Методическая разработка по химии "Возникновение и развитие органической химии"

Лекция № 44

Возникновение и развитие органической химии

План

1. Возникновение органической химии.
2. Причины выделения органической химии в самостоятельную науку.
3. Теоретические представления в органической химии до появления структурной теории строения (доструктурные теории).
4. Теория химического строения органических соединений А.М.Бутлерова.

1. Возникновение органической химии

Органическая химия, как наука, возникла в первой четверти XIX века.

До этого времени, конечно, были известны многие вещества: уксусная кислота, спирт, сахар, эфиры, некоторые растительные кислоты. Еще в древности делили природу на 3 царства – минералы, растения и животные. Вещества, выделенные из различных органов растений и животных, издавна называли органическими.

Еще Лавуазье обратил внимание на особенности элементарного состава органических веществ. Они содержат C, H, O, а вещества животного происхождения еще и N и P. Однако в «Элементарном курсе химии» он не выделил органические вещества в особый раздел, но его современники (Шайталь, Фуркруа, Берцелиус) предлагали изучать отдельно вещества растительного и животного происхождения.

В XIX веке на развитие органической химии большое влияние оказали потребности медицины, производства взрывчатых веществ, красителей, нефтяной промышленности.

К началу XIX века была широко распространена в научном мире теория «витализма», т.е. системы представлений, согласно которой живое отличается от неживого присутствием особой «жизненной силы». Что это такое - никто объяснить не мог.

Витализм препятствовал развитию науки. Если без жизненной силы нельзя получить органические вещества, то нет смысла заниматься это проблемой. Сокрушительный удар по витализму был нанесен во второй четверти XIX века, когда некоторые химики синтезировали органические вещества из неорганических без влияния какой - либо жизненной силы.

В 1824г немецкий врач и химик Вёлер синтезировал щавелевую кислоту, а в 1828 году – мочевину из изоциановокислого аммония. В 1854 году французский химик Бертло синтезировал жир из глицерина и жирных органических кислот, а А.М.Бутлеров в 1861году - сахаристое вещество из формальдегида. Одновременно с работой по синтезу органических веществ велись работы по анализу органических соединений. Либих установил, что во всех органических веществах содержится углерод. В связи с этим в 1848 году Гмелин дает определение органической химии, как «химии соединений углерода».

2. Причины выделения органической химии в самостоятельную науку

Почему же изучение соединений лишь одного элемента составляет содержание целой науки? Причин несколько:

1. Многочисленность органических веществ. В наше время неорганических веществ известно около 150 тыс., а органических – 18-20 млн.
2. Большое практическое значение соединений углерода:
• продукты питания,
• предметы обихода,
• органические вещества – основа проявления жизни.
3. Своеобразие органических соединений отличает их от неорганических;
• почти все органические вещества, в отличие от неорганических горят;
• при незначительных внешних воздействиях, например при нагревании, органические вещества изменяются или разлагаются;
• в молекулах органических веществ постоянно содержится несколько однородных атомов (атомы углерода), когда как в неорганических 2-3 однородных атома (иногда больше);
• большинство органических соединений неэлектролиты;
• реакции органических веществ протекают медленно, не доходят до конца, идут по нескольким направлениям;
• для органических веществ характерно явление изомерии и гомологии.

Приведенные особенности, вместе взятые, характеризуют специфику органических соединений.

В первой половине XIX века было открыто большое количество органических веществ. По этому поводу Вёлер писал своему учителю Берцелиусу: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она предстает мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть».

Все это многообразие веществ надо было систематизировать, классифицировать. Для классификации нужна была теория, которая в начале XIX века отсутствовала.

3. Теоретические представления в органической химии до появления структурной теории строения (доструктурные теории)

Первые теоретические представления в органической химии берут свое начало от Лавуазье. Согласно его учению, органические вещества можно рассматривать как состоящие из двух частей: кислорода и радикала.

Еще в XVIII веке ученые заметили, что существует сочетание атомов, как бы переходящих в неизменном виде из одного вещества в другое (например, группа – CN^-,анион [Fе(CN)₆]^-3- – и др).

В 30-х годах XIX века Либих и Вёлер установили, что из масла горького миндаля можно получить ряд веществ, в составе которых находиться бензоил (C₇H₆О – бензальдегид, хлористый бензоил и др.).

В первой половине XIX века господствовала теория радикалов, основоположником которой считали Берцелиуса. Ее называли еще дуалистической, т.к. она рассматривала органические вещества как комбинации двух частей: радикала и простого неорганического остатка, который Берцелиус считал электроотрицательной частью, проводя, таким образом, аналогию с неорганическими веществами.

Органическую химию он определял, как “химию сложных радикалов”, считая их подлинными элементами органической химии.

Он правильно предполагал, что силы, связывающие атомы в веществе, носят электрический характер, но модель этого взаимодействия была неверной: он считал, что атомы имеют два полюса. Частицы из 2-х атомов, в свою очередь, тоже обладают двумя полюсами и могут идти дальнейшие усложнения. Самый электроотрицательный элемент – O, поэтому он не может входить в радикалы.

Теория радикалов помогла правильно подметить существование устойчивых группировок атомов – радикалов. Неверно то, что радикалы абсолютно неизменны. Не укладывались в схему Берцелиуса реакции замещения, в которых Cl^- замещался на H⁺, входящего в состав радикала.

В 1832 году Либих и Вёлер показали, что бензоил соединяется как с положительными, так и с отрицательными частицами.

В конце 40-х годов XIX в. представления Берцелиуса были опровергнуты.

Еще в 20-е годы было открыто несколько соединений одинакового состава, но различных по свойствам. Берцелиус назвал это явление изомерией, которое опровергло положение Лавуазье, что свойства определяются элементарным составом соединений. Французские химики выдвинули предположение, что свойства молекул определяются их пространственным строением: появилась теория механических типов Дюма и Лорана.

В основе ее была ошибочная модель (аналогия с кирпичным зданием). Однако веществ открывалось все больше, и их надо было классифицировать.

Принцип классификации с использованием как идеи типов, так и идеи радикалов был предложен в 50-х годах Д.Жераром. Он рассматривал органические вещества как производные простых неорганических соединений .Выделялись типы водорода, хлороводорода, воды, аммиака. Путем замещения в них водорода на радикалы можно было составить формулы различных классов органических веществ:

H H H Н

Н Cl О Н N

Н Н

CH₃ CH₃ СН3

H Cl O

Н

Однако теорию типов Жерара трудно было применить для объяснения реакций присоединения и отщепления, для изображения состава веществ с несколькими функциональными группами: например этаноламин выводили из двух типов:

Н

О

Н Н О

С₂Н₄

Н H

Н N N

Н Н

Возникла теория многоатомных радикалов и веществ, относящихся к различным типам.

Важным этапом в развитии химии явилось введение понятия «валентность». Эта заслуга принадлежит Франкланду (1852 год). Свои выводы о валентности он сделал при изучении металлоорганических соединений (цинкдиметила, триэтилсурьмы).

Развивая учение о валентности, Кекуле в 1858 г. четко разработал представление о 4-х валентности углерода.

В том же году Купер обратил внимание на то, что атомы углерода в органических веществах могут затрачивать свою валентность не только на связь с другими элементами, но и друг с другом. Он указал на способности углерода образовывать цепи, а также первый стал использовать «-», для обозначения валентности. Его формулы уже напоминают чем-то современные:

С Н₃ СН₃ СН₃

| Н₂ | | О

С СН₂ С

ОН | Н₂ ОН

С уксусная кислота

этанол ОН

пропанол

Однако, по вопросу о значении формул они оставались на позициях теории типов.

Перечисленные теории не следовали друг за другом, а существовали одновременно, причем наряду с основными теориями было немало еще и разновидностей этих теорий.

4. Теория химического строения органических соединений а.М.Бутлерова

Бутлеров сначала вел преподавание, как ему и рекомендовал когда - то Зинин, на основе теории типов Жерара. Затем перешел к углеродистым типам, которые по своей идее близки к механическим типам Дюма, наконец, в 1860 г. - 1861 г. учебном году стал читать курс на основе теории химического строения. Переходу от старых теорий к теории химического строения способствовало то, что в 1860 г состоялся конгресс химиков в Карлсруэ, на котором были сформулированы понятия атома и молекулы и было рекомендовано применять в дальнейшем атомные формулы, а не формулы со знаками, отвечающими эквивалентам.

19 сентября 1861 г. на съезде немецких врачей и естествоиспытателей, состоявшемся в г. Шпейере А.М.Бутлеров прочитал доклад « О химическом строение веществ»

Суть доклада можно изложить так: Бутлеров предлагает отказаться от теории типов во всех ее разновидностях; говорит о том, что надо подразумевать под химическим строением; высказывает основное положение теории химического строения, отличающее ее от всех предшествующих взглядов; намечает способы определения строения; высказывается о форме и содержании формул химического строения.

Основные положения и понятия теории химического строения образуют стройную логическую систему, вне которой немыслима работа современного химика-органика.

В эту систему входят следующие положения:

атомы в молекулах соединены друг с другом попарно химическими связями в соответствии с их валентностью;

молекулы обладают определенным порядком (или последовательностью) в распределении связей между атомами, т. е. определенным химическим строением;

свойства химических соединений зависят от химического строения их молекул; из этого положения следует- ряд выводов:

а) изучая свойства веществ, можно составить представление об их химическом строении, а зная химическое строение даже еще не полученных веществ, можно предсказать, какими свойствами они будут обладать;

б) причиной изомерии является различие в химическом строении веществ, имеющих одинаковый состав;

в) формулы химического строения дают представление и о свойствах соединений;

атомы в молекулах влияют друг на друга, это влияние не одинаково сказывается на свойствах атомов одних и тех же элементов, если химическое строение молекул различно.