Развитие электронных представлений о строении атома и молекулы (начало XX в.; Н. Бор, В. Коссель, Г. Льюис) привело к поискам решения этой проблемы на электронном уровне, а разработка в 30-х годах основ квантовой механики (В. Гейзенберг, Э. Шредингер, Э. Хюккель) послужила толчком для развития в теории строения и реакционной способности качественно нового метода — метода молекулярных орбиталей. Узловой теоретической проблемой современной органической химии стала теория активированного комплекса и механизма реакций.

«Сфера влияния» современной органической химии чрезвычайно широка и простирается от крупнотоннажных производств метанола и полимеров до синтеза витаминов, биополимеров, генов и других сложнейших биологических систем. При этом проникновение ее в смежные области науки и практики — материаловедение, биологию, медицину, сельское хозяйство — постоянно углубляется.

В последнее время чрезвычайно интенсивное развитие получила химия элементоорганических соединений, стирающих границу между органическим и неорганическим миром.

Основными тенденциями в развитии теоретической и промышленной органической химии являются:

1. Применение квантовой механики для описания структуры и реакционной способности соединений, нестабильных промежуточных частиц и комплексов. Развитие новых воззрений на механизм реакций.

2. Использование ЭВМ для кпантово-химическнх расчетов, конформационного анализа, установления корреляций «строение — свойства», прогнозирования направления реакций, выбора оптимальных режимов и автоматизации систем управления технологическими процессами.

3. Широкое применение новейших физических методов исследования: ИФ- и УФ-спектроскопии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса, ион-циклотронного резонанса, масс-спектроскопии, лазерной техники, рентгено-структурного анализа и т. д.

4. Разработка новых каталитических процессов, прежде всего в области полимеризации низших олефинов и превращений одноуглеродных соединений в условиях металлокомплексного катализа (-химия»).

5. Моделирование фотохимических и каталитических процессов, протекающих в растительных и животных организмах, синтез биологически активных соединений.

6. Создание новых конструкционных материалов и полимерных композиций, способных конкурировать с металлами и обладающих такими качествами, как термостойкость, высокая прочность, электропроводимость и т. д.

Химическая наука во многом определяет уровень развития технологии (см. п. 12.3), в то же время технология ставит крупные проблемы перед наукой и намечает пути научно-технического прогресса.