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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Theorie der chemischen Struktur. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Zu Beginn des 1779. Jahrhunderts herrschte unter westlichen Chemikern die elektrochemische Theorie von Davy-Berzelius vor. Nach der Theorie von Jens Berzelius (1848–XNUMX) wurden zwei Teile jeder chemischen Verbindung unterschieden: ein Teil elektropositiv geladen, der andere elektronegativ geladen. Dementsprechend ordnete Berzelius alle Elemente in einer Reihe an, wobei Sauerstoff das elektronegativste Element und Kalium das elektropositivste Element war. Berzelius nannte die elektronegativsten Elemente Metalloide, die elektropositivsten Metalle. In den dreißiger Jahren versetzte der französische Chemiker J. B. Dumas mit seiner Arbeit der Theorie von Davy-Berzelius einen Schlag und stellte seine sogenannte Typentheorie für organische Verbindungen vor. Dumas argumentierte, dass nicht so sehr die Natur eines komplexen Körpers, sondern vielmehr die Anordnung der Atome desselben Typs darin die chemischen Eigenschaften der Verbindung bestimmt. Allerdings stießen diese Ansichten von Dumas bald wiederum auf eine Reihe von Schwierigkeiten und Widersprüchen. In der Folge war das sogenannte Einheitssystem oder die Theorie der französischen Chemiker Ch. Gerard und O. Laurent ein großer Fortschritt im Problem der Entwicklung grundlegender chemischer Konzepte. Das wesentlichste Merkmal dieser Theorie war die konsequente Anwendung der neuen Lehre auf chemische Verbindungen. Laurent und Gerard wird die Unterscheidung zwischen den Begriffen Teilchen, Atom und Äquivalent zugeschrieben. Die grundlegendste Frage, die unter den führenden Chemikern des Westens eine hitzige Debatte auslöste, war jedoch die Frage nach der Möglichkeit, die Struktur chemischer Verbindungen durch Formeln auszudrücken. Der große Reformer der Chemie, wie Charles Frédéric Gérard (1816-1856) manchmal genannt wurde, war zu der Überzeugung gelangt, dass chemische Phänomene erst dann entstehen, wenn Materie sich verändert, d. h. aufhört, als solche zu existieren. Daher können wir, wie Gerard es ausdrückte, nur die Vergangenheit und Zukunft einer Substanz kennen, und folglich können chemische Formeln nicht die Anordnung von Atomen ausdrücken, sondern nur bekannte Analoga von Substanzen. In Übereinstimmung mit dem eben Gesagten kann man nach Gerard für jede Substanz so viele rationale Formeln schreiben, wie die gegebene Substanz verschiedene Arten von Transformationen erfahren kann. 1858 der berühmte Chemiker August Kekule (1829–1896) macht einen äußerst wichtigen Schritt und erweitert den Begriff der C-XNUMX-Atome auf Verbindungen mit mehreren C-Atomen und kommt damit zu dem Schluss, dass es möglich ist, C-Atome in Polycarbon-Verbindungen sinnvoll zu verknüpfen. Kekule erweitert diese Kopplungsregel zukünftig auf Fälle der Kombination von Kohlenstoffatomen mit anderen mehratomigen Elementen, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff und anderen. Später näherte sich Kekule dem Problem der Struktur organischer Verbindungen, ausgehend von der Atomizität oder Wertigkeit der Elemente, machte aber keinen entscheidenden Schritt in diese Richtung. So schreibt Kekule am Ende seines Artikels von 1858: „Abschließend halte ich den Hinweis für notwendig, dass ich selbst Argumenten dieser Art nur zweitrangige Bedeutung beimesse ...“ Zu dem oben Gesagten ist hinzuzufügen, dass Kekulé Gerards Ideen lange Zeit im Griff blieb und in seinem bekannten Lehrbuch der organischen Chemie, das 1859-1861 veröffentlicht wurde, ausgiebig Gebrauch von „rationalen“ Formeln im Geiste macht von Gerhard. Und obwohl das Herannahen einer neuen Periode in der Entwicklung der Chemie zu spüren war, war Butlerovs Genie erforderlich, um einen Durchbruch zu erzielen. Alexander Michailowitsch Butlerow (1828–1886) wurde in Butlerovka geboren, einem kleinen Dorf in der Nähe von Kasan, wo sich das Anwesen seines Vaters befand. Sasha erinnerte sich nicht an seine Mutter, sie starb elf Tage nach seiner Geburt. Aufgewachsen von seinem Vater, einem gebildeten Mann, wollte Sasha in allem so sein wie er. Zuerst studierte er in einem Internat und trat dann in das Erste Kasaner Gymnasium ein. Nach seinem Abschluss trat Sasha in die naturwissenschaftliche Fakultät der Kasaner Universität ein, bisher jedoch nur als Student, er war noch minderjährig. Erst im folgenden Jahr, 1845, als der junge Mann 17 Jahre alt wurde, tauchte Butlerovs Name auf der Liste derjenigen auf, die für das erste Jahr aufgenommen wurden. 1846 erkrankte der junge Mann an Typhus und überlebte wie durch ein Wunder, aber sein Vater, der sich damit infiziert hatte, starb. Im Herbst zogen sie zusammen mit meiner Tante nach Kasan. Der junge Butlerov studierte mit außergewöhnlichem Fleiß, aber zu seiner Überraschung stellte er fest, dass ihm Vorlesungen über Chemie am meisten Spaß machten. Er fing an, regelmäßig Vorlesungen zu besuchen. Nikolai Nikolajewitsch Zinindie für Studierende des Fachbereichs Physik und Mathematik gelesen wurden. Um den Abschluss eines Kandidaten zu erhalten, musste Butlerov nach seinem Abschluss an der Universität eine Dissertation einreichen. Zu diesem Zeitpunkt verließ Zinin Kasan nach St. Petersburg, und es blieb nichts anderes übrig, als Naturwissenschaften zu betreiben. Für die Arbeit des Kandidaten hat Butlerov einen Artikel "Tagesschmetterlinge der Wolga-Ural-Fauna" vorbereitet. Die Umstände waren jedoch so, dass Alexander dennoch zur Chemie zurückkehren musste. Im Herbst 1850 bestand Butlerov die Prüfungen für einen Magister in Chemie und begann sofort mit seiner Doktorarbeit „Über ätherische Öle“, die er Anfang des nächsten Jahres verteidigte. Am 4. Juni 1854 erhielt Butlerov die Bestätigung, dass ihm der Doktortitel in Chemie und Physik verliehen worden war. Die Ereignisse entwickelten sich mit unglaublicher Geschwindigkeit. Unmittelbar nach seiner Promotion wurde Butlerov zum kommissarischen Professor für Chemie an der Kasaner Universität ernannt. Bereits Anfang 1857 wurde er Professor, im Sommer desselben Jahres erhielt er die Erlaubnis zur Auslandsreise. Butlerov kam Ende des Sommers in Berlin an. Anschließend tourte er weiter durch Deutschland, die Schweiz, Italien und Frankreich. Das ultimative Ziel seiner Reise war Paris – das damalige Weltzentrum der chemischen Wissenschaft. Angezogen wurde er vor allem durch ein Treffen mit Adolf Würz. Butlerov arbeitete zwei Monate im Wurtz-Labor, hier begann er seine experimentellen Studien, die in den nächsten zwanzig Jahren von der Entdeckung Dutzender neuer Substanzen und Reaktionen gekrönt wurden. Zahlreiche beispielhafte Synthesen von Butlerov – Ethanol und Ethylen, Dinzobutylen, tertiäre Alkohole, Urotropin, Trioxymethylen, Polymerisation von Ethylenkohlenwasserstoffen – liegen am Ursprung einer Reihe von Industrien und hatten somit die direkteste stimulierende Wirkung auf diese. Beim Studium der Kohlenwasserstoffe erkannte Butlerov, dass sie eine ganz besondere Klasse von Chemikalien darstellen. Bei der Analyse ihrer Struktur und Eigenschaften fiel dem Wissenschaftler auf, dass es hier ein strenges Muster gibt. Sie bildete die Grundlage der von ihm geschaffenen Theorie der chemischen Struktur. Am 17. Februar 1858 hielt Butlerov einen Bericht bei der Pariser Chemischen Gesellschaft, wo er erstmals seine theoretischen Vorstellungen über die Struktur der Materie darlegte. Sein Bericht stieß auf allgemeines Interesse und lebhafte Diskussionen: "Die Fähigkeit von Atomen, sich miteinander zu verbinden, ist unterschiedlich. Besonders interessant in dieser Hinsicht ist Kohlenstoff, der laut August Kekule vierwertig ist", sagte Butlerov in seinem Bericht. Man beachte nicht, dass sich die Art der Verbindung in den Eigenschaften widerspiegelt der entsprechenden Verbindungen. Solche Gedanken hat noch niemand geäußert. „Vielleicht ist die Zeit gekommen“, fuhr Butlerov fort, „wenn unsere Forschung die Grundlage einer neuen Theorie der chemischen Struktur von Substanzen werden sollte.“ Diese Theorie wird sich durch die Genauigkeit mathematischer Gesetze auszeichnen und es ermöglichen, die Eigenschaften vorherzusagen von organischen Verbindungen.“ Einige Jahre später stellte Butlerov während einer zweiten Auslandsreise die von ihm erstellte Theorie zur Diskussion. Das gab er auf dem 36. Deutschen Naturforscher- und Ärztetag in Speyer bekannt. Der Kongress fand im September 1861 statt. Er hielt einen Vortrag vor der Chemieabteilung. Das Thema hatte einen mehr als bescheidenen Namen – „Etwas über die chemische Struktur von Körpern“. In dem Bericht drückt Butlerov die wichtigsten Bestimmungen seiner Theorie der Struktur organischer Verbindungen aus. Dies ist zunächst die Definition des Begriffs „chemische Struktur“, die Butlerov wie folgt formuliert: „Ausgehend von der Vorstellung, dass jedes chemische Atom, das Teil des Körpers ist, an der Bildung dieses letzteren teilnimmt und hier mit einer ihm zukommenden chemischen Kraft (Affinität) wirkt, nenne ich die chemische Struktur die Verteilung der Wirkung dieser Kraft, durch die sich chemische Atome, die sich mittelbar oder unmittelbar gegenseitig beeinflussen, zu einem chemischen Teilchen verbinden. „Diese Definition von Butlerov ist so tiefgehend“, schreibt Akademiker A. E. Arbuzov in seinem Buch, „so bedeutungsvoll, dass sie sich im Grunde nicht von dem unterscheidet, was wir derzeit unter chemischer Struktur im Lichte der neuesten wissenschaftlichen Ideen über die Struktur eines chemischen Partikels verstehen (Moleküle). Äußerst wichtig, besonders für die damalige Zeit, ist auch die Stelle in dem Bericht, wo Butlerow von der Möglichkeit spricht, die Struktur der Moleküle einer Substanz durch chemische Methoden und vor allem durch die Methoden der Synthese organischer Verbindungen zu beurteilen. Zu diesem Thema sagt Butlerov in seinem Bericht: „Schlussfolgerungen über die chemische Struktur von Stoffen lassen sich aller Wahrscheinlichkeit nach am besten auf der Untersuchung der Methoden ihrer synthetischen Bildung stützen – und vor allem auf solchen Synthesen, die bei einer Temperatur durchgeführt werden, die.“ ist leicht erhöht und erfolgt im Allgemeinen unter Bedingungen, bei denen man den Verlauf der allmählichen Komplikation eines chemischen Partikels verfolgen kann. Die wichtigste Stelle in Butlerovs Bericht ist jedoch die Frage nach der Möglichkeit, die Struktur einer Substanz durch Formeln auszudrücken. In dieser grundlegenden Frage unterschied sich Butlerovs wissenschaftliche Position deutlich von den Ansichten und Überzeugungen all seiner Vorgänger. Es war AM Butlerov, im Gegensatz zu Gerard, Kekula, Kolbe und anderen Chemikern, die es für möglich und notwendig hielten, die Struktur einer bestimmten Verbindung mit nur einer Formel auszudrücken, dass Butlerov der wahre Schöpfer der Theorie der chemischen Struktur ist. Die Theorie hat also ihre Daseinsberechtigung erklärt. Es erforderte weitere Entwicklung und experimentelle Beweise. Im Jahr 1863 erhielt Butlerov durch Einwirkung von Acetylchlorid mit Dimethylzink zum ersten Mal in der Geschichte der Chemie den einfachsten tertiären Alkohol – tertiären Butylalkohol oder Trimethylcarbinol. Kurz darauf erschienen in der Literatur Berichte über die erfolgreiche Synthese primärer und sekundärer Butylalkohole. Nun gab es keinen Streit mehr – es gab vier verschiedene Butylalkohole. Und sie sind alle Isomere. Was für ein Triumph für die Strukturtheorie! Und wie glücklich war der Autor. Der Triumph von Butlerovs Theorie der chemischen Struktur organischer Verbindungen war die richtige Erklärung auf der Grundlage dieser Theorie der Phänomene der Isomerie. In dem 1863 auf Deutsch und 1864 auf Französisch veröffentlichten Artikel „Über verschiedene Arten der Erklärung einiger Fälle von Isomerie“ kam Butlerov zu dem Schluss: „Wenn sich Stoffe bei gleicher Zusammensetzung in ihren Eigenschaften unterscheiden, dann müssen sie sich auch in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden.“ Struktur." Die beste Bestätigung von Butlerovs Isomerietheorie war die Synthese der theoretisch vorhergesagten Isomere – Isobutan und Isobutylen. In den Jahren 1862–1865 brachte Butlerov die Hauptposition der Theorie der reversiblen Isomerisierung zum Ausdruck – die Tautomerie, deren Mechanismus laut Butlerov die Aufspaltung von Molekülen einer Struktur und die Kombination ihrer Reste zu Molekülen einer anderen Struktur ist. Der Erfolg gab dem Wissenschaftler Selbstvertrauen, stellte ihn aber gleichzeitig vor eine neue, schwierigere Aufgabe. Es war notwendig, die Strukturtheorie auf alle Reaktionen und Verbindungen der organischen Chemie anzuwenden und vor allem ein neues Lehrbuch über organische Chemie zu schreiben, in dem alle Phänomene unter dem Gesichtspunkt einer neuen Strukturtheorie betrachtet würden. Butlerov arbeitete fast zwei Jahre ohne Unterbrechung an dem Lehrbuch. Das Buch "Introduction to the Complete Study of Organic Chemistry" wurde 1864-1866 in drei Auflagen veröffentlicht. Das Erscheinen dieses Lehrbuches war von großer Bedeutung für die Verbreitung der neuen Lehre unter den Chemikern. Das Buch verursachte eine echte Revolution in der chemischen Wissenschaft. Bereits 1867 wurde mit der Übersetzung und Veröffentlichung in deutscher Sprache begonnen. Die Veröffentlichung von Butlerov in russischer und deutscher Sprache eines Handbuchs zur organischen Chemie, in dem zum ersten Mal die Theorie der chemischen Struktur konsequent durch alle damals bekannten Klassen organischer Verbindungen durchgeführt wurde, trug zusammen mit seinen brillanten Synthesen zur breiten Anerkennung bei und Stärkung seiner Theorie unter Chemikern auf der ganzen Welt. Kurz darauf erschienen Ausgaben in fast allen wichtigen europäischen Sprachen. Laut dem deutschen Forscher Victor Meyer ist es "ein Leitstern in der überwiegenden Mehrheit der Forschung in der organischen Chemie" geworden. Butlerov entwickelte in seiner Forschung die Strukturtheorie weiter. Er wollte beweisen, dass alle Arten organischer Verbindungen verzweigte und gerade Kohlenstoffketten haben können. Dies ergab sich direkt aus der Theorie, die theoretischen Aussagen mussten jedoch in der Praxis bewiesen werden. Ist es nicht möglich, einen Kohlenwasserstoff – zum Beispiel Butan – zu erhalten, dessen vier Kohlenstoffatome nicht nacheinander, sondern auf die Art und Weise miteinander verbunden wären, wie sie im Trimethylcarbinol verbunden sind? Doch um die richtige Methode für seine Synthese zu finden, waren viele Experimente erforderlich. Und schließlich waren Butlerovs Bemühungen von Erfolg gekrönt. In einem großen Kolben war das lang ersehnte Isobutylen. Die Existenz einer verzweigten Kette von Kohlenwasserstoffen wurde nachgewiesen! Übrigens hat die Produktion von Kohlenwasserstoffen und Alkoholen, an der Butlerov beteiligt war, heute einen kolossalen industriellen Maßstab erreicht, sie werden in Millionen Tonnen produziert. Autor: Samin D. K.
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