Исторический вклад Ш.А. Вюрца в развитии химии как науки

2. Работы в области теоретической химии

Всю обширную научно-исследовательскую деятельность Вюрца можно рассматривать как разработку теоретических проблем химии середины и второй половины XIX в.: атомно-молекулярного учения, теории строения частиц вещества, учения о термической диссоциации молекул. Вюрц открыл новые методы синтеза различных органических соединений, синтезировал отдельные вещества для проверки многих теоретических умозаключений, обобщил теоретические взгляды химиков в фундаментальных монографиях и популярных книгах.

По натуре Вюрц был очень миролюбивым исследователем. Склонность к компромиссам отразилась и на его мировоззрении, его теоретических взглядах на важнейшие методологические вопросы химии. Вюрц считал, что в развитии химических теорий никогда не было революционных скачков, и они переходили друг в друга плавно, чисто эволюционным путем, постепенно отбрасывая устаревшие положения с обязательной заменой их новыми.

Приверженность к компромиссам привела ученого к тому, что в ряде принципиальных теоретических вопросов химии Вюрц придерживался эксцентрических взглядов. Именно поэтому Вюрца нельзя назвать создателем строгой системы теоретических взглядов и оригинальных теорий химии, несмотря на все огромное значение и влияние исследований великого французского ученого как на современную химию, так и на последующие этапы ее развития вплоть до наших дней. Он лишь развивал отдельные стороны теорий других корифеев химии и больше всего прославился открытием и разработкой многочисленных методов синтеза новых классов соединений, которые способствовали развитию теоретической химии и с течением времени все чаще и чаще применялись в промышленности и лабораторной практике.

Многие современники Вюрца часто упрекали его в слишком большой приверженности к теории, в преувеличении ее значения. Вюрц действительно считал, что любая наука не может развиваться без теории и неустанно призывал интенсивнее разрабатывать теоретические проблемы химии. И это было совершенно правильным: именно такой путь обеспечивает более быстрый научный и технический прогресс. А что касается практического применения теоретических открытий, то и здесь неуклонное развитие теории приносит больше пользы, чем отдельные эмпирические достижения. С другой стороны, некоторые товарищи Вюрца по науке, особенно Бутлеров, относили Вюрца к ученым, в чьих трудах отдается предпочтение фактам, а затем — теории. Очевидно, истина лежит где-то посредине: Вюрц довольно правильно оценивал соотношение теории и фактов; факты он считал лучшими контролерами истинности или ошибочности теории. Наблюдения и опыты в трудах Вюрца имели решающее значение и осуществлялись им с исключительной строгостью, экспериментальных данных Вюрца впоследствии никто не опровергал, они были безукоризненны.

С первыми теоретическими работами Вюрц выступил в 40-е годы XIX в.— время становления теоретических основ химии, когда подрывались принципы дуалистической системы и теории сложных радикалов, когда трудами французских химиков Дюма, Лорана и Жерара закладывались основы унитарных взглядов и теории типов. Уже в то время Дюма установил важный факт замещения электроположительного водорода электроотрицательным хлором, что не укладывалось в рамки химического дуализма. Шилю и Дюма принадлежит открытие первых гомологических рядов органических веществ. Каждое сложное вещество, по утверждению Дюма, представляет собой нечто единое, а не состоит из двух разноименных по заряду половинок, как полагал Берцелиус.

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, господствовавшие в химии примерно два десятилетия до возникновения теории химического строения, существенно закрепили свои позиции благодаря превосходным исследованиям и научно-пропагандистской деятельности Вюрца.

В 1849 г. Вюрц, действуя едкой калийной щелочью на метиловый и этиловый эфиры изоциановой и изоциануровой кислот, 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 С2Н4, 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 СН5N, которое может быть назвало метиламмонием. Соединяя аммиак с элементами этилена С2Н4, получают соединение С2Н7N, представляющее собой этиламмоний [11]. По-видимому, вы уже поняли, что речь идет здесь о метиламине СН3-NН2 и этиламине С2Н5-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 С2Н5.

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, С2Н5, С3Н7 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.

По мнению Гофмана, редкие работы находили в химическом мире такой отклик, какой вызывали открытие и исследование Вюрцем аммиачных органических оснований. 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 (С2Н5)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 С2Н5-С4Н9 (гексан), этиламил С2Н5-С5Н11 (гептан), бутиламил С4Н9-С5Н11 (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 (С2Н5)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. 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 1856 г. Вюрц синтезировал простейший двухатомный спирт и назвал его гликолем. Этим названием он хотел подчеркнуть связь нового вещества с глицерином и алкоголем.

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 этиленгликолем Вюрц сразу же получил двухатомные спирты с тремя, четырьмя и пятью атомами углерода в частице. Это были пропиленгликоль, бутиленгликоль и амиленгликоль.

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. Но с годами, особенно под влиянием статей и писем Бутлерова, Вюрц, хотя и не в полной мере, но начинает уже понимать преимущества структурных формул.

Отстаивая жераровское толкование теории типов, Вюрц повел решительную борьбу с ее противниками, среди которых большим авторитетом пользовались Кольбе и Франкланд. Вюрц писал, что типы Н2, Н2О и NН3 не взяты наудачу, как утверждал Кольбе, а выражают три формы соединений, между которыми теория типов устанавливает связь. Вюрц даже сделал попытку еще больше упростить типы воды и аммиака, предлагая рассматривать их как удвоенные и утроенные типы сгущенного водорода. В то же время он справедливо возражал против введения Кольбе искусственного "четырехосложненного углеродного типа". Однако излишняя приверженность к теории типов приводила Вюрца к ошибкам в толковании явления изомерии. Он, например, для бромистого этилена С2Н4Вг2 предсказывал три изомера, в то время как их могло быть только два, о чем и говорил Бутлеров.