Как было показано ранее, состав неорганических соединений можно однозначно описать с позиций атомно-молекулярного учения при помощи эмпирических (экспериментально установленных) формул. В начале XIX в. ученые считали, что для каждого соединения характерна своя собственная эмпирическая формула и что для двух различных соединений она не может быть одинаковой.

На первых стадиях зарождения и развития органической химии весьма актуальной задачей явилось установление эмпирических формул соединений. Еще в 80-х гг. XVIII в. А. Лавуазье пытался определить относительное содержание углерода и водорода в органических соединениях, сжигая изучаемое вещество и взвешивая образующиеся продукты реакции: CO₂ и H₂O₅ однако результаты такого определения не всегда были достаточно точными. В начале XIX в. Жозеф Луи Гей-Люссак и его коллега Луи Жак Тенар усовершенствовали этот метод путем предварительного смешивания анализируемого вещества с окислителем, например, KClO₃. В этом случае горение изучаемого соединения происходило быстрее и полнее. Как свидетельствуют данные, представленные в табл. 9.1, полученные Гей-Люссаком и Тенаром результаты отличались достаточно высокой точностью. К 1811 г. Ж.Л. Гей-Люссак и Л.Ж. Тенар представили эмпирические формулы около двадцати органических соединений, в том числе и некоторых простых сахаров (см. табл. 9.1).

Таблица 9.1

Результаты наиболее точного определения количественного элементного состава (в процентах по массе) некоторых органических соединений, полученные в первой четверти XIX в.^{343}

^{Юстус Либих (1803–1873)}

Немецкий химик Юстус Либих произвел дальнейшее усовершенствование методики анализа и смог получить весьма достоверные эмпирические формулы. Два года спустя французский химик Жан Батист Андре Дюма модифицировал метод Ю. Либиха таким образом, что в дополнение к углероду, водороду и кислороду стало возможным определять содержание азота в органических веществах. Однако в процессе своих исследований эти основоположники органического анализа получили такие неожиданные результаты, которые пошатнули веру в незыблемость эмпирической формулы.

В начале двадцатых годов XIX в. Ю. Либих обучался и стажировался в Париже, где был принят в лабораторию Гей-Люссака. Анализируя результаты изучения Ю. Либихом фульминатов серебра (солей гремучей кислоты), а Ф. Велером — цианатов серебра (солей циановой кислоты), Гей-Люссак обнаружил, что эмпирические формулы соединений идентичны, а химические свойства их существенно различаются. В 1830 г. Берцелиус установил, что две органические кислоты — виноградная и винная — хотя и обладают различными свойствами, описываются одной и той же эмпирической формулой C₄H₆O₆. Поскольку соотношение элементов в этих различных соединениях было одинаковым, Берцелиус предложил называть такие соединения изомерами (от греческих слов ισος — равный, одинаковый и μερος — часть, доля.) В последующие годы число вновь открытых изомеров среди органических веществ стремительно увеличивалось.

Еще в начале XIX в. среди достаточно большой группы ученых (к ней принадлежали Ж.Л. Гей-Люссак и И.Я. Берцелиус) получила распространение точка зрения, согласно которой свойства органических веществ обусловлены не только качественным и количественным элементным составом, но и конституцией соединения. Этот термин обозначал некую внутримолекулярную упорядоченность атомов или их группировок. Понятие «конституция» послужило прообразом более поздних представлений о структуре веществ, однако, в отличие от последних, не учитывало особенностей распределения сил сродства между атомами^{344}.

^{Жан Батист Андре Дюма (1800–1884)}

Среди ученых росла уверенность в том, что, если две молекулы построены из одинакового числа одних и тех же атомов и при этом обладают различными свойствами, значит, причина этого коренится в конституции этих веществ. Другими словами, эти вещества различались способом расположения атомов в самих молекулах. В сложных органических молекулах при большом числе атомов количество возможных вариантов их взаимного расположения возрастает настолько, что химикам первой половины XIX в. задача приведения в соответствие строения соединения и его свойств казалась едва ли разрешимой. Даже вопрос о строении виноградной и винной кислот, молекулы которых содержат всего шестнадцать атомов, для ученых того времени был чрезвычайно сложен.

Среди химиков-органиков первой половины XIX в. стали распространяться настроения отказаться от попыток расшифровать строение сложных органических молекул. Однако результаты исследований Ж.Л. Гей-Люссака и Л.Ж. Тенара вселили надежду на возможность победы в этой сложнейшей научной головоломке.

Изучая циановодород HCN, французские ученые сумели доказать: несмотря на то что в его состав не входит кислород, его водный раствор обладает свойствами кислоты. Они также установили, что цианидная группа –CN может переходить от соединения к соединению, не разлагаясь на отдельные атомы углерода и азота. Группа из двух и более атомов, обладающая определенными свойствами, способная без изменения переходить из одной молекулы в другую, а в стехиометрическом плане соответствующая реальному атому была названа радикалом (от лат. radical — корень). Безусловно, группа –CN относится к числу простейших радикалов. Однако вскоре после этого были обнаружены и другие радикалы, состав которых был намного сложнее. В совместной работе Ф. Велер и Ю. Либих сумели доказать, что к числу радикалов можно отнести бензоильную группу C₇H₅O–. У ученых появилась надежда, что тайну строения больших органических молекул можно раскрыть. Для этого нужно лишь установить строение определенного числа различных радикалов. Таким образом, появление представлений о радикальном составе в дополнение к элементному составу служило своеобразным искусственным увеличением количества элементов, что позволяло объяснить многообразие органических веществ.

Первая половина XIX в. характеризуется появлением многочисленных теорий строения органических соединений. Частая смена одних теорий другими, столкновения мнений ведущих ученых были обусловлены разными причинами. Во-первых, химики еще не располагали достаточно надежными данными ни о составе, ни, тем более, о строении органических веществ. Во-вторых, для объяснения полученных результатов они прибегали к положениям явно устаревшей кислородной теории А. Лавуазье или электрохимической теории Г. Дэви и И.Я. Берцелиуса (см. гл. 8, п. 8.8). В-третьих, немалую роль в борьбе теоретических концепций этого периода играл авторитаризм ведущих ученых, подавлявших, нередко в угоду собственным воззрениям, более прогрессивные идеи менее именитых химиков^{345}.