کشفیات

شاید پیچیده ترین ماده طبیعی که تاکنون در آزمایشگاه تولید شده است ویتامینB12 باشد ( شکل 1). درسال  1972 رابرت ب. وودوارد و آلبرت اشنموزر اعلام کردند که این ویتامین را بطور کامل در آزمایشگاه تهیه کرده اند. این موفقیت نتیجه همکاری 11ساله 100 شیمیدان از 19 کشور جهان در دانشگاهای هاروارد و زوریخ بود. گر چه این روش آزمایشگاهی هرگز منبع قابل  استفاده ای برای تأمین ویتامین نبود، اما نقطه عطفی در تهیه مواد آلی به شمار می آمد؛ چون در طی این فعالیت علمی ، واکنشها، روشها و نظریات جدید ابداع شدند.

اوره، که نخستین ماده طبیعی بود که در آزمایشگاه تهیه شد، ساختار بسیار ساده تری دارد( شکل 2). در 1828فریدریش وهلر آن را تصادفاً در آزمایشگاهش در برلین تهیه کرد. در آن زمان اوره را به عنوان یکی از انواع ترکیبات آلی می شناختند. یان یاکوب برسیلیوس که شیمیدان سوئدی مشهوری بود، واژه آلی (Organic) را در حوالی 1807 تعریف کرد. این عنوان به هر ماده ای که ارگانیسم های (Organism) زنده – چه گیاه و چه جانور- تولید کنند اطلاق می شود؛ در مقابل آنها موادی هستند که منشا غیر زنده و معدنی دارند، و مواد غیرآلی یا معدنی نامیده شدند. در اوایل سده نوزدهم ، همه مواد شیمیایی شناخته شده تا آن زمان را در یکی  از این دو گروه ، طبقه بندی می کردند. مواد معدنی نظیر عناصر رایج فلزی و ترکیبات آنها که در سنگهای معدنی یافت می شدند، بسیار ساده تر از مواد آلی، نظیر قند، نشاسته و چربی حیوانی بودند. عقیده بر آن بود که مواد آلی نوعی نیروی حیاتی دارند که از گیاهان یا جانوران به یکدیگرمنتقل می شود. در نظریه حیات گرایی این فرض اولیه حاکم بود که برخلاف مواد معدنی که امکان تهیه آنها در آزمایشگاه وجود داشت، مواد آلی قابل تهیه درآزمایشگاه نبودند- دست کم از مواد معدنی نمی شد آنها را تولید کرد.

 

در سال 1828 وهلر به خوبی دانسته بود که اوره نوعی ماده آلی است. در واقع وجود اوره  در ادرار توجه خود وهلر را جلب کرده بود، و هنگامی که وهلر دانشجوی پزشکی دردانشگاه هاید لبرگ بود آزمایشهایی را در زمینه تولید آن در سگها و حتی خودش انجام داد. فریدریش وهلر، در سال 1800 در روستای اشرشایم در نزدیکی فرانکفورت آلمان متولد شد. در فرانکفورت به دبیرستان رفت، اما در دوران دانش آموزی نبوغ چندانی از خود نشان نداد. همان طور که خودش بعداً اذعان کرد، قسمت عمده ای از وقت خود را صرف انجام آزمایش در شیمی می کرد، و فرصت کافی برای درس خواندن نداشت . در منزلشان اتاقش را به آزمایشگاهی تبدیل کرده بود، و از اجاق زغالی آشپزخانه برای گرم کردن سنگهای معدنی و دیگر مواد شیمیایی اش استفاده می کرد.

پس از آن که وهلر جوان از دبیرستان فارغ التحصیل شد، به دانشگاه ماربوگ را ه یافت، و به همان دلیلی که اهل خانه از دست او عاصی شده بودند، با صاحبخانه اش اختلاف پیدا کرد: چون در محل سکونتش زیادی آزمایش انجام می داد! پس از یک سال تحصیل در ماربورگ خود را به هایدلبرگ انتقال داد، و تحت تأثیر لئوپولد گملین که در آن هنگام از شیمیدانان مشهورآلمان بود قرار گرفت. گرچه وهلر با دانشنامه پزشکی از هایدلبرگ فارغ التحصیل شد، اما به توصیه گملین، که خود زمانی پزشک بود، طب عملی را کنار گذاشت و خود را وقف شیمی کرد.

وهلر با کمک گملین به استکهلم رفت تا زیر نظر برزلیوس به مطالعه و پژوهش بپردازد. گرچه فقط یک سال در آنجا ماند، اما او و برزلیوس با یکدیگر رفاقتی پیدا کردند که تا آخر عمر ادامه یافت. وهلر برای مدت کوتاهی به هایدلبرگ بازگشت، و سپس در یکی از دانشکده های فنی برلین به تدریس مشغول شد. گرچه مقام دانشگاهی مهمی نبود و در واقع در آن شهر بزرگ بیشتر به تدریس شبانه شباهت داشت، اما آزمایشگاهی در اختیارش بود که کمال استفاده را از آن کرد.او نخستین کسی بود که آلومینیم را در سال 1827 به حالت فلزی آزاد تولید کرد. البته روشی که به کار برد عملی نبود، و حدود60 سال طول کشید تا یک دانشجوی امریکایی، در دانشکده اوبرلین در اوهایو روشی را برای تهیه صنعتی آلومینیم با استفاده از جریان برق کشف کند.( اشاره آخر مطلب  را ببینید).

در همین آزمایشگاه بود که وهلر در سال 1828 آزمایشی انجام داد که شهرتش را در تاریخ شیمی آلی تضمین کرد. او قصد داشت سیانات آمونیم خالص را، که تصور می شد فرمولش همانی باشد که در (شکل 3 ) نشان داده شده است، از سیانات پتاسیم و سولفات آمونیم، که دو نمک معدنی معمولی بودند، تهیه کند. پس از آنکه دو نمک را در مجاورت یکدیگر حرارت داد، محلولی را که پیش بینی می کرد در آن سیانات آمونیم باشد تبخیر کرد. اما بلورهای سفید رنگی به دست آورد که درست به اوره ای که بارها ازادرار سگ و انسان جدا کرده بود شباهت داشتند! بی درنگ ثابت کرد که این بلورها واقعاً اوره هستند. وهلراین نتیجه را به عنوان : واقعیتی شگفت آور که بیانگر نمونه ای از تولید صناعی ماده ای آلی، و به اصطلاح جانوری، از مواد معدنی است توصیف کرد.

این نتیجه شگفت آور جنبه دیگری هم داشت که برای وهلر و نیز برزلیوس، که پس از مدت کوتاهی به کشف وهلر پی برده بود، اهمیت داشت. سیانات آمونیم و اوره ای که از آن تولید شده بود ایزومر یکدیگر بودند ( مشتق ازمعادل یونانی به معنی پاره های یکسان )  این واژه را برزلیوس، برای توصیف ترکیباتی که از عناصر یکسان با نسبت های برابر تشکیل می شدند وضع کرده بود. سیانات آمونیم و اوره هر دو حاوی یک اتم کربن، یک اتم اکسیژن، دو اتم نیتروژن و چهار اتم هیدروژن هستند. ظاهراً وهلر و برزلیوس به جای توجه  به تأثیری که ممکن بود این کشف بر نظریه حیات گرایی داشته باشد ، بیشتر بر این جنبه تهیه اوره تأکید داشتند.

اما کشف تصادفی وهلر سرآغازی بر زوال نظریه حیات گرایی بود که مدتها مانع از پیشرفت شیمی ترکیبات کربن می شد. دیگر شیمیدانان آن عصر خاطر نشان کردند که گر چه سیانات پتاسیم و سولفات آمونیم را معمولاً غیرآلی می دانستند، اما وهلر آنها را از موادی آلی نظیر شاخ و خون جانوران تهیه کرده بود، نه از عناصر سازنده شان؛ بنابراین نمی شد نتیجه گرفت که تهیه اوره به دست وهلر، نظریه حیات گرایی را از اعتبار ساقط می کند. تنها وقتی هرمان کولبه در 1845 اسید استیک را از عناصر تشکیل دهنده اش ( کربن، هیدروژن و اکسیژن) تهیه کرد، در آن موقع بود که افراطیان بالاخره مرگ نظریه حیات گرایی را پذیرفتند. از آن پس تعریف شیمی آلی به شیمی ترکیبات کربن ( تعریف پذیرفته شده امروزی ) تغییر یافت، چه این ترکیبات از منشا طبیعی باشند، چه از تولیدات آزمایشگاهی.

 

وهلر می توانست بقیه عمرش را وقف شیمی آلی کند، اما این کار را نکرد. علاقه ای که از ابتدا به سنگهای معدنی داشت همچنان پا برجا بود و اکثر کارهای بعدی اش به شیمی معدنی مربوط می شد. وهلر پس از ترک برلین در 1831، برای مدت کوتاهی در دانشکده فنی دیگری در کاسل به کار مشغول شد، و سپس در1836 به هدف خود که استادی در یکی از دانشگاههای بزرگ آلمان یعنی گوتینگن بود، دست یافت. وی در آنجا برخی از بهترین کارهای پژوهشی خود را با همکاری دوستش یوستوس لایبیگ که استاد دانشگاه گیسن بود ارائه داد.

وهلر که وجودش در بخش شیمی گوتینگن بر اعتبار آن می افزود، شیمیدانانی را از سرتاسر جهان به سوی آن جذب کرد. وی در گوتینگن به تدریس، تربیت شیمیدانان پژوهشگر، نوشتن کتابهای دانشگاهی و ویرایش مجلات پژوهشی شیمی ادامه داد، تا سرانجام در1882 در گذشت.

وهلر حدود 8000 دانشجو را در گوتینگن پرورش داد. از جمله اینها رودلف فیتیگ بود، که بعدها استاد دانشگاه توبینگن شد، و ایرارِمسن از ایالات متحده زیر نظر او به تحصیل پرداخت. رمسن بعد از تحصیل در توبینگن به ایالات متحده بازگشت و سطح علمی بخش شیمی دانشگاه جانزهاپکینز را تا به حد دانشگاههای اروپایی ارتقا داد. این بخش مرکز عمده ای برای تربیت نسل های بعد شیمیدانان در آمریکا شد .

گذشته از افتخارات بسیاری که نصیب وهلر شد، تهیه غیر مترقبه ترکیب ساده ای به نام اوره از طریق گرم کردن سیانات آمونیم در 27 سالگی به عنوان مهمترین موفقیتش جلوه گر می شود و امروزه تقریباً در هر کتاب درسی شیمی آلی ذکری از آن به میان می آید. تهیه یک ترکیب آلی از ترکیبی معدنی نشانگر پایان نظریه حیات گرایی و سرآغازی بر پایه گذاری شیمی آلی برمبنایی معقول بود.

 

اشاره

از جمله شیمیدانان بسیاری که از سرتاسر دنیا به سوی گوتینگن جذب شدند تا زیر نظر وهلر به تحصیل بپردازند، فرانک ف. جوئت بود، که برای تدریس در دانشکده اوبرلین در اوهایو به ایالات متحده باز گشت. در دهه 1880 جوئت غالباً توجه دانشجویانش را به این واقعیت جلب می کرد که گرچه آلومینیم فراوانترین فلز است، اما متأسفانه کسی نتوانسته آن را با روشی عملی از سنگهای معدنی پیچیده اش استخراج کند. او به آنها گفت که استاد آلمانی اش فریدریش وهلر نخستین کسی بود که فلز مزبور را به دست آورد، اما روشی که او به کار برده بود آن قدر دشوار و پر هزینه بود که آلومینیم برای بیش از پنجاه سال به عنوان یکی از عجایبی که در قفسه های موزه ها جای داشت باقی مانده بود.

یکی از دانشجویان جوئت در اوبرلین، چارلز مارتین هال ، ازاهالی همان محل بود. مسئله آلومینیم آن قدر توجهش را به خود جلب کرد که تصمیم گرفت راهی پیدا کند که استخراج فلز مزبور را از سنگ معدنش امکان پذیر سازد وآن را به عنوان طرح پژوهشی سال آخرش در اوبرلین برگزید. او متقاعد شده بود که راه دستیابی به این هدف استفاده از الکتریسیته است. یک باتری  ابتدایی و کوره ای در انبار هیزم پشت منزلشان ساخت، سنگ معدن کریولیت را در کوره ذوب کرد و فراوانترین نوع سنگ معدن آلومینیم یا بولسیت، که دریافته بود در کریولیت حل می شود، به آن اضافه کرد. جریان الکتریسیته را از این مخلوط عبور داد و با کمال شادمانی جمع شدن گویچه های نقره ای رنگ آلومینیم را در اطراف قطب منفی دستگاهش مشاهده کرد. همین که ساچمه های براق فلزی به اندازه ای خنک شدند که بتواند آنها را در دست بگیرد، با شتاب رفت تا آنها را پیروزمندانه به پروفسور جوئت نشان دهد. این واقعه در 23 فوریه سال 1886 -59 سال پس از آنکه وهلر نخستین نمونه آلومینیم خالص را تهیه کرد – اتفاق افتاد. مرد جوانی که روش عملی تهیه آلومینیم را ابداع کرد، دانشجوی دانشجوی وهلر بود!

چند ماه بعد فکر همین روش الکترولیز (( Electrolysisبه ذهن فرانسوی جوانی به نام پ.ل.ت.هرول خطور کرد، اما در آن هنگام هال تقاضای ثبت روش ابداعی خود را کرده بود، و تقاضایش در اولویت قرار گرفت. شرکت آلومینیم امریکا(آلکوآ) با استفاده از اصول همان روش الکترولیز، از آزمایش ابتدایی هال نشو و نما یافت. چارلز مارتین هال مرد ثروتمندی شد و به هنگام مرگ قسمت عمده ای از ثروتش را برای محل تحصیل خود، دانشکده اوبرلین، به ارث گذاشت. امروزه هر کس که به تماشای محوطه دانشکده برود می تواند از تالار زیبایی که هال به نام مادرش بنا کرد، مجسمه هال در ساختمان شیمی ( که امروزه برای در امان ماندن از شر دانشجویانی که قبلاً آن را در جاهای نامناسبی در محوطه دانشکده می گذاشتند، در آنجا نگهداری می شود!) و منزل خانوادگی هال، که یک خیابان با محوطه دانشکده فاصله دارد، دیدن کند. مجسمه و لوح یادبودی که در منزل هال نصب شده به تناسب از همان فلزی ساخته شده اند که هال با ابتکار خود در دسترس جهانیان قرار داد.

 

منبع : تبیان

/ 0 نظر / 108 بازدید