Курсовая работа: Шарль Вюрц - создатель основ химии

Унитарная система — значительный шаг вперед в развитии химии. Она вошла в состав теории типов, которая вскрыла глубокое сходство превращений органических соединений с некоторыми реакциями сравнительно простых неорганических веществ. Теория типов обратила внимание на изменяющиеся части молекул (в противоположность теории сложных радикалов, в которой основное значение придавалось частям молекул, неспособным к обмену). Эта же теория показала, что органические вещества можно рассматривать как производные нескольких минеральных веществ, в которых водород замещен "остатками". В течение немногих лет были предложены типы водорода, хлористого водорода, воды, аммиака и метана, в рамки которых довольно удовлетворительно укладывалось большинство известных органических веществ.

Гомологические ряды и аналогии, вытекающие из них,позволяли химикам разбираться в обширном эмпирическом материале. Так, была стихийно подмечена одна из диалектических особенностей зависимости свойств вещества от его состава — переход количественных изменений в качественные в рядах органических соединений. Вот почему основоположники марксизма так высоко оценили вклад в химию творцов теории типов и унитарной системы органических соединений. Ф. Энгельс говорил, что диалектический закон (перехода количества в качество "празднует свои величайшие триумфы в области химии. Химию можно назвать наукой о качественных изменениях тел, происходящих под влиянием изменения количественного состава". Для (разъяснения диалектического характера законов природы он широко использовал в "Диалектике природы" и "Алти-Дюринге" материал органической химии. О переходе количества в качество в гомологических рядах и о заслугах основателей унитарной системы и теории типов говорит К. Маркс в "Капитале": "Молекулярная теория, (нашедшая себе применение в современной химии и впервые научно разработанная Лоршом и Жераром, основывается именно на этом законе".

Унитарная система и теория типов, господствовавшиев химии примерно два десятилетия до возникновения теории химического строения, существенно закрепили свои позиции благодаря превосходным исследованиям и научно-пропагандистской деятельности Вюрца. Имея в виду теорию типов, Бутлеров писал: "...главным представителем новых идей явился Вюрц" [10], но справедливо дополнил это утверждение словами: "...со смертью Жерара его убеждения стали проповедоваться не одним Вюрцем, но и другими химиками" [10].

В 1849 г. Вюрц, действуя едкой "калийной щелочью на метиловый и этиловый эфиры изоциановой и изоциануровойкислот, получил "сложные аммиаки" с метильным и этильным "спиртовыми радикалами", т. е. простейшие первичные амины. В связи с этим открытием Вюрц писал: "Мне удалось получить из аммиака настоящие органические соединения путем присоединения к аммиаку элементов углеводородов СН₂ и С₂ Н₄ , не лишая его при этом характера сильного основания и даже не ослабляя значительно его типичных свойств, например запаха. Если присоединить к элементам аммиака NН₃ элементы одного эквивалента метилена СН₂ , то получается соединение СН₅ N, которое может быть назвало метиламмонием. Соединяя аммиак с элементами этилена С₂ Н₄ , получают соединение С₂ Н₇ N, представляющее собой этиламмоний" [11]. По-видимому, вы уже поняли, что (речь идет здесь о метиламине СН₃ -NН₂ и этиламине С₂ Н5-NН₂ . Вюрц считал, что полученные им соединении можно рассматривать двояким образом: или как простые эфиры, в которых эквивалент кислорода замещен эквивалентом амидогена NН₂ (аминогруппы), или как аммиак, в (котором эквивалент водорода замощен радикалом — метилом СН₃ или этилом С₂ Н₅ .

Уже в таком двойственном объяснении строения аминов ярко проявилась склонность Вюрца перекинуть мост между теорией сложных радикалов и теорией типов. Впрочем, необходимо (подчеркнуть, что наиболее рациональные идеи теории сложных радикалов и теории типов, в дальнейшем влились в теорию химического строения.

Вскоре Гофман (1850), подтверждая вюрцевокое объяснение строения сложных аммиаков с позиции теории типов, доказал, что и два других атома в NН₃ способны замещаться радикалами СН₃ , С₂ Н₅ , С₃ Н₇ и т. д. с сохранением типа и функций вещества. Таким образом были получены вторичные и третичные амины (названные так Жераром), узаконившие тип аммиака и укрепившие позиции теории типов.

Фридель и некоторые другие биографы Вюрца утверждают, что Вюрц сам обнаружил бы вторичные и третичные амины, если бы открытие Гофмана не последовало тотчас же за получением Вюрцем первичных аминов. Трудно возражать против такого немотивированного утверждении.

По мнению Гофмана, редкие работы находили в химическом мире такой отклик, какой вызывали открытие и исследование Вюрцем аммиачных органических оснований. Их важность подчеркивал и Дюма, когда в отчете Парижской академии о труде Вюрца писал: "Эту статью следует рассматривать как образцовую работу, отличающуюся в одинаковой мере достоверностью высказанных взглядов, строгой логичностью выводов и изобилием сообщенных фактов[12]. Отчет Дюма заканчивался утверждением, что химия давно уже не обогащалась рядом столь важных открытии.

Работа с циановыми соединениями привела Вюрца к еще одной группе интересных в теоретическом отношении веществ, к "сложным мочевинам". Он получал их, действуя аммиаком на циановые эфиры. Еще более сложные вещества возникали при взаимодействии аминов и циановых эфиров. Образовавшиеся соединения Вюрц рассматривал как производные типа (мочевины, полученные заменой в ней атома водорода на спиртовые радикалы. Действуя дальше кислотами на циановые эфиры, Вюрц получил замещенные амиды, в которых находились кислотные и спиртовые радикалы.

К какому же типу относились полученные соединения? Жерар относил все амиды, как и амины, к типу аммиака. И, пожалуй, это делалось с меньшей натяжкой, чем у Вюрца, относившего амиды, как и кислоты, к типу воды.

Вюрц считал, что амиды можно рассматривать как кислоты, в которых кислород заменен остатком NН, а в более сложных случаях остатком, содержащим радикал вместо водорода. В опоре по этому вопросу между Вюрцем и Жераром уже рельефно начали вырисовываться недостатки теории типов.

Отметим, что уже при своем появлении теория типов в интерпретации Жерара была недостаточной для отражения превращений всех известных в то время веществ. Работы Вюрца, Бертло, Гофмана и других над соединениями многоатомных радикалов из года в год все с большей убедительностью доказывали (несостоятельность простых типов отразить многочисленные направления, по которым многоатомные производные вступают в реакции двойного обмена. Пришлось вводить сложные и смешанные типы, которые и подготовили почву вначале для все возрастающей неопределенности теории типов, а затем и для ее окончательного краха.

В 1855 г. Вюрц предложил остроумный и изящный метод получения "смешанных спиртовых радикалов". Спиртовые радикалы — метил, этил, бутил и другие впервые были выделены в свободном состоянии (как тогда считали) Э. Франкландом и Г. Кольбе. Но некоторые химики уже в то время сомневались в возможности свободного существования этих радикалов и предполагали их удвоение. Большой вклад в разрешение этого принципиального вопроса внес Вюрц. Он рассуждал так: если выделенные спиртовые радикалы удваиваются (например, "свободный этил" имеет состав (С₂ Н₅ )₂ и образован из тесно связанных половинок радикала этилового спирта), то, очевидно, возможно получение смешанных радикалов, образованных из двух неодинаковых половинок. Вюрцу удалось получить несколько таких "смешанных радикалов" (парафиновых углеводородов) действием металлического натрия на смесь двух иодистоводородных эфиров (йодистых алкилов). Затем он синтезировал этилбутил С₂ Н₅ -С₄ Н₉ (гексан), этиламил С₂ Н₅ -С₅ Н₁₁ (гептан), бутиламил С₄ Н₉ -С₅ Н₁₁ (нонан) и другие. При этом в последних соединениях связь между спиртовыми (радикалами оказалась настолько прочной, что разделить их уже не удавалось.

Таким образом, исходя из односторонних теорий типов и радикалов, Вюрц открыл новый, очень важный путь синтеза парафиновых углеводородов заданного молекулярного состава. В истории науки имеется немало случаев, когда неправильная теоретическая концепция содействовала большим научным открытиям. Отметим, что "смешанные радикалы" Вюрц получил и другим способом — электролизом смеси калийных солей органических кислот (этот метод был предложен Кольбе).

В статье о смешанных радикалах Вюрц справедливо замечает, что открытые им факты являются подтверждением идей Ампера и Дюма об удвоенном составе частиц свободного водорода и "этила" (бутана) и изображать их надо как Н₂ и (С₂ Н₅ )₂ . Полная ясность во все эти вопросы была внесена после 1860 г.- по окончании I Международного химического конгресса в Карлсруэ, и в еще большей степени когда была создана теория химического строения и вышли многочисленные труды К. Шорлеммера

В 1856 г. Вюрц внес еще один крупный вклад в теорию и методику органической химии. Он осуществил предвиденный им же синтез двухатомного спирта гликоля.

Одноатомный спирт (алкоголь) известен издревле. Глицерин был открыт Шееле еще в 1783 г. Представление о многоатомных спиртах ввел в химию Бертло, считавший глицерин трехатомным. Однако он стоял на ошибочных теоретических позициях и к тому же пользовался эквивалентными обозначениями и сравнивал эфиры глицерина с солями угольной, пирофосфорной и метафосфорной кислот. Больше того, Бертло считал воду входящей в частицу глицерина и изображал состав последнего формулой С₆ Н₅ О₃ • ЗНО = С_б Н₈ О₆ , где О = 8. Это первое представление Бертло было исправлено Вюрцем[13]. Впрочем, нельзя не отметить, что неточные теоретические предпосылки не помешали Бертло в 1854 г. осуществить путем взаимодействия глицерина с органическими кислотами знаменитый синтез триглицеридов, т. е. жиров. Анализируя открытия Бертло и исследования Уильямсом нитроглицерина, Вюрц пришел к заключению, что нитроглицерин, триацетин, тристеарин и другие триглицериды обладают сходным строением, поскольку они представляют собой глицерин, в котором три атома водорода водных остатков замещены тремя кислотными радикалами.

В рамках теории типов Вюрц относит глицерин к тройному типу воды. Он сопоставляет воду, алкоголь и глицерин следующим образом:

Из этих формул становится ясным, почему обычный спирт, соединяясь с кислотами (одноосновными) может давать только один эфир, в то время, как глицерин образует три эфира. Кроме того, Вюрц обратил внимание на то, что радикал С₃ Н₇ в пропиловом спирте имеет одну емкость химического насыщения; при потере же еще двух атомов водорода он превращается в радикал глицерина С₃ Н₅ с тремя емкостями насыщения. Вюрц делает отсюда прямой вывод: раз имеется два класса спиртов, то совершенно естественно допустить существование спиртов промежуточного класса. Правда, и до Вюрца в трудах некоторых химиков (например, Буффа, Зонненшейна) проглядывала мысль о возможности существования двухатомных спиртов, но эта идея никем не была обоснована так последовательно, как Вюрцем. Он же затем экспериментально подтвердил эту идею. В 1856 г. Вюрц синтезировал простейший двухатомный спирт и назвал его гликолем. Этим названием он хотел подчеркнуть связь нового вещества с глицерином и алкоголем (подробности этого синтеза и использования его в промышленности рассмотрены в следующей главе).

Исследование гликоля показало, что по своим химическим свойствам он очень похож на обычный спирт и отличается от последнего главным образом тем, что в нем могут замещаться другими радикалами уже не один, а два атома водорода. Вслед за этилен гликолем Вюрц сразу же получил двухатомные спирты с тремя, четырьмя и пятью атомами углерода в частице. Это были пропилен-гликоль, бутиленгликоль и амиленгликоль.

Научный мир с большим удовлетворением воспринял открытие Вюрцем гликолей. Сам автор старался как можно правильнее истолковывать свои достижения, тем самым способствуя укреплению теории типов и теории сложных радикалов. И все же эти новые факты наиболее простое и логическое объяснение получили через несколько лет в предельно стройной теории химического строения, к "крепителям" которой можно отнести и Вюрца. В работах по получению и исследованию многоатомных спиртов Вюрц вплотную подошел к идее четырехатомности углерода. Но первыми ее сформулировали в 1857 г. независимо друг от друга два немецких химика — Г. Кольбе от А. Кекуле.

Свои симпатии к теории типов Вюрц продолжал сохранять и тогда, когда теория химического строения не только была высказана Бутлеровым (1861), но и подкреплена многочисленными новыми исследованиями. В то время Вюрц, например, писал: "теория типов хорошо объясняет множество реакции. которые она рассматривает как двойные разложении, и очень удобна для изложения и классификации" [14]. Даже еще в 1864 г. он с похвалой отзывался о том, что Кекуле придерживается типических формул. По мнению Вюрца, они были значительно удобнее эмпирических брутто-формул (валовые формулы), которыми широко пользовались вначале сторонники унитарной системы. Приверженцы теории типов, в том числе и Вюрц, часто рассматривали эту теорию как неотъемлемую часть унитарной системы. Несостоятельность такого смешения убедительно показа?