شيمي آلي و كشف فريدريش وهلر

شايد پيچيده ترين ماده طبيعي كه تاكنون در آزمايشگاه توليد شده است ويتامين B12 باشد ( شكل 1). درسال 1972 "رابرت ب. وودوارد" و "آلبرت اشنموزر" اعلام كردند كه اين ويتامين را بطور كامل در آزمايشگاه تهيه كرده اند. اين موفقيت نتيجه همكاري 11ساله 100 شيميدان از 19 كشور جهان در دانشگاهاي هاروارد و زوريخ بود. گر چه اين روش آزمايشگاهي هرگز منبع قابل استفاده اي براي تأمين ويتامين نبود، اما نقطه عطفي در تهيه مواد آلي به شمار مي آمد؛ چون در طي اين فعاليت علمي ، واكنشها، روشها و نظريات جديد ابداع شدند.
اوره، كه نخستين ماده طبيعي بود كه در آزمايشگاه تهيه شد، ساختار بسيار ساده تري دارد( شكل 2). در 1828 "فريدريش وهلر" آن را تصادفاً در آزمايشگاهش در برلين تهيه كرد. در آن زمان اوره را به عنوان يكي از انواع تركيبات آلي مي شناختند. "يان ياكوب برسيليوس" كه شيميدان سوئدي مشهوري بود، واژه "آلي" (Organic) را در حوالي 1807 تعريف كرد. اين عنوان به هر ماده اي كه ارگانيسم هاي (Organism) زنده – چه گياه و چه جانور- توليد كنند اطلاق مي شود؛ در مقابل آنها موادي هستند كه منشا غير زنده و معدني دارند، و مواد غيرآلي يا معدني ناميده شدند. در اوايل سده نوزدهم ، همه مواد شيميايي شناخته شده تا آن زمان را در يكي از اين دو گروه ، طبقه بندي مي كردند. مواد معدني نظير عناصر رايج فلزي و تركيبات آنها كه در سنگهاي معدني يافت مي شدند، بسيار ساده تر از مواد آلي، نظير قند، نشاسته و چربي حيواني بودند. عقيده بر آن بود كه مواد آلي نوعي " نيروي حياتي " دارند كه از گياهان يا جانوران به يكديگرمنتقل مي شود. در نظريه حيات گرايي اين فرض اوليه حاكم بود كه برخلاف مواد معدني كه امكان تهيه آنها در آزمايشگاه وجود داشت، مواد آلي قابل تهيه درآزمايشگاه نبودند- دست كم از مواد معدني نمي شد آنها را توليد كرد.
در سال 1828 وهلر به خوبي دانسته بود كه اوره نوعي ماده آلي است. در واقع وجود اوره در ادرار توجه خود وهلر را جلب كرده بود، و هنگامي كه وهلر دانشجوي پزشكي دردانشگاه هايد لبرگ بود آزمايشهايي را در زمينه توليد آن در سگها و حتي خودش انجام داد. فريدريش وهلر، در سال 1800 در روستاي اشرشايم در نزديكي فرانكفورت آلمان متولد شد. در فرانكفورت به دبيرستان رفت، اما در دوران دانش آموزي نبوغ چنداني از خود نشان نداد. همان طور كه خودش بعداً اذعان كرد، قسمت عمده اي از وقت خود را صرف انجام آزمايش در شيمي مي كرد، و فرصت كافي براي درس خواندن نداشت . در منزلشان اتاقش را به آزمايشگاهي تبديل كرده بود، و از اجاق زغالي آشپزخانه براي گرم كردن سنگهاي معدني و ديگر مواد شيميايي اش استفاده مي كرد.
پس از آن كه وهلر جوان از دبيرستان فارغ التحصيل شد، به دانشگاه ماربوگ را ه يافت، و به همان دليلي كه اهل خانه از دست او عاصي شده بودند، با صاحبخانه اش اختلاف پيدا كرد: چون در محل سكونتش زيادي آزمايش انجام مي داد! پس از يك سال تحصيل در ماربورگ خود را به هايدلبرگ انتقال داد، و تحت تأثير" لئوپولد گملين" كه در آن هنگام از شيميدانان مشهورآلمان بود قرار گرفت. گرچه وهلر با دانشنامه پزشكي از هايدلبرگ فارغ التحصيل شد، اما به توصيه گملين، كه خود زماني پزشك بود، طب عملي را كنار گذاشت و خود را وقف شيمي كرد.
وهلر با كمك گملين به استكهلم رفت تا زير نظر "برزليوس" به مطالعه و پژوهش بپردازد. گرچه فقط يك سال در آنجا ماند، اما او و برزليوس با يكديگر رفاقتي پيدا كردند كه تا آخر عمر ادامه يافت. وهلر براي مدت كوتاهي به هايدلبرگ بازگشت، و سپس در يكي از دانشكده هاي فني برلين به تدريس مشغول شد. گرچه مقام دانشگاهي مهمي نبود و در واقع در آن شهر بزرگ بيشتر به تدريس شبانه شباهت داشت، اما آزمايشگاهي در اختيارش بود كه كمال استفاده را از آن كرد. او نخستين كسي بود كه آلومينيم را در سال 1827 به حالت فلزي آزاد توليد كرد. البته روشي كه به كار برد عملي نبود، و حدود60 سال طول كشيد تا يك دانشجوي امريكايي، در دانشكده اوبرلين در اوهايو روشي را براي تهيه صنعتي آلومينيم با استفاده از جريان برق كشف كند.( اشاره آخر مطلب را ببينيد).
در همين آزمايشگاه بود كه وهلر در سال 1828 آزمايشي انجام داد كه شهرتش را در تاريخ شيمي آلي تضمين كرد. او قصد داشت سيانات آمونيم خالص را، كه تصور مي شد فرمولش هماني باشد كه در (شكل 3 ) نشان داده شده است، از سيانات پتاسيم و سولفات آمونيم، كه دو نمك معدني معمولي بودند، تهيه كند. پس از آنكه دو نمك را در مجاورت يكديگر حرارت داد، محلولي را كه پيش بيني مي كرد در آن سيانات آمونيم باشد تبخير كرد. اما بلورهاي سفيد رنگي به دست آورد كه درست به اوره اي كه بارها ازادرار سگ و انسان جدا كرده بود شباهت داشتند! بي درنگ ثابت كرد كه اين بلورها واقعاً اوره هستند. وهلراين نتيجه را به عنوان :" واقعيتي شگفت آور كه بيانگر نمونه اي از توليد صناعي ماده اي آلي، و به اصطلاح جانوري، از مواد معدني است" توصيف كرد.
اين نتيجه" شگفت آور" جنبه ديگري هم داشت كه براي وهلر و نيز برزليوس، كه پس از مدت كوتاهي به كشف وهلر پي برده بود، اهميت داشت. سيانات آمونيم و اوره اي كه از آن توليد شده بود" ايزومر" يكديگر بودند ( مشتق ازمعادل يوناني به معني " پاره هاي يكسان") اين واژه را برزليوس، براي توصيف تركيباتي كه از عناصر يكسان با نسبت هاي برابر تشكيل مي شدند وضع كرده بود. سيانات آمونيم و اوره هر دو حاوي يك اتم كربن، يك اتم اكسيژن، دو اتم نيتروژن و چهار اتم هيدروژن هستند. ظاهراً وهلر و برزليوس به جاي توجه به تأثيري كه ممكن بود اين كشف بر نظريه حيات گرايي داشته باشد ، بيشتر بر اين جنبه تهيه اوره تأكيد داشتند.
اما كشف تصادفي وهلر سرآغازي بر زوال نظريه حيات گرايي بود كه مدتها مانع از پيشرفت شيمي تركيبات كربن مي شد. ديگر شيميدانان آن عصر خاطر نشان كردند كه گر چه سيانات پتاسيم و سولفات آمونيم را معمولاً غيرآلي مي دانستند، اما وهلر آنها را از موادي آلي نظير شاخ و خون جانوران تهيه كرده بود، نه از عناصر سازنده شان؛ بنابراين نمي شد نتيجه گرفت كه تهيه اوره به دست وهلر، نظريه حيات گرايي را از اعتبار ساقط مي كند. تنها وقتي "هرمان كولبه" در 1845 اسيد استيك را از عناصر تشكيل دهنده اش ( كربن، هيدروژن و اكسيژن) تهيه كرد، در آن موقع بود كه افراطيان بالاخره مرگ نظريه حيات گرايي را پذيرفتند. از آن پس تعريف شيمي آلي به " شيمي تركيبات كربن" ( تعريف پذيرفته شده امروزي ) تغيير يافت، چه اين تركيبات از منشا طبيعي باشند، چه از توليدات آزمايشگاهي.
وهلر مي توانست بقيه عمرش را وقف شيمي آلي كند، اما اين كار را نكرد. علاقه اي كه از ابتدا به سنگهاي معدني داشت همچنان پا برجا بود و اكثر كارهاي بعدي اش به شيمي معدني مربوط مي شد. وهلر پس از ترك برلين در 1831، براي مدت كوتاهي در دانشكده فني ديگري در كاسل به كار مشغول شد، و سپس در1836 به هدف خود كه استادي در يكي از دانشگاههاي بزرگ آلمان يعني گوتينگن بود، دست يافت. وي در آنجا برخي از بهترين كارهاي پژوهشي خود را با همكاري دوستش "يوستوس لايبيگ" كه استاد دانشگاه گيسن بود ارائه داد.
وهلر كه وجودش در بخش شيمي گوتينگن بر اعتبار آن مي افزود، شيميداناني را از سرتاسر جهان به سوي آن جذب كرد. وي در گوتينگن به تدريس، تربيت شيميدانان پژوهشگر، نوشتن كتابهاي دانشگاهي و ويرايش مجلات پژوهشي شيمي ادامه داد، تا سرانجام در1882 در گذشت.
وهلر حدود 8000 دانشجو را در گوتينگن پرورش داد. از جمله اينها "رودلف فيتيگ" بود، كه بعدها استاد دانشگاه توبينگن شد، و "ايرارِمسن" از ايالات متحده زير نظر او به تحصيل پرداخت. رمسن بعد از تحصيل در توبينگن به ايالات متحده بازگشت و سطح علمي بخش شيمي دانشگاه جانزهاپكينز را تا به حد دانشگاههاي اروپايي ارتقا داد. اين بخش مركز عمده اي براي تربيت نسل هاي بعد شيميدانان در آمريكا شد .
گذشته از افتخارات بسياري كه نصيب وهلر شد، تهيه غير مترقبه تركيب ساده اي به نام اوره از طريق گرم كردن سيانات آمونيم در 27 سالگي به عنوان مهمترين موفقيتش جلوه گر مي شود و امروزه تقريباً در هر كتاب درسي شيمي آلي ذكري از آن به ميان مي آيد. تهيه يك تركيب آلي از تركيبي معدني نشانگر پايان نظريه حيات گرايي و سرآغازي بر پايه گذاري شيمي آلي برمبنايي معقول بود.
اشاره
از جمله شيميدانان بسياري كه از سرتاسر دنيا به سوي گوتينگن جذب شدند تا زير نظر وهلر به تحصيل بپردازند، "فرانك ف. جوئت" بود، كه براي تدريس در دانشكده اوبرلين در اوهايو به ايالات متحده باز گشت. در دهه 1880 جوئت غالباً توجه دانشجويانش را به اين واقعيت جلب مي كرد كه گرچه آلومينيم فراوانترين فلز است، اما متأسفانه كسي نتوانسته آن را با روشي عملي از سنگهاي معدني پيچيده اش استخراج كند. او به آنها گفت كه استاد آلماني اش فريدريش وهلر نخستين كسي بود كه فلز مزبور را به دست آورد، اما روشي كه او به كار برده بود آن قدر دشوار و پر هزينه بود كه آلومينيم براي بيش از پنجاه سال به عنوان يكي از عجايبي كه در قفسه هاي موزه ها جاي داشت باقي مانده بود.
يكي از دانشجويان جوئت در اوبرلين، "چارلز مارتين هال"، ازاهالي همان محل بود. مسئله آلومينيم آن قدر توجهش را به خود جلب كرد كه تصميم گرفت راهي پيدا كند كه استخراج فلز مزبور را از سنگ معدنش امكان پذير سازد وآن را به عنوان طرح پژوهشي سال آخرش در اوبرلين برگزيد. او متقاعد شده بود كه راه دستيابي به اين هدف استفاده از الكتريسيته است. يك باتري ابتدايي و كوره اي در انبار هيزم پشت منزلشان ساخت، سنگ معدن كريوليت را در كوره ذوب كرد و فراوانترين نوع سنگ معدن آلومينيم يا بولسيت، كه دريافته بود در كريوليت حل مي شود، به آن اضافه كرد. جريان الكتريسيته را از اين مخلوط عبور داد و با كمال شادماني جمع شدن گويچه هاي نقره اي رنگ آلومينيم را در اطراف قطب منفي دستگاهش مشاهده كرد. همين كه ساچمه هاي براق فلزي به اندازه اي خنك شدند كه بتواند آنها را در دست بگيرد، با شتاب رفت تا آنها را پيروزمندانه به پروفسور جوئت نشان دهد. اين واقعه در 23 فوريه سال 1886 -59 سال پس از آنكه وهلر نخستين نمونه آلومينيم خالص را تهيه كرد – اتفاق افتاد. مرد جواني كه روش عملي تهيه آلومينيم را ابداع كرد، دانشجوي دانشجوي وهلر بود!
چند ماه بعد فكر همين روش الكتروليز ( ( Electrolysis به ذهن فرانسوي جواني به نام "پ.ل.ت.هرول" خطور كرد، اما در آن هنگام هال تقاضاي ثبت روش ابداعي خود را كرده بود، و تقاضايش در اولويت قرار گرفت. شركت آلومينيم امريكا(آلكوآ) با استفاده از اصول همان روش الكتروليز، از آزمايش ابتدايي هال نشو و نما يافت. چارلز مارتين هال مرد ثروتمندي شد و به هنگام مرگ قسمت عمده اي از ثروتش را براي محل تحصيل خود، دانشكده اوبرلين، به ارث گذاشت. امروزه هر كس كه به تماشاي محوطه دانشكده برود مي تواند از تالار زيبايي كه هال به نام مادرش بنا كرد، مجسمه هال در ساختمان شيمي ( كه امروزه براي در امان ماندن از شر دانشجوياني كه قبلاً آن را در جاهاي نامناسبي در محوطه دانشكده مي گذاشتند، در آنجا نگهداري مي شود!) و منزل خانوادگي هال، كه يك خيابان با محوطه دانشكده فاصله دارد، ديدن كند. مجسمه و لوح يادبودي كه در منزل هال نصب شده به تناسب از همان فلزي ساخته شده اند كه هال با ابتكار خود در دسترس جهانيان قرار داد