فریدریش آوگوست ککوله: دانشمندی که معماری مولکولی بنزن را در رؤیایش به او الهام شد

فریدریش آوگوست ککوله

در اوایل قرن هجدهم، روشنایی تالارهای تماشاخانه ها و دیگر اماکن عمومی لندن را با گازی که از روغن نهنگ تهیه می شد تامین می کردند. وقتی این گاز را برای توزیع در مخازن متراکم می کردند، مایع معطر و فرآوری جدا می شد.

مایکل فارادی دانشمند مشهور انگلیسی، این مایع رامورد مطالعه قرار داد و حدود سال ۱۸۲۵ ثابت کرد که تنها از کربن و هیدروژن با نسبتهای مساوری تشکیل شده است. بعدها معلوم شد این مایع که بنزن نام گرفت از اجزای قطراتی است که به هنگام تولید کک از زغال تقطیر می شود. ترکیبات معطر (آروماتیک) مشابهی در بسیاری از منابع طبیعی دیگر نیز یافت شدند. بنزن به سبب ویژگی های عجیبی که داشت، معمای نظری عمده ای در برابر شیمیدانان قرار داده بود.

اکثر ترکیباتی که فقط حاوی کربن و هیدروژن بودند و در آن نسبت اتمهای هیدروژن به اتمهای کربن کم بود، رفتاری متفاوت با بنزن داشتند. (در این مورد نسبت آنها ۱ به ۱ بود، چون مشخص شده بود که فرمول مولکولی بنزن C6H6 است.) مولکولهای مزبور را نسبت به هیدروژن غیر اشباع می نامیدند، به عبارتی دیگر می شد چندین مولکول هیدروژن به آنها اضافه کرد، اما در مورد بنزن چنین نبود.

بنزن جنبه های غریب دیگری هم داشت، تا ۱۸۶۵ هیچ کس نتوانسته بود فرمول ساختاری مناسبی برای آن پیشنهاد کند. اما فریدریش آوگوست ککوله مردی بود که در آن سال موفق به این کار شد.

ککوله در ۱۸۲۹ در دارمشتات آلمان به دنیا آمد. او به قصد تحصیل در رشتۀ معماری وارد دانشگاه گیسن شد. اما در گیسن تحت تاثیر یوستون فون لیبیگ قرار گرفت، و سخنرانیهای جذاب او باعث شد عمرش را وقف شیمی کند. از گیسن به پاریس رفت تا زیر نظر ژان باتیست آندره دوما و شال آدولف وورتز به تحصیلات خود ادامه دهد، و سپس به انگلستان رفت و با بهترین شیمیدانان انگلیس مشغول همکاری شد.

پس از بازگشت به آلمان، ابتدا در هایدلبرگ به تدریس پرداخت و سپس در ۱۸۵۸ به عنوان استاد شیمی به گنت بلژیک رفت. تا ۱۸۶۵ در کنت باقی ماند، تا سرانجام به بن دعوت شد تا کرسی خالی آ . و . هوفمان را به عهده گیرد. ککوله در بن در همین مقام باقی ماند تا در سال ۱۹۸۶، سال فوت آلفرد نوبل، در گذشت. سه جایزه از پنج جایزه نخست شیمی نوبل نصیب شاگردان او شد. یاکوب وانت هوف (۱۹۰۱)، امیل فیشر (۱۹۰۲)، و آدولف فون بایر (۱۹۰۵)، ککوله به عنوان یکی از بزرگترین استادان شیمی در قرن نوزدهم شناخته شد. شیمیدانان، با وجود شهرتی که ککوله در مقام استادی داشت، او را بیشتر به سبب نظریاتی که دربارۀ ساختار مولکولی ترکیبات آلی ارائه داد می شناسند.

تا قبل از ۱۸۵۸ متخصصان شیمی آلی از یک جهت کورمال کورمال قدم برمی داشتند. اگر چه موفقیتهای چشمگیری دست یافته بودند، اما در سطح مولکولی از ساختار موادی که با آنها کار می کردند هیچ تصور ذهنی نداشتند. به عنوان نمونه اگرچه نسبت کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن را در اوره و سیانات آمونیوم هر دو ۱:۲ : ۱:۴ است، اما فریدریش ووهلر در ۱۸۵۸ نشان داد که این دو با یکدیگر متفاوت اند (دانشمند، مرداد ۱۳۷۰). آنها را “ایزومر” یکدیگر می خواندند، اما هیچ کس نمی توانست بفهمد که چگونه امکان داد یکسانی اتم مشابه شکلهای متفاوت به یکدیگر متصل شوند. ارائه فرمول ساختاری قابل قبولی برای بنزن از جانب ککوله در ۱۸۶۵ آن قدر پر اهمیت بود که دانشمندان جشن بزرگی را در ۱۸۹۰، یعنی بیست و پنجمین سالگرد اعلام این فرمول، در تالار شهر برلین برگزار کردند.

توسعه صنعت رنگ صناعی در آلمان، و نیز شکوفایی شیمی آلی در نیمۀ دوم قرن نوزدهم در همان کشور، تا حد زیادی مرهون نظریات ساختاری ککوله و شاگردانش بود. در آن مراسم، ککوله سخنرانی که در ۱۹۵۸ به مناسبت صدمین سالگرد ارائه نظریه عمومی ساختارها منتشر شد، و در آن ککوله چگونگی کشف این نظریه را شرح می دهد، برگزیده شده اند: اکنون شما سالگرد ارائه نظریۀ بنزن را جشن می گیرید. اول از همه باید به شما بگویم که در نظر من نظریۀ بنزن تنها یک نتیجه، و درواقع نتیجۀ بسیار آشکار دیدگاههایی بود که دربارۀ ظرفیت اتمها و ماهیت پیوندشان با یکدیگر در ذهن خود شکل داده بودم، یعنی دیدگاههایی که به همین سبب امروزه آنها را نظریه ظرفیت و ساختار می نامیم. دیگر چه کارهایی می توانستیم با آن ظرفیت های مصرف نشده بکنم؟

در مدت اقامتم در لندن در جادۀ کلاپهام سکونت داشتم. اما بسیاری از اوقات شب را با دوستم هوگو مولر می گذراندم. دربارۀ موضوعات مختلفی صحبت می کردیم ، اما بیش از همه به شیمی عزیزمان می پرداختیم. در یکی از شبهای مطبوع تابستان با آخرین اتوبوس از راه خیابانهای خلوت شهر برمی گشتم، و طبق معمول در طبقۀ بالا و سر باز آن نشستم. غرق خیالاتم بودم که ناگهان اتمها در پیش چشمانم شروع به جست و خیز کردند. تا آن هنگام هر وقت این موجودات کوچک در نظرم پدیدار می شدند، همیشه در حرکت بودند، اما تا آن زمان هرگز نتوانسته بودم به ماهیت حرکتشان پی ببرم. ولی حالا می دیدم چگونه در جای جای ذهنم دو اتم کوچکتر به کنار هم می آمدند و تشکیل جفتی را می دادند، اینکه چگونه اتم بزرگتری دو اتم کوچکتر را در بر می گرفت، و چگونه اتمهای باز هم بزرگتری بر سه یا حتی چهار اتم کوچکتر چنگ می انداختند، در حالی که مجموعۀ اینها به صورت رقصی گیج کننده به دور یکدیگر می چرخیدند، دیدم که چگونه بزرگترها تشکیل زنجیری را دادند، و کوچکترها را تنها در انتهای زنجیر به دنبال هم می کشیدند …

فریاد راننده که رسیدن به “جاده کلاپهام” را اعلام می کرد مرا از رویاهایم بیدار کرد. اما تا پاسی از شب به کشیدن نقشهایی از این تصاویر رویایی گذراندم. این بود سرچشمۀ “نظریۀ ساختاری” در مورد نظریۀ بزن هم اتفاق مشابهی روی داد. در مدتی که در گنت اقامت داشتم در خوابگاه دلپذیری زندگی می کردم که کنار خیابان اصلی بود. اما اتاق مطالعه ام به کوچه تنگی مشرف بود و هیچ آفتابی به آن نمی رسید. مشغول نوشتن کتاب درسی ام بودم، اما کارها پیشرفت خوبی نداشت، افکارم متوجه جاهای دیگر بود. صندلی ام را مقابل آتش بخاری دیواری گذاشتم و به خواب رفتم. باز هم اتمها در پیش چشمانم جست و خیز می کردند. این بار گروههای کوچکتر متواضعانه در پشت صحنه باقی ماندند. حالا با چشم ذهنم، که دیگر به اینگونه مناظر عادت کرده بود، می توانستم ساختارهای درشت تری را که آرایشی چند بعدی داشتند تشخیص دهم: گاهی ردیفهای بلندی به هم نزدیکتر می شدند و با حرکتی مار مانند در هم می پیچیدند. اما نگاه کنید ! چه می دیدم؟ یکی از مارها دم خود را به دندان گرفته بود و در مقابل چشمانم به دور خود می چرخید. چنان از خواب پریدم که گویی صاعقه ای بیدارم کرده باشد، و این بار نیز بقیۀ شب را به تنظیم جزئیات فرضیه ام گذراندم. (بنفی، مجله آموزش شیمی، جلد ۳۵،).

فریدریش آوگوست ککوله

رویاهای ککوله در طبقۀ بالای اتوبوسی در لندن و در کنار بخاری دیواری گنت منجر به ارائه نظریات مهمی دربارۀ ساختار مولکولهای آلی شدند، که نقش بسزایی در گسترش این علم داشتند. رویای نخست، که در آن اتمها “تشکیل زنجیری را دادند” ، “اتم بزرگتری دو اتم کوچکتر را در بر می گرفت. ” و “اتمهای باز هم بزرگتری بر سه یا حتی چهار اتم چنگ می انداختند” ، باعث شد که ککوله این نظر را پیش بکشد که برخی از اتمهای کربن در حالی که اتمهای هیدروژن و اتمهای دیگر به آنها متصل اند به صورت زنجیرهایی به یکدیگر وصل می شوند. به عنوان نمونه الکل متیلیک و الکل اتیلیک را، که فرمول ساده شده شان را CH4O و  C2H6O می دانستند، می شد با فرمولهای ساختاری که در شکلهای ۱ و ۲ آمده اند، نمایش داد. به همین ترتیب، فرمول ساختاری اوره را می شد به شکل ۳ نشان داد، در حالی که فرمول ساختاری سیانات آمونیوم به صورت شکل ۴ نمایش داده می شد. رویای دوم، که در آن ماری دم خود را گاز گرفته بود، سبب شد ککوله ساختاری حلقوی برای بنزن پیشنهاد کند، که در آن شش اتم کربن به صورت حلقه ای به هم متصل شده بودند.

ککوله نظریۀ ساختار حلقوی را اصلاح کرد تا توضیح دهد چرا چنین ایزومرهایی وجود دارند. وی چنین فرض کرد که در ساختار حلقوی شکل ۵، پیوندهای ساده و دوگانۀ بین اتمهای کربن حلقه به سرعت با یکدیگر جابه جا می شوند. بنابراین ایزومرهابه یکدیگر قابل تبدیل اند، و نمی توان انها را از هم جدا کرد. در فاصله بین سالهای ۱۸۶۵ تا ۱۸۹۰، چندین ساختار احتمالی دیگر برای بنزن پیشنهاد شد، اما هیچ یک نتوانست مانند ساختار ککوله امتحان خود را در برابر قرائن تجربی پس بدهد. اگرچه تا سالها پس از جشن بیست و پنجمین سالگرد ارائه فرمول ککوله الکترونها کشف نشده بودند (چه رسد به مکانیک کوانتومی)، اما دیدگاه ککوله در زمینۀ ساختار بنزن و هزاران ترکیب آروماتیک مشابه، با دیدگاه امروزی تا بر مفهوم مکانیک کوانتومی اتصال الکترونی اتمها مبتنی است، شباهت زیادی دارد.

برخی از مولفان از داستان ککوله دربارۀ رویاهایی که دیده بود و نقشی که در پیشنهاد معماری مولکولی داشتند، انتقاد و حتی آن را انکار کرده اند. ککوله در دهۀ ۱۸۶۰ در نوشته های خود به سرچشمه گرفتن نظریاتش از این رویاها اشاره ای نکرد. با این حال، بسیاری از دانشمندان در نوشته های رسمی خود مشخص نمی کنند که نظراتشان از کجا ناشی شده اند، و حتی داده ها را به ترتیبی ارائه می دهند که تقریبا عکس ترتیب واقعی رویدادهاست. بسیار اتفاق افتاده است که تصادفها، تخیلات، و رویاها نقش مهمی در اکتشافات بزرگ ایفا کرده اند، اما آنها تنها سرآغاز اکتشافات بوده اند. نباید از اینکه ککوله مایل نبود در نوشته های اولیه اش تصریح کند که نظریاتش درباره ساختار مولکولی را در خواب دیده بود، و اینکه صبر کرده تا این مطلب را در جشن بیست و پنجمین سالگرد ابراز کند، تعجب یا تردید کنیم. درباره این جملۀ دیگر سخنرانی اش، که مشخصۀ دانشمندی بزرگ ولی در عین حال رویایی است فکر کنید: آقایان بیاموزیم که رویا ببینیم، شاید به حقیقت دست پیدا کنیم. اما مواظب باشیم که رویاهایمان را وقتی منتشر کنیم که آگاهی بیداری آنها را آزموده باشد. ککوله نمی توانست برندۀ جایزه نوبل شود، چون این جوایز برای نخستین بار بعد از مرگش اعطا شدند. اما او درست همان شخصیتی بود که نوبل در نظر داشت. نوبل چند ماه پیش از مرگش گفته بود: “می خواهم به رویایی ها، که زندگی واقعی خود را به دشواری می گذرانند، کمک کنم.”

نه تنها ابداع رنگها، بلکه حتی عرضۀ داروهایی نظیر سولفانیل آمید و آسپرین، بنزین با عدد اکتان بالا، شوینده های صناعی، پلاستیکها، و پارچه هایی نظیر داکرون- همه از ثمرات شیمی آروماتیک هستند، که ککوله با ارائه فرمول بنزن، آن را پایه گذاری کرد.


پس‌نوشت

در ۱۹۲۱، فیزیولوژیستی به نام اتو لووی، انتقال تکانه های عصبی از طریق مواد شیمیایی را کشف کرد. به گفتۀ ی . وایس و آ . براون این فکر نه یک بار، بلکه دو بار حین رویا به ذهن لووی خطور کرد. پس از آنکه از رویای اول بیدار شد، باز هم به خواب رفت، و هنگامی که صبح برخاست نمی توانست آن را به خوبی به یاد آورد. اما وقتی لووی از رویای دوم بیدار شد، یک راست به آزمایشگاهش رفت و آزمایشهای ساده اما مهمی را که در رویا به او الهام شده بودند انجام داد. لووی نیز مانند ککوله، منشأ نظراتی که بر اساس آنها عمل کرد بلافاصله منتشر نساخت. اما برخلاف ککوله آن را بی درنگ برای دوستان و خویشانش تعریف کرد، بنابراین وقایعی که روی دادند مستند بودند.

دختر لووی (که همسر وایس، مولف نخست مقالۀ ۱۹۸۷ است) توصیف پدرش را از رویاهای خود و پیامدهایی که داشتند به خاطر دارد. همچنین به یا دارد همکاران لووی پیش بینی کردند اکتشافی که از رویاهایش نشئت گرفته بود جایزۀ نوبل را نصیب او خواهد ساخت. آنان درست گفتند او در ۱۹۳۶ جایزۀ نوبل در پزشکی یا فیزیولوژی را مشترکا با هـ . هـ . دیل برنده شد، ولی با این حال در سخنرانی مراسم اعطای جوایز نیز ذکری از رویاهایش به میان نیاورد. وایس و براون در ادامه می نویسند: “سرگذشت زمینه کشف لوی به طور قطع ثابت می کند که واقعا امکان دارد همان طور که ککوله نقل کرده بود، نظریات ابتدایی پژوهشهای علمی مهم در حین خواب شکل بگیرند.” آنها همچنین ذکر می کنند که جمله ای از هرمان فون هلمهولتس، فیلسوف و فیزیولوژیست مشهور قرن نوزدهم، پیدا کردند که در آن گفته بود نظرات ثمر بخش “اغلب در صبحدم هنگام برخاستن از خواب به ذهن می رسند.” به تجربه شخصی خود دریافته ام که تخیل و حافظه در حالت رویا یا نیمه رویا (رویای روزانه؟) فعالترند. اگر نگویم هرگز، به ندرت اتفاق افتاده است که وقتی در دفترم در دانشگاه نشسته ام ناگهان فکری به ذهنم خطور کرده باشد. چنین نظراتی بیشتر در نخستین ساعات صبح (همچنان که هلمهولتس گفته بود) به ذهن می آیند، چه در هواپیما یا اتوبوس، چه هنگام یک پیاده روی دلپذیر یا حتی خسته کننده، چه زیر دوش آب، و چه هنگام لذت بردن از یک کنسرت موسیقی.

ملوین گالوین (که در ۱۹۶۱ به سبب تشریح فتوسنتز در گیاهان برنده جایزه نوبل شیمی شد) توضیح می دهد که چگونه کلید حل معما به ذهنش رسید: می خواهم آن لحظه را (هر چند ممکن است باعث شگفتی شود، اما واقعا فقط یک لحظه بود) که ویژگی های اساسی چرخۀ فتوسنتزی دی اکسید کربن را شناختم، شرح دهم. روزی در فاصله زمانی که همسرم برای کاری رفته بود، در اتوموبیلم منتظر بودم. چند ماهی بود که اطلاعات پایه ای در آزمایشگاه به دست آورده بودم که با همه آنچه تا آن موقع می دانستم ناسازگار بود. پشت فرمان نشسته بودم، و به احتمال زیاد در محل ممنوع هم توقف کرده بودم، که جزء گمشده را یافتم. به همین سادگی به ذهنم خطور کرد – به طور بسیار ناگهانی – و ظرف چند ثانیه حالت چرخه ای مسیر کربن به طور ناگهانی برایم روشن شد … شاید ظرف ۳۰ ثانیه. بنابراین گمان می کردم واقعا چیزی به نام الهام وجود دارد، فقط باید آماده آن بود. چارلز هـ. تاونز (برندۀ جایزۀ نوبل فیزیک ۱۹۶۴) گفت: “لیزر در یک صبح زیبای بهاری در پارکی در واشنگتن دی سی متولد شد. همچنان که در میدان فرانکلین نشسته بود، و بوته های آزالیا را تماشا می کردم و از آنها لذت می بردم، فکر یک راه علمی به ذهنم رسید که بتوانم از مولکولها شکل بسیار خالصی از امواج مغناطیسی به دست آورم.”

متخصص زیست شناسی اعصاب راجر اسپری (استاد موسسه تکنولوژی کالیفرنیا و برندۀ جایزۀ نوبل ۱۹۸۱ در پزکی یا فیزیولوژی) افراد مبتلا به صرع را که نیمکره های مغزی شان را از طریق جراحی جدا کرده بودند، بررسی می کرد. پژوشهای وی حاکی از این بود که نظرات و الهاماتی که تحت شرایط فوق الذکر به ذهن می رسند از سمت راست مغز منشأ می گیرند؛ و برخی افراد ادعا کرده اند که می توان افراد را آگاهانه به تفکر با طرف راست مغز تشویق کرد، و حتی آنان را برای این کار آموزش داد. با وجود این هر چند ممکن است رویاهای شبانه و روزانه ارزشمند باشند، با آخرین جمله ای که از ککوله نقل شد موافقم – رویاها را باید در نور تند روز، مورد بازنگری و امتحان قرار داد. شاید فکری که ناگهان در شب (یا روز) به ذهن خطور می کند، به روزها، ماهها، یا حتی سالها کار سخت و مبتکرانه نیاز داشته باشد تا عملا ثمر دهد.

نوشتۀ رویستون م . رابرتس – ترجمۀ محی الدین غفرانی – مجله دانشمند دهه ۶۰

دیدگاه خود را با ما اشتراک بگذارید:

ایمیل شما نزد ما محفوظ است و از آن تنها برای پاسخگویی احتمالی استفاده می‌شود و در سایت درج نخواهد شد.
نوشتن نام و ایمیل ضروری است. اما لازم نیست که کادر نشانی وب‌سایت پر شود.
لطفا تنها در مورد همین نوشته اظهار نظر بفرمایید و اگر درخواست و فرمایش دیگری دارید، از طریق فرم تماس مطرح کنید.