И только один А. М. Бутлеров оценил значение этого открытия. Он с жаром принялся за новые исследования и создал стройное здание своей теории. Открытие четырехвалентности углерода послужило тем последним кирпичом, которого ему не хватало.
Молекула — отнюдь не случайное и не произвольное сочетание атомов. Молекула представляет собой стройное архитектурное сооружение, в котором каждый атом занимает определенное место.
Когда атомы, сцепляясь своими крючочками-связями, соединяются в молекулу, то они располагаются не как попало, а в строгом порядке. Например, в молекуле воды два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода. Если бы атомы водорода сцепились друг с другом своими единственными валентностями, то им тогда нечем было бы связываться с кислородом. Следовательно, порядок расположения в молекуле воды может быть только таким: водород — кислород — водород.
Точно так же и в органических молекулах атомы располагаются всегда в определенном порядке, причем атомы углерода занимают особое, главенствующее положение. К ним присоединяются атомы других веществ. Поэтому в органических соединениях углерод не может быть заменен или замещен чем-либо другим. Его атомы составляют как бы остов, или скелет, молекул органических веществ.
Например, костяк молекулы глицерина состоит из трех атомов углерода, к которым присоединены восемь атомов водорода и три атома кислорода. Все атомы углерода связаны друг с другом, а свободными связями соединены с атомами водорода и кислорода.
В некоторых молекулах одни и те же атомы, так же как и буквы в словах, могут располагаться в различных сочетаниях.
Как от перестановки букв в словах меняется смысл (например: мука и кума, рога и гора), так и от перестановки атомов меняются свойства вещества.
Вековая загадка изомерии, перед которой отступали все химики, благодаря теории А. М. Бутлерова получила гениально простое объяснение.
Изомеры — это вещества, которые отличаются друг от друга только иной планировкой атомов в молекуле. Небольшая органическая молекула, состоящая всего лишь из девяти атомов — двух атомов углерода, шести водорода и одною кислорода, может быть построена двумя способами.
В одном случае каждый углерод тремя крючочками-связями соединится с водородами, а четвертым крючочком — с кислородом, который будет находиться посредине.
Получится симметричная молекулярная цепочка.
Однако возможна и другая планировка этой же молекулы. Кислород поместится с краю цепочки. Крайний углерод затратит три валентности на присоединение трех водородов и одну — на соединение с другим углеродом; второй углерод затратит две связи на присоединение двух водородов и по одной связи — на присоединение кислорода и первого углерода.
Число и вид атомов одинаковы в обеих молекулах, но связаны они между собой по-разному. Поэтому получились и разные по свойствам вещества — изомеры.
Метиловый эфир (газ) представляет собой симметричную молекулу, этиловый (винный) спирт — несимметричную молекулу.
Следовательно, свойства органических молекул зависят не от электрических зарядов, радикалов или от сходства с типами, а только от числа, вида и размещения атомов в молекуле. Теория, объясняющая все многообразие органических соединений строением, структурой молекул, получила название структурной теории.
Эта теория сначала встретила сильную оппозицию многих зарубежных ученых. Когда же жизнь опровергла возражения ее противников, то за границей стали доказывать, что она создана не Бутлеровым, а Кекуле. Повторилось нечто подобное истории с законом сохранения матери» и движения, открытым великим Ломоносовым, но упорно приписывавшиеся за границей Лавуазье, или, как это позднее было с периодической системой Менделеева, которую немцы усиленно приписывали Л. Мейеру.
Органическая химия до Бутлерова представляла собой беспорядочную груду противоречивых воззрений. Она была подобна дремучей чаще без дорог и тропинок. Исследования ученых напоминали неуверенное движение во мраке.
Теория Бутлерова осветила путь исследователям. Она дала возможность не только объяснить свойства уже известных в те времена соединений в соответствии с их строением, т. е. порядком расположения и взаимной связью атомов, но и предсказать новые.
Пользуясь этой теорией, химик мог теперь, подобно архитектору или инженеру, проектирующему здание той или иной формы и высоты, заранее определять свойства еще неизвестных веществ, исходя из их строения.
Бутлеров показал, как строятся малые молекулы органических веществ. Но в природе существуют не только молекулы-малютки, но также и молекулы-гиганты.
Какова же архитектура больших молекул?
Как устроены молекулы каучука, целлюлозы, крахмала, белка? Состоят ли они из тех же «кирпичиков» и «блоков»?
Ответы на все эти вопросы дали последующие исследования ученых.