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

Правильное толкование изомерных отношений органических соединении возможно только в рамках теории химического строения. Вюрц же стремился усовершенствовать теорию, которая не могла по своему существу охватить многих взаимоотношений обширного мира органических соединений. Введение смешанных и сложных типов лишь еще больше вскрывало недостатки теории типов и подчеркивало правоту призыва Бутлерова "идти дальше Жерара" (1858).

Вюрц, как и некоторые другие приверженцы типических взглядов, вначале не признавал влияния Франкланда на эволюцию теории органической химии. Позднее он осознал свою ошибку и полностью признал заслуги Франкланда, назвав его первым основателем понятия о емкости насыщения элементарных атомов, т. е. учения о валентности. После работы I Международного химического конгресса в Карлеруэ (1860) Вюрц — один из его организаторов и активных руководителей — все больше внимания уделял вопросам атомности и вообще атомно-молекулярной теории. Ряд его статей, капитальный труд "История химических доктрин от Лавуазье и до настоящего времени" [17] и особенно "Атомическая теория" [18] —сочинение, стоившее, по словам Вюрца, наибольшего труда и более всего удовлетворившее самого автора, — достаточно полно отражают воззрения Вюрца на эволюцию химических теорий. В своих обобщающих произведениях Вюрц показал, как с открытием закона кратных отношений постепенно возникает представление о различном степени взаимного насыщения атомом, прекратившееся в исходную идею атомности или валентности. Понятие емкости насыщения незаметно было введено в науку изучением радикалов, в которых трудно не заметить это свойство; сам Вюрц сделал это на примерах фосфористой кислоты, глицерина и гликоля.

В работах же Кекуле и Купера соображения о четырех-атомности углерода и способности к взаимному насыщению его атомов сделались уже важной составной частью теории органический химии.

Идею о переменной атомности элементов Вюрц отстаивает во всех своих работах. В этом принципиальном вопросе он стоял на тех же позициях, что и Бутлеров, и поддержал его в полемике с Кекуле. Последний считал, что атомность элементов — такое же основное и неизменное свойство элементов, как и атомный вес. Вюрц быстро признал и представление о том, что в ненасыщенных органических соединениях, например в этилене, акриловой кислоте, ацетилене и других, углеродные атомы связываются между собою несколькими единицами сродства.

В книгах Вюрца вообще довольно логично положена эволюция химических теорий об атомах и молекулах (частицах). Но когда у него появлялась необходимость и возможность отбросить все предшествующие частные теории и заменить их общей и единой теорией химического строения, Вюрц пасовал и делал множество уступок отжившим свой век теориям типов и радикалов. Он объективно излагал и заслуги некоторых ученых в становлении химической науки, в частности им почти не был отражен основополагающий вклад Бутлерова, его друга и единомышленника во многих принципиальных вопросах теории. Тем более это странно, что в письмах к Бутлерову он восторгается значимостью классических трудов своего русского коллеги и деятельностью Бутлерова как главы научной школы. Больше того, в выступлениях на заседаниях Химического общества и Парижской академии наук, на страницах их периодических изданий Вюрц широко пропагандировал достижения Бутлерова и его учеников. Когда же дело доходило до книг по истории химии, Вюрц отмалчивался. Эта несправедливость и "диспропорция" частично могут быть объяснены установившейся к тому времени в западноевропейской историографии нездоровой традицией пренебрежительного отношения к творчеству восточных народов.

Как известно, для правильных умозаключений о молекулярном составе большое значение имеет точное определение плотности паров вещества. К середине XIX в. накопилось значительное число случаев, когда вещества показывали аномалию плотности паров. Это привело к представлению о термической диссоциации частиц. В разработке этого важного раздела атомно-молекулярного учения деятельное участие принимал и Вюрц. Исследуя реакции галогенгидратов амилена (хлористого, бромистого и йодистого), Вюрц установил, что плотность пара каждого из этих веществ имеет два различных значения: плотность пара при сравнительно невысокой температуре соответствует нормальному молекулярному составу вещества, плотность пара, наблюдаемая при высокой температуре, имеет вдвое меньшее значение. Этот интересный факт Вюрц объяснил, в соответствии с концепцией Сен-Клер-Девиля, обратимой диссоциацией галогенгидратов амилена при нагревании. Тогда же Вюрц привел новое доказательство термохимического характера процесса диссоциации, которым впоследствии часто пользовались многие исследователи. Он показал, что при взаимодействии амилена и бромистого водорода при температуре, соответствующей половинной плотности паров, выделение тепла не происходит.

Далее Вюрц расширил объекты исследования диссоциации молекул, определяя плотность пара пятихлористого фосфора при различной температуре методом диффузии паров. Сопоставив полученные данные с результатами изучения смеси пятихлористого и треххлористого фосфора Вюрц пришел к заключению, что и здесь имеет место высокотемпературная диссоциация.

Изучая влияния нагревания на хлорциан, Вюрц пришел к вывощу, что масса частицы (молекулы) этого вещества в жидком и парообразном состоянии одинакова, т. е. хлорциан не диссоциирует при испарении. 
3. Работы в области органической химии

Подавляющее большинство трудов Вюрца посвящено разработке вопросов органической химии, и частности наиболее перспективному ее направлению — органическому синтезу. Наряду с Бертло, Бутлеровым, Кольбо и некоторыми другими учеными Вюрца можно смело причислить к основателям и выдающимся мастерам синтетической органической химии, столь бурно развившейся за последнее столетие. Большую часть своих синтезов он осуществил целенаправленно исходя из теоретических предпосылок. Эта особенность роднит его работы с творчеством Бутлерова. Примечательно, что, по мнению Вюрца, его исследования и открытия, накренившие теорию типов, являлись и большей степени аргументацией в пользу теории химического строения.

Химико-органические исследования Вюрца можно раз делить на несколько циклов, каждый из которых представляет собой логически связанную группу последовательных синтезов.

Самый ранний из них целесообразно назвать циклом циановых соединений. Работая с циановыми соединениями, Вюрц за короткий срок провел ряд интересных наблюдений. Он получил циануровую кислоту, действуя хлором на расплавленную мочевину. Продолжая исследования в этом направлении, Вюрц определил плотность пара циануровых эфиров и подтвердил мнение Либиха о трехосновности циануровой кислоты (в отличии от Велера, приписывающего этому веществу двухосновность). Далее Вюрц описал жидкий хлористый циан и при перегонке циановокислого калия с серной кислотой получил новые эфиры. Впоследствии эти вещества стали называть изоциановыми эфирами. Одновременно с этим Вюрц синтезировал многочисленные замещенные мочевины. Эти исследования существенно расширили и обогатили область химии циановой группы.

В 1849 г. Вюрц обработал изоциановые и изоциануровые эфиры едкими щелочами. Эти исследования явились кульминационными в цианом цикле работ Вюрца. С помощью этого метода впервые удалось синтезировать жирные амины, положившие начало новому (аминному) циклу работ. Синтезированные Вюрцем амины (в начале их называли "сложные аммиаки") были типично органическими веществами и даже горели. Простейшие из них хорошо растворялись в воде, образуя органические щелочи. "В 1840 г. Вюрц, профессор Парижской медицинской школы, получил органические щелочи еще более простого состава, чем те, которые были известны до тех пор.

Амминый цикл исследований Вюрца стимулировал большое число работ с органическими азотосодержащими основаниями открытого, а затем и замкнутого строения, в том числе и со сложными природными веществами группы алкалоидов. Вюрц и в более поздний период своей научной деятельности несколько раз возвращался к исследованию сложных азотистых веществ на основе аминов. Здесь особенно интересное открытие Вюрцем синтеза этаноламинов, холина и нейрина.

Этаноламины были получены при энергетическом взаимодействии окиси этилена с водным раствором аммиака. С двумя и тремя молекулами окиси этилена аммиак образует соответственно диэтаноламин и триэтаноламин. Синтезированные таким путем первые аминоспирты оказались нелетучими сиропообразными жидкостями с ярко выраженными свойствами щелочей. С кислотами они давали хорошо кристаллизующиеся соли. Этаноламины Вюрца получают и в наше время, широко используя их в промышленном производстве.

Немецкий физиолог Либрейх выделил из мозга органическое вещество основного характера и назвал его нейрином. Еще раньше Штреккер получил из желчи холин. Оба соединения оказались близкими по свойствам. Вюрцу же удалось получить холин из триметиламина. Для этого он действовал на него окисью этилена или хлоргидрина этилена. Что же касается нейрина, то он оказался гидратантом холина. Исследования Вюрцем холина лишний раз подчеркивают биохимическую направленность ряда его работ. Это в свою очередь свидетельствует о широте научных интересов ученого и объясняется, по-видимому, тем, что Вюрц длительное время был профессором в Медицинской школе.

Следующий цикл исследовании Вюрца связан с открытием им в 1855 г. принципиально нового метода синтеза парафиновых углеводородов (или "смешанных спиртовых радикалов", как тогда их называли согласно теории радикалов). Новый изящный способ синтеза заключался в действии щелочных металлов на галогенопроизводные, (например, "йодистоводородные эфиры" С2Н5J и С4Н9J) При взаимодействии металла с таким галогенопроизводным происходило образование простых, а не смешанных спиртовых радикалов. Этот метод получения алканов заданного состава и строении вскоре вошел во все учебники органической химии под названием "синтеза Вюрца". Им широко пользуются и в настоящее время. Синтез Вюрца относится к удобным целенаправленным приемам синтеза и послужил как, впрочем, и многие другие открытия французского химика, очень веским аргументом в пользу теории химического строения

Сам Вюрц позднее неоднократно обращался к этому способу и синтезировал с его помощью ряд алканов. В дальнейшем методом Вюрца были получены многие сотни углеводородов заданной структуры. Р. Фиттиг распространил его на ароматические углеводороды, существенно расширив возможности их алкилинования. П. П. Шорыгин раскрыл механизм реакции Вюрца, доказав, что при действии щелочных металлов на галогенопроизводные вначале образуются металлоорганические соединения тина RNа, которые затем взаимодействуют с новой молекулой галогеналкила и превращаются в частицу алкана.

К алкановому циклу работ Вюрца можно отнести еще и получение им парафиновых углеводородов электролизом смеси калийных солей жирных кислот. В этом случае Вюрц усовершенствовал и развил метод Кольбе.

В марте 1856 г. Вюрц провел синтез им же предвиденного первого двухатомного спирта этиленгликоля. Тем самым было положено начало еще одному оригинальному циклу работ, имеющему огромное теоретическое и прикладное значение. Гликоль был предсказал Вюрцем как недостающее промежуточное звено между одноатомным винным спиртом и трехатомным глицерином. Для его синтеза Вюрц действовал на йодистый этилен (позже и бромистый этилен) ацетатом серебра с последующим омылением сложного эфира. Строение гликоля доказывало его окисление в гликолевую, а затем в щавелевую кислоты. Затем Вюрц синтезировал и другие двухатомные спирты - пропиленгликоль, бутиленгликоль и амиленгликоль. Предельные галогенопроизводные с двумя атомами галогена в молекуле послужили французскому химику основными исходными веществами для синтеза целого ряда соединений, находящихся в генетический связи с гликолем[20]. Хлорид этилена (масло голландских химиков) под действием едкого калия был превращен в окись этилена - высокоактивный изомер ацетальдегида. При прямой дегидратации гликоля, с помощью хлористого цинка, образовался ацетальдегид. Гликоль при нагревании с соляной кислотой превращался в хлоргидрин этилена С водой окись этилена давала наряду с гликолем еще и полиэтиленовые спирты[21]. Сложные этаноламины были синтезированы Вюрцем действием на окись этилена (этиленоксид) им же полученными жирными аминами. Так слились два важных цикла исследований Вюрца - аминный и гликолевый.

Воду, неорганические основания и спирты он рассматривал как различные формы гидратов. Много общего усматривал Вюрц между галогенопроизводными, эфирами, неорганическими и органическими солями; между окислами металлов и органическими окисями, и простыми эфирами и т. п. Впрочем, идеи унитарности были во многих случаях вскрыты предшественниками Вюрца. Последний же до конца жизни оставался приверженцем теории типов, считая, что наиболее ценные части унитарной системы вошли в состав теории атомности и химического строения.

Промышленное использование замечательных работ Вюрца, связанных с гликолем, окисью этилена и этаноламинами в основном начинается в XX в. после первой и особенно второй мировых войн. К этому времени этилен становится дешевым сырьем для многочисленных технических синтезов.

Этиленгликоль, как вязкая и дешевая жидкость, постепенно стал вытеснять из различных отраслей промышленности глицерин (получаемый раньше, а частично и теперь, из пищевых жиров)[22]. Водные растворы этиленгликоля используются как отличные антифризы (жидкости с низкой температурой замерзания) в холодильных установках и военной технике. Действие нитрующей смеси из гликоля синтезируют динитрат, неточно называемый нитрогликолем. Он хорошо замещает нитроглицерин в изготовлении динамитов и некоторых других взрывчатых веществ.

Из гликоля путем межмолекулярной дегидратации, которую разработал А. Е. Фаворский, получают и диоксан - превосходный растворитель почти универсального характера; в нем хорошо растворяются многие органические и неорганические вещества. Получение этиленгликоля в наше время превратилось в много тоннажное производство. Стремительно растет также производство окиси этилена. Его изящный промышленный метод получения (окисление этилена воздухом над серебряным катализатором ) разработал русский ученый П. В. Зимаков. Интересно отметить, что Вюрц считал невозможным прямое окисление этилена в его окись. В наше время мировое производство окиси этилена исчисляется сотнями тысяч тонн. На его основе синтезируют многие полиэтиленовые спирты, этаноламины - превосходные органические щелочи промышленного назначения, производство которых также стремительно возрастает. Так из года в год многие соединения рассмотренного цикла работ Вюрца находят все большее и большее применение в промышленности. Это служит прекрасным доказательством немеркнущего значения исследований великого французского химика.

Так по аналогии с реакцией пропана С3Н5Вг3 он получил с помощью гидролиза глицерин. Тем самым Вюрц окончательно закрепил связь между одно- и многоатомными спиртами. Осторожным окислением пропиленгликоля французский химик получил молочную кислоту С3Н6О3, которая была объектом изучения многочисленных химиков середины XIX в. Строением молочной кислоты занимались Кольбе, Кекуле, Добус, Соколов и другие. Вюрц вначале считая молочную кислоту двухосновной. Соколов же, опираясь на свое учение о различных функциях водорода в органических соединениях и на основании подробного изучения свойств оксипропионовых кислот, признал молочную кислоту одноосновной, но двухатомной. Постепенно взгляды Соколова на природу спиртокислот (оксикислот), как бифункциональных соединений[23], получили признание европейских химиков, в том числе и Вюрца, который принял участие в выработке разграничения понятии основности и атомности в соединениях смешанной функции. Именно исследование молочной кислоты привело к открытию полимолочных соединений и полиэтиленовых спиртов.