Работая над своей диссертацией, Бутлеров изучил труды всех крупнейших химиков своего времени. За первую половину XIX века химия сделала огромные успехи. Возникали и рушились различные теории, открывались и получались неизвестные ранее вещества.
В 1808 году Берцелиус разлагал с помощью электрического тока различные химические соединения. Опустив две платиновые проволочки в раствор хлористой меди, налитый в стеклянную кювету, он наблюдал, как под действием тока на одном электроде откладывался блестящий слой красной меди, а у другого скапливались пузырьки газа — хлора.
Берцелиус брал для своих опытов кислоты, щелочи, растворы разных солей — селитры, соды, буры. И всегда на одном электроде скапливалось одно вещество, а на другом — другое.
Следовательно, рассуждал Берцелиус, та составная часть разложенного током вещества, которая накапливается у положительного электрода, заряжена отрицательно, а другая, собирающаяся у отрицательного, — положительно.
Водород и все металлы ведут себя в химических реакциях как положительно заряженные, а хлор, кислород и некоторые другие элементы— как отрицательно заряженные. Значит, не таинственная любовь хлора к натрию служит причиной образования поваренной соли и не родство характеров серы и водорода ведет к возникновению сероводорода. Химические соединения образуются потому, что отрицательные и положительные элементы притягиваются друг к другу. Именно электрические силы связывают атомы различных элементов в прочные химические соединения.
Эта мысль легла в основу электрохимической теории образования молекул Берцелиуса. По его теории каждый атом заряжен одновременно и положительным и отрицательным электричеством. Но хотя атомы и несут два разных по знаку заряда, один из них пересиливает другой, и поэтому в химические реакции одни элементы всегда вступают как электроположительные, а другие — как электроотрицательные.
Вот как он описывал, например, образование глауберовой соли.
Атом металла натрия при взаимодействии с атомом газа кислорода образует окисел. Окисел этот заряжен положительно, потому что положительный заряд натрия преобладает над отрицательным зарядом кислорода.
Сера же, соединяясь с кислородом, образует отрицательный окисел, потому что атом серы менее положителен, чем атом кислорода.
Оба окисла за счет взаимного притяжения разных по знаку электрических зарядов образуют глауберову соль.
Электрохимическая теория удачно объясняла строение молекул неорганических веществ. Поэтому возник вопрос: почему бы не попытаться с ее помощью объяснить характер образования органических молекул?
Берцелиус исследовал уксусную, щавелевую, яблочную, лимонную кислоты, хинин, никотин, сахара, жиры, спирты, эфиры. Большинство органических соединений не распадалось на положительно или отрицательно заряженные половинки.
У атомов, входивших в состав органических молекул, не было постоянных зарядов, как у атомов металлов и металлоидов.
Чем больше изучал Берцелиус органические вещества, тем глубже запутывался он в непроходимой чаще противоречивых фактов.
«Химик при переходе от исследований в неорганической природе к исследованиям в органической попадает в совершенно чуждую ему область», — писал Берцелиус.
В 30-х годах химики обнаружили, что группа, состоящая из одного атома углерода и трех атомов водорода, входит в состав и ацетона, и уксусной кислоты, и древесного спирта, и метилового эфира. Она же встречается и в синем красителе, который так хорошо красит шелк и шерсть, и в стеариновой свечке, и в подсолнечном масле, и в тысячах других органических веществ.
Эта группа атомов была названа метилом.
В молекулах многих органических соединений химики нашли группы, состоящие из атомов одних и тех же элементов в различных соотношениях. Например, в винном спирте и серном эфире имеется группа, состоящая из двух атомов углерода и пяти атомов водорода, — ее назвали этилом.
Группа, состоящая из одного атома азота и двух атомов водорода, получила название амина.
Вот эти-то группы, говорили химики, и являются «корнями» органических соединений. Поэтому их назвали радикалами (латинское «радикс» — корень).
Из атомов нескольких элементов может образоваться большое число разных радикалов, а из разных радикалов можно получить какое угодно число органических соединений. Вот в этом-то и кроется причина столь огромного многообразия мира живой природы.
Подобно тому как из стандартных блоков можно построить и маленький домик и огромный многоэтажный небоскреб, так и из отдельных радикалов слагаются молекулы разнообразнейших органических соединений.
Теория радикалов привела Берцелиуса и его сторонников в восторг. Они воспрянули духом. Казалось, что теперь-то можно будет объяснить строение молекулы органических веществ с помощью электрических зарядов.
Поскольку эти атомные группы — радикалы — переходят из одного соединения в другое в неизменном составе, говорили они, то их следует рассматривать подобно отдельным атомам в неорганических соединениях. Так, радикал метил, соединяясь с хлором, образует хлористый метил, точно так же, как натрий, вступив в реакцию с хлором, образует молекулу поваренной соли. Тот же метил, соединяясь с кислородом и водородом, образует древесный спирт, подобно тому как натрий, соединяясь с теми же элементами, образует едкую щелочь.
Так же будут вести себя и другие радикалы. Например, этил, соединяясь с кислородом и водородом, образует винный спирт, с хлором — хлористый этил, с бромом — бромистый этил, или пропил, который подобным же образом может соединяться с теми же элементами.
Теория радикалов позволила разбить на классы многочисленные органические вещества, а это дало возможность подметить общие черты у различных соединений.
Она явилась первой теорией, которая помогла упорядочить хаос, царивший в органической химии в 30-х годах прошлого века.
Однако это была последняя победа Берцелиуса.
В 1834 году известный в то время французский химик Жан Дюма получил от королевского интенданта предложение произвести химический анализ восковых свечей, которыми освещали залы королевского дворца в Тюильри. Дело в том, что на последнем балу свечи почему-то горели коптящим пламенем, затем залы постепенно наполнились сильно раздражающими, удушливыми парами. Многим дамам сделалось дурно, и королевский праздник был испорчен.
Дюма исследовал состав свечей и установил, что фабрикант, поставлявший их во дворец, отбеливал воск хлором. При горении свечей хлор выделялся в виде паров соляной кислоты. Оказалось, что в молекулах воска после отбелки уменьшилось число атомов водорода, но зато появилось точно такое же количество атомов хлора.
Положительные атомы водорода были замещены отрицательными атомами хлора. Такой вывод противоречил и электрохимической теории и теории радикалов. На место атома с положительным зарядом встал атом с отрицательным. Но ведь такая замена должна была бы полностью изменить свойства воска, а тем не менее из отбеленного воска готовили такие же свечи, как и из неотбеленного.
Невольно напрашивался вывод — теория радикалов неверна.
Проверяя свою мысль. Дюма исследовал многие органические соединения. Изучая действие хлора на спирт, он выяснил условия образования хлороформа.
Но еще более поразительные результаты дала обработка хлором уксусной кислоты, в которой содержится радикал метил. Все три атома водорода заместились хлором. Образовалось вещество, открытое еще 50 лет до того русским академиком Товием Егоровичем Ловицем, — хлоруксусная кислота.
«Таким образом, я получил уксусную кислоту, лишенную водорода, — писал Дюма. — Полученный хлор уксус все еще является кислотой подобно обыкновенному уксусу, его кислотные свойства ни в чем не изменились».
Это открытие нанесло жестокий удар по теории радикалов. Оно разрушило представление о неизменности радикалов.
Водород в радикалах органических молекул свободно замещался не только хлором, но и бромом, и йодом, и азотом.
Теория радикалов была вытеснена теорией замещения. Идеи Дюма встретили живой отклик среди многих химиков, пытавшихся с помощью новой теории объяснить образование разнообразных классов органических соединений.
Некоторые химики считали, что не только атомы водорода могут быть замещены в радикалах, но даже и атомы углерода; но было установлено, что атомы углерода в радикалах ни при каких условиях и ничем не замещаются, и теория замещения погибла, как бабочка-однодневка.
Опыты Дюма и других исследователей позволили французским химикам Лорану и Жерару создать новую теорию.
По новой, предложенной ими теории органические вещества подразделялись на четыре типа, соответствующие молекулам более простых типов неорганических веществ — водорода, воды, аммиака, хлористого водорода. При замене в этих основных типах соединений атомов водорода радикалами получаются различные органические вещества.
Например, при замене водорода в молекуле воды радикалом метилом получался древесный спирт, а радикалом этилом — винный спирт. Точно так же, замещая в молекуле аммиака один водород радикалом фенилом, можно получить анилин.
По мнению Лорана и Жерара, молекула органического вещества не состоит из отрицательно и положительно заряженных «половинок». Она представляет единую частицу вещества, построенную по определенному образцу.
Для них молекула представлялась зданием, в котором можно заменять отдельные кирпичи и блоки другими деталями, не нарушая общего типа этого сооружения.
Ведь не изменится же тип здания, если деревянные двери заменить железными или толевую крышу заменить черепичной.
Органическая молекула, органический тип, представляет собой здание, писал Дюма, «в котором можно заменить одну стену (водород) другой стеной (хлор, бром либо кислород), не разрушая при этом внешние очертания здания. Необходимо, однако, удаляя одну стену — водород, внести на его место что-либо взамен во избежание распада или преобразования всего здания».
Теория типов удовлетворительно объясняла характер и свойства только тех органических соединений, молекулы которых состоят из небольшого числа атомов, но она сразу становилась бессильной, когда дело касалось громоздких многоатомных молекул. Между тем у большого числа органических веществ число атомов в молекуле исчисляется десятками и сотнями.
Чем сложнее органическая молекула, тем труднее отнести ее к тому или иному простейшему типу.
Поэтому некоторые химики предлагали вводить смешанные типы, выдумывали новые типы, по которым можно было бы классифицировать более сложные органические соединения.
Но все это еще больше усложняло теорию типов.