Изомерия

Во второй трети XIX в. быстрыми темпами стала развиваться новая область химии — органическая химия, которая вскоре превратилась в самостоятельный раздел химии; ее развитие имело большое значение для совершенствования теоретических представлений в химии в целом.

Со времен Аристотеля было принято разделение природных веществ на три «царства природы»— минералов, растений и животных. Даже в 1675 г. французский химик Николя Лемери в «Курсе химии», выдержавшем затем в течение 80 лет многочисленные переиздания, использовал эту классификацию. Однако в XVIII в. в химической литературе начали различать органическую и неорганическую химию. Так, например, это новое понятие об органической химии встречается в работе Т. Бергмана «Химические и физические сочинения» (1780 г.), но широкое признание оно получило в начале XIX в., когда стало известно, что в телах растительного и животного происхождения встречаются одни и те же химические вещества.

Долгое время понятие «органическая химия» отождествляли главным образом с понятием «химия веществ растительного и животного происхождения». Оно противопоставлялось представлению о неорганической химии. На протяжении тысячетилетий в ремеслах и фармации, а позднее в прикладной химии использовались различные органические вещества, растительные экстракты и продукты животного происхождения, такие, как жиры, красители и т. д.

С созданием качественного анализа (XVI-XVIII вв.) химики стали все в большем количестве анализировать органические вещества. Особенного успеха достигли в этом Р. Глаубер и К. Шееле.

Глаубер изучил различные соли уксусной кислоты и такие неизвестные до того вещества, как ацетон и акролеин.

При перегонке каменного угля он выделил фракции, содержащие бензол и фенол, которые описал как «прозрачные и светлые масла». При обработке некоторых растений азотной и серной кислотами, а также поташом (К₂СО₃) ученый получил алкалоиды.

Шееле считал, что главная цель и задача химии заключается в том, чтобы разлагать вещества на составные части, изучать их свойства и различными способами соединять вещества вместе. Шееле открыл многие органические кислоты: винную (1769 г.), мочевую (1776 г.), молочную (1780 г), лимонную (1784 г.), галловую (1786 г); из оливкового масла он выделил глицерин (1783 г.). При действии на глицерин азотной кислотой Шееле получил щавелевую кислоту, которую ранее он же обнаружил при окислении сахара азотной кислотой. Полученная Шееле щавелевая кислота оказалась тождественной «кисличной» кислоте, выделенной несколькими годами ранее Виглебом. Из красителя «берлинская лазурь» Шееле получил синильную кислоту. «Полное собрание сочинений по физике и химии» Шееле было опубликовано на немецком языке в Берлине в 1793 г. Примерно в то же время Лавуазье установил, что основными составными частями органических соединений являются углерод, водород и кислород. Эти качественные определения он дополнил количественными, заложив тем самым основы элементного анализа. Используемые им приемы были очень просты, но результаты оказывались достаточно хорошими. Это дало Лавуазье возможность сделать первые теоретические обобщения. Он обратил внимание на то, что в органических веществах группы атомов ведут себя как элементы, т. е. при химических превращениях не разлагаются на состав­ные части. Такие группы Лавуазье назвал радикалами. Лавуазье, например, представлял себе органические кислоты как оксиды сложных радикалов.

В период между 1790 и 1810 гг. не появилось ни одной теории, продолжающей эту идею Лавуазье, хотя число экспериментальных данных по определению количественного состава органических веществ заметно возросло (работы Т. Е. Ловица, А. Фуркруа, Г. Розе, У. Праута, Г. Кирхгофа, Ф. Сертюрнера, Д. Дальтона, Т. де Соссюра, Ж. Пруста и особенно Ж. Гей-Люссака, Л. Тенара и М. Шеврёля).

В 1811-1813 гг. М. Шеврёль проанализировал и установил состав жирных кислот, в частности масляной, капроновой и стеариновой. Эти кислоты состояли из большого числа атомов углерода, кислорода и водорода. Эти удивительные соединения поражали химиков: как они могли вообще существовать, имея в своем составе большое количество одинаковых атомов углерода и водорода, которые не обладали каким-либо сродством друг к другу? Почему они имели кислотные свойства, если кислорода, который в соответствии с кислородной теорией определял кислотные свойства соединений, содержалось в них совсем немного? И как можно согласовать такой состав с теорией электрохимического дуализма? Прошло несколько десятилетий, прежде чем удалось ответить на эти и подобные вопросы. Опираясь на представления Лавуазье о составе органических веществ, Берцелиус в своей статье «Опыт теории химических пропорций и химического действия электричества» (1818 г.) попытался несколько сгладить различие между органическими и неорганическими веществами. Как и неорганические, органические вещества состояли из двух частей, однако функции элемента в них выполняли радикалы — группы атомов.

Работы Гей-Люссака, посвященные изучению циана, подтвердили эти представления, потому что циан вел себя точно так же, как радикал: он играл роль единого элемента.

Но вот обнаружилось еще одно неожиданное явление. До 1820-х годов основная заповедь химиков гласила (и опыт не противоречил этому): вещества с одинаковым качественным и количественным составом обладают одинаковыми свойствами. Такое представление настолько укоренилось, что когда два молодых химика получили одинаковые результаты анализов для двух различных веществ, то в их адрес посыпались обвинения в недобросовестной работе. Ф. Вёлер проанализировал (1822 г.) циановокислое серебро (цианат серебра), а годом позднее Ю. Либих установил точно такой же состав серебряной соли гремучей кислоты (фульмината серебра). Тем не менее, дополнительная проверка подтвердила правильность этих аналитических данных.

В последующие годы был получен еще ряд аналогичных результатов. Так, Фарадей, изучая состав масляного газа, обнаружил в нем углеводород С₄Н₈, имеющий тот же процентный состав, что и этилен. А в 1828 г. Вёлер установил, что мочевина по своему составу идентична циановокислому аммонию (цианату аммония). Берцелиус в 1830 г. показал, что виноградная и виннокаменная кислоты имеют один и тот же состав, но разные свойства.

Гей-Люссак первым среди химиков признал все эти результаты правильными и высказал предположение, что если различные вещества имеют один и тот же элементный состав, то взаимное расположение атомов у них должно быть различным. Этому явлению Берцелиус в 1830 г. дал название изомерия, считая, что изомерные вещества имеют различное положение атомов, так как атомы в них группируются в радикалы различными способами. Немного позднее Берцелиус ввел для изомерных соединений также понятия «полимерия» и «метамерия» в зависимости от того, имеют ли вещества одинаковые или различные атомные веса.

Спор между Вёлером и Либихом по поводу правильности результатов анализа серебряных солей гремучей и циановой кислот был улажен; позднее между этими учеными возникли личные дружеские отношения, сыгравшие большую роль в развитии химии. Характеры обоих ученых отлично дополняли друг друга. Они осуществили несколько совместных работ, а их переписка представляет сейчас ценное литературное наследие.