Одновременно с появлением атомно-молекулярной теории Дальтона — Авогадро перед учеными встал вопрос о взаимном расположении атомов в молекулах простых и сложных веществ.
В 1852 г. английский химик Эдуард Франкланд разработал учение о валентности. Он определил валентность как способность атомов одного элемента соединяться с определенным числом атомов другого элемента.
За единицу ее измерения была принята валентность атома водорода. В конце пятидесятых годов прошлого века немецкий ученый Август Фридрих Кекуле показал, что валентность В элемента есть частное от деления его атомной массы А на эквивалент Э:
В = А/Э
В 1858 г. А. Кекуле и молодой шотландский химик Арчибальд Скотт Купер одновременно и независимо друг от друга установили четырех валентность атома углерода и высказали предположение, что в органических соединениях атомы углерода могут соединяться между собой с образованием цепочек типа рис. выше.
Для предельных углеводородов А. Кекуле вывел общую формулу СnН2n+2
В 1861 г. русский химик-органик Александр Михайлович Бутлеров высказал принципиально важное положение, что в химическом соединении каждый атом связан непосредственно (с помощью устойчивых и относительно закрепленных связей) или косвенно (через взаимное влияние) со всеми остальными атомами. Он выдвинул представление о «химическом строении» молекул как о порядке межатомных связей в них и сформулировал основное положение новой теории:
химические свойства молекулы определяются природой составляющих ее атомов, их общим количеством и порядком связи друг с другом.
Блестящим подтверждением правильности взглядов А. М. Бутлерова явилось объяснение некоторых случаев изомерии взаимным влиянием не связанных непосредственно атомов. В 1864 г. А. М. Бутлеров получил третичный бутиловый спирт (СН3)8С—ОН, существование которого было предсказано Германом Кольбе, вывел теоретически возможные формулы спиртов, содержащих от одного до пяти атомов углерода, и получил некоторые из них.
Далее он предсказал существование изомерии предельных углеводородов и синтезировал все изомеры, имеющие состав С4Н10. Один из очень немногих в то время сторонников новой теории Эмиль Эрленмейер предложил для непредельных углеводородов формулы с двойными (С = С) и тройными (С≡С) углерод-углеродными связями.
Большой вклад в развитие теории химического строения внес выдающийся немецкий химик-органик, близкий друг К. Маркса и Ф. Энгельса, Карл Шорлеммер. В отличие от большинства своих современников, этот ученый был сознательным сторонником диалектического материализма.
Именно знание диалектики и умение применить ее в конкретной области естествознания позволили К. Шорлеммеру заложить экспериментальную основу современной органической химии. В 1864 г. он установил, что все четыре валентности атома углерода равноценны.
Это открытие позволило ввести современные структурные формулы и разработать номенклатуру органических соединений. В последующие годы К. Шорлеммер изучил весь ряд предельных углеводородов и их производных до октана включительно.
Оценивая значение этих работ, Ф. Энгельс писал: «Тем, что нам сейчас известно об этих парафинах, мы обязаны главным образом Шорлеммеру. Он исследовал имеющиеся вещества, принадлежащие к ряду парафинов, отделил одни от других и многие из них впервые получил в чистом виде; другие вещества, которые теоретически должны были существовать, но в действительности не были еще известны, были открыты и получены также им. Таким образом, он стал одним из основоположников современной научной органической химии».
Рис. 2. Формулы бензола
В 1866 г. А. Кекуле распространил теорию химического строения на ароматические соединения. В частности, им была предложена знаменитая формула бензола:
И последствии изменился лишь способ ее написания. Однако ни формула Кекуле, ни другие ее варианты (Рис. 2) не смогли полностью объяснить некоторые, очень важные свойства бензола.
Причина особого химического поведения ароматических соединений оставалась загадкой вплоть до создания современной теории химической связи.
Рис. 3. Формула бензола
В семидесятые годы прошлого века теория химического строения обогатилась представлениями о пространственном расположении атомов в молекулах органических соединений. Голландский химик Якоб Хендрик Вант Гофф выдвинул гипотезу, смысл которой заключался в следующем: все четыре валентности атома углерода равномерно распределены в пространстве и направлены от центра правильного тетраэдра к его четырем вершинам. Эта гипотеза получила впоследствии теоретическое обоснование и была подтверждена экспериментально.
Статья на тему Теория химического строения