Синтез органических веществ

Цель синтетической химии — создание сложных веществ из элементов или простых химических соединений для применения их в практике (в том числе и в промышленности) и для теоретических исследований.

Еще в древние времена предпринимались попытки получать и улучшать природные вещества. В XVIII в. в период меркантилизма для уменьшения зависимости промышленности от импорта сырья создавались промышленные общества и даже назначались государством премии за получение заменителей таких заморских редкостей, как кофе или какао. При этом, конечно, речь шла о создании именно заменителей продуктов питания (суррогатов), а не о синтезе искусственных органических веществ. Последнее вообще считалось невозможным, поскольку в соответствии с положениями теории витализма предполагалось, что органические вещества могут создаваться только в растительных или животных организмах. Сообразно с положениями этой теории в растениях и животных действует «жизненная сила». Только под ее влиянием могут образовываться сложные органические вещества.

Коренные изменения в развитии органической химии произошли, когда благодаря элементному анализу был выяснен состав многих органических веществ и было доказано, что органические вещества подчиняются тем же законам, что и неорганические.

Когда в 1782 г. К. Шееле, изучая «красящее начало» берлинской лазури, синтезировал цианид калия, сплавляя графит, поташ и хлорид аммония, его современники не могли понять, что работа Шееле представляет собой по существу органический синтез. Пятьдесят лет спустя положение заметно изменилось. Тем не менее, когда Ф. Вёлер синтезировал мочевину, многие опять-таки отказывались признать, что осуществлен синтез органического вещества из неорганических. В 1824 г. при действии циана на жидкий аммиак Вёлер синтезировал щавелевую кислоту. В ходе этого синтеза образовывалось также еще какое-то кристаллическое вещество. В 1828 г. он установил, что кристаллическое вещество представляет собой аммонийную соль циановой кислоты, которая может переходить в мочевину.

Вёлер сам был не очень уверен, является ли искусственное образование мочевины из неорганических соединений доказательством возможности синтеза органического вещества из неорганических. С присущей ему осторожностью он полагал, что только дальнейшее исследование подобных явлений может дать подтверждение такого вывода. Осторожность объяснялась многими причинами. Одну из них Вёлер называл в письме к Берцелиусу: «Натурфилософ сказал бы, что как из угля животного происхождения, так и из полученных из него цианистых соединений еще не исчезла их органическая природа и именно поэтому из них можно снова получать органические тела».

Синтез мочевины снова и снова становился объектом спора ученых. Химики и историки химии рассматривали его как опровержение концепций витализма. Например, Р. Виндерлих писал: «Вера в представление о жизненной силе была поколеблена». В 1944 г. Д. Мак-Кай назвал это утверждение легендой, потому что витализм и после получения мочевины продолжал существовать еще долго. Если синтез мочевины и связанные с этим философские вопросы рассматривать не в историческом плане, то можно выдвинуть аргументы против каждой из этих точек зрения. В историческом же плане выясняются два аспекта. Синтез мочевины рассматривался не как опровержение витализма в целом, а, пожалуй, как опровержение только одной из признаваемых витализмом концепций, согласно которой органические вещества могут создаваться только живыми существами посредством жизненной силы. Витализм представлял собой слишком широкое философское мировоззрение, чтобы такой синтез и даже, как впоследствии оказалось, множество таких синтезов могли опровергнуть его в целом. Но в химии витализм (как и вся натурфилософия) потерял свое значение; позже умозрительные заключения натурфилософии были опровергнуты результатами исследований и, как следствие, постижением глубин естествознания. Однако значение синтеза мочевины заключается не в том, что этот синтез опроверг витализм как философское учение, а в том, что он доказал возможность синтеза органических веществ из неорганических.

Во вступлении к своей статье «О природе мочевой кислоты» (1837 г.) Вёлер и Либих писали: «Из этой работы химическая философия сделает не предположительный, а уверенный вывод, что получение всех органических материй больше не должно принадлежать исключительно организму, и в наших лабораториях окажется не только возможным, но и неми­нуемым. Сахар, салицин, морфин будут получаться искусственным способом. Мы, разумеется, не знаем пути, которым будет достигнут этот конечный результат, потому что нам неизвестны предыдущие стадии, из которых эта материя разовьется, но мы их узнаем».

В 1831 г. Т. Пелуз также осуществил органический синтез и из синильной кислоты получил муравьиную кислоту, затем в 1842 г. Л. Мельзену удалось превратить трихлоруксусную кислоту в уксусную. Вскоре Г. Кольбе получил трихлоруксусную кислоту, обрабатывая тетрахлорэтилен хлором в присутствии воды на солнечном свету (тетрахлорэтилен был получен им при пропускании тетрахлорида углерода через раскаленную трубку). Значение осуществленного им синтеза Кольбе оценивал гораздо увереннее, чем за 20 лет до него Вёлер. Он писал: «Таким образом, обнаружен интересный факт: уксусная кислота, которая до сего времени была известна только как продукт окисления органической материи, может быть получена также путем синтеза непосредственно из элементов. Сероуглерод, гексахлорэтан и трихлоруксусная кислота являются веществами, которые в сочетании с водой способствуют превращению углерода в уксусную кислоту».

В 1846 г. Кольбе совместно с Е. Франклендом удалось превратить этил- и метилцианиды в кислоты (пропионовую, уксусную, капроновую). В статье «О естественной связи органических и неорганических соединений…» (1859 г.) Кольбе писал: «Химические органические тела всегда являются производными неорганических соединений и получаются отчасти непосредственно из них в результате удивительно простых процессов замещения».

С середины XIX в. количество органических синтезов стремительно росло. Синтетические способы получения веществ давали возможность выяснить строение органических веществ. «Конституция углеводородов, например, открывается из пути их синтеза из алкилгалогенидов и цинка или натрия, а конституция кетонов — из их образования из хлорангид-ридов и алкильных соединений олова»,— писал Э. Мейер. Он подчеркивал также большое значение синтезов, проведенных путем «конденсации», при которой «несколько одинаковых или различных молекул, отдавая воду, объединяются таким образом, что атомы углерода соединяются друг с другом».

Во второй половине XIX в. удалось синтезировать несколько кислот растительного происхождения: щавелевую кислоту — из угольной, янтарную — из этилена. Кроме того, синтетическим путем было получено большое количество красящих, душистых и лекарственных веществ, и многие из этих синтезов стали использоваться в промышленности.

В качестве примера можно привести синтез салициловой кислоты, которую Г. Кольбе удалось получить в 1860 г. действием углекислого газа на фенол в присутствии щелочного металла. Когда Кольбе усовершенствовал этот метод, заменив фенол его натриевой солью и обрабатывая последнюю углекислым газом при нагревании, он предложил своему бывшему ученику — владельцу фабрики Фридриху Хейдену — провести этот синтез в промышленности. Кольбе отмечал также способность салициловой кислоты предотвращать гниение и брожение и возможность применения ее в этих целях в медицине. Хейден взялся за производство кислоты на своей фабрике вблизи Дрездена. В архиве фирмы имеются отзывы о салициловой кислоте, которые по просьбе Хейдена дали несколько известных специалистов. В отзывах подтверждены полезные свойства кислоты и высказаны соображения о целесообразности ее производства.

За три года до синтеза салициловой кислоты английский химик У. Перкин получил первый искусственный анилиновый краситель — мовеин. В это же время во Франции М. Бертло занимался систематическими поисками возможности проведения других органических синтезов. Из неорганических компонентов он получил, например, муравьиную кислоту, ацетилен, бензол. В 1860 г. Бертло опубликовал двухтомник «Органическая химия, основанная на синтезе», а четырьмя годами позже он дополнил ее «Лекциями по общим методам органического синтеза».

Установление формулы бензола, создание стереохимии, успехи в области физической химии, появление хорошо оборудованных новых институтов, подготовка большого количества высококвалифицированных химиков, использование в промышленности химических процессов — все это привело в конце XIX — начале XX вв. к особенно бурному развитию органического синтеза. Назовем некоторые из главных достижений в этой области. А. Вюрц при действии щелочных металлов на алкилгалогениды осуществил синтез алифатических углеводородов; в 1862 г. Р. Фиттиг, применив принцип Вюрца для синтеза соединений ароматического ряда, получил гомологи бензола — алкилбензолы (синтез Вюрца-Фиттига).

В 1868 г. К. Либерман и К. Гребе и одновременно с ними У. Перкин получили синтетическим способом природный краситель ализарин. В 1871 г. первый синтетический ализарин поступил в продажу. В 1868 г. Перкин синтезировал кумарин — душистое вещество, получаемое ранее из ясменника. В 1874 г. Фердинанд Тиман и др. синтезировали ванилин. В 1877 г. Ш. Фридель и Дж. Крафтс открыли способ получения из бензола его алифатических замещенных (синтез Фриделя-Крафтса). Благодаря тому, что Константин Фальберг и Аира Ремсен в 1879 г. синтезировали имид о-сульфобензойной кислоты (сахарин), было найдено вещество, которое в 500 раз превосходило по сладости сахар. Синтез сахарина, как и многие другие синтезы, стал использоваться в промышленности: в Германии (в Магдебурге) был создан завод «Фальберг, Лист и К⁰» по производству сахарина.

За период с 1866 по 1883 г. А. Байер сумел установить строение индиго и провести его синтез, что дало огромный стимул для технического совершенствования промышленности органического синтеза. Синтез антипирина — жаропонижаю­щего средства, осуществленный Л. Кнорром в 1883 г., привел также к синтезу большого числа лекарственных веществ — аспирина, антифебрина, сульфонала и трионала.

В 1884 г. Карл Шоттен и Эуген Бауман действием хлорангидридов на спирты и амины в присутствии щелочей осуществили синтез эфиров и амидов кислот (реакция ацилирования Шотте-на — Баумана). В том же году Трауготу Зандмейеру удалось провести (названные затем его именем) реакции, в результате которых из ароматических диазосоединении в присутствии соответствующих солей меди (І) были получены арилхлориды, бромиды и цианиды.

Попытки синтезировать сахар предпринимали А. М. Бутлеров, С. Лоёв и Г. Килиани. В 1884 г. Э. Фишеру удалось синтезировать фруктовый и виноградный сахар. В 1897 г. П. Сабатье и Ж. Сандеран открыли важный метод синтеза насыщенных жирных кислот путем гидрирования ненасыщенных кислот в присутствии катализатора (например, никеля). На основе этого метода в 1920 г. В. Норман предложил промышленный способ получения твердых жиров (в том числе, например, маргарина).

К органическим синтезам начала XX в. относятся синтезы тропина, тропинона и кокаина (Рихард Вилыптеттер, 1901 г.), камфорной кислоты (Густав Комппа, 1903 г.), никотина (Аме Пикте, 1904 г.), наркотина (Уильям X. Перкин мл., 1911 г.), эфедрина (Эрнст Шпет, 1920 г.). В 1916 г. Эмиль Абдерхальден осуществил синтез оптически активного полипептида.

Были проведены очень важные для фармацевтической промышленности многочисленные органические синтезы; среди них — получение диэтилбарбитуровой (Эмиль Фишер и Иозеф Меринг, 1903 г.) и этилфенилбарбитуровой (Генрих Гер-лейн, 1911 г.) кислот, которые применялись как снотворные лекарства под названием веронал и люминал.

Выяснение строения веществ, используемых в медицине, и способов их синтеза привело к сотрудничеству медиков, фармацевтов и химиков. Химиотерапия, созданная как самостоятельная дисциплина в 1906 г. Паулем Эрлихом, сыграла большую роль в борьбе с возбудителями болезней (микробами, а позднее с вирусами, грибками, простейшими микроорганизмами). Благодаря синтезу различных препаратов типа «этоксил» и «сальварсан» появилась возможность успешно бороться с такими заболеваниями, как сонная болезнь и сифилис.

Препарат «Вауег 205, Сегташп», полученный в 1916 г. Рихардом Котэ, Оскаром Дресселем и Бернхардом Хейманом, проявил себя как действенное средство против сонной болезни и чумы крупного рогатого скота. (Этот препарат был произ­веден фирмой «Байер и К°» в Эльберфельде — Леверкузене, и состав его, очень сложный, хранился в тайне. Однако вскоре тайна была раскрыта французскими химиками.) В 1920-е годы были синтезированы лекарственные препараты против малярии и пневмококка, в 1930-е годы открыто действие сульфон-амида.