خیلی از دانش آموزان تصور می کنند که کشفیات و فرمول های علمی، فقط توسط آزمایش و نظریه پردازی صورت گرفته است در حالی که به گواهی بسیاری از دانشمندان بزرگ در رشته های علمی مختلف، خیلی از کشفیات مهم توسط اموری مانند الهام یا خواب به یکباره به ذهن دانشمندان رسیده است. یکی از این کشفیات، کشف ترکیب شیمیایی بنزن توسط ککوله، یکی از شیمیدان بزرگ قرون گذشته است که سالهای زیادی به صورت معما برای دانشمندان باقی مانده بود. در این مطلب، داستان این موضوع را از زبان خود او خواهیم شنید.
در اوایل سده هجدهم، روشنایی سالن های تئاتر و دیگر اماکن عمومی لندن را با گازی که از روغن نهنگ تهیه می شد تأمین می کردند. وقتی این گاز را برای توزیع در مخازن متراکم می کردند، مایع معطّر و فرّاری جدا می شد. مایکل فارادی دانشمند مشهور انگلیسی این مایع را مورد مطالعه قرار داد و در حوالی سال ۱۸۲۵ ثابت کرد که تنها از کربن و هیدروژن با نسبت های مساوی تشکیل شده است. بعدها معلوم شد این مایع که بـَنزِن نام گرفت از اجزای قطرانی است که به هنگام تولید کـُک از زغال تقطیر می شود. ترکیبات معطر ( آروماتیک) مشابهی در بسیاری از منابع طبیعی دیگر نیز یافت شدند.
بـَنزِن به سبب ویژگی های عجیبی که داشت، معماری نظری عمده ای در پیش روی 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 به۱ بود، چون مشخص شده بود که فرمول مولکولی بنزنC6H6 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 سال ۱۸۶۵ هیچ کس نتوانسته بود فرمول ساختاری مناسبی برای آن پیشنهاد کند. امافریدریش آگوست کـِکِوله (Kekule) ، مردی بود که در آن سال موفق به این کار شد.
ککوله در سال ۱۸۲۹در دارمشتات آلمان به دنیا آمد. او به قصد تحصیل در رشته معماری وارد دانشگاه گیسن شد. اما در گیسن تحت تأثیر یوستوس فون لایبیگ قرار گرفت و سخنرانی های جذاب او باعث شد عمرش را وقف شیمی کند. از گیسن به پاریس رفت تا زیر نظر ژان باتیست آندره دوما و شارل آدولف وورتز به تحصیلات خود ادامه دهد، و سپس به انگلستان رفت و با بهترین شیمیدانان انگلیسی مشغول همکاری شد. پس از بازگشت به آلمان، ابتدا در هایدلبرگ به تدریس پرداخت و سپس در سال ۱۸۵۸ به عنوان استاد شیمی به گـِنت بلژیک رفت. تا سال ۱۸۶۵ در گنت باقی ماند، تا سرانجام به بن دعوت شد تا کرسی خالی آ. و. هافمن را به عهده گیرد. ککوله در بن در همین مقام باقی ماند تا در سال ۱۸۹۶، 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 سده نوزدهم شناخته شد.
با وجود شهرتی که در مقام استادی داشت، اما شیمیدانان ، ککوله را بیشتر به سبب نظریاتی که درباره ساختار مولکولی ترکیبات آلی ارائه داد می شناسند. تا قبل از سال ۱۸۵۸ متخصصان شیمی آلی از یک جهت کورمال کورمال گام برمی داشتند. گرچه به موفقیت های چشمگیری دست یافتند، اما در سطح مولکولی از ساختار موادی که با آنها کار می کردند هیچ تصور ذهنی نداشتند.
به عنوان نمونه، گرچه نسبت کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن در اوره و سیانات آمونیم هردو۱:۴:۱:۲ است، اما فریدریش وهلردر سال۱۸۵۸ نشان داد که این دو با یکدیگر تفاوت دارند . آنها را ایزومر یکدیگر می خواندند، اما هیچ کس نمی توانست بفهمد که چگونه امکان دارد تعداد یکسانی اتم مشابه به اشکال متفاوت به یکدیگر متصل شوند.
ارائه فرمول ساختاری قابل قبولی برای بنزن از جانب ککوله در سال ۱۸۶۵ آن قدر پر اهمیت بود که دانشمندان جشن بزرگی را در سال 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 نیمه دوم سده نوزدهم در همان کشور تا حد زیادی مرهون نظریات ساختاری ککوله و شاگردانش بود. در آن مراسم، ککوله سخنرانی ای کرد که در مهمترین مجله شیمی آلمان منتشر شد. جمله های زیر از ترجمه انگلیسی آن سخنرانی که در سال ۱۹۵۸ به مناسب یکصدمین 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 نظریه بنزن را جشن می گیرید. اول از همه باید به شما بگویم که به عقیده من نظریه بنزن تنها نتیجه، و در واقع نتیجه بسیار آشکار دید گاه هایی بود که درباره ظرفیت اتمها و ماهیت پیوندشان با یکدیگر در ذهن خود شکل داده بودم، یعنی دیدگاه هایی که به همین سبب امروزه آنها را نظریه ظرفیت و ساختار می نامیم. دیگر چه کاری می توانستم با آن ظرفیت های مصرف نشده بکنم؟ در مدت اقامتم در لندن در جاده کلاپهام سکونت داشتم. اما بسیاری از اوقات شبها را با دوستم هوگومولر می گذراندم. درباره موضوعات مختلفی صحبت می کردیم، اما بیش از همه به شیمی عزیزمان می پرداختیم. در یکی از شب های مطبوع تابستان با آخرین اتوبوس از راه خیابان های خلوت شهر بر می گشتم، و طبق معمول در طبقه بالا و سرباز 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 که چگونه در جای جای ذهنم دو اتم کوچکتر به کنار هم می آمدند و تشکیل جفتی را می دادند؛ این که چگونه اتم بزرگتری دواتم 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 مجموعه 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 زنجیرها به دنبال خود می کشیدند… فریاد راننده که رسیدن به جاده کلاپهام را اعلام می کرد مرا از رؤیاهایم بیدار کرد. اما تا پاسی از شب به کشیدن نقشهایی از این تصاویر رؤیایی گذراندم. این بود سرچشمه نظریه ساختاری .
در مورد نظریه بنزن هم اتفاق مشابهی روی داد. درمدتی که در گـِنت 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 شومینه گذاشتم و به خواب رفتم. باز هم اتمها در پیش چشمهانم جست و خیز می کردند. این بار گروههای کوچکتر متواضعانه در پشت صحنه باقی ماندند. حال با چشم ذهنم، که دیگر به این گونه مناظر عادت کرده بود، می توانستم ساختارهای درشت تری را که آرایشی چند بعدی داشتند تشخیص دهم: گاه ردیف های بلند به هم نزدیکتر می شدند و با حرکتی مار مانند درهم 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 بقیه شب را به تنظیم جزئیات فرضیه ام گذراندم.
رؤیاهای ککوله در طبقه بالای اتوبوسی در لندن و در کنار شومینه ای در گنت منجر به ارائه نظریات مهمی درباره ساختار مولکولهای آلی شد، که نقش بسزایی در گسترش این علم داشتند. رؤیای 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 ککوله این نظر را پیش بکشد که برخی از اتمهای کربن در حالی که اتمهای هیدروژن و اتمهای دیگر به آن متصل اند به صورت زنجیرهایی به یکدیگر وصل می شوند. به عنوان نمونه الکل متیلیک و الکل اتیلیک را، که فرمول ساده شده شان راCH4O وC2H6O می دانستند، می شد با فرمولهای ساختاری که در شکل 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 آمونیم به صورت شکل ۴ نمایش داده می شد.
رؤیای 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. همانطور که در شکل های ۱ تا ۴ می بینید، کربن با چهار خط به اتمهای دیگر وصل شده است، و در برخی از موارد با دو خط به اتمی نظیر اکسیژن،O)) یا نیتروژن،( N)، اتصال دارد؛ این همان ظرفیت چهارتایی است که ککوله پس از رؤیای اولش در ترکیبات آلی برای کربن پیشنهاد کرد. در فرمول بنزن، که در آن شش اتم کربن به صورت حلقه ای قرار گرفته اند، و به هر کدام یک اتم هیدروژن متصل شده است، تنها سه خط ( پیوند ظرفیتی) برای اتصال هر اتم کربن به یک اتم هیدروژن و دو اتم کربن دیگر وجود دارد، مگر آنکه نظیر آنچه در شکل ۵ می بینید، پیوندهای دوگانه ای اضافه شوند. این همان کاری بود که ککوله با ظرفیت های مصرف نشده فرمولش کرد.
گرچه بسیاری از شیمیدانان ساختار حلقوی را پذیرفتند و از آن استقبال کردند، اما دیگران به احتمال وجود اشتباهی در آن اشاره کردند. اگر دو اتم دیگر جایگزین دو اتم هیدروژن مجاور می شدند، دو ایزومر مختلف به دست می آمد، که در یکی از آنها این دو اتم ( که در شکل ۶ با حرفx نشان داده شده اند) به اتمهای کربنی متصل بودند که پیوند دوگانه ای بین آنها بود ( یا دوخط، نظیر آنچه در شکل ۶ الف می بینید) ولی در دیگری دو اتم به اتمهای کربنی اتصال داشتند که پیوند ساده ای بین آنها بود ( یا یک خط، نظیرشکل ۶ ب).
ککوله نظریه ساختار حلقوی را اصلاح کرد تا توضیح دهد چرا چنین ایزومرهایی وجود ندارند. وی چنین فرض کرد که در ساختار حلقوی شکل ۵ ، پیوندهای ساده و دوگانه بین اتمهای کربن حلقه به سرعت با یکدیگر جابه جا می شوند. بنابراین ایزومرهایی که در شکل ۶ نشان داده شده اند به یکدیگر قابل تبدیل اند، و نمی توان آنها را از هم جدا کرد. در فاصله بین سالهای ۱۸۶۵ تا۱۸۹۰ چندین ساختار احتمالی دیگر برای بنزن پیشنهاد شد، اما هیچ یک نتوانست مانند ساختار ککوله، امتحان خود را در برابر قراین تجربی پس بدهد. گر چه تا سالها پس از جشن بیست و پنجمین سالگرد ارائه فرمول ککوله، الکترونها کشف نشده بودند( چه رسد به مکانیک کوانتومی )، اما دید گاه ککوله در زمینه ساختار بنزن و هزاران ترکیب آروماتیک مشابه، با دیدگاه امروزی که بر مفهوم مکانیک کوانتومی اتصال الکترونی اتمها مبتنی است، شباهت زیادی دارد.
برخی از مؤلفان از داستان ککوله درباره رؤیاهایی که دیده بود و نقشی که در پیشنهاد معماری مولکولی داشتند انتقاد، و حتی آن را انکار کرده اند. ککوله در دهه ۱۸۶۰ در نوشته های خود به نشأت گرفتن نظریاتش از این رؤیاها 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 تقریباً عکس ترتیب واقعی رویدادهاست.
بسیار اتفاق افتاده است که تصادفها، تخیلات و رؤیاها 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 راجع به ساختار مولکولی را در خواب دیده بود، و اینکه صبر کرد تا این مطلب را در جشن بیست و پنجمین سالگرد ابراز کند، تعجب یا تردید کنیم. درباره این جمله دیگر سخنرانی اش، که مشخصه دانشمندی بزرگ ولی در عین حال رؤیایی است، فکر کنید:
آقایان، بیاموزیم که رؤیا ببینیم، شاید به حقیقت دست پیدا کنیم. اما مواظب باشیم که رؤیاهایمان را وقتی منتشر کنیم که آگاهی ، بیداری آنها را آزموده باشد.
ککوله نمی توانست برنده جایزه نوبل شود، چون این جوایز برای نخستین بار پس 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 رؤیایی ها، که زندگی واقعی خود را به دشواری می گذرانند، کمک کنم.
نه تنها ابداع رنگها، بلکه حتی عرضه داروهایی نظیر سولفانیل آمید و آسپیرین، بنزین با عدد اکتان بالا، شوینده های صناعی، پلاستیک ها، و پارچه هایی نظیر داکرون، همه از ثمرات شیمی آروماتیک هستند، که ککوله با ارائه ی فرمول بنزن، آن را پایه گذاری کرد.
