化学结构理论。科学发现的历史和本质

化学结构理论。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

十九世纪初，Davy-Berzelius 电化学理论在西方化学家中占统治地位。根据 Jens Berzelius (1779–1848) 的理论，每种化合物分为两部分：一部分带正电，另一部分带负电。因此，Berzelius 将所有元素排成一行，氧是电负性最强的元素，钾是电正性最强的元素。 Berzelius 称电负性最强的元素为类金属，电正性最强的元素为金属。

三十年代，法国化学家J. B. Dumas用他的工作对戴维-贝采利乌斯的理论进行了打击，提出了他所谓的有机化合物类型理论。杜马斯认为，与其说是复杂物体的性质，不如说是其中原子的排列，同一类型，决定了化合物的化学性质。然而，杜马斯的这些观点很快又遇到了一些困难和矛盾。

随后，在基本化学概念的发展问题上向前迈出了一大步，即所谓的单一系统，或法国化学家 Ch. Gerard 和 O. Laurent 的理论。该理论的最本质特征是新学说对化合物的一贯应用。 Laurent 和 Gerard 因区分粒子、原子和等价物的概念而受到赞誉。然而，在西方主要化学家中引起激烈争论的最基本问题是用化学式表示化合物结构的可能性问题。

伟大的化学改革者，有时被称为查尔斯·弗雷德里克·热拉尔 (Charles Frédéric Gérard，1816-1856)，他确信化学现象只有在物质发生变化时才开始，即不再存在。因此，正如杰拉德所说，我们只能知道物质的过去和未来，因此，化学式不能表达原子的排列，而只能表达已知的物质类似物。根据刚刚所说的，根据杰拉德的说法，对于每种物质，人们可以写出与给定物质可以经历各种类型的变换一样多的有理公式。

1858年著名化学家奥古斯特·凯库勒（1829-1896）迈出了极其重要的一步，将碳四原子的概念扩展到含有几个碳原子的化合物，从而得出结论：在聚碳化合物中可以方便地连接碳原子。将来，Kekule 会将这种耦合规则扩展到碳原子与其他多原子元素（例如氧、氮等）结合的情况。

后来，凯库勒接近有机化合物的结构问题，以元素的原子性或化合价为出发点，但没有朝这个方向迈出决定性的一步。因此，在 1858 年的文章结尾，凯库勒写道：“总之，我认为有必要指出，我本人对这种推理只重视次要……”

需要补充的是，凯库勒长期掌握着杰拉德的思想，在他著名的有机化学教科书中，出版于 1859 年至 1861 年，他本着“理性”的精神广泛使用“有理”公式。杰拉德。

尽管感觉到化学发展新时期的临近，但需要巴特勒罗夫的天才才能取得突破。

亚历山大·米哈伊洛维奇·巴特列罗夫 (1828–1886) 出生在他父亲的庄园所在的喀山附近的一个小村庄巴特勒罗夫卡。萨沙不记得他的母亲，她在他出生后十一天就去世了。萨沙由受过教育的父亲抚养长大，他想在任何事情上都像他一样。

起初他在一所寄宿学校学习，然后进入第一喀山体育馆。毕业后，萨沙进入了喀山大学的自然科学系，然而，到目前为止，他只是学生，还是未成年人。仅次年，即 1845 年，当这个年轻人 17 岁时，巴特勒罗夫的名字出现在第一年接受的名单上。

1846年，这个年轻人得了斑疹伤寒，奇迹般地活了下来，但他的父亲染上斑疹伤寒，却去世了。秋天，他们和姑姑一起搬到了喀山。

年轻的巴特列罗夫学习异常热情，但令他惊讶的是，他注意到化学讲座给了他最大的乐趣。他开始定期参加讲座。尼古拉·尼古拉耶维奇·齐宁这是为物理和数学系的学生读的。

为了获得候选人学位，Butlerov 必须在大学毕业时提交论文。此时，齐宁离开喀山前往圣彼得堡，除了从事自然科学之外别无他法。对于候选人的工作，Butlerov 准备了一篇文章“伏尔加-乌拉尔动物群的日间蝴蝶”。然而，当时的情况使得亚历山大仍然不得不回到化学领域。

1850 年秋天，巴特勒罗夫通过了化学硕士学位的考试，立即开始了他的博士论文《论精油》，并于次年年初进行了答辩。

4 年 1854 月 1857 日，巴特勒罗夫收到确认，他被授予化学和物理学博士学位。事件以惊人的速度展开。获得博士学位后，巴特勒罗夫立即被任命为喀山大学化学代理教授。 XNUMX年初，他已成为教授，同年夏天获准出国旅行。

巴特列罗夫在夏末抵达柏林。然后他继续游览德国、瑞士、意大利和法国。他此行的最终目标是巴黎——当时的世界化学科学中心。首先，他被与 Adolf Würz 的一次会面所吸引。 Butlerov 在 Wurtz 实验室工作了两个月，正是在这里，他开始了他的实验研究，在接下来的二十年里，他发现了数十种新物质和反应。 Butlerov 的许多示例性合成 - 乙醇和乙烯、二苯并丁烯、叔醇、乌洛托品、三甲醛、乙烯烃的聚合 - 是许多工业的起源，因此对其产生了最直接的刺激作用。

在研究碳氢化合物时，Butlerov 意识到它们代表了一类非常特殊的化学物质。分析它们的结构和特性，科学家注意到这里有一个严格的模式。它构成了他创立的化学结构理论的基础。

17 年 1858 月 XNUMX 日，巴特勒罗夫在巴黎化学会作了报告，首次概述了他关于物质结构的理论思想。

他的报告引起了普遍的兴趣和热烈的辩论：

Butlerov 在他的报告中说：“原子相互结合的能力是不同的。在这方面特别有趣的是碳，根据 August Kekule 的说法，它是四价的。”没有注意到连接方法反映在属性中的相应化合物。

目前还没有人表达过这样的想法。 “也许时机已经到了，”巴特勒罗夫继续说，“我们的研究应该成为物质化学结构新理论的基础。这个理论将以数学定律的准确性而著称，并使预测性质成为可能有机化合物。”

几年后，在第二次出国旅行期间，巴特勒罗夫提出了他为讨论而创建的理论。他在施派尔举行的第 36 届德国博物学家和医师大会上宣布了这一消息。大会于 1861 年 XNUMX 月举行。

他在化学部分做了一个介绍。这个话题有一个非常谦虚的名字——“关于物体化学结构的一些东西”。

在报告中，巴特勒罗夫表达了他的有机化合物结构理论的主要规定。首先，这是对“化学结构”概念的定义，Butlerov 将其表述如下：

“从作为身体一部分的每个化学原子参与形成后者并在此处以属于它的一定量的化学力（亲和力）的想法出发，我将化学结构称为分布由于这种力的作用，化学原子通过中介或直接相互影响，结合成一个化学粒子。

“Butlerov 的这个定义是如此深刻，”A.E. Arbuzov 院士在他的书中写道，“如此有意义，以至于它基本上与我们目前根据关于化学粒子结构的最新科学观点所定义的化学结构没有什么不同。（分子）。

极其重要的是，特别是在那个时代，巴特勒罗夫在报告中谈到了通过化学方法判断物质分子结构的可能性，尤其是通过有机化合物的合成方法。

在这个问题上，Butlerov 在他的报告中说：“关于物质化学结构的结论很可能最好基于对其合成形成方法的研究 - 并且主要基于在以下温度下进行的合成略有升高，并且 - 通常 - 在可以遵循化学粒子逐渐复杂化过程的条件下。

但是，巴特勒罗夫报告中最重要的地方是用公式表达物质结构的可能性问题。

在这个根本问题上，巴特勒罗夫的科学立场与他所有前辈的观点和信念大相径庭。与 Gerard、Kekula、Kolbe 和其他化学家相比，AM Butlerov 认为用一个分子式表达某种化合物的结构是可能和必要的。Butlerov 是“化学结构理论的真正创造者”。

因此，该理论已宣布其存在的权利。它需要进一步的发展和实验证据。

1863年，巴特列罗夫用二甲基锌作用于乙酰氯，在化学史上首次获得了最简单的叔醇——叔丁醇或三甲基甲醇。此后不久，文献中出现了关于伯丁醇和仲丁醇成功合成的报道。现在没有任何争议的问题 - 有四种不同的丁醇。它们都是异构体。

结构理论的胜利！它的作者是多么高兴。 Butlerov 的有机化合物化学结构理论的胜利是基于该异构现象理论的正确解释。在 1863 年以德文和 1864 年以法文发表的文章“关于解释某些异构现象的各种方法”中，Butlerov 总结道：“如果具有相同成分的物质具有不同的性质，那么它们的化学性质也一定不同结构。” Butlerov 异构理论的最好证明是合成了理论上预测的异构体——异丁烷和异丁烯。

1862-1865 年，Butlerov 表达了可逆异构化理论的主要立场——互变异构，根据 Butlerov 的说法，其机制是一种结构的分子分裂，其残基结合形成另一种结构的分子。成功给这位科学家带来了信心，但同时也给他带来了新的、更艰巨的任务。有必要将结构理论应用于有机化学的所有反应和化合物，最重要的是，编写一本新的有机化学教科书，从新的结构理论的角度考虑所有现象。

Butlerov 为这本教科书工作了将近两年，没有间断。《有机化学完整研究导论》一书于1864-1866年出版了三个版本。

这本教科书的出现对化学家中新学说的传播具有重要意义。这本书引起了化学科学的真正革命。早在 1867 年，就开始翻译和出版它的德文版本。

Butlerov 用俄语和德语出版了一本有机化学手册，其中首次将化学结构理论始终贯穿于所有当时已知的有机化合物类别，以及他出色的合成，促成了广泛的认可和在世界各地的化学家中加强了他的理论。

此后不久，几乎所有主要欧洲语言的版本都出现了。根据德国研究员维克多·迈耶的说法，它已成为“绝大多数有机化学研究的指路明灯”。

在他的研究中，Butlerov 继续发展结构理论。他着手证明所有类型的有机化合物都可以具有支链和直链。这是直接从理论上得出的，但理论命题必须在实践中得到证明。难道不可能获得一种碳氢化合物——例如丁烷——其四个碳原子不是按顺序而是按照它们在三甲基甲醇中的连接方式相互连接的吗？但要找到合适的合成方法，需要进行许多实验。

最后，巴特勒罗夫的努力取得了成功。在一个大烧瓶中是期待已久的异丁烯。已经证实了烃类支链的存在！

顺便说一句，今天巴特勒罗夫从事的碳氢化合物和醇类的生产已经达到了巨大的工业规模，它们的产量达到了数百万吨。

作者：萨明 D.K.

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