چنبره حلقه بنزن| رویای ماری که دم خودش را گاز گرفت!

خبرگزاری آنا- هدا عربشاهی: بنزن، ماده‌ای آلی با ساختار مولکولی حلقوی است که در دمای اتاق به‌صورت مایعی بی‌رنگ و فرار ظاهر می‌شود. این ماده به خانواده هیدروکربن‌های معطر تعلق دارد و جایگزینی طبیعی برای نفت و همچنین ترکیبی غیرقطبی، نامحلول در آب و قابل اشتعال است که به‌عنوان افزودنی خوش‌سوزکننده و افزایش‌دهنده عدد اکتان در بنزین استفاده می‌شود. اما آنچه در مورد بنزن بسیار جذاب است تاریخچه آن است. تاریخچه‌ای که بخش مهمی از آن مرهون رویا است. 

بیشتر بخوانید

کشف‌های تصادفی- ۱

مورد اتفاقی لوزالمعده| قند خون به‌جای اسیدهای چرب روده

جداسازی بنزن  

سال ۱۸۵۸ ککوله نشان داده بود که چگونه اتم‌های کربن می‌توانند به یکدیگر بپیوندند و زنجیره‌های بلندی را تشکیل دهند. به‌لطف فرضیه مولکول‌هایی با ساختار حلقوی مانند بنزن است که امروزه ککوله را به‌عنوان «بنیانگذار شیمی آلی ساختاری» می‌شناسند. اما بسیاری متعجب بود که او چگونه توانسته بود به کشفی چنین مبتکرانه که برای آن‌زمان غیرعادی بود دست یابد.

سال ۱۸۲۵، مایکل فارادی، شیمی‌دان انگلیسی، برای اولین‌بار موفق شد بنزن را از نفت جدا کند و فرمول C6H6 را به‌دست آورد. این فرمول ممکن است ساختاری غیراشباع را نشان دهد، اما، درواقع، بنزن به‌طور قابل توجهی پایدار است. همچنین انتظار می‌رود که شبیه آلکن‌ها (هیدروکربن‌هایی با پیوندهای دوگانه کربن‌-کربن) و آلکین‌ها (هیدروکربن‌های اشباع‌نشده با دست‌کم یک پیوند سه‌گانه بین دو اتم کربن) باشد و بنابراین باید واکنش‌های افزایشی را با هیدروژن و هالوژن‌ها به پیوندهای دوگانه و سه‌گانه بسازد. اما در واقعیت تجربی مشاهده می شود که بنزن واکنش‌های جانشینی را ترجیح می‌دهد. در واکنش‌‌های جانشینی، یک گروه عامل از یک ترکیب با گروه دیگری از ترکیب دیگر جابه‌جا می‌شود. 

پس‌از کشف فارادی و باهدف درک این ویژگی‌های عجیب، پیشنهادهای متعددی برای تعیین ساختار و تصویر فضایی مولکول بنزن ارائه شد. اما هیچ‌یک قادر نبودند ویژگی‌های شیمیایی این ماده را توضیح دهند. تااینکه سال۱۸۶۵ شیمی‌دان آلمانی فریدریش آگوست ککوله فُن اشترادونیتس وجود ترکیب آلی با زنجیره بسته را به‌عنوان ساختار بنزن فرض کرد. برای اینکه هر اتم کربن چهار ظرفیتی باشد، یعنی بتواند به اتم‌های دیگر با چهار پیوند و همچنین به دیگر اتم‌های کربن که هم زنجیره‌های بلند و هم ساختارهای حلقوی تشکیل می‌دهند، پیوند بخورد، او فرض کرد که اتم‌های کربن با پیوندهای کربنی ساده و دوتایی‌ دیگری پیوند دارند که به‌طور مداوم در‌طول حلقه تغییر موقعیت می‌دهند. 

ککوله پس از انتشار این کشف در بولتن انجمن شیمی پاریس (Bulletin de la Societé Chimique de Paris) این فرضیه را مطرح کرد که بنزن به شکل حلقه‌ هگزاتومیک منظم (بنابراین حلقوی) با رئوس تشکیل‌شده از اتم‌های کربن که هرکدام به یک هیدروژن مرتبط است وجود دارد. او اتم این ترکیب را ساخته‌شده از دو ساختار در تعادل با یکدیگر تصور کرد. و تازه پس‌از فرض ساختار بنزن بود که دانشمندان ازطریق بررسی‌های تجربی نشان دادند که پیوندهای کربن-کربن هم‌اندازه هستند و با طول یکسان ۱.۳۹ آنگستروم وسط بین پیوند ساده و پیوند دوتایی را می‌گیرند و ازاین‌رو، فرمول واقعی بنزن یک هیبرید رزونانسی است که در آن اتم‌های کربن sp2 با هندسه مسطح و زوایای پیوند ۱۲۰ درجه هیبرید می‌شوند.

 در سه اوربیتال هیبریدی sp2، هر کربن سه‌پیوند کووالانسی تشکیل ‌می‌دهد (دو پیوند با اتم کربن مجاور و یک پیوند با اتم هیدروژن)، در‌حالی‌که شش اوربیتال p عمود بر صفحه مولکول به‌صورت جانبی همپوشانی دارند و یک ابر الکترونی شکل می‌دهند که با الکترون‌های نامتمرکز پیوند می‌سازد. الکترون‌های نامتمرکز، الکترون‌هایی در مولکول هستند که متعلق به یک اتم یا پیوند خاص نیستند. به‌این‌ترتیب، در بنزن، ۶ اتم کربن، ۶ الکترون نامتمرکز که نتیجه پیوند p هستند را در ساختار راه می‌دهند که با دایره‌ای در مرکز این مولکول نشان داده می‌شود. همچنین علت اینکه فاصله پیوندهای کربن‌-کربن در بنزن برابر است هم حاصل الکترون‌های نامتمرکز است. 

سال ۱۸۵۸ ککوله نشان داده بود که چگونه اتم‌های کربن می‌توانند به یکدیگر بپیوندند و زنجیره‌های بلندی را تشکیل دهند. به‌لطف فرضیه مولکول‌هایی با ساختار حلقوی مانند بنزن است که امروزه ککوله را به‌عنوان «بنیانگذار شیمی آلی ساختاری» می‌شناسند. اما بسیاری متعجب بود که او چگونه توانسته بود به کشفی چنین مبتکرانه که برای آن‌زمان غیرعادی بود دست یابد. اما او نمی‌خواست فاش کند که چگونه به این نتیجه رسیده است، تااینکه سرانجام ۲۵ سال بعد، در سال ۱۸۹۰، طی مراسم بزرگداشتی که به افتخارش در برلین ترتیب داده شده بود پرده از این راز برداشت.  

رویای آن‌شب آخر تابستان 

راز این بود: ککوله شکل ساختار بنزن را در رویا دیده بود، آن‌هم دوبار. اولین شهود در لندن در سال ۱۸۵۳ به او رسید، زمانی‌که شبی تابستانی سوار بر دلیجان به دیدار دوستش رفت. او در بخش بالایی دلیجان مسافربری که بدون سقف بود نشست و احتمالاً از فرط خستگی به خواب کوتاهی فرو رفت و در رویا اتم‌ها را دید که می‌رقصند و شکل‌هایی می‌سازند که قبلا آنها را ندیده بود.   

ککوله ماجرا را این‌گونه روایت کرده است: «طی اقامتم در لندن، در خیابان کِلافام زندگی می‌کردم. (...) اغلب شب‌ها را با دوستم هوگو مولر می‌گذراندم (...) درباره چیزهای زیادی صحبت می‌کردیم، اما مهم‌تر از همه درباره شیمی محبوبمان. شبی اواخر تابستان [در‌حالی‌که] با آخرین دلیجان به خانه برمی‌گشتم (...) در رویا فرو رفتم و در آن وضعیت، اتم‌ها را در برابر دیدگانم دیدم که پیچ‌وتاب می‌خوردند. تا آن‌زمان، هربار که آن چیزهای کوچک بر من ظاهر می‌شدند همواره در حرکت بودند. باوجوداین‌، آن‌لحظه می‌دیدم که چگونه، اغلب، دو اتم کوچک‌تر به هم می‌پیوندند تا زوج تشکیل دهند و می‌دیدم که چگونه زوج بزرگ‌تر دو زوج کوچک‌تر را در آغوش می‌گرفتند و چگونه بعضی زوج‌ها حتی بزرگتر، سه یا حتی چهار زوج کوچک‌تر را در بر می‌گرفتند و چگونه همه‌چیز در رقصی سرگیجه‌آور به چرخش ادامه می‌داد. (…) فریاد درشکه‌چی که می‌گفت: «جاده کِلافم!» من را از رویا بیدار کرد. بخشی از همان‌شب را صرف کشیدن اولین طرح‌هایی روی کاغذ از آن اشکال کردم که در رویا دیده‌ بودم.» 

بار دوم در خِنت در بلژیک در سال ۱۸۶۱ طی چرت کوتاهی مقابل شومینه رخ داد. در این رویای جدید، ککوله اتم‌ها را دید که در ردیف‌های سینوسی و منحنی، همچون مارهایی باهم یکی می‌شدند و بینشان، ماری بود که با دهانش دم خودش را گاز می‌گرفت. او که از این رویا مسحور و شگفت‌زده شده بود، سعی کرد آنچه را که در خواب دیده بود، روی کاغذ بازتولید کند. ککوله درباره آن شهود برای حاضران در مراسم بزرگداشتش تعریف کرد:  

«قصدم نوشتن بود. اما کار پیشرفت نمی‌کرد. افکارم جای دیگری بود. صندلیم را سوی شومینه چرخاندم و چرت زدم. دوباره اتم‌ها جلوی چشمانم بازی کردند (…). چشمِ ذهنیِ من که با این دید مکرر تیز شده بود، اکنون قادر به تشخیص ساختارهای بزرگ‌تر از ترکیبی چند‌وجهی بود. ردیف‌های بلند گاهی محکم‌تر چیده می‌شدند، همه سینوسی و منحنی، همانند چنبره مار. اما نگاه کن! آن چیست؟ یکی از مارها دم خودش را گرفته بود و آن شکل، به‌طرز تمسخرآمیزی جلوی چشمم چرخید. ناگاه با برقی ناگهانی از خواب بیدار شدم و بقیه شب را صرف ساختن فرضیه‌ام کردم.»