Теория химического строения Бутлерова

Со второй половины XIX в. в истории химии начинается период крупнейших теоретических обобщений.

Этому в немалой степени способствовало широкое использование в промышленности органических веществ, характеризуемых многообразием их свойств, при крайне однообразном элементном составе (углерод, водород, кислород, сера, фосфор).

Создание в 1860 г. выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828–1886) теории химического строения вещества ознаменовало возникновение более высокого уровня познания вещества – структурной химии. Период становления структурной химии иногда называют "триумфальным маршем органического синтеза". В этот период зарождалась технология органических веществ. Были получены всевозможные красители для тканей, фармацевтические препараты, искусственные материалы и т.п.

Основными положениями теории химического строения являются следующие утверждения:

• атомы в молекулах соединены в определенном порядке, согласно их валентности;

• физические и химические свойства вещества определяются не только его качественным и количественным составом, но и химическим строением;

• атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы.

До Бутлерова считалось невозможным познать строение молекулы, т.е. порядок химических связей между атомами. Так, совершенно непонятным казалось явление изомерии, открытое в 1823 г. немецкими химиками Ф. Велером (1800–1882) и Ю. Либихом (1803–1873) и заключающееся в существовании химических соединений –изомеров, имеющих один и тот же качественный и количественный состав, одинаковую молекулярную массу, но отличающихся друг от друга строением, а следовательно, и свойствами. Изомерами, например, являются этиловый спирт и диметиловый эфир, структурные формулы которых имеют вид:

Эти два вещества, несмотря на одинаковый качественный и количественный состав C₂ H₆ Oи одинаковую молекулярную массу, имеют совершенно различные свойства: этиловый спирт – жидкость, кипящая при +78,4C , смешивающаяся с водой в любых соотношениях, а диметиловый эфир – газ, почти не растворимый в воде и существенно отличающийся от этилового спирта по химическим свойствам.

Явление было объяснено в 1861 г. Бутлеровым на основе созданной им теории химического строения. Более того, Бутлеров предсказал существование двух изомеров бутана – веществ, имеющих одинаковый состав, но отличающихся порядком соединения атомов в молекулах. В 1867 г. Бутлеров синтезировал предсказанный изомер, это был изобутан, который от нормального бутана отличается строением молекулы, хотя оба имеют одинаковую эмпирическую формулу C₄ H₁₀ :

Синтез изобутана был первым большим успехом теории химического строения.

Теория химического строения Бутлерова, развитая и дополненная представлениями об электронном строении атома, является важнейшей частью теоретического фундамента химии органических соединений.

Согласно современным представлениям структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

Теория Бутлерова способствовала развитию органического синтеза. Так, в 1860-е годы были синтезированы на основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака анилиновые красители: фуксин, анилиновая соль, ализарин. Кроме того, были получены новые вещества: индиго, флавоны, ксантоны; взрывчатые вещества: тринитротолуол, тринитрофенол, уротропин; лекарственные препараты: аспирин, феноцетин, антифебрин, салол, антипирин и т.п.

Относительно недавно открыт новый класс металлоорганических соединений с двухслойной структурой, названной структурой сэндвичевых соединений. К такому классу относится ферроцен. Хотя подобного рода соединения пока не нашли практического применения, они представляют теоретический интерес при анализе природы валентности и химической связи.

Структурная химия охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии можно выделить два перспективных направления:

• синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями (максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации);

• создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Выращивание кристаллов требует специальных условий, при которых необходимо исключить воздействие внешних факторов, даже таких, как поле гравитации, поэтому некоторые эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся в космосе на орбитальных станциях.