Синтез органічних речовин [1984 Штрубе В. - Шляхи розвитку хімії. Том 2. Від початку промислової революції до першої чверті XX століття]

1. Синтез органічних речовин

Синтез органічних речовин

()

* ()

Г. Кольбе [75]

Мета синтетичної хімії - створення складних речовин з елементів або простих хімічних сполук для застосування їх в практиці (в тому числі і в промисловості) і для теоретичних досліджень.

Ще в давні часи робилися спроби отримувати і покращувати природні речовини. У XVIII ст. в період меркантилізму * для зменшення залежності промисловості від імпорту сировини створювалися промислові суспільства і навіть призначалися державою премії за отримання замінників таких заморських рідкостей, як кава або какао. При цьому, звичайно, мова йшла про створення саме замінників продуктів харчування (сурогатів), а не про синтез штучних органічних речовин. Останнє взагалі вважалося неможливим, оскільки відповідно до положень теорії віталізму ** передбачалося, що органічні речовини можуть створюватися тільки в рослинних або тваринних організмах. Згідно з положеннями цієї теорії в рослинах і тваринах діє "життєва сила". Тільки під її впливом можуть утворюватися складні органічні речовини.

* ()

** ()

Корінні зміни в розвитку органічної хімії відбулися, коли завдяки елементного аналізу було з'ясовано склад багатьох органічних речовин і було доведено, що органічні речовини підкоряються тим же законам, що й неорганічні.

Коли в 1782 р К. Шеєле, вивчаючи "барвник початок" берлінської блакиті *, синтезував ціанід калію, сплавляючи графіт, поташ і хлорид амонію, його сучасники не могли зрозуміти, що робота Шеєле є по суті органічний синтез ** [29, с. 345]. П'ятдесят років по тому становище помітно змінилося. Проте, коли Ф. Велер синтезував сечовину, багато знову-таки відмовлялися визнати, що здійснений синтез органічної речовини з неорганічних. У 1824 р при дії циана на рідкий аміак Велер синтезував щавлеву кислоту. В ході цього синтезу утворювалося також ще якийсь кристалічна речовина. У 1828 р він встановив, що кристалічна речовина являє собою амонійну сіль ціанової кислоти, яка може переходити в сечовину.

* ()

** ()

Велер сам був не дуже впевнений, чи є штучне утворення сечовини з неорганічних сполук доказом можливості синтезу органічної речовини з неорганічних. З властивою йому обережністю він вважав, що тільки подальше дослідження подібних явищ може дати підтвердження такого висновку [76]. Обережність пояснювалася багатьма причинами. Одну з них Велер називав в листі до Берцелиусу: "натурфілософія сказав би, що як з вугілля тваринного походження, так і з отриманих з нього ціаністих з'єднань ще не зникла їх органічна природа і саме тому з них можна знову отримувати органічні тіла" [77, с. 206].

Синтез сечовини знову і знову ставав об'єктом спору вчених. Хіміки і історики хімії розглядали його як спростування концепцій віталізму. Наприклад, Р. Віндерліх писав: "Віра в уявлення про життєву силу похитнулася під дією" [78, с. 40]. У 1944 р Д. Мак-Кай назвав це твердження легендою, тому що віталізм і після отримання сечовини продовжував існувати ще довго [79, с. 564 і сл.] *. Якщо синтез сечовини і пов'язані з цим філософські питання розглядати не в історичному плані, то можна висунути аргументи проти кожної з цих точок зору. В історичному ж плані з'ясовуються два аспекти. Синтез сечовини розглядався не як спростування віталізму в цілому, а, мабуть, як спростування тільки однією з визнаних віталізмом концепцій, згідно з якою органічні речовини можуть створюватися тільки живими істотами за допомогою життєвої сили. Віталізм був занадто широке філософський світогляд, щоб такий синтез і навіть, як згодом виявилося, безліч таких синтезів могли спростувати його в цілому. Але в хімії віталізм (як і вся натурфілософія) втратив своє значення; пізніше умоглядні висновки натурфілософії були спростовані результатами досліджень і, як наслідок, осягненням глибин природознавства. Однак значення синтезу сечовини полягає не в тому, що цей синтез спростував віталізм як філософське вчення, а в тому, що він довів можливість синтезу органічних речовин з неорганічних.

* ()

У вступі до своєї статті "Про природу сечової кислоти" (1837 г.) Велер і Лібіх писали: "З цієї роботи хімічна філософія зробить не ймовірне, а впевнений висновок, що отримання всіх органічних матерій більше не повинно належати виключно організму, і в наших лабораторіях виявиться не тільки можливим, але і неминучим. Цукор, салицин, морфін * будуть виходити штучним способом. Ми, зрозуміло не знаємо шляхи, яким буде досягнутий цей кінцевий результат, тому що нам невідомі попередні стадії, з яких ця матер я розвинеться, але ми їх дізнаємося "[81].

* ()

У 1831 р Т. Пелузій також здійснив органічний синтез і з синильної кислоти отримав мурашину кислоту, потім в 1842 р Л. Мельзену вдалося перетворити трихлор-оцтову кислоту в оцтову. Незабаром Г. Кольбе отримав трихлоруксусную кислоту, обробляючи тетрахлоретилен хлором у присутності води на сонячному світлі (тетрахлоретилен був отриманий ним при пропущенні тетрахлорида вуглецю через розжарену трубку). Значення здійсненого ним синтезу Кольбе оцінював набагато впевненіше, ніж за 20 років до нього Велер. Він писав: "Таким чином, виявлений цікавий факт: оцтова кислота, яка до цих пір була відома тільки як продукт окислення органічної матерії, може бути отримана також шляхом синтезу безпосередньо з елементів. Сірковуглець, гексахлоретан і трихлороцтової кислота є речовинами, які в поєднанні з водою сприяють перетворенню вуглецю в оцтову кислоту "[75].

У 1846 р Кольбе спільно з Є. Франкленд вдалося перетворити етил- і метілціаніди в кислоти (пропионовую, оцтову, капронову). У статті "Про природного зв'язку органічних і неорганічних сполук ..." (1859 г.) Кольбе писав: "Хімічні органічні тіла завжди є похідними неорганічних з'єднань і виходять частково безпосередньо з них в результаті дивно простих процесів заміщення" [82].

З середини XIX в. кількість органічних синтезів стрімко зростало. Синтетичні способи отримання речовин давали можливість з'ясувати будову органічних речовин. "Конституція вуглеводнів, наприклад, відкривається з шляху їх синтезу з алкилгалогенидов і цинку або натрію, а конституція кетонів - з їх освіти з хлорангід-рідов і алкільних сполук олова", - писав Е. Мейер [15, с. 331]. Він підкреслював також велике значення синтезів, проведених шляхом "конденсації", при якій "кілька однакових або різних молекул, віддаючи воду, об'єднуються таким чином, що атоми вуглецю з'єднуються один з одним".

У другій половині XIX ст. вдалося синтезувати кілька кислот рослинного походження: щавлеву кислоту - з вугільної, бурштинову - з етилену. Крім того, синтетичним шляхом було отримано велику кількість фарбувальних, запашних і лікарських речовин, і багато хто з цих синтезів стали використовуватися в промисловості *.

* ()

Як приклад можна привести синтез саліцилової кислоти, яку Г. Кольбе вдалося отримати в 1860 р дією вуглекислого газу на фенол в присутності лужного металу. Коли Кольбе удосконалив цей метод, замінивши фенол його натрієвої сіллю і обробляючи останню вуглекислим газом при нагріванні, він запропонував своєму колишньому учневі - власнику фабрики Фрідріху Хейдену - провести цей синтез в промисловості. Кольбе відзначав також здатність саліцилової кислоти запобігати гниття і бродіння і можливість застосування її в цих цілях в медицині. Хейден взявся за виробництво кислоти на своїй фабриці поблизу Дрездена. В архіві фірми є відгуки про саліцилової кислоти, які на прохання Хейдена дали кілька відомих фахівців. У відгуках підтверджені корисні властивості кислоти і висловлені міркування про доцільність її виробництва.

За три роки до синтезу саліцилової кислоти англійський хімік У. Перкін отримав перший штучний аніліновий барвник - мовеин. В цей же час у Франції М. Бертло займався систематичними пошуками можливості проведення інших органічних синтезів. З неорганічних компонентів він отримав, наприклад, мурашину кислоту, ацетилен, бензол. У 1860 р Бертло опублікував двотомник "Органічна хімія, заснована на синтезі", а чотирма роками пізніше він доповнив її "Лекціями по загальних методів органічного синтезу".

Встановлення формули бензолу, створення стереохимии, успіхи в галузі фізичної хімії, поява добре обладнаних нових інститутів, підготовка великої кількості висококваліфікованих хіміків, використання в промисловості хімічних процесів - все це призвело в кінці XIX-початку XX ст. до особливо бурхливого розвитку органічного синтезу. Назвемо деякі з головних досягнень в цій області. А. Вюрц при дії лужних металів на алкілгалогеніду здійснив синтез аліфатичних вуглеводнів; в 1862 р Р. Фіттіг, застосувавши принцип Вюрца для синтезу сполук ароматичного ряду, отримав гомологи бензолу - алкілбензоли (синтез Вюрца - Фіттіга).

У 1868 р К. Ліберман і К. Гребе і одночасно з ними У. Перкін отримали синтетичним способом природний барвник алізарин. У 1871 р перший синтетичний алізарин надійшов у продаж. У 1868 р Перкін синтезував кумарин - запашне речовина, що отримується раніше з ясменника. У 1874 р Фердинанд Тіман і ін. Синтезували ванілін. У 1877 р Ш. Фрідель і Дж. Крафтс відкрили спосіб отримання з бензолу його аліфатичних заміщених (синтез Фріделя - Крафтса). Завдяки тому що Костянтин Фальберг і Айра Ремсен в 1879 р синтезували имид ο-сульфобензойной кислоти (сахарин) *, було знайдено речовину, яка в 500 разів перевищувало по солодкості цукор. Синтез сахарину, як і багато інших синтези, став використовуватися в промисловості: у Німеччині (в Магдебурзі) був створений завод "Фальберг, дієт і К °" з виробництва сахарину.

* ()

За період з 1866 по 1883 р А. Байер зумів встановити будова індиго і провести його синтез, що дало величезний стимул для технічного вдосконалення промисловості органічного синтезу. Синтез антипирина - жарознижуючий засіб, здійснений Л. Кнорре в 1883 р, привів також до синтезу великого числа лікарських речовин - аспірину, антіфебріна, сульфонала і тріонала.

У 1884 р Карл Шоттен і Зуген Бауман дією хлорангидридов на спирти і аміни в присутності лугів здійснили синтез ефірів і амідів кислот (реакція ацилювання Шотт-Баумана). У тому ж році Траугот Зандмейеру вдалося провести (названі потім його ім'ям) реакції, в результаті яких з ароматичних диазосоединений в присутності відповідних солей міді (1) були отримані арілхлоріди, броміди і ціаніди.

Спроби синтезувати цукор робили А. М. Бутлеров, С. Лоёв і Г. Кіліаном. У 1884 р Е. Фішеру вдалося синтезувати фруктовий і виноградний цукор. У 1897 р П. Сабатьє і Ж. Сандеран відкрили важливий метод синтезу насичених жирних кислот шляхом гідрування ненасичених кислот в присутності каталізатора (наприклад, нікелю). На основі цього методу в 1920 р В. Норман запропонував промисловий спосіб отримання твердих жирів (в тому числі, наприклад, маргарину).

До органічних синтезів початку XX ст. відносяться синтези тропіну, тропінона і кокаїну (Ріхард Вілиптеттер, 1901 г.), камфорною кислоти (Густав Комппа, 1903 г.), нікотину (Аме Пикте, 1904 г.), Наркотин (Вільям X. Перкін мл., 1911 г.) , ефедрину (Ернст Шпет, 1920 г.). У 1916 р Еміль Абдерхальден здійснив синтез оптично активного поліпептиду.

Були проведені дуже важливі для фармацевтичної промисловості численні органічні синтези; серед них - отримання діетілбарбітуровой (Еміль Фішер і Йозеф Меринг, 1903 г.) і етілфенілбарбітуровой (Генріх Герлейн, 1911 г.) кислот, які застосовувалися як снодійні ліки під назвою веронал і люмінал.

З'ясування будови речовин, що використовуються в медицині, і способів їх синтезу призвело до співпраці медиків, фармацевтів і хіміків. Хіміотерапія, створена як самостійна дисципліна в 1906 р Паулем Ерліхом, зіграла велику роль в боротьбі зі збудниками хвороб (мікробами, а пізніше з вірусами, грибками, найпростішими мікроорганізмами). Завдяки синтезу різних препаратів типу "етокси" і "сальварсан" з'явилася можливість успішно боротися з такими захворюваннями, як сонна хвороба і сифіліс. Препарат "Bayer 205, Germanin", отриманий в 1916 р Ріхардом Коте, Оскаром Дресселем і Бернгардом Хейманом, проявив себе як дієвий засіб проти сонної хвороби та чуми великої рогатої худоби. (Цей препарат був проведений фірмою "Байєр і К °" в Ельберфельді - Леверкузені, і склад його, дуже складний, зберігався в таємниці. Проте незабаром таємниця була розкрита французькими хіміками.) У 1920-ті роки були синтезовані лікарські препарати проти малярії і пневмокока , в 1930-і роки відкрито дію сульфонаміду.