Бутлеров Александр Михайлович

Бутлеров Александр Михайлович

1828, Ресей, Қазан губерниясының Чистополь қаласы — 5(17).8.1886, Қазан губерниясы Бутлеровка деревясы — орыс ғалымы, химия ғылымының докторы (1854), химиялық құрылыс теориясының негізін салушы. 1849 жылы Қазан университетін бітіріп, 1849 — 68 жылы осы университетте жұмыс істеді. Өзінің алғашқы ғылыми-зерттеу жұмыстарын Қазан университетінде атақты химиктер Н.Н. Зинин мен К.К. Клаустыңбасшылығымен жүргізді. Санкт-Петербург университетінің проф. (1868), Санкт-Петербург ҒА-ның академигі (1874), 1880 — 83 жылы Ресей физика-химия қоғамының президенті болды. Бутлеров 1857 —18 58 жылы  Германия мен Францияда

 ғылыми жұмыспен айналысты. Ш.А. Вюрцтің лабораториясында (Париж) йодты метилен (СН2 І2) алуды жүзеге асырды (1858). 1861 ж. йодты метилен арқылы құмырсқа альдегидінің полимерін (диоксиметилен), одан алғаш рет жасанды қант негіздес зат “метиленитан” қосылысын алды. Бутлеров қарапайым спирттер, әсіресе, қанбаған қосылыстар қасиеттерін зерттеді, олефиндерді полимерлеу мен қайтымды изомерлердің теориялық және эксперименталдық негізін салды. 1864 — 66 жылы Бутлеровтың “Введение к полному изучению органической химии” деген іргелі еңбегі жарық көрді.

Бутлеровтың құрылыс теориясы   органикалық қосылыстардағы 

атомдардың өзара байланысу тәртібін көрсететін теория. Оның негізін 1861 жылы Қазан университетінің профессоры А.М. Бутлеров қалаған. Бұл теория бойынша 4 негізгі ережеге сүйенуге болады:

1) молекуладағы атомдар өздерінің валенттілігіне сәйкес өзара белгілі тәртіп бойынша байланысады. Атомдардың байланысу реті химиялық құрылысты береді. Мыс., бутан молекуласында (С4Н10) көміртек атомдары түзу (тармақталмаған) және тармақталған тізбек түзіп, екі түрлі орналасады; 
2) заттардың қасиеттері олардың молекулаларының құрамына қандай атомдардың және олардың қандай мөлшерде кіргенінде ғана емес, сонымен қатар олардың өзара қандай ретпен байланысқандығына (хим. құрылысына) да тәуелді болады;

3) молекула түзетін атомдар немесе атомдар тобы өзара бір-біріне әсер етеді, молекуланың химиялық реакцияларға түсу қабілеті осыған байланысты; 
4) құрамы мен молекулалық массасы бірдей, бірақ молекула құрылысы әр түрлі, сондықтан да қасиеттері де әр түрлі заттар изомерлер деп аталады. Мыс., изобутан, изопропан, т.б. Атомдар молекулаға біріккенде бір-біріне әсер ететіндігін бейорганикалық заттардан да байқауға болады. Мыс., сутек пен оттек әрекеттесуінен су молекуласы түзілгенде судың құрамындағы сутек атомдары жанбайды, ал оттек жануды қолдамайды. Бутлеровтың құрылыс теориясы зат жөніндегі түсінікті тереңдетті, молекуланың құрылысын түпкілікті зерттеуге жол ашты, табиғаттағы көптеген жаңа заттарды болжауға және синтездеуге мүмкіндік берді.

Химиялық құрылыс теориясы

XIX ғасырдың бірінші жартысында қарқындап дамып келе жатқан өнеркәсіпке қажет көптеген органикалық заттар (әр түрлі бояулар, дәрі-дәрмек, жарылғыш заттар, т.б.) алынып, зерттеле бастады. Сондықтан жинақталған тәжірибелік материалдарды жүйелеп түсіндіретін ілім қажет болды. Сол кезде көптеген мәселелер түсініксіз болды. Мысалы, "Екі ғана элемент — көміртек пен сутектен тұратын қосылыстардың саны неге өте көп (СН4, С2Н2, С2Н4, С2Н6, С6Н6 және т.б.)?", "Бұл қосылыстардағы көміртек атомдарының валенттіктерін қалай түсіндіруге болады?", "Құрамдары (формулалары) бірдей кейбір заттар (С6Н12О6 — глюкоза мен фруктоза, С2Н6О — этил спирті мен диметил эфирі) неліктен әр түрлі қасиет көрсетеді?" деген сияқты сансыз көп сұрақтар туды.

Неміс ғалымдары А. Кекуле мен А. Кольбенің зерттеулері нәтижесінде (1857 жылдары) көміртек атомының валенттіктері төртке тең екені және басқа көміртек атомдарымен тізбек түзе байланыса алатындығы белгілі болды. Сол кезден бастап көміртек атомы оның валенттіктерін бейнелейтін төрт сызықша арқылы байланысқан "С" таңбасы арқылы белгіленді.

Кекуле Фридрих Август (1829-1896) Неміс химигі. Кольбемен қатар көміртектің төрт валентті екенін болжады (1857 жылы). Көміртек атомдарының n санымен байланысқан сутекатомдарының саны 2n+2-ге тең болатындығын алғаш дәлелдеді. Бензол молекуласының циклді пішінін ұсынып (1865 жылы), Бутлеровтың химиялық құрылыс теориясын ароматты қосылыстарға пайдаланды. Ароматты қосылыстар теориясын жасады. Карлсруэде өткен химиктердің I Халық- аралық конгресін ұйымдастырушылардың бірі.

Кольбе Адольф Вильгельм Герман (1818-1884) Неміс химигі. Төртхлорлы көміртекті элементтерден синтездеуге болатынын (1843 жылы) дәлелдеді. Карбон қышқылдарының тұздарынан электрохимиялық жолмен қаныққан көмірсутектерді электролиздеп алу әдісін ашты (Кольбе реакциясы). Екіншілік және үшіншілік спирттердің болатынын болжады. Кекулемен қатар көміртектің төрт валентті екендігін айтты. Радикалдар теориясын қолдады.

Бірақ бұл ғалымдар органикалық химияда сол кезде түсініксіз болған көп сұрақтарға жауап беретін жалпы теорияны шығара алмады.

Осындай көп мәселелерді Қазан университетінің профессоры Александр Михайлович Бутлеров 1861 жылы негізін қалаған органикалық қосылыстардың химиялық құрылыстеориясы түсіндірді. Ол теорияның негізгі қағидалары мыналар:

1. Органикалық зат молекуласындағы атомдар ретсіз орналаспайды, олар өздерінің валенттіктеріне сай белгілі бір ретпен байланысады. A. М. Бутлеров молекуладағы атомдардың байланысу ретін заттың химиялық құрылысы депатады.

2. Заттың қасиеті оның молекуласының құрамына, қандай атомдардың қанша мөлшерде кіретіндігіне тәуелді болуымен қатар молекуладағы атомдардың өзара байланысу ретіне де (яғни, химиялық құрылысына) тәуелді болады. Молекуладағы атомдардың байланысу реті көрсетілген химиялық формула құрылымдың формула немесе құрылыс формуласы деп аталады. Зат молекуласының құрылысын осы заттың өзіне ғана тән жалғыз құрылымдың формуласы арқылы өрнектеуге болады.

3. Молекула құрамындағы атомдар мен атом топтары бір- бірінің химиялық қасиетіне әсер етеді. Бір-бірімен тікелей байланысқан атомдар мен атом топтарының өзара әсерлері күштірек болады.

4. Заттың қасиеті арқылы оның молекуласының құрылысын анықтауға және керісінше оның молекуласының химиялық құрылысы бойынша заттың қасиетін болжауға болады.

Молекуланың химиялық құрылысы

Енді химиялық құрылыс теориясының кейбір жағдайларын талдап түсінейік.

1. Органикалық қосылыстар  молекуласындағы әр элемент атомы өзінің валенттігіне сәйкес (көміртек — төрт, оттек — екі, сутек — бір валентті) белгілі бір тәртіппен қосылады. Көміртек атомдары бірімен-бірі және басқа атомдармен ортақ электрон жұптарын түзеді. Сендер коваленттік байланыстың екі элемент атомы электрондарының жұптасуы (электрон орбитальдарының өзара қаптасуы) арқылы түзілетінін білесіңдер. Молекуладағы атомдардың байланысу ретін электрондық формуламен қатар құрылымдық формуласы да бейнелейді. Яғни, құрылымдың формула (кейде құрылыс формуласы деп те аталады) молекуладағы атомдардың өзара байланысу тәртібін көрсететін формула.

2. Сандық және сапалық  құрамдары бірдей, бірақ қасиеттері әр түрлі заттардың болуын химиялық құрылыс теориясы түсіндірді. Молекулалық формуласы бірдей С2Н6O-ға сай екі заттың құрылысы мен қасиеттерін салыстырайық. Диметил эфирінің құрамындағы оттек атомы екі жағынан көміртек атомдарымен байланысқан, сутек атомдарының бәрі көміртектермен байланысқан.

Этил спиртіндегі оттек бір көміртек және бір сутек атомымен байланысқан, сутек атомдарының бесеуі көміртекпен, біреуі оттекпен жалғаскан. Бұл екі қосылыстың қасиеттері әр түрлі. Диметил эфирі бөлме температурасында газ тәрізді, ал этил спирті — сұйық зат. Химиялық касиеттері де өзгеше.

3. Енді молекуладағы атомдар мен атом топтары бір-біріне өзара қалай әсер ететінін қарастырайық. Атомдардың (не атомдар тобының) реакцияласу қабілеті олардың қандай атомдармен байланысқанына тәуелді. Себебі атомдар мен атом топтары өзара әсерлеседі. Бір-бірімен өзара байланысқан атомдардың әсерлері көбірек болады. Жоғарыда қарастырылған диметил эфирі мен этил спиртінің құрамдарын салыстырсақ, спирт молекуласындағы оттек атомымен байланысқан сутектің қасиеті көміртекпен байланысқан сутектердің қасиеттерінен өзгеше. Электртерістігі үлкен оттек атомының әсерінен тек оттекпен байланысқан сутек қана белсенді металдармен орынбасу реакцияларына түсе алады:

2С2Н5ОН + 2Na → 2C2H5ONa+ Н2↑

Ал диметил эфиріндегі сутектер белсенді металмен орынбасу реакциясына түспейді.

4. Зат молекуласының құрылысы мен қасиеттерінің арасындағы өзара байланысқа қысқаша тоқталайық. Жоғарыда қарастырылған мысалдан молекулалық құрамдары бірдей екі заттың біреуі (диметил эфирі) белсенді металдармен әрекеттеспей, ал екіншісінің (этил спиртінің) әрекеттесетініне көз жеткіздіңдер. Осыдан диметил эфирі құрамындағы сутектердің бәрі көміртек атомдарымен байланысқанын, ал этил спиртіндегі белсенді металға орнын алмастырған бір сутектің оттек атомымен жалғасып тұрғанын болжауға болады.

Диметил эфирі мен этил спиртінің мысалында келтірілген құрылымдық формулалары арқылы жалғасып тұрған атомдар бір-біріне әсер ететіндіктен, заттардың қасиеттері(физикалық та, химиялық та) өзгеше болатынын білдіңдер. Органикалық химиямен кеңірек танысқаннан кейін өздерің де құрылымдық формулалары бойынша заттардың қасиеттерін болжай аласыңдар.

Бутлеров Александр Михайлович (1828-1886) Орыс химигі. Органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясының негізін қалады. Теорияға сүйене отырып бірқатар жаңа қосылыстарды болжап, тұңғыш рет синтездеді. Көптеген органикалық, қосылыстардың изомерленуін болжап түсіндірді (1864 жылы). Қанықпаған көмірсутектердіңполимерлену реакциясын ашып, жоғары молекулалық қосылыстарды синтездеу жолын тапты. Этиленді гидраттау жөніндегі жұмыстары этил спиртін алудың қазіргі кезде қолданылып жүрген негізгі әдістерінің бірі болып табылады. Қантты заттарды синтездеуді алғаш жүзеге асырды. "Органикалық химияны толык оқуға кіріспе" оқулығын жазды (1864 жылы).

Изомерлену құбылысы

Енді изомерлену құбылысымен кеңірек танысайық. Органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясы жасалғанға дейін құрамы С4Н10-ға сәйкес бір ғана тармақталмаған бутан белгілі болған. A. М. Бутлеров молекулалық формуласы осындай (С4Н10), бірақ молекуласындағы көміртек атомдары басқа ретпен қосылысқан тағы бір заттың болуы мүмкін екенін болжады. Кейін ол құрылысы басқа екінші бутанды (изобутанды) синтездеп алып, теориясының дұрыстығын дәлелдеді

 
Ықшамдалған формулалардағы сызықшалар көміртек атомдарының арасындағы өзара байланысу ретін ғана көрсетеді, көміртек мен сутек атомдарының арасындағы байланысты көрсетпейді.

Қаныққан көмірсутектердің бутаннан кейінгі өкілі пентанның С5Н12 үш изомері бар. Молекула құрамындағы көміртек атомдарының саны өскен сайын изомерлердің саны да өседі. Мысалы, құрамында алты көміртек атомы бар гексанның С6Н14 5 изомері, ал гептанның С7Н16 9 изомері болады. Деканның С10Н22 изомерлерінің саны 75-ке жетеді екен.

Изомерлер — молекулаларының құрамы (ягни, молекулалық формулалары) бірдей, бірақ химиялық құрылыстары әр түрлі болғандықтан, қасиеттері де өзгеше затптар.

Бутанның мысалында сендер құрылымдық изомерленумен, соның ішінде көміртек қаңқасынының изомерлерімен таныстыңдар. Изомерленудің бұл түрі көміртек тізбегіндегі көміртек атомдарының өзара қосылысу ретіне байланысты. Көміртек қаңқасы — молекуладағы көміртек атомдарының өзара байланысу ретіне қарай ашық (тізбекті, тармақты) және тұйық (циклді) болады.

Көміртек қаңқасының изомерлерін табу үшін, ең алдымен, берілген молекуладағы көміртек атомдарының санына сәйкес көміртек қаңқасын (көміртек тізбегін) құрып алады.

Көміртек атомдарының валенттіктерін төртке жеткізіп, қалған валенттіктерін сутек атомдарымен толтырамыз. Басқа көміртек атомдарымен байланысқа бір валенттігін жұмсаған шеткі көміртек атомы үш сутек атомымен, ал екі жағындағы екі көміртекпен байланысқа екі валенттігі жұмсалған ортадағы көміртек екі сутек атомымен, үш көміртек атомымен байланысып тұрған көміртек бір сутек атомымен ғана байланыса алады. Ал төрт валенттігі байланысқа түгел жұмсалған көміртек сутек атомымен байланыспайды.

Органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясының дамуы мен маңызы

Химиялық құрылыс теориясы — органикалық химияның іргетасы. Оның органикалық химиядағы маңызын бейорганикалық химиядағы Д. И. Менделеевтің периодтық жүйесіменсалыстыруға болады.