книги / Органическая химия.-1

В предлагаемом учебнике авторы попытались изложить основы органической химии на современном уровне развития этой нау­ ки. Расположение и объем материала соответствуют программе по органической химии для химико-технологических вузов. Основу содержания составляет курс лекций по органической химии, читае­ мый в Ленинградском технологическом институте имени Ленсовета.

Теоретические вопросы излагаются на основе бутлеровских пред­ ставлений о взаимном влиянии атомов в молекулах и современных квантовомеханических воззрений. Общие сведения об использовании электронных представлений в органической химии сосредоточены в начале книги. При чтении лекций этот материал обычно дается час­ тями, по мере изложения фактического материала, так как в процес­ се изучения органической химии приходится возвращаться неодно­ кратно к электронным представлениям.

В ряде случаев отмечается исключительная роль в современной органической химии, физических методов исследования, однако в данном учебнике излагается только сущность некоторых из этих ме­ тодов. Найти более'подробные сведения можно в курсах физики или в специальных монографи!ях, список которых дан в конце книги.

Значительное место отведено описанию механизмов важнейших реакций й практическому использованию достижений органической химии.

Кроме программного материала, учебник содержит также мате­ риал для более углубленного изучения (набран петитом).-Вопросы для повторения и задачи не приводятся, так как в последнее время издано несколько пособий для семинарских занятий по органической химии, в том числе и сотрудниками нашей кафедры.

При подготовке книги к третьему изданию авторы ставили целью более глубокое освещение материала, особенно теоретических во­ просов, при сохранении неизменным объема фактического материала.

Переработке подверглись почти все разделы книги. Устранены выявленные ошибки и неточности, а также внесены некоторые изме­ нения, связанные с достижениями органической химии за пос­ ледние годы.

Авторы глубоко признательны всем коллегам, которые в своих письмах указали подмеченные недостатки и неточности и высказали пожелания относительно углубления или расширения отдельных раз­

делов книги. Многие из этих пожеланий учтены. Что же касается предложений об увеличении фактического материала, то в их реали­ зации авторы проявили определенную сдержанность, так как пола­ гают, что учебник должен давать только основы науки. Для расши­ рения своих познаний студенты могут пользоваться дополнительными учебными пособиями, монографиями и т. д.

Авторы заранее благодарны за все замечания и указания, которые они надеются и в дальнейшем получать от тех, кто будет пользовать­ ся этим учебником.

А . А . Петров X . В . Вальян А . Т. Трощенко

ВВЕДЕНИЕ

1. Предмет и пути развития органической химии

Органическая химия изучает соединения углерода — углеводо­ роды и их производные, в состав которых могут входить почти все элементы периодической системы.

Выделение органической химии в самостоятельную научную дис­ циплину обусловлено большим числом и многообразием соединений углерода, наличием специфических свойств, отличающих их от со­ единений других элементов, и, наконец, их исключительным значе­ нием в жизни человека.

В настоящее время известно несколько миллионов органических соединений, в то время как соединений неорганических всего не­ сколько десятков тысяч.

Превращения органических соединений управляются общими за­ конами химии, а также специфическими закономерностями, харак­ терными только для органических соединений. Органические со­ единения обычно менее стойки, чем неорганические, легче окисляются (горят), подавляющее большинство из них имеет только ковалентные связи между атомами.

Особое положение органической химии в системе наук обуслов­ лено еще и тем, что она изучает более высоко организованную мате­ рию, чем неорганическая химия, и тесно связана с биологией: ор­ ганические вещества появились во вселенной позже неорганических, они являются носителями жизнедеятельности организмов человека, животных и растений.

Но не только этим определяется исключительное значение орга­ нической химии. Органические соединения составляют основу мно­ гих отраслей химической промышленности (пластических масс, син­ тетического каучука и резины, моторного топлива и смазочных мате­ риалов, растворителей, лаков и пигментов, красителей для волокна, медикаментов, взрывчатых веществ, текстильных, кожевенных и пищевых материалов и т. д.) и широко используются в производстве.

С древнейших времен люди использовали природные органичес­ кие вещества и получали из них различные продукты, например спиртные напитки (вино, пиво, «мед»), уксус, органические краси­ тели (пурпур, индиго, ализарин), эфирные масла, сахар и др.

чался из растительного сырья. В 1845 г. немецкий химик Кольбе синтезировал уксусную кислоту, в 1854 г. французский ученый Бертло — жиры, а в 1861 г. А. М. Бутлеров — первое синтетиче­ ское сахаристое вещество*.

Гибель витализму принес успешно развивающийся в первой по­ ловине XIX в. основной метод органической химии — метод органи­ ческого синтеза.

Первоначально синтез одних веществ из других осуществлялся случайно, по интуиции. Однако исследователи подмечали все больше закономерностей в переходах одних веществ в другие. Эти закономер­ ности позволяли группировать органические вещества. Так, напри­ мер, выявилось сходство между такими веществами, как спирт, хлористый этил, этиловый эфир. Все они содержат группировку ато­ мов (радикал) С2Н4 (в современном написании), названную «этерином». Спирт и эфир — гидраты этерина, хлористый этил — гидро­ хлорид этерина (Дюма, Берцелиус).

Крупнейший немецкий ученый Либих с учениками, используя масло горьких миндалей, получил ряд веществ, содержащих груп­ пировку (радикал) С6Н5СО (бензойный альдегидС6Н5СО — Н, бензой­ ную кислоту С6Н5СО—ОН, хлористый бензоил С6Н5СО—С1 и т. д.).

Эти и другие достижения химиков привели к созданию первой теории органической химии — теории радикалов (Дюма, Либих, Берцелиус). Ее авторы полагали, что радикалы играют в органичес­ ких соединениях роль атомов и не могут изменяться при химических превращениях. Однако вскоре было установлено, что в органических радикалах атомы водорода могут замещаться даже на такие отличные от водорода по своей химической природе атомы, как атомы хлора (Дюма), и при этом тип химического соединения сохраняется.

Теорию радикалов сменила более совершенная и охватывающая больший экспериментальный материал теория типов (Лоран, Же­ рар, Дюма).

Большинство сторонников теории типов (Жерар, Кольбе, Кекуле •и др.) были идеалистами-агностиками. Они исходили из того, что не­ возможно определить строение вещества опытным путем. Можно только классифицировать органические вещества по типам превра­

Первоначально насчитывали четыре, затем пять типов органичес­ ких соединений: тип водорода, хлористого водорода, воды, аммиака и метана.

Теория типов искусственно и с большими натяжками позволяла классифицировать уже большой опытный материал, накопившийся к середине XIX в. Возможности предсказывать существование и пути синтеза органических соединений неизвестных классов она не давала.

* О витализме Ф. Энгельс писал, что жизненная сила «выступает здесь как нечто вложенное в организм извне, а не присущее ему и неотделимое от него. Поэтому-то жизненная сила и была последним убежищем всех супранатурали­ стов» (Ф. Э н г е л ь с. Диалектика природы. Госполитиздат, 1964, стр. 247),

Органическая химия в эти годы представляла, по выражению Вёлера, то «девственный тропический лес, полный самых замечатель­ ных вещей», то «страшные джунгли, в которые никто не решается проникнуть, так как кажется, что из них нет выхода».

Дальнейшее развитие науки требовало создания новой, более прогрессивной теории. В создание такой теории органической хи­ мии внесли свой вклад ученые нескольких стран — в первую очередь русский ученый А. М. Бутлеров, шотландец Купер и крупнейший немецкий химик Кекуле.

Кекуле (одновременно с его соотечественником Кольбе) уста­ новил четырехвалентность углерода й (одновременно с Купером) раз­ вил идею о способности углеродных атомов соединяться в длинные цепи. Купер предложил современную систему изображения строе­ ния химических соединений с помощью черточек. Однако эти ученые считали строение молекул непознаваемым и, выдвигая свои идеи, имели целью лишь систематику, классификацию и описание мате­ риала.

А. М. Бутлеров исходил из материалистических представлений, основанных на атомистическом учении М. В. Ломоносова и Дальтона.

Начиная с 1858 г. А.- М. Бутлеров развивает и экспериментально обосновывает теорию химического строения. Сущность этой теории заключается в трех основных положениях: 1) химические вещества определенным образом построены, т. е. имеют строгий порядок в чередовании атомов в молекуле, определенную закономерность во влиянии атомов друг на друга (как соседних, так и через другие ато­ мы); 2) химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства; 3) изучение свойств веществ позволяет опре­ делить их химическое строение.

В отличие от ранее существовавших теорий, теория химического строения позволяла классифицировать весь накопившийся и новый экспериментальный материал и, что самое важное, предсказывать возможное число органических соединений определенного состава и вероятные пути их синтеза, т. е. допускала экспериментальную про­ верку. Она стала общей теорией органической химии как науки.

Теория химического строения была подтверждена получением Бутлеровым и его учениками, а затем и другими химиками всех пред­ сказанных этой теорией изомеров простейших органических соеди­ нений. Так, например, были синтезированы предсказанные теорией изобутан, изобутилен, третичные спирты и т. д.

Позднее Кекуле также стал на позиции теории строения и сделал особенно крупный вклад в создание структурной теории разработкой вопросов строения ароматических соединений.

Для написания структурной формулы любого органического сое­ динения используют четыре основных свойства углерода: 1) четырех­ валентность, а также способность его атомов 2) соединяться в цепи,

3)образовать двойные и тройные связи и 4) образовать циклы.

Всемидесятых годах XIX в. теория строения дополнилась тео­ рией пространственного расположения атомов в молекулах — сте• реохимической теорией (Вант-Гофф, Лебель).

химической промышленности, как азотнотуковая, анилинокрасочная, пластических материалов, искусственного волокна, лакокрасоч­ ная. Впервые в мире построены и пущены в эксплуатацию заводы по производству синтетического каучука способом, разработанным ака­ демиком С. В. Лебедевым. Выпуск химической продукции увели­ чился в 1940 г. по сравнению с 1913 г. почти в 25 раз.

Нападение фашистской Германии на нашу страну нанесло всей промышленности, в том числе и химической, огромный урон. Было выведено из строя более половины всех действовавших производ­ ственных мощностей.

Химическая промышленность, как и остальные отрасли народ­ ного хозяйства, после войны была быстро восстановлена и реорга­ низована. Выпуск химической продукции к 1959 г.— первому году семилетнего плана — увеличился по сравнению* с довоенным 1940 г. больше чем в пять раз, а по сравнению с дореволюционным 1913 г.—

США), а по темпам развития опередил все капиталистические стра­

и в последующие годы. Они отражены в реализованных страной с пере­ выполнением семилетием (1959—1965 гг.) и пятилетием (1966—1970 гг.) планах.

Вмарте 1971 г. состоялся очередной XXIV съезд Коммунистичес­ кой партии Советского Союза, который обсудил итоги выполнения восьмого пятилетнего плана и принял директивы по составлению оче­ редного, девятого пятилетнего плана развития народного хозяйства

СССР на .1971—1975 гг.

Вминувшем пятилетии производство химической продукции еже­ годно возрастало в среднем на 12%. Вступило в строй действующих предприятий более 1000 заводов и цехов. Производительность труда

вхимической промышленности увеличилась на 46%.

Вновой девятой пятилетке предусматривается увеличение вы­ пуска продуктов химической и нефтехимической промышленности в

тений, медикаментов, красителей, продуктов, заменяющих пищевое сырье, и т.* д. Производительность труда возрастет к концу пятилет­

зуется в области т е о р и и все большим проникновением методов квантовой механики в органическую химию. С их помощью химики пытаются решить вопрос о причинах того или иного проявления вза-