Άουγκουστ Κέκουλε

Μόρφωση και ακαδημαϊκή σταδιοδρομία

Ο Κέκουλε γεννήθηκε στο Ντάρμστατ, την πρωτεύουσα του Δουκάτου της Έσσης. Μετά την αποφοίτησή του από το γυμνάσιο, το 1847 εισάχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Γκίσεν με στόχο να σπουδάσει αρχιτεκτονική. Οι διαλέξεις του Γιούστους φον Λήμπιχ τις οποίες παρακολούθησε στο πρώτο εξάμηνο, τον έσπρωξαν στο να σπουδάσει τελικά χημεία. Μετά από τέσσερα χρόνια σπουδών στο Γκίσεν και μια μικρή υποχρεωτική στρατιωτική θητεία, εργάστηκε ως βοηθός καθηγητή στο Παρίσι, την Κουρ και το Λονδίνο, όπου και επηρρεάστηκε πολύ από τον Αλεξάντερ Γουίλιαμσον. Η διδακτορική του διατριβή του απονεμήθηκε από το Πανεπιστήμιο του Γκίσεν το 1852. Το 1856 ο Κέκουλε έγινε λέκτορας στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης. Το 1858 προσελήφθη ως μόνιμος καθηγητής από το Πανεπιστήμιο της Γάνδης, ενώ το 1867 τον κάλεσαν να αναλάβει πρόεδρος του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου της Βόννηςς, και να δημιουργήσει δική του ερευνητική ομάδα ως μόνιμος καθηγητής, θέση που διατήρησε μέχρι το τέλος της σταδιοδρομίας του.

Η θεωρία της χημικής δομής

Βασισμένος σε ιδέες που είχαν προηγουμένως διατυπωθεί από τους Γουίλιαμσον, Φράνκλαντ, Όντλιγκ, Λώρεντ, Βουρτς, ο Κέκουλε εισηγήθηκε τη θεωρία της χημικής δομής στο χρονικό διάστημα 1857-1858. Αρχικά, διατύπωσε την ιδέα του χημικού σθένους και προχώρησε στην επιστημονική ανακοίνωση του τετρασθενούς άνθρακα, και στη συνέχεια ανακοίνωσε το γεγονός ότι τα άτομα του άνθρακα μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας αλυσίδες. Τον Ιούνιο του 1858, ο Σκωτσέζος χημικός Άρτσιμπαλντ Σκοτ Κούπερ ανεξάρτητα δημοσίευσε επίσης την ιδέα ότι τα άτομα του άνθρακα μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους, και παρείχε τις πρώτες απεικονίσεις μοριακών τύπων όπου γραμμές συμβόλιζαν τους δεσμούς που συνδέουν τα άτομα. Ωστόσο, η ανακοίνωση του Κέκουλε προηγήθηκε τον Μάιο του 1858. Η θεωρία της χημικής δομής έδωσε στους οργανικούς χημικούς εξαιρετική κατανόηση και διαύγεια των εννοιών, με αποτέλεσμα ο τομέας της οργανικής χημείας να γνωρίσει μια έκρηξη από τότε και στο εξής.
Η ιδέα του Κέκουλε ήταν ότι τα άτομα που απαρτίζουν ένα μόριο καταλαμβάνουν συγκεκριμένες θέσεις στη δομή του μορίου, και επιπλεόν συνδέονται μεταξύ τους μέσω αυτού που ονόμαζε «μονάδες συγγένειας» (σήμερα ονομάζονται χημικό σθένος ή χημικοί δεσμοί). Η ιδέα αυτή βασίστηκε περισσότερο σε δεδομένα από χημικές αντιδράσεις και όχι σε κάποια μέθοδο παρατήρησης της χημικής δομής όπως είναι η κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ. Οι φυσικοχημικές μέθοδοι δεν είχαν ακόμα αναπτυχθεί, οπότε ο Κέκουλε έπρεπε να στηριχθεί αναγκαστικά σε αυτό που ονομάζεται «υγρή χημεία».
Η ιδέα ότι το χημικό σθένος ενός στοιχείου είναι αμετάβλητο, αποτέλεσε τη βάση της θεωρίας του Κέκουλε. Αυτή η γενίκευση διαπιστώθηκε ότι έχει πολλές εξαιρέσεις, έτσι αντικαταστάθηκε από την ιδέα ότι το χημικό σθένος είναι σταθερό σε συγκεκριμένες οξειδωτικές καταστάσεις. Για παράδειγμα, το υπεριωδικό οξύ σύμφωνα με τον Κέκουλε μπορεί να απεικονιστεί από τη δομή Ι-Ο-Ο-Ο-Ο-Η. Αντίθετα, η σύγχρονη απεικόνιση του υπεριωδικού οξέος περιλαμβάνει ένα άτομο ιωδίου σε τετραεδρική γεωμετρία που περιβάλλεται από τέσσερα άτομα οξυγόνου.

Το βενζόλιο

Το πιο διάσημο έργο του Κέκουλε είναι η αποσαφήνιση της δομής του βενζολίου. Το 1865 και όσο ήταν στη γαλλόφωνη Γάνδη, δημοσίευσε μια μελέτη στα Γαλλικά όπου υποστήριζε ότι η δομή του βενζολίου περιλάμβανε έξι άτομα άνθρακα που σχηματίζουν έναν εξαμελή δακτύλιο, με τα άτομα να συνδέονται εναλλάξ με απλό και διπλό δεσμό. Αργότερα, δημοσίευσε μια εκτενέστερη μελέτη και στα Γερμανικά. Ο εμπειρικός τύπος του βενζολίου (ότι δηλαδή αποτελούνταν από διαδοχικά ζεύγη άνθρακα-υδρογόνου) ήταν από καιρό γνωστός, ωστόσο δεν υπήρχε κάποια ιακνοποιητική απεικόνιση που να εξηγεί τον ασυνήθιστα υψηλό βαθμό ακορεστότητας (4).
Ο Κέκουλε ξεκίνησε να δουλεύει την υπόθεσή του βασισμένος πάνω στο ότι για κάθε μονοϋποκατεστημένο ανάλογο βενζολίου (φαινόλη, τολουόλιο, ανιλίνη, χλωροβενζόλιο, κλπ), υπάρχει μόνο ένα ισομερές. Αυτό σήμαινε ότι τα άτομα του άνθρακα που απαρτίζουν το βενζόλιο είναι ισοδύναμα, εφόσον η αντίδραση υποκατάστασης ενός υδρογόνου από υδροξύλιο ή μεθύλιο ή αμινομάδα ή χλώριο αντίστοιχα, δίνει ένα μόνο προϊόν. Αντίθετα, για τα δισυποκατεστημένα ανάλογα, παρατηρούνται τρία ισομερή, τα οποία ο Κέκουλε απεικόνισε ως εξαμελείς δακτυλίους όπου υπάρχουν τρεις περιπτώσεις: οι δύο υποκατεστημένοι άνθρακες να απέχουν έναν ή δύο ή τρεις «γραμμές» (δηλαδή δεσμούς). Τα ισομερή αυτά αργότερα ονομάστηκαν όρθο-, μέτα- και πάρα-, αντίστοιχα.
Ωστόσο, αν η σύνδεση μεταξύ των ανθράκων είναι εναλλάξ απλός-διπλός δεσμός, τότε το όρθο- δισυποκατεστημένο ανάλογο θα έπρεπε στην πραγματικότητα να είναι δύο και όχι ένα: ένα όπου οι υποκατεστημένοι άνθρακες θα συνδέονταν με έναν απλό δεσμό, και έναν όπου θα συνδέονταν με διπλό δεσμό. Κάτω από αυτές τις ενστάσεις που διατυπώθηκαν από άλλους επιστήμονες της εποχής, ο Κέκουλε το 1872 τροποποίησε τη θεωρία του διατυπώνοντας ότι το μόριο του βενζολίου «ταλαντώνεται» μεταξύ δύο ισοδύναμων δομών, όπου οι απλοί και οι διπλοί δεσμοί παίρνουν συνεχώς ο ένας τη θέση του άλλου. Με αυτό τον τρόπο, μια δεδομένη σύνδεση μέσα στο βενζόλιο παιρνει τον μισό χρόνο το ρόλο του απλού δεσμού, και τον μισό χρόνο το ρόλο του απλού δεσμού. Αυτή η απλή διατύπωση, χωρίς μεγάλη θεωρητική βάση, εξελίχθηκε πολύ αργότερα από τον Λάινους Πάουλινγκ, ο οποίος αντικατέστησε την ιδέα της «ταλάντωσης» του βενζολίου, με την έννοια του χημικού συντονισμού μεταξύ κβαντομηχανικών δομών.
Η νέα αυτή κατανόηση για τη δομή του βενζολίου, οδήγησε το 1890 την Ένωση Χημικών της Γερμανίας να τιμήσει τον Κέκουλε, ο οποίος μίλησε για το πώς διαμόρφωσε τη θεωρία του. Ο ίδιος είπε ότι είχε ανακαλύψει τη δομή δακτυλίου του βενζολίου όταν στη διάρκεια μιας ονειροπόλησης είδε την εικόνα ενός φιδιού να δαγκώνει την ουρά του. Το όραμα αυτό, όπως είπε ο ίδιος, ήρθε ως αποτέλεσμα της μακρόχρονης μελέτης της φύσεως των δεσμών άνθρακα-άνθρακα.