Benzene'in 200 yıllık dönüşüm mirası
Birçok kimya öğrencisi için benzen, Proust'un madeleinesi gibidir. Ürünlerini kristallendirmek için organik kimya laboratuvarında geçirdikleri saatleri, benzen türevlerinin badem kokusundan daha canlı bir şekilde hiçbir şey çağrıştıramaz. Aromatikliğin kavramı günümüz kimyasında ne kadar soyut hale gelmiş olursa olsun, nereden başladığı açıkça bellidir: ilk aromatik olarak kabul edilen bileşiklerin kalbindeki çekirdeğin, benzen halkasının, baş döndürücü kokusunda.
Benzenin, Michael Faraday tarafından petrolün bir bileşeni olarak ilk tanımlanmasının üzerinden 200 yıl geçti.1 Kırk yıl sonra çıkarılan bu altıgen halka yapısı, artık kimyanın simgelerinden biridir – belki de marka bilinirliği DNA'nın çift sarmalıyla yarışan tek moleküler yapıdır.
Ancak DNA'da olduğu gibi, benzenin tanıdık şekli karma bir miras biriktirdi. Çift sarmal hem yaşamı hem de modern genetiğin manipülasyonlarını simgelediği gibi, benzen de hem kimya endüstrisinin bereketinin hem de bazı ürünlerinin zehirli, kanserojen ve kirletici doğasının poster çocuğu olmuştur. Benzen kimyayı dönüştürdü ve sonuçları karmaşıktır.
İki karbonlu başlangıçlar
Faraday keşfettiyse de, ona isim vermedi. Onun için bu "iki karbonlu hidrojen"di: karbon ve hidrojen bileşiği. 16 Haziran 1825'te Royal Society'ye okunan keşif makalesi, açık ve bazen keyifli bir şekilde yazma tarzının bir hatırlatıcısıdır. Beş yıl önce petroldeki bileşiklerle ilgilenmeye başladıktan sonra, "o zamandan beri konuyla ilgili bilgi edinmek için her fırsatı değerlendirmeye çalıştım" diyor. Böyle bir fırsat, Bay Gordon'un ona, taşınabilir gaz şirketinin petrolün uçucu bileşenlerinin sıkıştırılmasıyla ürettiği bir sıvı ("petrol gazı") vermesiyle sunuldu; bu şirket, gaz aydınlatmasının doğuşuyla beslenen işletmelerden biriydi.
Faraday bu maddeyi fraksiyonel damıtımla ayırttı ve bazı damıtıkların soğutulduğunda kristalleştirilebileceğini buldu. Bunlardan birinin, dedi ki, orijinal petrol gazı ve badem kokan renksiz, şeffaf bir sıvıydı. Suda hafifçe çözünür ve eter ve alkolde çok çözünür durumdaydı.
Benzenin kömür katranında kendisinin bulunması 1845 yılına kadar olmadı.
Faraday'ın analizi, bunun 2:1 oranında karbon ve hidrojen bileşiği olduğunu ortaya koydu (bu nedenle "iki karbonlu") – çünkü o, John Dalton'ın eski atom ağırlıklarını kullanıyordu, oysa sonraki revizyonlar oranı 1:1 olarak ayarladı. (Faraday, hem Dalton'un hem de William Henry'nin muhtemelen daha önce petrol gazından yeni bileşiği farkında olmadan üretmiş olduklarından bahsediyor.)
Faraday'ın keşfinin yüzüncü yılı 1925'te Royal Institution'da kutlandığında,2 20. yüzyılın başlarında hala gelişmekte olan, 1856'da William Perkin'in movayin (anilin moru) ile başlatılan kömür katranı boyalarına ilişkin iddia edilen bağlantısına büyük önem verildi. Ancak bu biraz düzeltme gerekiyordu, çünkü benzenin kömür katranında kendisinin – ham petrolün gaz ekstraksiyonundan kalan siyah ve çekici olmayan kalıntı– bulunması Alman kimyager Wilhelm Hofmann'ın yönetiminde çalışan Charles Mansfield tarafından 1845 yılına kadar olmadı.
Ve bu 1:1 aromatik karbon ve hidrojen bileşiğinin benzen olarak bilinmesi 1833 yılına kadar olmadı. Ad (başlangıçta benzin), aromatik reçine sakız benzoinden elde edilen benzoik asitten damıtarak elde eden Alman kimyager Eilhard Mitscherlich tarafından önerildi – bu ad da Arap alkimisine dayanıyor. Mansfield, 1849'da kömür katranının damıtımıyla endüstriyel ölçekte benzen üretmeye başladı; kısa süre sonra özellikle yeni icat edilen kuru temizleme işlemi için çözücü olarak talep gördü.
Mor leke
Hofmann'ın genç öğrencisi Perkin'in 1856'da kinin sentezlemeye çalışmak için kullandığı ve onu harika mor boyayla bırakan şey, aromatik bir benzen türevi olan anilin idi. Perkin, endüstriyel üretimi kurmak için anilini nitrasyon ve ardından indirgeme yoluyla benzenden sentezlemesi gerekiyordu – bu iki aşamalı reaksiyon o zamanlar endüstriyel ölçekte benzeri görülmemiş bir durumdu.
Bütün bunlar, muhtemelen Mansfield'ın benzeni izole etmesinin kimya endüstrisi için Faraday'ınkinden daha önemli olduğu anlamına geliyordu. Her iki şekilde de, İngiliz kimyager Henry Roscoe 1884'te benzenin (çoğu zaman benzol olarak adlandırılır) "güzel anilin boyaları olarak bilinen muhteşem renklerin üretiminde bizim için en büyük önem taşıdığını" ileri sürdü.
Bu, 1890'da Berlin'de Alman Kimya Derneği tarafından düzenlenen ve Hofmann ve diğer önde gelen kimyagerlerin yanı sıra Kaiser Wilhelm II'nin de katıldığı Benzolfest olarak adlandırılan kutlamanın mesajıydı. Katılımcılara, kömür ve kömür katranının kök ve gövdede olduğu ve dalları anilin moru ve mavisi, macenta, naftol sarısı ve siyahı, alizarin turuncusu ve siyanin gibi bir renk kargaşasıyla süslenmiş bir "benzen ağacı" görüntüsü gösterildi.
Hofmann, ağacın "gözün henüz takip edemediği bulutlara kadar yükseldiğini" söyledi. Oldukça abartılı bir şekilde (ve bir dereceye kadar kendi çıkarı doğrultusunda) benzen halkası sayesinde "organik bileşiklerin sayısının bir anda sonsuza kadar arttığını" ve özellikle Almanya'da kimya endüstrisinde "çok sayıda çalışkan işçinin" "hasadı toplamak için yoğun bir şekilde çabaladığını" iddia etti. Bu hasat kısa süre sonra 1901'de işadamı John Francis Queeny tarafından kurulan ve Monsanto Chemical adını taşıyan bir Amerikan kömür katranı şirketi tarafından Coca Cola Şirketi'ne satılan sakarin ve kafein gibi ilaçlar ve gıdalarla genişledi.
Yüzüncü yıl kutlamaları
Bütün bunlarda, iyi düşünmemiz gereken bilimsel yüzüncü yıllar hakkında bir ders var. Bunlar sadece veya öncelikle keşif kutlamaları değil, pedagojik veya ekonomik bir gündemleri var olma eğilimindedir. 1906'da Royal Institution, Perkin'in keşfinin yarım yüzyılını anmak için, en azından kısmen milliyetçi çağrışımlarla boya endüstrisi için bir reklam fırsatı olan bir etkinlik düzenledi.
Kimyager Raphael Meldola, açılış konuşmasında mor bir kravat takarak, mekanın uygunluğundan bahsetti: "Michael Faraday'ın artık biz adlandırdığımız hidrokarbon benzeni keşfettiği yer". Bayer yönetim kurulu üyesi Alman kimyager Carl Duisberg, "Almanya'nın organik kimya endüstrisinde doğal bir ayrıcalığı var ve diğer ulusların bunu kıskanmaması, ancak onu ona bırakması gerekiyor" diye bağırdı.
Ancak bu yanlış, 19 yıl sonra Faraday'ın çalışmalarının Royal Institution yüzüncü yılında neden Alman delege bulunmadığını açıklamadı. Aksine, Almanya o zamanlar I. Dünya Savaşı'ndan sonra uluslararası bir parya olarak muamele görüyordu. Faraday'ın orijinal benzen örneğinin sergilendiği etkinlik, Imperial College'da onursal üye olan kimyager Henry Armstrong tarafından düzenlendi ve merkezinde "F" bulunan benzen halkasının, kömür katranı ve ilgili tonların gökkuşağıyla çevrili olduğu bir pankartla Faraday ve kimya endüstrisi arasında bir bağlantı kurdu.
Royal Institution başkanı Alan Ian Percy, Northumberland Dükü, açılış konuşmasında İngiliz kimyagerlerin bu kimyasal teknolojilerin "yabancı ellerin eline geçmesine ve başkalarının bize ait olan doğuştan hakkı güvence altına almasına" nasıl izin verdiğini belirtti. Resepsiyon şöleninde Armstrong, 1906'daki Duisberg'in yorumuna bile değindi ve "Bugün intikamımı alıyorum" dedi.
Yapısal dönüşüm
Moleküler yapısının duyurulmasının 25. yıldönümünü kutlayan 1890 Benzolfest'i tetikleyen, bu ikonik altı üyeli halkaydı. Kekulé'nin çalışmasının organik kimya için, benzende karbon atomlarının nasıl çok az hidrojenle doyurulduğunu anlamaktan (bu önemli olsa da) daha derin bir anlamı vardı. Alanın vurgusunu, Jöns Jacob Berzelius'un ortak "kalıntılar" veya radikallerle birleştirilen bileşik tipleri anlayışıyla örneklendiği gibi sınıflandırmadan yapıya kaydırdı.
İngiliz kimyager Edward Frankland'ın fikirleri üzerine (gereğince saygı göstermeden) inşa eden Kekulé, değerlik kavramını güvence altına aldı ve karbon zincirinin fikrini geliştirdi. (İddiaya göre bu fikir, Londra otobüsünde bir hayale dalma sırasında geldi, ancak bu sadece Kekulé'nin kendini mitolojikleştirme hikayelerinin ilki olabilir.)
"Modern organik kimyanın dörtte üçü doğrudan veya dolaylı olarak bu teorinin ürünüdür."
Francis Japp
Kekulé, benzen bilmecesine verdiği çözümü – uçları birleştirilmiş bir zincir– ilk olarak 1865 tarihli "Aromatik maddelerin yapısı üzerine" başlıklı bir makalesinde sunduğunda, daha çok sosis dizisi gibi görünüyordu. Ertesi yıl yapıyı ilk olarak altıgen olarak sunan öğrencileriydi ve Alman kimyager Adolph Claus aynı yıl geometrik çubuk formunu gösterdi. Hofmann bu sunumu popüler hale getirdi ve 1872'de Kekulé, değişen tek ve çift bağların iki olası düzenlemesinin olduğunu belirtti: varsaydığı dinamik bir dengede birbirine dönüşen iki eşdeğer izomer.
Daha sonra molekülde sadece bir tür karbon-karbon bağı olduğu anlaşıldı; Linus Pauling, Werner Heisenberg'in kuantum mekaniğinden esinlenerek (Faraday yüzüncü yılında tasarlandı), bunu birlikte var olan yapılar arasında bir rezonans açısından açıkladı.
Bu arada Claus, Kekulé'nin yapısını asla kabul etmeyen ve eski hiyerarşik radikal resmine bağlı kalan Alman kimyager Hermann Kolbe'nin eski bir öğrencisiydi; Kekulé'den şahsen nefret ediyordu. Ancak çoğu kişi, yeni yapısal teorinin dönüştürücü doğasını kabul etti.