1.3. Структурна теорія будови органiчних речовин
Органічна хімія, як наука, виникла в кінці ХVIII, на початку XIX ст. Злиття хімії сполук рослинного та тваринного походження в єдину хімічну науку здійснив Я.Берцеліус, який вважав, що утворення органічних сполук можливе лише в живому організмі при наявності т. з. "життєвої сили". Ця теорiя одержала назву "вiталiзм" (вiд лат. vita — життя). Згідно з теорією “віталізму”, розвиток живої і неживої матерії відбувається за різними законами, що означає неможливість синтезу органічних речовин з неорганічних без втручання “життєвої сили”.
Ідеалістичне вчення віталістів сповільнювало розвиток органічної хімії, однак, ціла низка експериментальних робіт виконаних у першій половині ХІХ ст. довела помилковість основних положень “віталізму”. Так, німецький хімік Велер отримав з неорганічних речовин щавлеву кислоту (1824) і сечовину (1828). Російський вчений М.М.Зінін одержав синтетичним шляхом анілін (1842), який раніше одержували з рослинної сировини. В 1845 р. німецький учений Кольбе синтезував оцтову кислоту, у 1854 р. француз Бертло – жири, а в 1861 р. О.М.Бутлєров одержав першу цукристу речовину.
Спочатку синтез органічних речовин здійснювався випадково, керуючись здебільше інтуїцією. Однак дослідники помічали все більше закономірностей при перетворенні одних речовин в інші, які дозволяли згруповувати органічні речовини. Так, наприклад, виявили схожість між спиртом, хлористим етилом, діетиловим етером, які містять угрупування С2Н4 (алкільний залишок або радикал -у сучасному розумінні), назване “етерином”. Спирт і етер розглядалися як гідрати етерину, хлористий етил – як гідрохлорид етерину (Дюма, Берцеліус).
Визначний німецький учений Лібіх, використовуючи масло гіркого мигдалю, одержав ряд речовин, які містять угрупування (радикал) С6Н5СО: (бензойний альдегід С6Н5СО-Н, бензойну кислоту С6Н5СО-ОН, хлористий бензоїл С6Н5СО-СІ тощо).
Ці та інші досягнення спонукали хіміків до створення першої теорії органічної хімії – теорії радикалів (Дюма, Лібіх, Берцеліус). Її автори ввожали, що радикали в органічній хімії відіграють роль атомів в неорганічних сполуках і не можуть змінюватися при хімічних перетвореннях. Однак, було встановлено, що в органічних радикалах атоми водню можуть заміщуватися навіть на такі відмінні від водню за хімічною природою атоми, як атоми хлору (Дюма) і при цьому тип хімічної сполуки зберігається.
На зміну теорії радикалів прийшла досконаліша теорія типів (Лоран, Жерар, Дюма), яка охоплювала більший експериментальний матеріал.
Більшість послідовників теорії типів (Жерар, Кольбе, Кекуле та ін.) вважали, що неможливо визначити будову речовини дослідженнями. Органічні речовини можна тільки класифікувати за способами перетворень, у які вони вступають. При такій класифікації одна й та ж органічна речовина може бути віднесена до різних типів. Спочатку нараховували чотири, потім п’ять типів органічних сполук: водню, хлористого водню, води, аміаку та метану.
Теорія типів намагалася класифікувати доволі об’ємний експериментальний матеріал, який був накопичений до середини ХІХ ст., але передбачити існування та шляхи синтезу органічних сполук невідомих класів вона не могла.
Органічна хімія у ці роки виглядала, як сказав Велєр, «…дрімучим лісом, повним дивовижних речей, величезною хащею без виходу і кінця, куди не насмілишся увійти».
Зростаючий розвиток науки вимагав створення нової, прогресивнішої теорії органічної хімії, до якої долучилися учені декількох країн: російський вчений Олександр Бутлєров, шотландець Арчибальд Скотт Купер, англієць Едуард Франкланд, видатні німецькі хіміки Август Кекулє та Генріх Кольбе.
Франкланд увiв поняття про валентнiсть елементiв, як властивiсть приєднувати тiльки певну кiлькiсть атомiв інших елементiв. А.Кекуле, А.Купер i Г.Кольбе висунули принцип чотиривалентностi вуглецю. Незалежно один вiд одного, Кекуле i Кольбе встановили, що атоми вуглецю можуть з`єднуватися в ланцюги, а Купер запропонував сучасне написання структурних формул. Це дозволило О.М.Бутлерову в 1861 р. сформулювати “Структурну теорію будови органiчних речовин”:
1. Атоми в молекулах органічних речовин розташовані не безладно, а у певній послідовності, відповідно до їх валетності.
2. Природа органiчної речовини визначається якiсним та кiлькiсним складом її молекул, а також хiмiчною будовою.
3. Хiмiчна будова - це певний порядок, у якому атоми сполучені між собою в молекулах органічних речовин.
4. Оскільки властивості речовини залежать від її будови, то вивчаючи властивості, можна визначити будову речовини.
5. Речовини, що мають однаковий якiсний i кiлькiсний склад, але рiзну будову i, як наслiдок, рiзнi властивостi - називаються ізомерами.
О.Бутлеров передбачив iснування трьох iзомерiв пентану (С5Н12) i синтезував їх.
В 70-х роках ХІХ століття “Структурна теорія будови” була доповнена теорією просторового розташування атомів у молекулі — стереохімічною теорією Я.Ванг-Гоффа і Ж.Ле-Беля. Було сформульовано поняття про тетраедричну конфігурацію найпростіших органiчних сполук та пояснено явище оптичної ізомерії (енантіомерії).
Таким чином, до кiнця ХIХ столiття створення класичної теорії хiмiчної будови було завершено. Однак, залишилася нез’ясованою природа валентних сил, що зв`язують атоми в молекулі. Невивченою у той час була і будова самого атома.
На початку ХХ століття, роботи вчених Е.Резерфорда, Л.Де-Бройля, В.Косселя, Г.Льюїса, заклали основи квантово-механічних уявлень про будову атомів i молекул, які дозволили пояснити валентність атомів, природу хімічних зв’язків, взаємозв’язок будови органічних речовин з їх реакційною здатністю.