Џон Улрих Неф

Во историјата на природните науки, а особено во хемијата, портретите на големите научници од 19 век често ни прикажуваат сериозни, уморни мажи со долги бради и строги погледи. Но, ако го погледнете портретот на Џон Улрих Неф (John Ulrich Nef), ќе забележите нешто сосема поинакво. Зад тоа мило, речиси детско и голобрадо лице, со мирни очи и уредно исчешлана коса, се крие еден од најжестоките, најдинамичните и најексплозивните темпераменти во историјата на модерната наука.

За Неф во научните кругови на Чикаго и Минхен се шушкало со стравопочит: „Неф не прави експерименти, тој војува со супстанците“. Неговиот пристап кон лабораторијата не бил едноставно набљудување, туку директен, агресивен судир со законите на природата. Во време кога органската хемија била окована во строги догми, Неф се појавил како ураган кој буквално кревал лаборатории во воздух за да докаже дека природата е далеку пофлексибилна и побогата отколку што мислеле неговите современици.

Џон Улрих Неф е роден на 14 јуни 1862 година во Херисау, Швајцарија. Неговото семејство емигрирало во САД кога тој бил уште дете, населувајќи се во Масачусетс. Младиот Неф покажал извонредна интелигенција и остар фокус уште од раните денови, што му овозможило да се запише на престижниот Универзитет Харвард. Иако првично бил привлечен од медицината, магијата на лабораториските трансформации на супстанците целосно го освоила. Дипломирал на Харвард во 1884 година со највисоки почести во областа на хемијата.

Како и повеќето амбициозни американски хемичари од тоа време, Неф знаел дека епицентарот на светската хемија тогаш е Германија. Со помош на стипендија за патување, тој заминал за Минхен, каде што се приклучил на лабораторијата на еден од најголемите авторитети на ерата - нобеловецот Адолф фон Бајер. Под менторство на Бајер, Неф го развил својот истражувачки нерв и ја одбранил својата докторска дисертација во 1886 година, работејќи на деривати на бензохинон.

По враќањето во САД, неговата кариера се движела по нагорна линија со молскавична брзина. Работел на Универзитетот Пердју, па на Универзитетот Кларк, за во 1892 година да биде поканет како основач и прв раководител на Катедрата за хемија на новооснованиот Универзитет во Чикаго. Таму, Неф создал истражувачка империја и останал сѐ до неговата прерана смрт во 1915 година, оставајќи зад себе генерации инспирирани научници.

Војната за двовалентниот јаглерод и раѓањето на карбените

Најголемиот научен триумф на Неф е директно поврзан со уривањето на една од најголемите догми на тогашната хемија. Август Кекуле, таткото на структурата на бензенот, поставил закон кој се сметал за апсолутен: јаглеродот е секогаш и исклучиво четиривалентен. Секој обид да се каже дека јаглеродот може да има различен број на врски бил пречекуван со потсмев од европската научна елита.

Неф, со својот препознатлив бунтовнички дух, одбил слепо да верува во авторитети. Преку серија брилијантни експерименти со соединенија како што се јаглерод моноксид (CO), изонитрили (со општа формула R−NC) и фулминати, тој непобитно докажал дека јаглеродот може да постои во двовалентна состојба (valency=2), поседувајќи слободен електронски пар и огромна реактивност.

За да ја објасни оваа појава, Неф го проучувал наједноставниот можен двовалентен фрагмент - метиленскиот радикал:

:CH₂ 

Иако во тоа време неговите идеи за слободните радикални меѓупроизводи биле премногу напредни за неговите колеги да ги разберат во целост, Неф всушност ги поставил темелите за она што модерната органска хемија денес го дефинира како карбени.

Карбените се високореактивни супстанци со двовалентен јаглероден атом кои денес се клучни алатки за синтеза на комплексни фармацевтски производи и полимери.

Реакција на Неф: Класика во органската синтеза

Името на овој научник е трајно врежано во учебниците по хемија преку Реакцијата на Неф, која тој ја открил и детално ја опишал во 1894 година. Оваа реакција претставува киселински катализирана конверзија на примарни или секундарни нитроалкани во соодветни алдехиди или кетони.

Во оваа реакција, нитро-супстанцата прво се преведува во својата сол (најчесто со натриум хидроксид), а потоа со внимателно додавање на силна неорганска киселина (како сулфурна киселина, H₂SO₄), се врши хидролиза при што како спореден производ се издвојува азотен субоксид (N₂O).

Општа равенка за примарни нитроалкани (добивање алдехиди):

R−CH₂−NO₂→R−CHO+N₂O↑+H₂O

Општа равенка за секундарни нитроалкани (добивање кетони):

R₂CH−NO₂ → R₂C=O+N₂O↑+H₂O

Оваа реакција е од есенцијално значење бидејќи нитро-групата (−NO₂) лесно се воведува во органските молекули и служи како одличен „градежен блок“, кој благодарение на Неф, може лесно да се трансформира во вредната карбонилна група (C=O).

Оваа реакција Неф ја открил малку подоцна, во 1899 година. Нејзината цел е изградба на нови јаглерод-јаглерод врски (C−C) со помош на тројна врска.

• Почетни супстанци: Натриумови ацетилиди (соли на алкини) и алдехиди или кетони.
• Краен производ: Ацетиленски алкохоли (соединенија кои имаат и тројна врска и −OH група).
• Ова е реакција на нуклеофилна адиција. Негативно наелектризираниот јаглерод од алкинот го напаѓа позитивниот карбонилен јаглерод од алдехидот/кетонот, спојувајќи ги двете молекули во една поголема.

Проучување на таутомеријата и хемијата на шеќерите

Освен со двовалентниот јаглерод, Неф дал колосален придонес во разбирањето на таутомеријата- појава каде супстанците постојат како смеса од два или повеќе структурни изомери кои лесно преоѓаат еден во друг. Тој детално го проучувал кето-енолниот и нитро-аци-нитро таутомеризмот кај нитропарафините.

R₂CH−NO₂⇌R₂C=N⁺(O⁻)OH

Во подоцнежните години од својот живот, тој го насочил својот урагански интерес кон комплексниот свет на јаглехидратите. Истражувал како шеќерите (како глукозата и фруктозата) се однесуваат и се деградираат во силно алкална и кисела средина, што помогнало да се расветлат внатрешните биохемиски процеси во живите организми.

Глукоза⇌[Ендиол]⇌Фруктоза

Преку овој таутомерен механизам, Неф објаснил како природата и хемиските реагенси можат лесно да ги реорганизираат јаглехидратите без да го скршат нивниот главен јаглероден синџир.

Неф бил еден од првите хемичари кои сфатиле дека молекулите не се „статични цртежи на хартија“. Преку таутомеријата, тој покажал дека органските молекули се живи, динамични системи кои постојано го менуваат својот облик во зависност од средината во која се наоѓаат!

Научните трудови на Неф се прецизни и ладнокрвни, но неговата секојдневна работа во лабораторијата била сѐ само не мирна. Неговиот карактер бил рефлексија на супстанците со кои работел.

„Војната“ со фулминатите и преплашените студенти

Неф бил фасциниран од фулминатите (особено жива(II) фулминат, Hg(CNO)₂), супстанци кои се екстремно нестабилни и експлодираат при најмал притисок, триење или искра. За разлика од другите хемичари кои ги избегнувале овие соединенија, Неф работел со нив во големи количини.

Hg + HNO₃ + C₂H₅OH → Hg(CNO)₂ + …..

…. не е случајно напишано. Реакцијата е сложена и не се опишува со една едноставна стехиометриска равенка како, на пример, неутрализација.

При добивањето на живин фулминат се создаваат и:

• азотни оксиди (NO, NO₂),
• јаглерод диоксид (CO₂),
• вода (H₂O),
• понекогаш и други органски нуспроизводи,
• остатоци од нитрати на жива.

Hg+4𝐻𝑁𝑂₃+𝐶₂𝐻₅𝑂𝐻→𝐻(𝐶𝑁𝑂)₂+2𝑁𝑂+𝐶𝑂₂+5𝐻₂𝑂 ???

Тука има еден проблем: не постои една единствена, сигурно утврдена и целосно израмнета равенка за синтезата на живин фулминат од жива, азотна киселина и етанол. Реакцијата минува низ многу меѓупроизводи (ацеталдехид, изонитрозо соединенија, фулминска киселина итн.)

Сепак ако сакаме да напишеме равенка најблиску би била:

6Hg+12HNO₃+7C₂H₅OH→6Hg(CNO)₂+27H₂O+2CO₂

Но забележи нешто важно: во оваа поедноставена равенка нема NO или NO₂, бидејќи азотот од азотната киселина е „вграден“ во фулминатниот јон. Во реалниот експеримент обично се ослободуваат и азотни оксиди (кафеави испарувања од NO₂), заедно со други нуспроизводи, па процесот е многу покомплексен од оваа шема.

Или    Hg²⁺+2CNO⁻→Hg(CNO)₂

...фулминатниот јон се создава при сложена оксидација на етанол со азотна киселина, при што се ослободуваат и азотни оксиди, јаглерод диоксид и вода.

Приказните од Универзитетот во Чикаго велат дека во неговата лабораторија детонациите биле секојдневна појава. Прозорците редовно летале во парчиња, а колегите од соседните кабинети живееле во постојан страв. Неф се здобил со неколку сериозни лузни на лицето и рацете од летачко стакло, но тоа не го сопирало. Кога некој студент ќе го прашал дали е безбедно да се продолжи, Неф со зачуден поглед одговарал: „Секако дека не е безбедно, но како поинаку мислите дека ќе ја натераме супстанцата да ни ја каже вистината?“

Како предавач, Неф бил вистински театарски спектакл. Влегувал во амфитеатарот со неверојатна енергија, зборувал со брзина на митралез и пишувал комплексни хемиски структури на таблата со двете раце истовремено. Немал трпение за незаинтересираност или деконцентрираност.

Се раскажува анегдота дека за време на едно предавање, еден студент заспал на задните клупи, додека друг погледнал низ прозорецот кон птиците. Неф наеднаш застанал среде реченица, ја скршил кредата на половина, ги погледнал и викнал со громогласен глас: „Вие не сте достојни за органската хемија! Оваа наука бара целосна жртва, а не зјапачи!“ Веднаш ги избркал од предавањето. Но, и покрај ваквиот страв и трепет, студентите кои ја делеле неговата страст го обожавале; тој бил ментор кој деноноќно работел со нив рамо до рамо, помагајќи им да станат врвни научници.

Кога Неф почнал да ги објавува своите трудови за двовалентниот јаглерод, водечките германски списанија, уредувани од неговите поранешни професори, одбивале да ги печатат неговите статии. Германската ароганција во тоа време не дозволувала „некаков си Американец“ да им ги урива теоретските поставки.

Наместо да очајува, Неф го прифатил предизвикот како вистинска објава на војна. Тој почнал да пишува масивни, монографски статии на перфектен германски јазик, но со таков агресивен тон и преплавени со толку брутални, непобитни експериментални докази, што уредниците едноставно немале соодветни контрааргументи. Социјалниот притисок од експериментите на Неф бил толку голем што европските професори на крајот морале капитулираат и јавно да признаат дека Неф ја открил новата димензија на јаглеродот.

Џон Улрих Неф починал ненадејно на 14 август 1915 година за време на едно патување во Калифорнија, најверојатно како последица на долгогодишниот стрес, исцрпувачката работа и постојаното изложување на токсични и експлозивни супстанци. Зад себе оставил празнина, но и патоказ за тоа како треба да се практикува науката.

Неговиот живот ни покажува дека научниот напредок не доаѓа секогаш од мирно и конформистичко следење на правилата. Понекогаш е потребен некој со „експлозивен“ карактер, некој кој е подготвен да „војува со супстанците“ и да ги ризикува сопствената безбедност и статус за да ја истера вистината на виделина. Зад тоа негово мирно, детско лице се криел вистински научен титан чие наследство и денес живее во секоја лабораторија каде се изведува органска синтеза.