Во всех этих случаях атомы водорода и атомы хлора находятся в химической зависимости от атома углерода. Этот пример показывает, что совсем не безразличен «порядок химических связей», существующих между атомами в частице. А это и есть химическое строение вещества.
Более сложны случаи, когда в углеродистом соединении присутствуют элементы, химическое значение атомов которых больше, чем значение водорода или хлора, например кислород. Поскольку для насыщения одного атома кислорода нужно два атома водорода, как, например, в молекуле воды (Н20), можно утверждать, что химическое значение атома кислорода вдвое больше, чем значение атома водорода, – кислород «двухэквивалентен» по отношению к водороду. Следовательно, для насыщения атома углерода понадобится кислородных атомов вдвое меньше, чем атомов водорода, то есть не четыре, а два. Такое соединение, в котором углеродный атом насыщен двумя атомами кислорода, всем известно – это обыкновенная углекислота С02. Известно также соединение, которое содержит наполовину менее кислорода, – это «ненасыщенное», «непредельное» соединение углерода – СО, так называемая окись углерода. Молекула окиси углерода способна присоединить к себе еще два атома хлора. В результате такого присоединения по формуле СОСl2 получается хлорокись углерода.
Не всегда можно судить о распределении «химической зависимости» с такой определенностью, как для атома углерода. Атомы могут быть соединены и непосредственно и через другие атомы. Хлор и водород соединены непосредственно в молекуле хлороводорода. Они же могут быть соединены через углеродный атом, как в хлороформе. Насколько важно разобраться до конца в том, как именно они соединены, показывает пример молекулы метилового или древесного спирта. Эта молекула со
стоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода и еще одного атома кислорода. Что это может значить? Может быть, углеродный атом в действительности имеет больший «запас химического влияния», чем до сих пор допускалось? Может быть, он способен непосредственно удерживать больше, чем четыре атома водорода?
Опыт опровергает это допущение. Просто и прямо «зафиксировать», закрепить кислород на молекуле водорода (что соответствует составу болотного газа) не удается. Присоединение атома кислорода к такому сочетанию атомов углерода и водорода может быть осуществлено только окольным путем.
Путем остроумных рассуждений Бутлеров подводил своих слушателей к тому, что молекулу метилового спирта можно рассматривать как молекулу болотного газа (СН4), в которой один атом водорода заменен так называемым водным остатком, или гидроксилом, то есть атомом кислорода, наполовину насыщенным водородом и поэтому имеющим такое же химическое значение, как один атом водорода. Тогда формула метилового спирта может быть написана так: СНз (ОН) или, употребляя нашедшее широкое распространение обозначение химических связей атомов черточками:
Опыт блестяще подтверждает это предположение. При действии на воду энергично соединяющихся с ней металлов, как, например, металлического
натрия, происходит выделение водорода и образование едкого натра. Едкий натр есть не что иное, как продукт замещения одного атома водорода в воде одним атомом натрия. Водород в углеводородах обычно вовсе не подчиняется действию щелочных металлов. Для защиты от окисления щелочных металлов их обыкновенно сохраняют под слоем жидких углеводородов, например керосина. Между тем, если действовать натрием на метиловый спирт, раздается шипение, выделяется водород, как из воды, и в результате получается тело состава СНзONа. Это тот же метиловый спирт, но в котором ровно одна четвертая часть водорода замещена натрием. Можно сколько угодно продолжать пытаться действовать на это соединение натрием – остальные три атома водорода замещению не поддадутся. Ясно, заключает отсюда Бутлеров, что в метиловом спирте водный характер присущ только одному из четырех атомов водорода.
Известна реакция образования хлористого метила. Ее можно расшифровать так, что из частицы убирается один атом кислорода и, вместе с ним, удаляется атом водорода. Вместо этих двух атомов, эквивалентных атому водорода, встает один атом хлора. И это означает, что водород примыкал к молекуле только посредством кислорода. Уводя кислород, экспериментатор неизбежно уводит и примыкавший к нему водород.
Бутлеров утверждал, что в частице метилового эфира две метиловые группы соединены между собой не прямо, а посредством кислорода. Это вызывало сомнения? Их можно было разрешить… Он предлагал для этого изящнейший опыт. Пользуясь теорией строения, он предсказывал: если основан-
ное на ней предположение о структуре молекулы метилового эфира справедливо, то можно попытаться удалить предполагаемую связь между двумя метиловыми группами, то есть кислород, и тогда частица должна распасться. Каждая из двух метиловых групп проявится в отдельности.
И такой опыт был Бутлеровым осуществлен: при введении в соединение вместо атома кислорода двух атомов иода ожидаемое распадение совершается. Из одной частицы метилового эфира получается две частицы йодистого метила. Частица была «нецельной, – заключал Бутлеров, – составной, и связью между двумя метиловыми группами служил кислород».
Можно получить «цельную» частицу того же состава, как метиловый эфир, где два атома углерода связаны между собой непосредственно. Это этиловый спирт, или алкоголь.
Но подлинным триумфом теории химического строения Бутлерова явился разбор строения веществ, имеющих совершенно одинаковый химический состав и одинаковую величину частиц и, тем не менее, совершенно различных между собой по свойствам. Различия этих веществ, называемых, как мы знаем, изомерами, коренились в разном их химическом строении.
Но когда этот путь только намечался, немецкий химик Кольбе грубо издевался над идеей выводить возможность существования органических веществ из числа «атомности», или, как ее теперь называют, «валентности» атомов. Смеясь, он начертил на доске шестнадцать фигур, в которые могли складываться атомы, составляющие сложную молекулу циан-угольной кислоты.
В истории химии случайно запечатлелась и эта насмешка и все шестнадцать вариантов строения молекулы циан-угольной кислоты, набросав которые Кольбе хотел наглядно продемонстрировать абсурдность бутлеровской теории. Впоследствии не только были обнаружены реальные изомеры, соответствующие всем этим шестнадцати структурным формулам, но оказалось, что Кольбе даже упустил еще три…
Нельзя предсказывать неудачи науке!
Нельзя было бороться против теории Бутлерова, как нельзя было оспаривать очевидность.
Но ее можно было замолчать… Это и было сделано теми, кто среди создателей современной теории строения на первых местах до сих пор называют Кольбе и Кекуле, а Бутлерова относят к числу «прочих», отдаленно содействовавших ее успеху[35].
Между тем с 1863 года Бутлеров приступил к широкой проверке выдвинутых им теоретических положений. Ряд его классических работ в этом направлении начался с открытия им первого простейшего третичного спирта (триметрокарбинола), изомерного с ранее открытым Вюрцем бутильным алкоголем брожения. Тот же Бутлеров открыл изобутан, изомерный с известным уже диэтилом. Шаг за шагом он доказывал применимость теории строе-
ния к различным классам органических соединений.
Одним из результатов этого было то, что превосходный учебник «Органической химии» Менделеева должен был быть написан заново, с новых точек зрения, властно введенных в науку талантом Бутлерова.
Как же отвечал на это Менделеев?
Он восхищался, он радовался успеху своего русского ученого собрата. Он обратился в совет Петербургского университета с письмом, в котором требовал передачи кафедры органической химии Бутлерову. Он писал:
«А. М. Бутлеров – один из замечательнейших русских ученых. Он русский и по ученому образованию, и по оригинальности трудов. Ученик знаменитого нашего академика Н. Н. Зинина, он сделался химиком не в чужих краях, а в Казани, где и продолжает развивать самостоятельную химическую школу. Направление ученых трудов А. М. не составляет продолжения или развития идей его предшественников, но принадлежит ему самому. В химии существует бутлеровская школа, бутлеровское направление… У Бутлерова все открытия истекали и направлялись одной общей идеей. Она-то и сделала школу, она-то и позволяет утверждать, что его имя навсегда останется в науке… Он вновь стремится, путем изучения превращений, проникнуть в самую глубь связей, скрепляющих разнородные элементы в одно целое, придает каждому из них прирожденную способность вступать в известное число соединений, а различные свойства приписывает различному способу связи элементов».
35
Обидно, что хотя приведенные здесь факты должны были быть общеизвестны химикам, «заговор молчания, которым окружено имя Бутлерова за рубежом, распространяется и на многие советские руководства по химии.