А.М.Бутлеров - один из выдающихся теоретиков и блестящих экспериментаторов химии. Он является творцом теории химического строения органических соединений. Его научное направление в области органической химии до наших дней служит неиссякаемым источником бесконечного ряда открытий, имеющих в равной мере и теоретическое и практическое значение. А.М.Бутлеров создал знаменитую, известную всему миру, казанскую (бутлеровскую) школу химиков, представители которой (А.М. Зайцев, В.В. Марковников, А.Е. Арбузов, А.Е. Фаворский и др.),продолжая и развивая работы А.М. Бутлерова, утвердили русскую химическую науку как передовую науку в мире.
Ученые пытались проникнуть во внутреннюю взаимосвязь атомов в молекулах органических соединений и создать теорию химического строения этих соединений и в добутлеровский период. Этому вопросу были посвящены многочисленные работы крупнейших и наиболее влиятельных западноевропейских химиков-органиков: А. Кекуле, А. Кольбе, Ш. Вюрца и др. Однако, теоретические взгляды этих химиков оказались непоследовательными. Так, А. Кекуле считал, что для одного и того же химического соединения возможно несколько «более развернутых рациональных формул», в зависимости от того, какие химические превращения этого соединения они выражают. Уксусная кислота, по мнению А. Кекуле, имеет восемь рациональных формул, которые и передают все возможные ее превращения:
Гликолевая кислота, по его представлениям, также имеет несколько химических формул:
При этом А. Кекуле в формулах химических соединений видел лишь способ выражения химических превращений (реакций), полагая при этом, что эти формулы не могут выражать конструкцию, т.е. расположение атомов в существующих соединениях.
Такая точка зрения в решении практических задач органической химии обусловливалась у А. Кекуле его субъективно идеалистическим отношением к теории. Он считал, что о теории в химии не может быть речи. Все так называемые теоретические сообщения являются соображениями, основанными на вероятности и целесообразности. Аналогичные взгляды о непознаваемости истинной взаимосвязи атомов в молекуле органических соединений высказывали А.Кольбе, Ш.Вюрц и др. Так, А.Кольбе, считая принципиально невозможным выяснение химического строения молекул, утверждал, что нельзя создать никакого представления о способе взаимной связи элементарных атомов в молекуле и химики вообще никогда не приобретут этого представления. По его мнению, пространственное расположение атомов в химическом соединении останется навсегда скрытым от нашего телесного и духовного взора.
В то время, когда, казалось бы, теоретические представления в органической химии зашли в тупик, А.М.Бутлеров смело решил эту задачу. Он разработал новую теорию химического строения органических соединений, проложив тем самым путь к развитию теоретической химии и промышленности органического синтеза.
Свои взгляды на строение химических соединений А.М.Бутлеров впервые изложил в 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей в Шпейере. Он считал, что все 4 единицы валентности углерода совершенно равноценны и пространственно расположены симметрично; атомы углерода могут соединяться друг с другом в любом количестве и, затрачивая на взаимную связь1, 2 и 3 единицы валентности, образовывать могут связываться с атомами других элементов и остатками молекул. «Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу».
А.М. Бутлеров впервые в истории органической химии высказал утверждение о том, что на основании изучения химических свойств вещества можно установить его химическое строение и, наоборот, по структурной формуле строения вещества можно судить о химической природе этого вещества и в большинстве случаев предсказать его свойства.
«Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением… Возьмем грубый пример: предположим, что у четырехатомного пая углерода все 4 единицы сродства различны; представим его себе в виде тетраэдра, у которого каждая из 4 плоскостей способна связать один пай водорода. Не имея возможности обозначить каждую плоскость по способу оказываемого ею притяжения, мы тем не менее можем утверждать, что это притяжение различно для каждой плоскости, и можем охарактеризовать это различие, хотя и не знаем, которой из плоскостей принадлежит именно тот или иной способ действия». И далее: «Если попытаемся теперь определить химическое строение вещества, если нам удастся выразить его нашими формулами, то формулы эти будут, хотя еще не вполне, но до известной степени настоящими рациональными формулами. Для каждого возможна будет в этом смысле лишь одна рациональная формула, и когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств тел от их химического строения, подобная формула будет выражением всех этих свойств».
Эти положения, высказанные А.М. Бутлеровым, составляют основу всей современной органической химии; в них с предельной ясностью ученый указывает не только на значение теории химического строения, но и на пути ее развития.
В отличие от А.Кекуле, А.Купера и А.Кольбе, претендовавших на приоритет в создании теории строения органических соединений, А.М.Бутлеров считал, что структурные формулы химических соединений могут и должны отражать реальное строение молекул, а не условные, надуманные представления об этих молекулах. А.М.Бутлеров резко критиковал этих ученых за отрицание ими реального значения структурных формул органических соединений. При этом он подчеркивал, что каждая молекула имеет только одно вполне определенное строение и не может совмещать в себе несколько структур. Наряду с этим А.М.Бутлеров указывал, что однозначность строения химической частицы нельзя смешивать со способами, которыми можно выразить это строение на бумаге.
По мнению А.М.Бутлерова, дело не в форме, а в сущности, в понятии, в идее, что формулами, обозначающими изометрию, логически необходимо выражать настоящие частицы, т.е. некоторые химические отношения, в ней существующие. Отсюда легко прийти к убеждению, что всякий способ писания может быть хорош, лишь бы только он выражал эти отношения. Естественно даже употреблять разные способы, предпочитая тот, который является более выразительным для данного случая. В качестве примера А.М.Бутлеров приводит этан C2H6 , который может быть изображен так:
Теоретические взгляды А.М.Бутлерова, изложенные в 1891 г. в своем докладе, создали твердую и уверенную базу для предсказаний и оценки химической изометрии. Правильность этих взглядов была в дальнейшем подтверждена многочисленными специальными исследованиями. Например, можно было предвидеть существование четырех бутиловых спиртов:
А.М.Бутлеров дал названия этим спиртам:
А) Нормальный
Б) Вторичный
В) Первичный
Г) Третичный
Первым из этой серии стал известный спирт, открытый в 1852 г. Ш.Вюрцем в сивушном масле и принадлежащий (это было установлено Р.Эрленмейером и В.В.Марковниковым) к первичному изобутиловому спирту (В). Нормальный бутиловый спирт (А) впервые был получен в 1871 г. восстановлением нормальной масляной кислоты. Обработкой эритрита иодистым водородом был получен иодистый бутил; спирт же из иодистого бутила давал при окислении кетон (этилметилкетон), что указывает на принадлежность этого спирта к вторичным, т.е. к бутиловому спирту. Третичный спирт (триметилкарбинол) синтезировал А.М.Бутлеров взаимодействием цинкметила с хлорангидридом уксусной кислоты. В соответствии с правилами изометрии, высказанными в теоретических положениях А.М.Бутлерова, стало возможным существование четырех валериановых кислот формулы C4H9COOH:
CH3-CH2-CH2-CH2-COOH -нормальная валерьяновая кислота
-изопропилуксусная (изовалентная) кислота
-метилэтилуксусная кислота
-триметилуксусная кислота
Действительно, эти предсказания также блестящи были подтверждены экспериментами Р. Эрленмейера, который в 1871г. установил строение первых трех известных в то время кислот; четвертая кислота в 1872г. была впервые получена А. М. Бутлеровым синтетически из первичного иодистого бутила. Теорию химического строения А.М. Бутлерова нельзя сводить только к представлению о пространственном расположении атомов и распределении связей в молекуле. А.М. Бутлеров неоднократно отмечал, что при изучении строения и свойств химических соединений необходимо учитывать наличие взаимного влияния между отдельными, непосредственно не связанными друг с другом атомами и атомными группами в молекуле. Он по этому поводу писал: «…мы имеем право сказать, что, например, с CH3Cl три атома водорода и атом хлора, будучи соединены с углеродом, не соединены непосредственно между собой; в CH2O так же водород и кислород соединены с углеродом и не соединены между собой: