Структурная теория и формула бензола Кекуле

Представления о "соединительной силе", или валентности, атомов, объяснение понятий "атом", "молекула", "атомный вес" и "эквивалентный вес", а также идея о возможности образования связей между атомами углерода - вот те основные предпосылки, которые имелись к началу 1860-х годов для объяснения структуры одного из важнейших углеводородов - бензола.

Решению этой проблемы способствовали и другие исследования. Например, Э. Эрленмейер своими работами о связи атомов в молекулах содействовал развитию теории валентности. Начало этому было положено выходом в свет его Учебника органической химии (1864г.), основу которого составило учение о валентности и о связи атомов. Эрленмейер установил также структурную формулу глицерина.

Важный вклад в развитие структурной химии внесли работы А. М. Бутлерова^* и Карла Шорлеммера^**.

^* (Советские историки химии подробно рассмотрели историю формирования структурной органической химии. В результате проведенных исследований была доказана определяющая роль работ А. М. Бутлерова в создании теории строения органических соединений. Об этом подробнее см. в работах [208, 213, 214].- Прим. ред.)

^** (Подробнее о жизни и деятельности Шорлеммера см. в работах [180; 215, с. 191]. О Шорлеммере как историке химии см. в книге [186, с. 130-133].- Прим. ред.)

Бутлеров (1828-1886) первым четко сформулировал определение понятия химического строения как способа связи атомов в молекуле. Он считал, что химический характер веществ зависит от природы и количества его элементарных составных частей и химического строения соединения [169]. Написанный Бутлеровым в 1864 г. учебник органической химии (переведен на немецкий язык в 1868 г.) в немалой степени способствовал распространению среди химиков представлений о строении соединений.^*

^* ("Бутлеров своим превосходным учебником органической химии, появившимся в 1868 г. на немецком языке, оказал глубокое влияние на развитие и распространение структурной теории",- отмечал известный немецкий химик Э. Мейер [213, с. 112]. Русское издание этого учебника: Бутлеров А. М. Введение к полному изучению органической химии.- Казань, 1864. См. также: Бутлеров A.M. Соч. Т. 2.-М.: Изд-во АН СССР, 1955, с. 35.- Прим. ред.)

Шорлеммер определял органическую химию как химию углеводородов и их производных.

Карл Шорлеммер (родился в 1834 г. в Дармштадте) в 1874 г. стал профессором органической химии в Манчестере. Там он сблизился с Фридрихом Энгельсом и Карлом Марксом и примкнул к рабочему движению. Его разнообразные экспериментальные работы были в значительной мере посвящены изучению свойств и строения углеводородов метанового ряда. В 1864 г. Шорлеммер экспериментально подтвердил высказанную ранее (см. разд. "Атом - молекула - валентность") идею о равноценности четырех валентностей углерода. Это оказалось очень важным для установления строения бензола. В 1874 г. вышла книга Шорлеммера "Краткий учебник химии углеродистых соединений"^*, составившая впоследствии первый том написанного им совместно с Г. Э. Роско учебника химии. (Учебник был опубликован в 1877 г. на немецком языке, а год спустя переведен на английский.)

^* (Этот учебник был вскоре переведен на русский язык ближайшим сотрудником и учеником А. М. Бутлерова М. Д. Львовым: Шорлеммер К. Краткий учебник химии углеродистых соединений. С предисл. профессора А.М.Бутлерова: Пер. и дополнение М.Львова. 2-е изд., доп.- СПб.: 1876. В предисловии к русскому изданию А. М. Бутлеров писал: "Этот учебник кладет в основу принцип химического строения и отличается, по моему мнению, весьма удачным выбором фактического материала" [216, с. 150].- Прим. ред.)

По сравнению со всеми выдвигавшимися ранее в органической химии теориями структурная теория в значительно большей степени способствовала систематизации органических соединений. С ее помощью стало возможным объяснение изомерии и предсказание неизвестных еще соединений. Структурные формулы довольно наглядно отражали связь между формулой и свойствами вещества. Наибольшего успеха структурная теория достигла в установлении строения бензола С₆Н₆ - основного соединения ароматического ряда. В 1861 г. И. Лошмидт - физик из Вены - опубликовал статью "Химические исследования", в которой ввел понятие о двойной связи атома углерода и рассмотрел расположение атомов в пространстве. Для изображения бензола ученый использовал окружность, на которой пометил шесть точек для размещения атомов водорода (ср. [154]).

Через три года Рудольф Фиттиг и Бернхард Толленс опубликовали разработанный ими способ синтеза ароматических углеводородов (толуола, этилбензола) [38, с. 303 и сл.]. Это натолкнуло А. Кекуле на новые идеи, которые и привели его к установлению строения бензола. Чередуя одинарные и двойные связи, Кекуле соединил шесть атомов углерода в ячейки, подобные пчелиным сотам, при этом у атомов углерода оставалось еще по одной свободной валентности для каждого из шести атомов водорода. Брутто-формула С₆Н₆ превратилась в структурную формулу. Многие другие химики пытались ранее установить строение бензола, но не достигли в этом успеха.

Шутливое изображение бензольного кольца

"Бензольное кольцо", как назвали тогда и называют до сих пор структурную формулу Кекуле, наглядно отражает четырехвалентность атома углерода. Каждый атом углерода в нем связан тремя валентностями с двумя другими атомами углерода, а четвертая валентность используется для связи с водородом. Атом водорода может быть заменен при реакции и на какой-либо другой атом.

Принцип построения бензольного кольца сделал возможным объяснение структур многих соединений углерода и обусловил дальнейшие направления препаративных работ. Благодаря этому в химической промышленности был осуществлен синтез многих ценных продуктов, в том числе анилина (см. разд. "Промышленная химия").

Кекуле объяснял свой успех в установлении формулы бензола лишь "игрой воображения". Картина бензольного кольца возникла у него перед глазами во время размышлений перед камином. Однако из его записей об учебе у Либиха видно, что воображению Кекуле предшествовала серьезная работа [39]^*.

^* (Об этом см. в [212].- Прим. ред.)

Август Кекуле фон Страдониц (1829-1896)

Фридрих Август Кекуле фон Страдониц родился в 1829 г. в Дармштадте, умер в 1896 г.в Бонне. По мнению родителей, ему следовало "получить специальность", и поэтому он начал изучать архитектуру. Но еще раньше, познакомившись с Либихом, юноша заинтересовался химией. (Знакомство с Либихом произошло при не совсем обычных обстоятельствах в суде, куда Либих был приглашен как эксперт. Дело оказалось весьма непростым. После пожара в одном из особняков г. Дармштадта был обнаружен полуобгоревший труп. Суду предстояло выяснить: был ли поджог предумышленным. Юный Кекуле выступал свидетелем по делу. Он дал показания с поразительной точностью; эти показания убедили присяжных заседателей в правильности заключения эксперта, что пожар в доме не был случайностью. В свою очередь Либих убедился в способностях Кекуле, в его наблюдательности, которая позволяла ему стать хорошим химиком.) Кекуле обучался химии у Либиха в Гиссене, стажировался в Париже под руководством Дюма, Вюрца и Жерара. После этого Кекуле некоторое время работал в Англии. В 1856 г. он стал приват-доцентом в Университете г. Гейдельберга. Через два года занял должность профессора в Университете г. Гента, а в 1865 г.- в Боннском университете. Там он опубликовал работу о пространственном расположении атомов в молекуле: атомы располагаются в направлении "гексаэдрических осей" объема атома и лежат в вершинах тетраэдра [40, с. 218]^*.

^* (См. [217, с. 19-21].- Прим. ред.)

И на "Празднике бензола" в 1890 г., еще при жизни Кекуле, и на торжествах 1929 г., посвященных столетию со дня рождения Кекуле, отмечалось не только важное научное, но и промышленное значение установления строения бензола. Без этого невозможно было бы понять строение сложных углеводородов (нафталина, антрацена, фенантрена), гетероциклических соединений (пиридина, хинолина, тиофена и т. д.) и их производных. Получение синтетических красителей, а также синтез многочисленных лекарственных и взрывчатых веществ были бы невозможны без точного установления их строения (см. разд. "Промышленная химия").