1.1. «Растительные и животные вещества» и «минеральные тела»

С самого рождения нас окружает множество разных веществ. Этих веществ на Земле так много, что перечесть их трудно. Они везде. Некоторые из них входят даже в состав нашего организма. Одни из веществ существуют со времен образования нашей планеты, другие — созданы руками человека. Причем последних с каждым днем становится все больше и больше.

Еще в древности все вещества, встречающиеся на Земле, делили на две большие группы. К одной группе относили древесину, уксус, спирт, масло, то есть вещества растительного и животного происхождения. Их химики сейчас называют органическими. В другую группу входили, например, вода, песок, железо, соль, стекло, золото и т. д. Это, как теперь известно, — неорганические вещества. Такое деление началось очень давно, еще до того, как люди узнали об их строении. Но уже тогда было известно, что вещества, которые находятся в почве, воде и воздухе, возникли очень давно, гораздо раньше, чем те, которые содержатся в растительных или животных организмах. Такое деление веществ вначале было случайным, основанным на простом человеческом опыте, интуиции.

Более четкую грань между органическими и неорганическими веществами попытались провести арабские алхимики еще в IX-X вв. Так, первую попытку такого деления связывают с именем известного ученого древности — Абу Бакр ибн Закарийа-ар-Рази (865-925), который занимался медициной и алхимией{Появившиеся в VIII-IX вв. первые арабские химики преобразовали слово khemeia в al-kimiya. Этот термин позднее у арабов заимствовали европейцы. Так в европейских языках появилось слово «алхимия». Его применяют, когда речь идет о периоде истории химии начиная с 300 г. и до 1600 г.}. В «Книге тайн» ученый разделил все вещества на минеральные, растительные и животные. Такое деление просуществовало почти тысячу лет! Даже в XVII-XVIII вв. химики, как правило, придерживались этого деления. Например, французский химик Николя Лемери (1645-1715) в своем учебнике «Курс химии» определяет химию как «искусство разделять различные вещества, которые находятся в смешанных телах». Под смешанными телами он понимал минералы, растения и животных, т. е. различал вещества неживой природы (минеральные) и живой (растительные и животные). Было также замечено, что вещества растительного и животного происхождения обладают схожими свойствами, но в то же время они резко отличаются от минеральных веществ.

Наступила вторая половина XVIII в. Химики продолжали изучать вещества. Но это были главным образом неорганические соединения: кислоты, щелочи, соли. Однако в это же время химики уже стали уделять внимание и другим веществам — «растительным и животным». Это объяснялось необычностью и даже загадочностью этих веществ. Ведь они так отличались от веществ «неживой» природы! Многие из них не выдерживали даже простого нагревания. Такие вещества были настолько «нежными», что к ним было трудно применить те методы эксперимента, к которым привыкли химики. И все же с «растительными и животными» веществами работать было хотя и непривычно, но интересно. Тем более что со временем появлялся некоторый опыт работы.

В это время в химическом мире особой известностью пользовались два ученых — шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742-1786)  и французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794).

К. Шееле был блестящим экспериментатором. Даже в то время, когда многие химики еще не осмеливались работать с веществами «живой» природы, этот ученый уже выделил из растительных и животных веществ многие органические кислоты (щавелевую, винную, мочевую, бензойную, яблочную, лимонную и др.). Кроме того, из жиров он получил глицерин. Но особенно много К. Шееле сделал в области «минеральной» (неорганической) химии: получил фтористый водород, сероводород, а также синильную, мышьяковую и молибденовую кислоты. Однако наиболее важные его открытия — получение кислорода и азота. Но все же К. Шееле так и не смог ответить на вопрос: в чем состоит отличие веществ, полученных из «живой» природы и из «минеральных тел». Он не смог ответить и на другой вопрос: почему у «растительных и животных тел» оказалось так много общих свойств.

Однако на эти вопросы смог ответить другой ученый — А. Лавуазье.  Он был выдающимся химиком своего времени. Этого ученого знали все. Достаточно сказать о самом главном — о его теории процесса горения. Эта теория была самым крупным вкладом в развитие химии XVIII в. Как известно, до теории А. Лавуазье все процессы, протекающие при горении, обжиге металлов и дыхании, связывались с теорией флогистона. Утверждалось, что флогистон — составная часть всех горючих тел, которая выделяется при горении. А. Лавуазье доказал, что горение является процессом, связанным с поглощением кислорода. Другими словами, кислород — основное вещество, порождающее горение, т. е. окисление.

А. Лавуазье широко использовал аналитические методы в эксперименте, так как понимал важность точного измерения. Однако из-за несовершенства весов очень редко удавалось достичь такой точности. И все же ученый смог довольно точно проанализировать те продукты, которые получал при сжигании или прокаливании различных веществ. А. Лавуазье обнаружил, что при прокаливании «минеральных тел» образуются соединения разнообразного состава, а при сжигании «растительных и животных веществ» выделяются чаще всего два продукта — оксид углерода (IV) и вода. На основании этого ученый пришел к заключению, что основными элементами «растительных и животных» веществ являются углерод, водород и кислород, реже — азот, сера и фосфор. Таким образом, как бы ни был многообразен мир таких веществ, все они состоят практически из одних и тех же элементов. И тут А. Лавуазье делает правильное заключение: «растительные и животные» вещества должны обладать довольно близкими свойствами.

Такого же мнения придерживался и французский химик Антуан Франсуа Фуркруа (1755-1809), который пришел к тому же выводу. Это подтверждалось и многочисленными опытами. Поэтому в середине XVIII в. вещества растительного и животного происхождения химики выделили в особую группу. Такие вещества стали называть органическими, а науку, изучающую их, — органической химией. Этот термин впервые применил в 1807 г. знаменитый шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848).  Слово «органическая» он произвел от слова «орган», т. е. часть живого тела. И в этом не было ничего странного. Ведь «тела растительного и животного царства» (органические соединения) химики в то время могли выделять лишь из живой материи — частей растений, животных и человека, а также из продуктов их жизнедеятельности. Вещества «неживой» природы (например, воду, соли, металлы и т. д.) Й. Берцелиус назвал неорганическими.

 

1.2. Неожиданная реакция

Итак, термин органическое вещество в начале XIX в. означал: вещество, выделенное из организма животного или растения. Даже речь не могла идти о том, что такое вещество можно получить в лаборатории из более простых соединений, т. е. методом синтеза. Все попытки получить органическое вещество (например, спирт, жир, краситель и др.) синтетическим путем считались заранее бесплодными и обреченными на неудачу. Но, может быть, химики в своих попытках были недостаточно настойчивыми?

Нет, они пытались, и не раз. Но все заканчивалось неудачей... Это порождало у химиков неуверенность в своей работе. Они все чаще стали задумываться о том, что при получении органического вещества им приходится сталкиваться с чем-то волшебным, непонятным и даже труднообъяснимым для их разума. И все же надо было разгадать это нечто, которое, как думали химики, должно выступать в роли особой и таинственной «жизненной силы», существующей лишь в живой природе. По мнению химиков того времени, «грубые и низменные неорганические силы» не могут рождать органические вещества. Без «жизненной силы» их получить невозможно — таков был приговор ученых...

Вот такие представления преобладали в химии до начала XIX в. Даже сам Й. Берцелиус на протяжении почти полувека верил в эту мифическую «жизненную силу». Более того, он был даже основателем теории этой «силы», которая получила название витализма (от лат. vitalis — жизненный). Считалось, что в органическом мире действуют совсем другие законы, чем в мире неорганическом.

Чем же должны были заниматься химики, чтобы не вступать в конфликт с этой непонятной «жизненной силой»? Они могли выделять органические вещества из растений и животных, анализировать их, разлагать на составные элементы, однако снова получать из этих элементов исходные вещества химики даже не смели пытаться.

Но время, как известно, остановить невозможно. Постепенно наступили заметные изменения и во взглядах химиков. Многие из них начинали сомневаться в некоторых положениях теории «жизненной силы». Уже сам Й. Берцелиус стал задумываться о том, что объяснить все процессы, протекающие в организмах, влиянием только одной «жизненной силы» довольно трудно. Более того, он начал склоняться к мысли, что «наши знания о законах соединения элементов в неорганической природе должны быть целиком применимы и к соединениям элементов в органической природе». И все же этот всемирно известный химик еще не верил в то, что органические вещества можно получать из неорганических в обычной химической лаборатории, используя метод синтеза. Такой способ получения он считал «несовершенным подражанием» природе...

Да и о каких синтезах могла идти речь в то время, если ни сам Й. Берцелиус, ни многие другие, менее известные химики не имели ни малейшего представления о строении органических веществ! Они даже углеродный атом не рассматривали как основу этих соединений...

Но вскоре произошло важное событие, и связано оно было с учеником Й. Берцелиуса — Фридрихом Вёлером (1800-1882).  Еще будучи студентом-медиком, Ф. Вёлер много и с увлечением занимался химией. После окончания университета в 1823 г. молодой врач не порывает с химией, а даже отправляется в Стокгольм к Й. Берцелиусу для продолжения занятий химией, но уже в его лаборатории. Молодой исследователь был так увлечен химическими опытами под руководством знаменитого ученого, что сутками не выходил из лаборатории, удивляя окружающих огромным трудолюбием и большим интересом к проводимым исследованиям.

И вот однажды...

Это был обычный опыт, и сам Ф. Вёлер не ожидал от него ничего необычного. Однако при нагревании раствора цианата аммония он обнаружил, что при выпаривании образуются кристаллы, напоминающие... мочевину. Еще со студенческих лет молодой ученый помнил такие кристаллы, выделенные когда-то из мочи. Но сейчас он был поражен.

Этого не может быть! Ведь мочевина — органическое вещество и образоваться может только в живых организмах. Разве могла она получаться в таком простом опыте? Да еще из неорганического вещества?!

Ф. Вёлер был в растерянности. Однако решил не спешить с выводами и ничего пока не говорить своему учителю. Нужно самому разобраться в этом, и лучше это сделать у себя дома, в Германии.

Вернувшись в 1824 г. на родину, Ф. Вёлер сразу же стал продолжать свои исследования. Опыт за опытом, десятки опытов... И наконец, вывод: ошибки быть не может. Ведь после каждого опыта он тщательно анализировал полученное вещество. Итак, это была мочевина! Сейчас схему этого синтеза можно представить так:

В 1828 г. Ф. Вёлер пишет статью о своем открытии и конечно же — письмо И. Берцелиусу. Статья вызвала большой и неоднозначный интерес среди химиков. Что же касается письма в Стокгольм, то в нем есть такая строка: «Я должен сообщить Вам, что я могу приготовить мочевину, не прибегая для этого к почкам человека, собаки или другого животного»{В те времена считали, что мочевина образуется в почках. Позже установили, что это происходит в печени.}. И тут же Ф. Вёлер спрашивает: «Можно ли рассматривать это искусственное получение мочевины как пример создания органического вещества из неорганического?» Другими словами, не является ли синтез мочевины из неорганических веществ опровержением теории «жизненной силы»?

Получив письмо, Й. Берцелиус испытал тяжелое чувство... Действительно, несколько строчек письма Ф. Вёлера перечеркивали все то, чему Й. Берцелиус посвятил пятнадцать лет жизни. Конечно же он не спешил с ответом на это письмо. Как ни старался, этот уже пожилой человек все же не смог скрыть своего раздражения. Но как настоящий ученый и честный человек, он хорошо понимал силу фактов. Правда, он не ответил прямо на вопрос своего ученика, но отдал должное его исследованиям и даже поздравил «с очень красивым открытием». Высоко оценив научные работы Ф. Вёлера, ученый все же до конца своей жизни останется верным своей теории...

Получив мочевину лабораторным путем, Ф. Вёлер впервые в истории химии осуществил синтез органического вещества из неорганического. Поэтому этот синтез оставил заметный след в истории органической химии. Кстати, несколько раньше, в 1824 г., Ф. Вёлер получил щавелевую кислоту — продукт растительного происхождения, но ни он, ни другие не придали этому факту особого значения.

Неожиданное открытие Ф. Вёлера не осталось незамеченным. Оно вдохновило химиков на попытки синтеза органических веществ. За сравнительно короткий срок химикам удалось синтезировать немало органических соединений. Это был настоящий прорыв в органической химии! Так, в 1831 г. французский химик Теофил Пелуз (1807-1867) получил муравьиную кислоту из синильной кислоты, а русский химик Николай Николаевич Зинин (1812-1880) в 1842 г. при восстановлении нитробензола получил анилин. В 1845 г. немецкий химик Адольф Герман Кольбе (1818-1884) смог синтезировать уксусную кислоту, используя в качестве исходных веществ древесный уголь (углерод), водород, серу и хлор. Если синтез мочевины Ф. Вёлером породил все же сомнения относительно существования «жизненной силы», то синтез уксусной кислоты из элементов окончательно подорвал веру в эту «силу». Но на этом успехи органической химии не закончились. Французский химик Пьер Марселей Бертло (1827-1907) в 1854 г. осуществил синтез жироподобного продукта, который оказался близким к природным жирам. Этот ученый уже в 1860 г. прямо заявил о том, что его исследования направлены на «устранения жизненной силы» из органической химии, а через год известный русский химик Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886), действуя известковой водой на параформальдегид, получил сахаристое вещество.

Так началось великое вторжение химиков в мир органической химии. Уже никто не решался утверждать, что в получении органических веществ должна участвовать таинственная «сила». С каждым годом химики Германии, России, Франции, Англии наносили сокрушительные удары по виталистической теории, и в конце концов она была отброшена как ненаучная и мешающая их работе.

Успехи в органической химии были обязаны в немалой степени аналитическим методам, которые постоянно совершенствовались и уже позволяли установить с достаточной точностью простейшие — эмпирические (т. е. установленные экспериментально) формулы органических веществ. Эти формулы показывали число атомов каждого элемента, входящего в состав молекулы. И тут нельзя не отметить работы по органическому анализу немецкого химика Юстуса фон Либиха (1803-1873), который значительно (по сравнению с А. Лавуазье) усовершенствовал аналитические методы для количественного определения углерода и водорода в органических веществах. Уже в 1831 г. Ю. Либих смог получить точные эмпирические формулы многих органических веществ. Он также разработал метод определения азота. Два года спустя французский химик Жан Батист Дюма (1800-1884) сделал этот метод еще более точным, и в таком виде он применяется в настоящее время. Со временем менялось только его инструментальное оформление.

Особый вклад в развитие органической химии сделан русским химиком А. М. Бутлеровым. В 1861 г. он сформулировал основные положения своей теории строения органических соединений. Эта теория позволила впервые взглянуть на органическую молекулу как на систему, имеющую строгий порядок связи между атомами. Но об этом мы расскажем подробнее несколько позже.

 

1.3. Свыше десяти миллионов!

Углерод — обязательный элемент всех органических соединений. Поэтому органическую химию часто называют химией соединений углерода. Кроме углерода, в состав органических веществ почти всегда входит водород, часто встречается кислород, несколько реже — азот, галогены, сера, фосфор. Как видите, органическая химия имеет дело с соединениями, содержащими не так уж много элементов. Действительно, из ста с лишним известных элементов требуется всего 10-12, чтобы образовать несметное количество разнообразных органических веществ. Остальные же элементы встречаются в соединениях неорганических. На первый взгляд может показаться, что органических веществ должно быть гораздо меньше, чем неорганических. Но это не так. Подсчитано, что органических соединений в настоящее время свыше десяти миллионов! И число это постоянно растет. Пока вы читаете эти строки, в лабораториях мира уже получены новые органические вещества. Но самое удивительное, что такому росту числа органических соединений не будет конца. Посмотрите, как росли темпы получения новых веществ: в 1880 г. их было всего 12 тыс., в 1910 г. — 150 тыс., в 1920 г. — 200 тыс., в 1940 г. — 500 тыс., в 1950 г. — 1 млн, в 1960 г. — 2 млн. А за последующие сорок лет их стало на 8 млн больше.

Вот еще интересный факт. В 1906 г. в США было основано периодическое издание журнала «Chemical abstracts», в котором регулярно публикуются сведения о новых веществах (в том числе и органических). Так вот, оказалось, что для публикации 1 млн записей о веществах потребовался 31 год, для второго миллиона — 18 лет, третьего — 7 лет, а для четвертого — всего 4 года. Вот какими темпами работают химики!

И все же, почему органических соединений так много?

Атом углерода, который является основой всех органических веществ, — особый элемент в природе. Он способен образовывать химические связи не только с другими элементами, но, что очень важно, и с другими углеродными атомами, образуя при этом разные по длине прямые и разветвленные цепи:

При этом образуются молекулы, содержащие от нескольких углеродных атомов до десятков, сотен и более. Углеродные атомы могут образовывать и замкнутые цепи — циклы. Например, циклогексан:

Вот почему ни один элемент в природе не может дать такого разнообразия веществ, как углерод. Довольно скромно рядом с ним выглядит кремний. Самая длинная цепочка, которую в состоянии образовать атомы кремния, содержит всего 55 атомов. Но даже для образования такой молекулы необходимы специальные условия!

Если же углеродную цепь разнообразить включением в нее других элементов, то число различных перестановок в молекуле окажется огромным. А ведь в органических соединениях содержатся не только простые связи, но и двойные и тройные. Это тоже увеличивает разнообразие органических веществ. Правда, нам могут возразить. Скажут, если неорганическая химия изучает практически все известные нам элементы, то возможность различных перестановок в неорганических веществах будет гораздо большей. И такая возможность, казалось бы, будет возрастать с ростом различных атомов. Однако это не так. Дело в том, что неорганические вещества будут прочными только в том случае, если в состав их молекул будут входить два, три, но не более десятка различных атомов. По мере присоединения все новых и новых элементов молекула становится непрочной и склонной к разрушению.

 

1.4. Непохожие друг на друга

Чем же отличаются органические вещества от неорганических?

Чтобы ответить на этот вопрос, проделаем очень простой опыт. Нагреем несколько кристаллов органического вещества. Даже при сравнительно невысокой температуре они начинают плавиться и переходят в жидкое состояние. Если температуру еще повысить, то эта жидкость начинает пениться (кипеть), а потом разлагаться, сгорать или обугливаться. Например, если сухую деревянную палочку внести в огонь, то она, постепенно обугливаясь, сгорает и переходит в тлеющие угли. Проделаем еще такой опыт. Возьмем пинцетом кусочек сахара и внесем его в пламя горелки. Вначале из сахара выделяются газы, затем он обугливается и сгорает.

Если охладить продукты, которые получились от сгорания палочки и сахара, то в них вы не узнаете прежние предметы.

А теперь поступим иначе. Внесем в пламя любое неорганическое вещество, например хлорид натрия. Вы увидите, что соль ведет себя совсем иначе, чем палочка и кусочек сахара. Соль выдерживает даже очень высокую температуру. Она вначале растрескивается на мелкие кусочки, а потом, если бы удалось повысить температуру до 800 °С, начинает плавиться. При 1440 °С расплавленная соль закипает. Но стоит расплавленную соль охладить, как получается тот же продукт, что был вначале. Эта соль опять пригодна для приготовления пищи!

Есть еще одно отличие между органическими и неорганическими веществами. Известно, что большинство неорганических веществ хорошо растворимо в воде. В то же время органических веществ, которые растворяются в воде, не так уж и много. Почему?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть, как связаны между собой атомы в молекулах неорганических и органических веществ.

Известно, что любой атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и отрицательно заряженных электронов, окружающих это ядро. Электроны располагаются от ядра на различных расстояниях. Группы электронов, удаленные на одинаковое расстояние от ядра и обладающие одинаковой энергией, образуют слои (оболочки). Чем дальше от ядра расположены эти слои, тем большей энергией обладают их электроны. Поскольку атом — нейтральная частица, то это означает полную компенсацию положительного заряда ядра отрицательным зарядом всех электронов, входящих в атом. Но иногда такой компенсации не происходит. Это связано с тем, что число электронов в атоме может изменяться: при определенных условиях атом способен присоединять или отдавать несколько электронов. Если атом принимает электроны, то возникает избыточный отрицательный заряд и нейтральный атом превращается в отрицательную частицу — анион. Если же атом отдает электроны, то преобладает положительный заряд ядра и образуется положительно заряженный ион — катион. Поясним это на примере образования молекулы хлорида натрия. Атом натрия при взаимодействии с атомом хлора отдает ему единственный электрон, который расположен на внешнем электронном слое. В результате у атома натрия остаются 10 электронов (всего же было 11 электронов), а у атома хлора их будет уже 18 (было 17) (рис. 1). Так как терять и приобретать электроны могут только внешние электронные слои атомов, то на этих слоях у атомов натрия и хлора остается по восемь электронов, как у инертных газов (неона, аргона и др.). Следовательно, эти слои приобретают устойчивую электронную конфигурацию. Итак, вместо нейтрального атома натрия образовался катион, а атом хлора превратился в противоположную частицу — анион. Поскольку разноименные заряды, как известно, притягиваются, то из ионов образуется молекула хлорида натрия. Связь между катионом и анионом хлора называется ионной. Молекулы, имеющие ионную связь, всегда полярны, так как в них в одной области группируются положительные заряды, а в другой — отрицательные. Теперь посмотрим, что же происходит при растворении полярной молекулы хлорида натрия в воде.

Сразу же напомним, что в молекуле воды также преобладает ионная связь. Когда же полярные молекулы воды приближаются к полярным молекулам хлорида натрия, то происходит ориентация этих молекул друг относительно друга. Они располагаются так, что к катиону натрия и аниону хлора подходят молекулы воды с противоположным знаком. В результате между молекулами воды и хлорида натрия возникает притяжение. Затем молекулы воды внедряются между ионами хлорида натрия, ослабляют связь между ними и «растаскивают» ионы натрия и хлора в разные стороны. Вот так происходит процесс растворения неорганических веществ.

Совсем по-другому протекает растворение органических соединений. Это и неудивительно. Ведь химическая связь между атомами в органических соединениях совсем другая, чем в неорганических. Если ионная связь образуется между атомами, которые способны отдавать и присоединять электроны (как в случае атомов натрия и хлора), то химическая связь в органических веществах соединяет такие атомы, которые такой способностью не обладают. Тогда как же соединяются эти атомы?

В этом случае все происходит гораздо проще. Атомы, вступающие в химическую связь, не теряют и не присоединяют электроны, они их... «обобществляют», т. е. делают общими для двух атомов. Например, в случае образования молекул хлора или водорода такой процесс можно изобразить так:

На этих схемах точками изображены электроны наружных слоев. Две точки между атомами в молекуле обозначают электронные пары, состоящие из «обобществленных» электронов. Эти электроны в одинаковой мере принадлежат сразу обоим атомам. Химическая связь, осуществляемая электронными парами, называется ковалентной связью. Такая связь является основной химической связью для органических соединений.

Рассмотрим образование ковалентных связей в самом простом органическом веществе — метане. Его молекула состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, т. е. его эмпирическая формула будет СН4. Поскольку на внешней электронной оболочке углеродного атома находятся четыре валентных электрона, то он способен образовать четыре ковалентные связи С—Н. Эти связи образуются за счет «обобществления» четырех электронов атома углерода и четырех электронов атомов водорода (по одному от каждого атома) (рис. 2). В результате во внешнем электронном слое атома углерода будет находиться восемь электронов (как у инертного газа неона), а у каждого атома водорода — два (как у инертного газа гелия). Поэтому формула молекулы метана с четырьмя электронными парами будет выглядеть так:

Электронную пару обычно изображают в виде одной черточки. Эта черточка обозначает простую (одинарную) химическую связь.

Следующий за метаном углеводород — этан С2Н6 — содержит семь электронных пар:

Однако не следует забывать, что на самом деле каждому атому принадлежит только половина образовавшейся электронной пары!

Итак, молекулы органических соединений, в отличие от неорганических, построены не из ионов, а из нейтральных атомов. Поэтому полярные молекулы воды с органическими молекулами взаимодействовать, как в случае хлорида натрия, не будут. Они отскакивают от них, как от стенки горох. Вода — основной растворитель для неорганических веществ — в мире органической химии уступает таким растворителям, как спирт, бензол, эфир и др. Тут подтверждается старое химическое правило: «подобное растворяется в подобном». Но даже и в этих растворителях органические вещества будут распадаться на отдельные молекулы, а не на ионы. Например, при растворении сахара в воде в сладком растворе будут находиться только молекулы этого органического вещества. Правда, есть и такие органические соединения, которые не только растворяются в воде, но и образуют в ней ионы. Примером могут служить карбоновые кислоты, соли и др. Вот как образуются ионы уксусной кислоты при ее диссоциации:

Однако таких соединений в органической химии не так уж и много. Но даже и в этом случае ионный заряд возникает не на атоме углерода, а на кислородном атоме. Это означает, что разорвалась не углерод-водородная связь, а кислород-водородная.

Химики давно заметили, что при проведении химических реакций скорость взаимодействия между неорганическими веществами намного больше, чем между органическими. Попробуйте, соблюдая осторожность, смешать раствор гидроксида натрия (едкого натра) с соляной кислотой. Реакция в этом случае протекает мгновенно и бурно с выделением теплоты. Это — обычная реакция нейтрализации:

Почему же такая высокая скорость? Это объясняется тем, что щелочь и кислота находятся в виде ионов, реакционная способность которых очень велика. Органические же вещества, как мы знаем, ионов практически не образуют. Поэтому реакции между ними протекают медленно. Более того, часто для полного завершения органической реакции приходится ждать несколько часов, а то и суток. Иногда химики применяют особые вещества — катализаторы, которые ускоряют реакцию. Очень часто реакционную смесь приходится нагревать или проводить реакцию даже под давлением.

Итак, органические вещества имеют свои особенности. Но это не означает, что между органическими и неорганическими веществами нужно возвести высокую стену. Те и другие могут быть получены одним и тем же химиком в одной и той же лаборатории. Конечно, в органической химии есть свои особенности, свои «тайны», как и в любой другой науке. Да, она не похожа на неорганическую химию, но от этого не стала труднее для изучения. Более того, органическая химия имеет более стройную систему, чем химия неорганическая. В течение почти двух веков химики-органики умудрились так расположить все сведения об органической химии, что эта наука стала необычайно стройной и логически завершенной. Этому способствует и то, что в органических соединениях практически все элементы, входящие в их состав, имеют постоянную валентность.

 

1.5. «...Она представляется мне дремучим лесом...»

К началу второй половины XIX в. химики были знакомы со многими органическими соединениями. Правда, это были вещества главным образом природного происхождения. Химики их выделяли из растительных или животных организмов, из каменноугольной смолы, нефти и т. д. Они смело брались за установление состава этих соединений, за изучение их свойств. Для этого приходилось проводить много химических реакций, в которых органические вещества взаимодействовали с другими органическими веществами или, чаще, — с неорганическими. В результате было открыто много реакций, обнаружено немало закономерностей.

Это было время активных поисков и бесконечных экспериментов с органическими веществами.

Однако было и другое. Несмотря на то что еще не затих шум в химических кругах по поводу синтеза Ф. Вёлера, и еще свежи были в памяти случаи получения некоторых органических веществ из неорганических, и даже «жизненная сила» уже не казалась неприступной стеной, но, как это ни парадоксально, эти достижения органической химии представлялись многим как явление случайное и необычное. В работе химиков еще чувствовалась какая-то неуверенность, робость. К сожалению, это подкреплялось еще и тем, что редкие успехи химиков чередовались со многими неудачами и разочарованиями.

Конечно, для этого были веские причины. Но главной причиной было то, что отсутствовала точка опоры, от которой бы могли отталкиваться химики в своей работе. Такой опорой должна быть теория органической химии. К сожалению, такой теории еще не было, а без нее химики работали как бы на ощупь, в темноте, по интуиции. Конечно, существовали уже разработанные рецепты и правила работы со многими органическими веществами. Следуя им, иногда удавалось получить новый органический продукт, но какое он имеет строение и что это за вещество — химики не знали. И конечно же они не могли заранее планировать получение задуманного вещества. Не могли они и осуществить переход одного органического соединения в другое. Одним словом, это было время бесконечных проб и ошибок. О положении, в котором пребывали химики того времени, хорошо сказал Ф. Вёлер спустя десять лет после своего знаменитого синтеза. В письме к Й. Берцелиусу он с огорчением писал: «Органическая химия может в настоящее время кого угодно свести с ума... она представляется мне дремучим лесом, полным чудесных вещей; огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть». Письмо датировано 1838 годом.

Но химики продолжали работать в своих лабораториях — больших и маленьких, светлых и погруженных в полуподвальный полумрак, теплых и сырых, продуваемых сквозняками, пропитанных едкими запахами всевозможных веществ.

И это время не прошло для них даром. Постоянно шло накопление опыта, экспериментального материала, который нуждался в осмысливании и систематизации. Эта трудоемкая работа приближала время, когда должна была родиться теория, которая могла бы не только помочь химикам объяснить строение органических соединений, но и позволила бы целенаправленно вести их синтез. Но, к сожалению, такой теории не было. Существовавшая теория «жизненной силы» не смогла взять на себя роль спасительницы. Да и она просуществовала недолго, хотя ее отголоски еще длительное время были слышны в химических лабораториях мира.

В это время некоторые химики стали замечать интересную особенность: группы из нескольких атомов (двух или более), оказывается, могут переходить без изменения из одной молекулы в другую. Такие группы получили название радикалов (от лат. radical — корень). Например, при получении из уксусной кислоты хлористого ацетила группа СН3СО (радикал ацетил) переходит неизмененной в новое вещество — хлористый ацетил:

Й. Берцелиус, следивший внимательно за всем, что происходит в органической химии, сразу же обратил на это внимание. Он решил, что химики стоят на пороге открытия тайны строения органических веществ. Для этого, как надеялся ученый, необходимо лишь установить строение радикалов, а потом из них построить органические молекулы. Вот эта мысль и легла в основу «теории радикалов». В 1843 г. Й. Берцелиус даже сказал: «Органическая химия — это химия сложных радикалов». Ученый полагал, что все радикалы, входящие в молекулу, представляют собой противоположно заряженные частицы. Если это так, то силы, удерживающие атомы в органической молекуле (как и в неорганической), должны иметь одну природу — электрическую. Однако, как оказалось, это было верным только для неорганических веществ. Что же касается органических соединений, то многочисленные опыты уже в то время показали, что их растворы в большинстве своем не проводят электрический ток. Кроме того, согласно «теории радикалов» радикалы должны быть такими же прочными, как и атомы в неорганических веществах. Ведь Й. Берцелиус считал, что эти радикалы состоят только из атомов углерода и водорода (причем углерод якобы заряжен отрицательно, а водород — положительно). Но если это так, то любое замещение положительно заряженного водорода на отрицательно заряженный атом должно обязательно привести к резкому изменению свойств вещества. Но вскоре выяснилось, что такое утверждение ошибочно. Когда французский химик Огюст Лоран (1807-1853) заместил несколько атомов водорода в молекуле этилового спирта на атомы хлора, то оказалось, что такое замещение не вызвало значительного изменения свойств спирта. Это, конечно, противоречило этой теории. Ведь хлор считался отрицательно заряженным элементом, а водород — положительно заряженным. Но углерод, который считали элементом отрицательным, не мог соединиться с отрицательным хлором. При этом два атома, заряженные отрицательно, должны не соединяться, а отталкиваться! Через три года Ж. Дюма провел такую же реакцию замещения, но уже с уксусной кислотой{Впервые хлоруксусные кислоты получил Ловиц Товий Егорович (Иоганн Тобиас) в 1793 г.}. Прохлорировав ее, он получил хлоруксусную кислоту, которая, как оказалось, практически не отличалась от уксусной кислоты, но была более сильной.

Все эти факты противоречили «теории радикалов». Да и большинство химиков уже охладели к этой теории.

Итак, вывод Й. Берцелиуса о том, что органические радикалы могут служить своеобразными «кирпичиками», из которых построены органические вещества, оказался несостоятельным.

Прошло не так уж много времени, и на смену ушедшей теории пришла новая — теория типов. Она была предложена и развита О. Лораном, который отстаивал свою точку зрения, несмотря на авторитет Й. Берцелиуса. В своей теории О. Лоран утверждал обратное: органическая молекула представляет единое целое, а не состоит из противоположно заряженных частиц. Сторонники этой теории представляли молекулу в виде ядра, к которому присоединены различные радикалы. Поэтому органические молекулы можно сгруппировать в отдельные типы («семейства»). Вначале были предложены четыре таких типа:

Чем привлекала эта теория? Все казалось очень простым и ясным. Например, в молекуле воды («тип воды») к центральному атому кислорода («ядру») присоединены два атома водорода. Замещая один из них на различные радикалы, можно получить целое «семейство» органических соединений. Так, при замещении одного из водородных атомов на метальный (СН3) или этильный (С2Н5) радикал образуются соответственно два спирта — метиловый и этиловый.

(В скобках приведено современное написание формул метилового и этилового спиртов.)

В результате такого замещения атома водорода на различные радикалы можно получить (вывести) многочисленный ряд спиртов. Но не только спиртов. Легко построить органические соединения, относящиеся, например, к классу простых эфиров:

Позже немецкий химик Фридрих Август Кекуле (1829-1896), исходя из четырехвалентности атома углерода, предложил еще один тип — «тип метана»:

Как видите, «теория типов» позволила наглядно записывать химические формулы органических соединений, которые с формальной точки зрения были близки к современной записи. Появилась, как надеялись химики, удобная классификация органических соединений. В этом отношении «теория типов» сыграла, конечно, положительную роль. Поэтому она завоевала большую популярность среди химиков.

Но полностью удовлетворить химиков эта теория также не могла. Она по-прежнему исходила из того, что органические соединения построены из радикалов. В то же время главный вопрос — вопрос о внутреннем строении молекул — обходился стороной. Даже расположение атомов в самих радикалах оставалось неясным. Правда, пока химики имели дело с более или менее простыми веществами, эта теория еще могла «работать». Но с появлением более сложных веществ началась путаница. Например, хлоруксусную кислоту пришлось отнести сразу к двум типам — к «типу воды» и «типу хлороводорода»:

Даже соединение, имеющее формулу С2Н6 (этан), вызвало затруднение. Так, согласно «типу водорода», это вещество должно существовать в виде двух продуктов:

Сейчас известно, что формула С2Н6 выражает собой газ — этан, у которого изомеров нет.

Все это происходило потому, что в те далекие времена химики еще долго считали формулы веществ лишь средством, позволяющим только изображать превращения веществ, но не строение их молекул. Они даже одному и тому же веществу часто приписывали несколько формул. Например, А. Кекуле в своем учебнике по органической химии (1861) приводил для уксусной кислоты два десятка формул!

Действительно, в трудном положении оказались химики в начале второй половины XIX в.!

 

1.6. О химическом строении тел

И все же выход из «дремучего леса» был найден. Этим выходом оказалась новая теория в органической химии, которая позже легла в основу современных представлений об органических соединениях.

Создателем новой теории стал выдающийся русский химик, профессор Казанского университета Александр Михайлович Бутлеров.  Он смело порвал с устаревшими взглядами и предложил свой путь познания строения органических соединений. В отличие от своих предшественников, А. М. Бутлеров исходил из представлений о реальном существовании атомов и молекул. Он твердо верил в возможность установления строения органических молекул.

Конечно, теория А. М. Бутлерова не возникла на пустом месте. Мы уже знаем о первых теориях органической химии, о попытках химиков разгадать тайну органических веществ. Все, что было разумным и передовым, использовалось и развивалось А. М. Бутлеровым. Известно, что к тому времени были сделаны некоторые довольно важные предпосылки для создания единой теории. Так, благодаря исследованиям, проведенным в 1857-1858 гг. немецкими химиками А. Кекуле и Г. Кольбе, а также шотландским химиком Арчибальдом Купером (1831-1892), стало известно, что углерод имеет валентность, равную четырем, а его атомы могут соединяться друг с другом, образуя различные цепи. Уже стало привычным обозначать углеродный атом символом «С» с четырьмя черточками, под которыми понимали химические связи:

Однако этого было мало, чтобы вплотную подойти к созданию общей теории органической химии. Многое мешало этому. Например, А. Кекуле, известный в то время химик, вовсе отрицал возможность установления порядка связи атомов в органической молекуле, а А. Купер даже химические формулы продолжал изображать по-разному...

Но уже многие чувствовали, что наступила пора объединить многие разрозненные факты в единое учение о строении органических молекул. И такой день настал...

9 сентября 1861 г. — особая дата в истории органической химии. В этот день в г. Шпейере (Германия) на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей А. М. Бутлеров прочел свой доклад, который назывался «Нечто о химическом строении тел». Свое сообщение он начал словами: «Ныне, после открытия массы неожиданных и важных фактов, почти все сознают, что теоретическая сторона химии не соответствует ее фактическому развитию. Теория типов, принятая теперь большинством, начинает оказываться недостаточною».

Остановившись на критике теории типов за ее положение о непознаваемости строения молекул, А. М. Бутлеров переходит к изложению своей теории. Ученый сформулировал ее так: «Химическая натура (т. е. свойства) сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением». Под «химическим строением» А. М. Бутлеров понимает порядок соединения атомов в молекуле. Он подчеркивает, что молекула вещества — это частица с определенной химической структурой, т. е. с определенным расположением атомов. Это расположение можно установить опытным путем, исследуя химические свойства вещества. И наоборот — если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства. Эти свойства зависят не только от того, какие атомы и сколько их входит в состав молекулы, но и в какой последовательности они соединены между собой в молекуле. Далее ученый утверждает, что атомы, входящие в состав молекулы, влияют друг на друга. Такое влияние проявляется особенно заметно в том случае, если атомы связаны друг с другом непосредственно. Наконец, А. М. Бутлеров высказывает мысль о том, что строение молекулы можно выразить при помощи структурной формулы, которая для данного вещества является единственной. В конце доклада ученый дает четкое определение органической химии: «Органическая химия — это химия соединений углерода».

В докладе ученого сквозила необычайная уверенность в теории, которую он излагал слушателям. Эта теория уже успела «поработать» на него: ученый мог не только предсказать существование неизвестных еще пока веществ, но и успел синтезировать некоторые из них.

А. М. Бутлеров сделал интересный вывод о том, что если свободные валентности углерода не насыщены водородом, то у углеродных атомов появляется возможность связываться между собой не только одной, но и двумя, и даже тремя химическими связями. Это было позже доказано строением этилена и ацетилена:

Понятие о химическом строении, высказанное А. М. Бутлеровым, позволило объяснить такое загадочное явление в органической химии, как изомерия.

Конечно, в своем докладе ученый сказал не все. Многое еще предстояло домыслить. Основные положения теории строения А. М. Бутлерова не были опубликованы в одной статье, книге или докладе. Они, как драгоценные зерна, были рассеяны во многих статьях, выступлениях, дискуссиях великого химика. Сегодня эти положения кажутся нам понятными и логичными, но тогда они казались одним химикам гениальными, другим — фантазией, а у третьих вызывали чувство откровенного неприятия и даже раздражения. Да и как можно было оставаться равнодушным, если идеи новой теории прямо противоречили всем предыдущим учениям? Теория А. М. Бутлерова перечеркивала выводы известных ученых-химиков, которые утверждали, что строение молекул познать нельзя.

Некоторые западные химики сознательно старались принизить и даже отрицать заслуги русского химика. Находились и такие, которые прямо обвиняли А. М. Бутлерова в попытке присвоить чужие идеи, якобы высказанные ранее другими химиками, например А. Кекуле и А. Купером. Эти химики действительно внесли определенный вклад в развитие органической химии, однако считать их основателями общей теории строения все же нельзя. Ведь самым главным вкладом А. М. Бутлерова, отличающим его труды от работ других химиков, было ясное и последовательное положение о взаимосвязи между химическим строением и свойствами органических соединений.

Создавая теорию строения, А. М. Бутлеров уже тогда предполагал возможность и даже необходимость установления пространственного строения органических веществ. Дело в том, что теория строения в то время еще не могла объяснить некоторые факты в органической химии, например особые случаи изомерии. Это касалось, прежде всего, оптической и геометрической изомерии. Исследования причин этих видов изомерии, исходя из теории химического строения органических соединений А. М. Бутлерова, привели впоследствии к созданию учения о пространственном строении молекул — стереохимии (от греч. стереос — пространственный). В 1874 г. голландский химик Якоб Гендрик Вант-Гофф (1852-1911) и французский химик Жак Ашиль Jle Бель (1847-1930) выдвинули идею, согласно которой четыре связи атома углерода направлены в пространстве к четырем углам тетраэдра (если представить, что сам углерод находится в его центре (см. рис. 9). В дальнейшем на основании теории пространственного расположения химиче-ских связей и теории химического строения А. М. Бутлерова была развита наука о трехмерной ориентации атомов в молекулах.

К концу 90-х гг. XIX в. бутлеровская теория стала господствующей в органической химии. Этому способствовали два обстоятельства. Во-первых, теория строения привела наконец-то все разрозненные факты в систему. Во-вторых, она смогла не только объяснить многие известные факты, например явление изомерии, но и предсказать еще неизвестные.

Теория А. М. Бутлерова и сегодня остается фундаментом органической химии. Однако она не является чем-то незыблемым. Происходит постоянное совершенствование многих положений теории, их обогащение новыми фактами. И все же основные, главные положения бутлеровской теории сохранили и будут сохранять свою силу.

 

1.7. Как нарисовать молекулу

Можно ли нарисовать молекулу на бумаге? Такой вопрос задавали химики еще в середине XIX в. Они пытались это сделать, но такие попытки, конечно, были безуспешными.

Теперь нам понятны причины этих неудач. Для того чтобы изобразить молекулу на листке бумаги, необходимо было знать строение органических веществ.

Для решения этой проблемы много сделали химики, развивая учение о валентности химических элементов. Напомним, что валентность химического элемента — это свойство его атомов присоединять определенное число атомов других элементов. Поскольку углерод является основой всех органических соединений, то установление его четырехвалентности было важным моментом для объяснения строения этих веществ. Как известно, идеи о четырехвалентности атома углерода высказал А. Купер еще в 1858 г. При этом он считал, что углеродные атомы могут соединяться друг с другом (правда, эта мысль была уже не новой; ее высказал Фридрих Рохледер еще в 1852 г.). Однако этого было, конечно, недостаточно. Для построения даже простейшей (эмпирической) формулы химического вещества необходимо было знать его качественный и количественный состав. Известно, что многие органические соединения состоят из углерода, водорода и кислорода. Определив содержание этих элементов, уже можно было установить эмпирическую формулу соединения. Правда, в отличие от веществ неорганических, с органическими соединениями дело обстояло сложнее, так как последние отличались большим содержанием атомов в молекуле. Например, долго велись дискуссии по поводу эмпирической формулы уксусной кислоты, которая оказалась не такой уж и сложной (С2Н4O2). Но как бы там ни было, к тому времени удалось установить формулы для 2-3 десятков органических соединений, в том числе и для некоторых простых сахаров.

Однако эмпирические формулы, показывающие, какие элементы и в каком количестве входят в состав органического вещества, мало говорят о его строении. Для этого нужны другие формулы — формулы строения. Такие формулы называют структурными формулами.

Согласно представлениям А. Кекуле, А. Купера и А. М. Бутлерова, углеродные атомы могут соединяться друг с другом с помощью одной или нескольких из четырех своих валентных связей, образуя длинные углеродные цепи — прямые или разветвленные. Поскольку у каждого атома углерода имеются четыре валентные связи, а у каждого атома водорода — только одна такая связь, можно изобразить три формулы простейших предельных углеводородов — метана СН4, этана С2Н6 и пропана С3Н8 следующим образом:

В молекуле метана атомы водорода связаны с атомом углерода, а не друг с другом. Это и понятно. Если допустить, что водородные атомы соединены не с углеродным атомом, а между собой, то тогда они, исчерпав на это по единственной валентности, не смогли бы соединиться с атомом углерода. В результате образовались бы две молекулы водорода, а не молекула метана. Рассмотрим молекулу этана. В этой молекуле два атома углерода связаны между собой, а каждый из них — с тремя водородными атомами. Возможно ли другое соединение атомов? Нет. В противном случае мы должны допустить существование таких структур:

Такие структуры соответствуют молекуле метана и частице, у которой атом углерода имеет две свободные валентности, но такая частица будет очень неустойчивой. Значит, существует другая возможность соединения атомов в молекуле этана: два углеродных атома соединены между собой, а с ними атомы водорода. Такой же порядок соединения атомов мы видим в молекуле пропана и в других углеводородах.

Увеличивая число атомов углерода, можно продолжить вывод формул следующих за пропаном углеводородов — бутана (С4Н10), пентана (С5Н12), гексана (С6Н14) и т. д.

Если добавить к углеводородной цепи атом кислорода (имеющего две валентные связи) или атом азота (с тремя валентными связями), то можно написать структурные формулы молекул этилового спирта (С2Н5ОН) и метиламина (CH3NH2):

Структурные формулы, как вы видите, наглядно показывают последовательность соединения между собой атомов в молекуле. Такое соединение происходит с учетом валентности и химических свойств атомов.

Если же в молекулах органических соединений содержатся двойные или тройные связи, то их изображают так:

Как видите, простая (одинарная) связь изображается одной черточкой, двойная — двумя, а тройная — тремя. Число черточек у элемента соответствует его валентности. Обычно структурные формулы записывают в более сокращенном виде, например:

Если же изображают циклические соединения, то в их формулах символы атомов углерода и водорода можно не обозначать, но их присутствие обязательно подразумевается:

Полезность структурных формул была настолько очевидной, что многие химики приняли их сразу. Они стали отказываться от изображения органических молекул в виде нагромождений из радикалов. Сам А. М. Бутлеров широко использовал структурные формулы в своей работе. Более того, начиная с 60-х гг. XIX в. он убедительно показывал, как с помощью структурных формул можно наглядно объяснить причины существования изомеров.

В то же время нельзя забывать и о том, что любая, даже очень удачная структурная формула — всего лишь абстрактный образ молекулы. Она не является точным отображением реальной структуры и конечно же не может выразить полностью свойства органической молекулы. Формула лишь показывает расположение атомов в молекуле. Это означает, что нельзя отождествлять символ молекулы — формулу — с ее реальной «фотографией».

 

1.8. Изомер означает «равный»

В органической химии существует очень интересное явление — изомерия. Это явление известно химикам давно. Так, в 1822 г. Ф. Вёлер открыл циановую кислоту и установил ее эмпирическую формулу (CHNO). Через год другой химик — Ю. Либих, изучая гремучую кислоту, был крайне удивлен, когда обнаружил, что она имеет тот же состав, что и циановая кислота. Однако эти вещества резко отличались по свойствам. Итак, одинаковый состав, но разные свойства. Было чему удивляться! Й. Берцелиус, узнав об этом факте, не сразу поверил ему. Но уже в 1830 г. сам столкнулся с таким же явлением. Он обнаружил, что две органические кислоты — виноградная и винная — хотя и обладают разными свойствами, но имеют одну и ту же эмпирическую формулу — С4Н6O6. Поскольку содержание элементов в этих соединениях было одинаковым, Й. Берцелиус назвал такие вещества изомерами, а само явление — изомерией. Это греческое слово в переводе обозначает «равные части». Таким образом, циановая и гремучая кислоты — изомеры. Изомерами являются виноградная и винная кислоты.

Число открытых изомеров быстро росло, и это явление нуждалось в объяснении. На правильном пути к ответу на этот вопрос были Й. Берцелиус, а затем и Ж. Дюма. Они рассуждали так: если две молекулы построены из одинакового числа одних и тех же атомов, но обладают различными свойствами, то причина тут одна — различное распределение атомов в молекуле. Но как понимать и чем объяснить это различное распределение? На этот главный вопрос они ответить не могли.

Потребовалось почти три десятилетия, чтобы явление изомерии получило научное объяснение. Это сделал А. М. Бутлеров в своей теории строения органических соединений. Это было ярким примером удивительного предвидения. Например, до 1861 г. было известно лишь одно вещество состава С4Н10 — бутан. Его формулу изображают в виде прямой цепочки.

Однако ученый высказал предположение о том, что должно существовать еще одно соединение с такой же эмпирической формулой, но с другой последовательностью соединения углеродных атомов в молекуле.

Такое вещество А. М. Бутлеров назвал изобутаном (приставка «изо» обозначает разветвление). Ученый не только предложил метод получения этого вещества, но и получил его. Это было первым убедительным доказательством справедливости теории А. М. Бутлерова.

Итак, если в молекуле четыре атома углерода, то они могут образовать только два вида (изомера) молекул — н-бутан и изобутан (н — означает «нормальный», т. е. неразветвленный). Если же количество углеродных атомов увеличить, то возрастет и число их возможных расположений, т. е. число изомеров.

Рассмотрим изомерию углеводорода с шестью углеродными атомами — С6Н14. Сколько же у него изомеров?

Вначале изобразим строение молекулы самого простого соединения — н-гексана. Его формула будет такой.

В этой молекуле атомы углерода связаны друг с другом без разветвления. Теперь «разорвем» связь между первым и вторым углеродными атомами, а отделившуюся метальную группу (СН3) «присоединим» к третьему углеродному атому. В результате получится такая формула.

Это — второй изомер. Он имеет ответвление при втором углеродном атоме. Если это ответвление «перенести» на третий углеродный атом, то получим третий изомер.

А теперь поступим так: в третьем изомере «разорвем» связь между первым и вторым углеродными атомами, а образовавшуюся метильную группу «присоединим» к третьему углеродному атому. Это — четвертый изомер, у которого главная цепь стала еще короче.

В этом изомере со вторым углеродным атомом связаны три метильные группы. Если же метальную группу «присоединим» не ко второму углеродному атому (как мы поступили, образуя четвертый изомер), а к третьему, то получим пятый изомер.

Итак, углеводород состава С6Н14 имеет пять изомеров: один — нормальный (т. е. неразветвленный) и четыре — разветвленные. Других изомеров у этого углеводорода нет.

Отличаются ли эти изомеры по химическим и физическим свойствам? По химическим — практически нет, а по физическим — отличаются. Так, бутан кипит при — 0,5 °С, а изобутан — при — 11,4 °С. Точки кипения изомеров углеводорода С6Н14 равны соответственно: 68, 60,3, 63,3, 49,7 и 58 °С. Интересно, что температуры кипения изомеров разветвленного строения имеют более низкие значения, чем нормального строения. Все это является доказательством того, что строение молекулы определяет свойства вещества. Это является одним из основных положений теории А. М. Бутлерова.

Число изомеров очень быстро растет с увеличением числа углеродных атомов в молекуле. Например, у углеводорода С10Н22 изомеров 75, а у С20Н42 число возможных изомеров достигает 366 319, у С30Н62 их уже 4 111 846 763, а для соединения С40Н82 изомеров более 60 триллионов!

Химики, конечно, не ставят себе целью получить все эти изомеры. Это просто невозможно, да и в этом нет необходимости. Подавляющее большинство изомеров, особенно с большим числом углеродных атомов, имеют лишь теоретический интерес. Поэтому многие из них существуют пока только на бумаге. Однако некоторые изомеры все же получены. Так, вначале были синтезированы все изомеры пентана (С5Н12). Синтез всех изомерных гептанов (С7Н16) был завершен позже — в 1929 г., изомерных октанов (С8Н18) — к 1933 г., а изомерных нонанов (С9Н20) — только к 1946 г. Что же касается высших углеводородов, то для них были получены только по несколько изомеров.

Необходимо сказать о том, что при выводе изомерных формул нельзя принимать искривление формулы за появление нового изомера. Например, формулы

выражают одно и то же вещество — пентан.

Кстати, выводить изомерные формулы на бумаге легко, а вот получать изомерные вещества в лаборатории — совсем другое дело! Это очень трудная работа.

Итак, мы познакомились с самым простым видом изомерии — структурной изомерией, или изомерией углеродной цепи. В этом случае, как мы видим, изомеры отличаются друг от друга только строением цепи, состоящей из углеродных атомов. Однако в органической химии су-шествуют и другие, более сложные виды изомерии. Посмотрите на формулы этих соединений:

Эти формулы выражают строение двух изомерных спиртов. В первом из них (пропанол-1) гидроксильная группа (—ОН) связана с первым углеродным атомом, во втором (пропанол-2) — со вторым. Такой вид изомерии называется изомерией положения. Помните, мы говорили о двух изомерных кислотах — гремучей и циановой? А теперь посмотрите на их структурные формулы.

В гремучей кислоте гидроксильная группа связана с атомом азота, а в циановой кислоте — с атомом углерода. Это тоже изомерия положения. Однако и гремучая кислота, и циановая кислота имеют одну и ту же эмпирическую формулу (CHNO), несмотря на то что они различаются по химическим свойствам.

А вот еще пример изомерии положения. Известно, что у этилового спирта и диметилового эфира одна и та же эмпирическая формула — С2Н6O. Однако структурные формулы этих соединений совершенно разные.

Действительно, в формуле этилового спирта один из шести атомов водорода присоединен к кислородному атому, а в формуле диметилового эфира все шесть водородных атомов связаны с атомами углерода. Да и атом кислорода в одном случае связан с одним углеродным атомом, во втором — находится между двумя углеродными атомами. Поэтому неудивительно, что в различном расположении атомов кроется проявление разных свойств этих соединений. Так, оказалось, что атом кислорода удерживает водородный атом слабее, чем углеродный атом. Поэтому металлический натрий, добавленный к этиловому спирту, легко замещает водород, связанный с атомом кислорода. В то же время натрий, добавленный к диметиловому эфиру, водород не вытесняет. Вот вам еще пример подтверждения теории А. М. Бутлерова: строение молекулы определяет свойства вещества.

Интересный случай изомерии положения у непредельных соединений с двойной связью (алкенов). Например, для соединения С4Н8 (бутен) возможны три изомера.

Первые два изомера (с неразветвленной углеродной цепью) отличаются между собой положением двойной связи в цепи, а третий — характером цепи (разветвлением). Таким образом, для алкенов возможны два типа изомерии: изомерия, связанная с положением двойной связи в цепи, и изомерия углеродной цепи (как у алканов). Однако для алкенов возможен еще один вид изомерии — геометрическая (цис-, транс-) изомерия. Однако этот вид изомерии мы рассмотрим позже, когда подробно рассмотрим строение двойной связи.