Создатель символа органической химии

К 190-летию со дня рождения А. Кекуле

Фридрих Август Кекулé фон Штрадониц (Friedrich August Kekulé von Stradonitz) родился 7сентября 1829 г. в Дармштадте, Германия, в семье чиновника. Его отец, Людвиг Карл Эмиль Кекуле, служил членом Высшего военного совета ландграфства, а мать, Маргарита, была когда-то экономкой отца. У супругов Кекуле было два сына: старший, Эмиль, студент Гессенского университета, и младший — Август.

Август рос поразительно одаренным ребенком. Друг семьи архитектор Бауман учил Кекуле чертить и рисовать. К восемнадцати годам он говорил на четырех языках — французском, латинском, итальянском, английском. Учителя восхищались глубиной и оригинальностью его мыслей.

        Август увлекался архитектурой, и отец мечтал, чтобы сын стал студентом и получил профессию архитектора. Он гордился и тем, что в Дармштадте уже было построено три дома по проекту гимназиста Августа Кекуле. Юноша поступил в Гессенский университет, где учился старший брат Эмиль, и окончил его в 1852 г. Но отцу не суждено было порадоваться успехам своего любимого сына.

          В университете А.Кекуле стал изучать геометрию, математику, черчение, рисование. Он обладал необыкновенным даром речи, умел увлекательно рассказывать, тактично дать нужный совет и вскоре стал всеобщим любимцем в университете.

          Весной 1848 г. Кекуле впервые вошел в лабораторию Либиха — знаменитого немецкого химика-органика того времени. Лекции профессора в дармштадтском Высшем техническом училище изменили намерения Августа Кекуле. Вскоре, забросив архитектуру, он твердо решил, что будет заниматься химией.

Родители Августа разрешили ему заниматься химией лишь после длительных споров, что характеризует низкую репутацию химии в то время. В 1849г. он начал своё обучение химии у Либиха. Их знакомство произошло в суде, куда Либих был приглашён как эксперт.

Дело оказалось весьма непростым: после пожара в одном из особняков г. Дармштадта был обнаружен полуобгоревший труп, и суду предстояло выяснить, не является ли поджог умышленным.

Юный Кекуле выступал свидетелем по этому делу, и его поразительно точные показания убедили присяжных заседателей в правильности заключения эксперта, что пожар в доме не был случайностью.

Работал Кекуле самоотверженно: многие годы он спал по три-четыре часа в сутки. Он вспоминал: "Одна ночь, проведенная без сна, была не в счёт. Только две или три ночи подряд без сна я считал своей заслугой".

После окончания университета в 1852 Кекуле уехал в Париж, где занимался химией у Ж. Дюма, А. Вюрца и Ш. Жерара. Жить ему пришлось на весьма скромные средства: дядя, взявший на себя расходы, оказался не очень-то щедр. Здесь у него пробудился особый интерес к проблеме строения органических соединений.

Его первая работа об амилсерной кислоте получила высокую оценку, и в 1852 г. Ученый совет университета города Гессена присудил ученому степень доктора химии. После получения учёной степени, Кекуле уехал из Гессена и стал работать в лаборатории у Адольфа фон Планта в замке Рейхенау. В лаборатории, устроенной хозяином замка в бывшей монастырской столовой, они проводили совместные опыты. Но через некоторое время по совету своего учителя и друга Либиха, с котором он постоянно поддерживал переписку, Кекуле решил переехать в Лондон, к своему дяде.

В Лондоне, ему рекомендовали лабораторию Джона Стенхауза, которая занималась анализом различных лекарственных препаратов, а также разработками методов получения новых лекарств из природных продуктов, в основном из растений.

          Многочисленные и продолжительные анализы утомляли его и докучали своим однообразием. Удовлетворение после напряженного дня он находил в вечерних беседах с коллегами-соотечественниками. Теоретические и философские проблемы органической химии были основным предметом их суждений. Такие понятия, как «соединительный вес», «атомный вес», «молекула», вызывали еще много споров. Теория типов, созданная Жераром, доказывала, что замещение одного элемента другим имеет место и в тех случаях, когда в реакции участвует элемент, весовое количество которого в два, три или четыре раза больше соединительного веса. Франкланд ввёл понятие «атомность», то, что теперь называется валентностью. Идеи Франкланда развил Уильям Одлинг, предложивший валентность элементов обозначать черточкой у химического символа.

           Вопрос о валентности чрезвычайно занимал Кекуле, и в его сознании постепенно назревали идеи экспериментальной проверки некоторых теоретических положений, которые он решил изложить в статье. В ней Кекуле сделал попытку обобщить и расширить теорию типов, разработанную Шарлем Жераром. Кекуле сравнивал свои выводы с главными положениями теории Одлинга. Понятие «валентность» атомов можно использовать как основу новой теории! Атомы соединяются по какой-то простой закономерности. Он представил себе атомы элементов в виде маленьких сфер, которые отличаются друг от друга только по величине.

К сожалению, напряженная и утомительная работа в лаборатории Стенхауза заполняла почти все время, и Август Кекуле не имел возможности обдумать и проверить опытным путем мысли, которые не давали ему покоя. Нужно было искать другую работу.

          Весной 1855 года Кекуле покинул Англию и вернулся в Дармштадт. Он посетил университеты Берлина, Гиссена, Геттингена и Гейдельберга, но вакантных мест там не было. Тогда он решил просить разрешения определиться в качестве приват-доцента в Гейдельберге. Роберт Бунзен, профессор химии Гейдельбергского университета, одобрил эту идею. По его мнению, лекции Кекуле должны были привлечь слушателей, так как многие студенты интересовались органической химией. Получив разрешение, ученый снял помещение в большом трехэтажном доме, принадлежавшем торговцу мукой. Одну комнату отвел под аудиторию, а в другой устроил лабораторию. Места было мало, в лаборатории поместилось всего лишь два рабочих стола, но Кекуле был доволен.

       Вначале лекции Августа Кекуле по органической химии посещали только шесть человек, но постепенно аудитория заполнилась, и доходы Кекуле возросли — каждый слушатель вносил определенную сумму. Теперь Кекуле всё свободное время мог посвятить исследовательской работе.

       Весной 1858 года умер Жозеф Мореска, преподаватель химии Гентского университета (Голландия). Было решено пригласить на вакантную должность химика из Германии. В конце 1858 года Кекуле, по совету Либиха, вместе со своим помощником Адольфом Байером уехал в Гент, где ученый продолжил исследовательскую работу. Его по-прежнему занимал вопрос об углеродных цепях. Он считал, что при химических реакциях углеродная цепь остается неизменной. Настало время доказать это опытным путем. Постепенно набирая факты, он подтвердил свою точку зрения.

        Кекуле являлся одним из организаторов I Международного конгресса химиков в Карлсруэ в 1860г., где было уточнено содержание основных химических понятий: атом, молекула, эквивалент. Весьма плодотворной была педагогическая деятельность Кекуле. Систематически занимаясь со студентами, он пришёл к выводу о необходимости создания учебника по органической химии. Он стал автором получившего широкую известность «Учебника органической химии» (1859—1861).

         Во время строительства химической лаборатории в Генте, Кекуле познакомился с директором завода светильного газа. Господин Дрори, англичанин по происхождению, лично руководил монтажными работами. Он часто заходил к Кекуле отвести душу — поговорить с ним на родном языке, а ученый владел английским в совершенстве. Постепенно он сблизился с семьей директора. Дочь директора, красавица Стефания, завладела сердцем Августа.

          Стефания получила прекрасное образование. Красота её нежного, тонкого лица, гибкий и острый ум покорили Кекуле. Молодые люди полюбили друг друга с первого взгляда. Господин Дрори благосклонно отнесся к предложению Кекуле, но посоветовал отложить свадьбу на лето следующего года, чтобы молодожены смогли во время летнего отпуска Кекуле совершить свадебное путешествие. Кроме того, в ближайшее время Кекуле должен был ехать на съезд естествоиспытателей в Шпейер.

       На одном из заседаний этого съезда 19 сентября 1861 года Бутлеров выступил с докладом «О химическом строении веществ». Кекуле весьма скептически отнесся к новым структурным формулам, которые, по мнению Бутлерова, выражали не только расположение атомов в молекуле, но и показывали, каково их взаимное влияние. Разочаровавшись в теории типов, Кекуле не принимал и новую теорию Бутлерова.

           Вернувшись в Гент, он продолжил исследования фурмановой и малеиновых кислот. Не было сомнений, что эти кислоты — изомерные соединения. Но как объяснить их изомерию? Немало бессонных ночей провел ученый, но объяснения найти пока не мог.

           Разрядкой огромного душевного напряжения явилась долгожданная свадьба, которая состоялась летом 1862 года. Сколько радости и счастья принесла ему Стефания! Силы его будто удвоились — вернувшись из свадебного путешествия, Август Кекуле работал с ещё большим энтузиазмом: проводил опыты с ненасыщенными кислотами, заканчивал рукопись учебника органической химии. Но этот счастливый период оказался недолгим: грядущее материнство Стефании принесло тревогу за её здоровье. Кекуле был очень обеспокоен состоянием жены. И самые худшие опасения подтвердились — рождение сына стоило жизни матери. Кекуле был безутешен в горе. В память о жене он назвал сына Стефаном.

         Чтобы найти хоть какое-нибудь успокоение, он с головой ушёл в работу, буквально заточил себя в лаборатории. Кекуле в поиске утешения в работе принялся за изучение структуры бензола и его производных.

      Атомы в молекуле взаимно влияют друг на друга, и свойства молекулы зависят от расположения атомов. Август Кекуле представлял себе углеродные цепи в виде змей. Они извивались, принимали самые различные положения, отдавали или присоединяли атомы, превращаясь в новые соединения. Он был близок к разгадке, и все-таки представить структуру бензола ему не удавалось. Как расположены шесть углеродных и шесть водородных атомов в его молекуле? Кекуле делал десятки предположений, но, поразмыслив, отбрасывал.

          Кекуле стал одним из выдающихся теоретиков классической органической химии. Основные работы Кекуле были посвящены теоретической химии; главной его заслугой стало создание теории валентности.

         Впервые бензол выделил М. Фарадей в 1825 г. из жидкого конденсата светильного газа. В лаборатории его синтезировал Э. Мичерлих в 1833 г. термическим разложением бензольной кислоты. Оба факта вошли в историю химии как малозаметные события, зато момент, когда было установлено строение бензола, считается крупной вехой.

В 1865 г. Кекуле предложил гипотезу о строении бензола. Он пришёл к идее о чередовании в молекуле бензола простых и двойных связей. Незадолго до этого сходные по виду структурные формулы предложил Й.Лошмидт. Кекуле никогда не отрицал, что его взгляды опираются на мысли других учёных. Он выступал против утверждения, что "теория строения бензола появилась, как метеор в небе", и объяснял: "Едва ли можно вообще считать наверняка что-либо абсолютно новым не только в химии, но и вообще в любой науке, так постоянно развивающейся, как химия".

Кекуле так описывал сделанное им открытие формулы бензола. В тот период он работал над созданием учебника химии. Как-то вечером, когда работа почему-то плохо подвигалась, он, повернувшись к камину, незаметно задремал. Впоследствии он писал: "Моё умственное око, изощрённое повторявшимися видениями подобного рода, различало более крупные образования изменчивых форм. Длинные цепочки, все в движении, часто сближающиеся друг с другом, извиваясь и вертясь как змеи! Но смотри-ка! Что это было? Одна из змей ухватила свой собственный хвост, и фигура эта насмешливо закружилась перед моими глазами. Пробуждённый как бы вспышкой молнии, я провёл на этот раз остаток ночи, разрабатывая следствия новой гипотезы".

       Момент, когда было установлено строение бензола, окутан легендами. Существует версия, будто бы Кекуле увидел в руках своего учителя Ю. Либиха перстень графини Герлиц, который служил уликой в судебном процессе, где Либих участвовал в качестве эксперта. Перстень представлял собой двух сплетенных змей из золота и платины. Задремав у камина, Кекуле увидел этот перстень, а затем кольцевую формулу бензола в виде двух змей, кусающих друг друга за хвост. По другой версии ему привиделись шесть обезьян, соединенных в кольцо сплетенными хвостами (простые связи) и держащих друг друга за лапы (двойные связи). Есть свидетельства, что формулу бензола: подсказал ему узор персидского ковра, лежащего у камина.

Статью «О строении ароматических соединений» Кекуле послал Вюрцу, который представил её Парижской академии наук. Статья была опубликована в Париже в 1865г., а спустя год, в 1866г., в "Анналах" Либиха. Несмотря на то, что эта теория сразу столкнулась с возражениями, она довольно быстро была принята в науке и практике. Но только в 20-ом веке удалось разрешить многие проблемы, связанные со структурной формулой бензола, на основе электронной теории.

Кекуле порядочностью не отличался: сначала он возражал против бутлеровской теории химического строения, а потом попытался её присвоить. Позже он обвинил А.П.Бородина в том, что тот заимствовал у него идею работы с валериановым альдегидом, хотя Бородин этими вопросами занимался с 1865 года, а Кекуле наткнулся на них только в августе 1868 года.

Бензольная гипотеза Кекуле позволила укрепить и расширить систематику органической химии, оказала большую услугу в решении практических проблем химической промышленности, особенно при получении синтетических красителей.

         С 1865 года и до конца жизни он был профессором Боннского университета (в 1877—1878 гг. ректором). В 1867 году Август Кекуле был назначен директором нового химического института Боннского университета. В лаборатории вместе с Кекуле работали О. Баллах, Л. Кляйзен, Г. Шультц, Р. Аншютц и другие. Многие из них впоследствии стали известными учеными.

В 1867г. Кекуле опубликовал работу о пространственном расположении атомов в молекуле, в которой указывал, что валентности углеродного атома могут находиться и не в одной плоскости. Тем самым был указан путь для создания ещё одного из основных положений современной органической химии. Идя по этому пути, ученики Кекуле Вант-Гофф и Ле Бель предложили в 1874г. широко используемую и сейчас тетраэдрическую модель метана.

В числе других работ Кекуле, получение тиоуксусной (1854) и гликолевой (1856) кислот, получение совместно с нидерландским химиком А.Франшимоном трифенилметана и антрахинона (1872). В 1854 г. он впервые высказал идею о "двухосновности", т.е. двухвалентности, серы и кислорода, в 1857 г. разделил элементы на одно-, двух - и трёхосновные. Углерод Кекуле, одновременно с немецким химиком Кольбе, определил как четырёхатомный элемент. В 1856 г. Кекуле, одновременно с шотландским химиком А.Купером, указал на способность атомов углерода целесообразно соединяться друг с другом.

       В статье «О составе и превращениях химических соединений и о химической природе углерода» Кекуле обосновал четырехвалентность углерода в органических соединениях. Он также отмечал, что попытка Жерара подвести все химические реакции под один общий принцип — двойной обмен — не оправдана, так как существуют реакции прямого соединения нескольких молекул в одну.

      Рассматривая состав органических радикалов в новом свете, он писал: «Относительно веществ, содержащих несколько атомов углерода, нужно принять, что атомы других элементов задерживаются в органическом соединении за счет сродства (валентности) углерода; сами углеродные атомы также соединяются друг с другом, причем часть сродства (валентности) одного углеродного атома насыщается таким же количеством сродства (валентности) другого углеродного атома».

       Это были совершенно новые идеи, идеи об углеродных цепях. Это была революция в теории органических соединений. Это были первые шаги в теории структуры органических соединений.

          В последующие года он разрабатывал теорию многоатомных радикалов.

Кекуле привёл многочисленные примеры соединений четырёхвалентного углерода: этиловый спирт, хлористый этил, уксусная кислота и др. Он написал "Учебник органической химии", в котором впервые рассмотрел органическую химию как химию соединений углерода.

А.М. Бутлеров благодаря критическому разбору работ Кекуле и Купера сумел заложить основные положения теории химического строения органических соединений, которая была создана русским ученым спустя несколько лет.

        В 1858 г. Кекуле вывел математический закон гомологических рядов: если связывается более двух атомов углерода, валентность углеродной группы повышается на две единицы с каждым добавляемым атомом углерода. При переходе от одного члена ряда к другому закономерно изменяются их химические и физические свойства (температура кипения, плавления и др.). Учение о гомологии сыграло видную роль в развитии органической химии.

Предложив циклическую формулу строения бензола с чередующимися простыми и двойными связями, Кекуле тем самым распространил теорию химического строения Бутлерова на ароматические соединения. Имеется много версий о том, как Кекуле открыл формулу бензола: это и хоровод атомов, и змеи, и шесть обезьян, схвативших друг друга за лапы или хвост, и кольцо из золота и платины графини, убитой своим камердинером, и персидский ковёр с рисунком, напоминающим бензольное кольцо, и др.

Шестиугольная формула бензола стала эмблемой органической химии.

Основным в теории строения ароматических соединений стало положение об обязательном присутствии во всех соединениях бензольного ядра, атомы водорода в котором могут быть замещены различными элементами, а также группами атомов разнообразного строения. На основе этой теории вскоре были разработаны методы промышленного получения ароматических соединений - исходного сырья для получения синтетических красителей. Во второй половине XIX века химия превращается в науку, изучающую законы, причины и механизмы превращения веществ. Стало возможным управлять химическим процессом, преобразовывая вещества в полезные продукты.

          Слава Кекуле как одного из самых выдающихся учёных была общепризнанной. Его избрали почётным членом многих академий, с его именем считались как учёные, так и промышленники. До самого преклонного возраста Кекуле продолжал работать с неослабевающей энергией: проводил опыты, читал доклады. Целый ряд учеников Кекуле стали выдающимися химиками; среди них Л. Мейер, Э. Фишер и три Нобелевских лауреата: А. Байер, Я. Вант-Гофф и О. Валлах.

           Кекуле неоднократно избирался президентом Немецкого химического общества (1878, 1886, 1891 гг.).

           По инициативе учеников Кекуле, уже известных ученых, были организованы юбилейные торжества в честь выдающегося учителя. Особенно торжественно отмечалось 25-летие создания теории строения бензола. 10 марта 1890 года Кекуле прочитал блестящий доклад о строении пиридина. Заседание Немецкого химического общества закончилось провозглашением здравиц в честь великого Кекуле.

         В 1895 г. Кекуле был удостоен дворянского титула.

         Вспыхнувшая весной 1896 года эпидемия гриппа, сильно подорвала здоровье учёного, давно страдавшего хроническим бронхитом.

Скончался великий учёный Фридрих Август Кекуле фон Штрадониц 13 июля 1896 года в Бонне.

        Кекуле – иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (с 1887). Изображён на бельгийской почтовой марке 1966 года. В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Кекуле кратеру на обратной стороне Луны.

     В честь Кекуле был назван синтезированный в 1978 кекулен, углеводород, состоящий из 12 сконденсированных друг с другом бензольных колец в форме макроциклического шестиугольника.

• На «Празднике бензола» в 1890 г., ещё при жизни Кекуле, и на торжествах 1929 г. по случаю столетия со дня его рождения, отмечалось не только важное научное, но и промышленное значение установления строения бензола. Без этого невозможно было бы понять строение сложных углеводородов. Получение синтетических красителей, а также синтез многих лекарственных и взрывчатых веществ были бы невозможны без точного установления их строения.

• Созидательные сны: Д.Менделеев во сне увидел периодическую таблицу химических элементов, Г.Шлиман – Трою и Микены, К.Гаусс – закон индукции, В.Гёте – вторую часть "Фауста", А.Грибоедов - "Горе от ума", О.Антонов – самолёт "Антей".

• Однажды Кекуле сказал: «Если мы научимся смотреть сны, господа, то обретем, быть может, истину… Мы, однако, должны будем позаботиться не оглашать наши сны, пока не подвергнем их проверке бодрствующего ума».