Август Кекуле: Змея, кусающая свой хвост

В 1890 году, на праздновании 25-летия со дня публикации его статьи о бензоле, химик в возрасте за шестьдесят рассказал залу, полному коллег, как он решил самую сложную структурную проблему в своей области. Он сказал, что дремал и увидел цепочки атомов, извивающиеся, как змеи, пока одна из них не схватила себя за хвост. Он проснулся и разработал последствия. Это самая известная история происхождения в истории химии; историки до сих пор спорят, правдива ли она, и это не имеет большого значения: структура была правильной, и с тех пор органическая химия рисуется по диаграмме Кекуле.

От Дармштадта до Гиссена

Фридрих Август Кекуле родился 7 сентября 1829 года в Дармштадте, в Великом герцогстве Гессен. В 1847 году он поступил в Гиссенский университет с намерением стать архитектором — факт, который стоит запомнить, потому что дисциплина, которую он фактически основал, по сути является архитектурной. В первом семестре он посещал лекции Юстуса фон Либиха, самого грозного химика Европы, и сменил курс.

Он получил докторскую степень в 1852 году, а затем провел четыре года в качестве странствующего ассистента: Париж в 1851–52, Швейцария в 1852–53, Лондон с 1853 по 1855 год. Лондонские годы были самыми важными. Там он сошелся с Александром Уильямсоном, чья работа по строению молекул подтолкнула Кекуле к вопросу, которому он посвятил свою жизнь — не из чего состоят вещества, а как расположены части.

Четырехвалентный углерод

Ответ пришел в двух частях. В конце 1857 года Кекуле объявил, что углерод четырехвалентен: каждый атом углерода образует ровно четыре связи. В 1858 году он добавил решающее расширение — атомы углерода могут соединяться непосредственно друг с другом, образуя цепи неопределенной длины.

Сказанное так просто, это звучит очевидно. Это было не так. Химики не могли объяснить, почему углеродных соединений так абсурдно больше, чем всех остальных, и два предложения вместе дали причину: элемент с четырьмя руками, который может держать себе подобных, строит неограниченную комбинаторную библиотеку. Резюме Института истории науки точно — теория Кекуле объяснила «само многообразие углеродных соединений, которое озадачивало химиков».

Шотландский химик Арчибальд Скотт Купер независимо пришел к такому же выводу, но его статья попала во Французскую академию через несколько недель после того, как Кекуле опубликовал свою в мае 1858 года. Купер был огорчен приоритетом до конца своей короткой карьеры, и аргументы в пользу разделения заслуг весомы.

Гент

Кекуле стал приват-доцентом в Гейдельберге в 1856 году, получил полную профессуру в Генте в 1858 году и был призван в Бонн в 1867 году, где оставался до выхода на пенсию. Гент — это место, где произошло второе открытие.

Бензол был выдающимся скандалом органической химии. Его формула, C6H6, была известна; никакое расположение углеродной цепи не могло ее вместить. В 1865 году Кекуле предложил, что шесть атомов углерода образуют замкнутое кольцо с чередующимися одинарными и двойными связями. Это была первая циклическая структура в химии, и она открыла всю ароматическую химию — красители, лекарства, взрывчатые вещества, всю немецкую химическую промышленность следующего полувека.

У структуры был недостаток: она предсказывала изомеры, которых не существует. В 1872 году Кекуле исправил это, предложив, что молекула быстро колеблется между двумя эквивалентными формами, при этом связи постоянно меняются местами. Это было неверно в деталях, но верно по духу; это предвосхитило резонанс и делокализацию, которые квантовая химия установит шестьдесят лет спустя.

Сон

Кекуле рассказал две провидческие истории, обе в конце жизни. В одной, катаясь на лондонском омнибусе около 1855 года, он увидел, как атомы углерода исполняют головокружительный танец и разбиваются на пары. В другой, дремая у камина в Бельгии, он увидел змеевидные цепочки, одна из которых взяла свой хвост в рот — уроборос.

Историки так и не решили, являются ли это воспоминаниями или ретроспективным мифотворчеством человека, который понимал рекламу. Что не вызывает сомнений, так это форма утверждения, которое он делал: что идея пришла непрошеной, в состоянии грез, и что работа по ее доказательству пришла позже. Произошло ли это так или нет, это необычайно честный отчет о том, как ощущается теоретическая работа.

Почему Августа называют гением

Даром Кекуле было пространственное воображение, примененное к невидимым объектам. Он не мог видеть молекулу, и никто при его жизни не смог бы; что он сделал, так это построил из комбинационных отношений и реакционного поведения трехмерную картину, которая оказалась верной. Он дал химии ее нотацию — структурную формулу, то, что каждый химик с тех пор рисует на доске — и тем самым превратил науку рецептов в науку архитектуры. Несостоявшийся студент-архитектор построил эту область.

Масштаб достижения измерим по его студентам. Трое его докторантов получили Нобелевские премии по химии: Якобс Хендрик Вант-Гофф в 1901 году, Эмиль Фишер в 1902 году и Адольф фон Байер в 1905 году. Очень немногие преподаватели в любой дисциплине могут показать такой послужной список. Великобритания вручила ему медаль Копли в 1885 году; Германия возвела его в дворянство в 1895 году как Кекуле фон Страдониц.

Контраргумент имеет две стороны. Купер пришел к теории структуры независимо и проиграл только по времени публикации, а Кекуле не стремился поделиться заслугами. И структура бензола в том виде, в котором ее предложил Кекуле, неверна — модель чередующихся связей и осцилляционная заплатка были заменены, как только был понят электрон. Он был гением продуктивной аппроксимации: человеком, который угадал правильную форму за десятилетия до того, как кто-либо смог объяснить, почему она держится вместе.

Наследие

Его Lehrbuch der Organischen Chemie, опубликованный в томах с 1859 по 1887 год, обучил поколение химиков новому структурному мышлению. Он умер в Бонне 13 июля 1896 года, проведя там почти тридцать лет.

Бензольное кольцо сейчас является одним из самых воспроизводимых символов в науке, напечатанным на учебниках, дверях лабораторий и почтовых марках. Каждая молекула лекарства и каждая диаграмма полимера происходят из конвенции, которую он установил: что химические вещества имеют формы и что формы можно рисовать. Снилась ли ему змея или нет, он научил химию думать образами.