چگونه ساخت اوره مصنوعی توسط فردریش وهلر، شیمی آلی را متحول کرد؟

علم مطالعه موجودات زنده، چگونگی شکل گیری آنها و تاثیر مقابلشان بر هم و بر محیط زندگی شان، یکی از مهم ترین علومی است که بشر از آن به نفع خود استفاده می کند. شما احتمالاً چیزهایی درباره مواد شیمیایی حاصل از تغییرات شیمیایی در جانداران می دانید. برای مثال، بسیاری از ما پروتئین ها و احتمالاً آنزیم ها را تا حدودی می شناسیم. امروزه آزمایشگاه های شیمی مواد شیمیایی مصنوعی را به مقدار عظیمی تولید می کنند تا زندگی، سلامتی و تغذیه ما را تامین کنند.

دانشمندانی که در زمینه شیمی گیاهی و زیست جانداران مطالعه می کنند کشف و گسترش پنی سیلین را که کشندهِ بی نظیرِ باکتری ها است را ممکن ساختند. این دانشمندان اکنون در تلاش هستند تا حیات مصنوعی بیافرینند. کشف شگفت انگیز مولکول پروتئینی به نام DNA که رمز حیات است؛ نتیجه تلاش های این دانشمندان است.

اما بشر چگونه توانست در آزمایشگاه به رازهای طبیعت پی ببرد؟ مرد جوانی به نام وُهلر در سال 1828 در آزمایشگاه کوچکی در آلمان، بطور کاملاً تصادفی موفق به این کار شد.

دانشمندان در گذشته های دور آموخته بودند که ظاهراً مواد به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند. چیزی که مواد را به این دو دسته تقسیم می کرد، حرارت بود. وقتی حرارت به یکی از این دو دسته مواد داده می شد، تغییر ماندگاری به جا نمی گذاشت. برای مثال، فلزات با حرارت ذوب می شدند ولی با خنک شدن به شکل اولیه خود بر می گشتند. آب و نمک های متعددی به این دسته تعلق دارند. با وجود این، حرارت مواد موجود گروه دوم را برای همیشه تغییر می داد. قند وقتی حرارت می دید به نوعی کربن یا زغال تبدیل می شد. بعضی مایعات وقتی با حرارت به گاز تبدیل می شوند دیگر پس از خنک شدن به شکل مایع در نمی آیند.

دانشمندان اولیه به تدریج دریافتند که هر یک از این دو دسته مواد یا به اشیاء بی جان (دسته ای که تغییر نمی کردند) و یا به جانداران (دسته ای که تغییر می کردند) تعلق دارند. البته تمام مواد دسته دوم واقعاً جاندار نبودند ولی در اصل از حیات نشات می گرفتند. از این رو، در سال 1807 یونز یاکوب برزلیوس (Jöns Jacob Berzelius) آن دسته موادی را که با سوزاندن یا حرارت دادن تغییر می کردند، آلی نامید و دیگر مواد را غیر آلی (معدنی) خواند.

در گذشته، دانشجویان شیمی تنها می توانستند به شیمی معدنی بپردازند. جداسازی اتم های جامدات، مایعات و گازها کار نسبتاً ساده ای بود و تجزیه موجودات زنده بسیار دشوارتر بود. در مطالعه مواد معدنی، دانشمندان حقیقت بزرگی را آموختند: «مولکول های معدنی شامل چند اتم مختلف بود که به شکل خاصی کنار هم قرار می گرفت. یک مولکول آب دارای دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن بود. چنین ترکیبی فقط تشکیل آب می داد ولاغیر.» همین حالت در مورد طلا یا نمک نیز صدق می کرد. ولی شیمی آلی کاملاً متفاوت بود.

دانشمندی که در زمینه شیمی معدنی مطالعه می کند این محدودیت را دارد که نمی تواند ساختمان اتمی مولکول ها را بازسازی کند. دانشمندی که در زمینه شیمی آلی کار می کند چنین محدودیتی ندارد. تمام مواد آلی دارای کربن هستند و چون اتم های آنها را می توان به شکل های گوناگون درآورد، دانشمندان بیش از یک میلیون ترکیب کربن ساخته اند و هر روزه نیز به آن می افزایند.

حال شما می توانید به زندگی فردی که امکان تمام این کارها را فراهم کرد و پیشرفت های پس از او، نگاهی بیندازید.

فردریش وُهلر (Friedrich Wöhler) در سال 1800 در روستایی به نام اسشرشیم (Eschersheim) در آلمان متولد شد. مطالعات علمی خود را با علاقه به جمع آوری سنگ و شیمی آغاز کرد ولی وقتی وارد کالج شد بیشتر در فکر پزشکی بود. در دانشگاه ماربورگ پذیرفته شد. او در آزمایشگاه خانگی خود آزمایش هایی را بر مایعات بدن انسان از لحاظ مواد شیمیایی موجود در آنها انجام داد. او ضمناً توانست ترکیبات شیمیایی جدیدی نیز بسازد.

فضای علمی اوایل دهه 1800 بسیار متفاوت از زمان ما بود. شیمی و پزشکی، هر دو وجود داشت اما به عقیده بیشتر دست اندرکاران علم، نباید کسی همزمان هر دو را مطالعه می کرد. زمانی که وهلر با غرور کشف شیمیایی خود را در مقاله ای توصیف کرد، به او گفته شد که بهتر است یکی را انتخاب نموده و به رشته پزشکی اش توجه بیشتری کند.

وهلر زیر بار نرفت، زیرا نمی خواست از شیمی که علاقه اولیه اش بود، جدا شود. او دنبال استادانی بود که به علایق و توانایی های خاص او توجه داشته باشند. او آنها را در دانشگاه بزرگ هایدلبرگ، که لئوپولد گملین (Leopold Gmelin) در آن تدریس می کرد یافت. وهلر، گملین را شدیداً تحسین می کرد، چون او هم پزشک و هم شیمیدانی مشهور بود. در این دانشگاه بود که وهلر درس های لازم پزشکی را به اتمام رساند. دکتر گملین به جای ریشخند زدن به آزمایش های شیمی دانشجوی خود، او را تشویق می کرد. او حتی به وهلر پیشنهاد کرد تا به اُپسالا در سوئد برود و نزد یونز یاکوب برزلیوس بزرگ شیمی بخواند. این تشویق باعث شد تا او به فعالیت پزشکی خاتمه دهد. وهلر مطمئناً پزشک خوبی می شد. در عوض چنین مقدّر بود تا دانشمند بزرگی در شیمی شود. او به فلزات به ویژه مواد جدید و غیر معمول علاقه داشت.

در آن روزها، آزمایشگاه ها مانند امروز پاکیزه، پُر نور و مجهز نبود و در این میان حتی آزمایشگاهی که استاد جدیدش نشان او داده بود، پاسخگوی نیازهای وهلر نبود. باور کردن اینکه برزلیوس مشهور با این ابزار ساده وزن های اتمی عناصر را اندازه گرفته است دشوار بود. تلاش این دانشمند باعث شد که بعدها مندلیف این اعداد را در جدولی از عناصر شیمیایی وارد کند که امروزه در هر کتاب مقدماتی شیمی به چشم می خورد.

اولین کار وهلر در آزمایشگاه برزلیوس تجزیه انواع مواد معدنی بود. او از این کار لذت می برد چرا که بیشتر با چنین موادی، مثل پتاسیم، کار کرده بود. برزلیوس او را تشویق کرد تا آزمایش های خود را با ترکیبات اسیدی مثل اسید سیانیک ادامه دهد.

وهلر پس از تکمیل تحصیلات خود به اروپا برگشت و در برلین استاد شیمی شد. در سال 1827، عنصر فلزی جدیدی به نام آلومینیوم را در آنجا کشف کرد. این عنصر جدید وارد جدول طویل عناصر شد و یک جای خالی را پُر کرد. چندی بعد وهلر عنصر دیگری افزود که برلیوم نام داشت. این عنصر کمیاب دارای سم کشنده ای نیز هست. برلیوم فلز مقاوم و سبکی است. امروزه این فلز به تنهایی و نیز در ترکیب با دیگر فلزات استفاده می شود و به علت کم وزنی در هواپیماسازی بکار می رود.

وهلر در 1828 و در سن بیست و هشت سالگی به بزرگترین کشف خود نائل آمد، کشفی که بزرگترین رویداد در علم شیمی آلی نام گرفته است. او کاملاً تصادفی موفق به این کار شد زیرا از ابتدا در پی چیز دیگری بود.

چهار سال پیش از این کشف، وهلر اسید سیانیک و محلول آمونیاک را آمیخته بود تا ترکیب جدیدی بدست آورد. ترکیب جدید شامل یک اتم کربن، یک اتم اکسیژن، دو اتم نیتروژن و چهار اتم هیدروژن بود. او یافته های خود را در مجله ای فرانسوی که ژوزف گی لوساک در پاریس انتشار می داد چاپ کرد. ولی گی لوساک متوجه شد که این ترکیب مشابه ترکیب اسیدی دیگری است که دانشمند جوانی به نام یوستوس وان لیبیگ یکسال پیش گزارش داده بود. چون ترکیبات لیبیگ آبی رنگ بود و نسبت به ترکیبات سفید رنگ اسید سیانیک تفاوت بسیاری داشت، بحث شَدیدی بین دانشمندان برانگیخت. به نظر امکان نداشت که دو چیز متفاوت دارای یک نوع و یک تعداد اتم باشند. برزلیوس این مشکل را حل کرد. این دانشمند سوئدی نشان داد که صرفاً اتم ها به روش های مختلفی ترکیب شده اند. وهلر آزمایش خود را تکرار کرد. با دقت دو ماده را با هم حرارت داد و مایع موجود را با جوشاندن از بین برد. آنچه باقی ماند چند بلور سفید نازک بود که هر یک نزدیک به یک اینچ طول داشت. وهلر وقتی به آنها نگاه کرد متعجب شد. تا آن زمان آزمایش های زیادی کرده بود و تجربه بسیاری داشت. این بلورها دقیقاً شبیه بلورهای ماده ای به نام اوره (Urea) بودند. به نظرش غیر ممکن می آمد. اوره نمی توانست در آزمایشگاه ساخته شود.

اوایل حضورش در دانشکده پزشکی، وهلر بارها بلورهای سفید اوره را از مایع زائد بدن انسان جدا کرده بود. بلورها در نتیجه تبدیل غذا به انرژی، یاخته های جدید و مواد زائد تولید می شوند. دانشمند بزرگ فرانسوی به نام لاوازیه نشان داده بود که حیات فرآیندی شیمیایی است که با سوختن مواد برای تولید انرژی و مواد زائد حاصل می شود. اوره یکی از این مواد زائد است که ماده آلی نیز هست. اوره چیزی بود که انسان فقط در بدنش می توانست آن را بسازد. با وجود این وهلر آن را در آزمایشگاه خود با ترکیب اسید سیانیک و محلول آمونیاک ساخته بود.

او برای آزمایش نهایی، اسید نیتریک را به اوره طبیعی و محصول ساخت خودش افزود و نتیجه مشابهی گرفت. حال مطمئن بود که توفیقی بدست آورده که هیچکس قبلاً کسب نکرده است؛ او ناساختنی را ساخته بود. با خوشحالی موفقیتش را با نامه ای به استادش برزلیوس اطلاع داد.

وهلر در مقاله ای که به سال 1828 منتشر کرد نتیجه غیر منتظره ای را که بدست آورده بود، یعنی ساخت اوره را با ترکیب اسید سیانیک و محلول آمونیاک توضیح داد. او در ادامه اهمیت چنین عملی را یادآور شد، زیرا این محصول نمونه ای از تولید مصنوعی ماده ای آلی بود.

امروزه، اوره مصنوعی در درمان بعضی بیماری ها و نیز بعضی تولیدات صنعتی بکار می رود.

ظرف ده سال، وهلر و لیبیگ 16 ماده آلی جدید را به جدول موادی افزودند که می شد آنها را بطور مصنوعی ساخت. در واقع آنها گفتند که تمام ترکیبات آلی روزی در آزمایشگاه ساخته خواهند شد.

پیشرفت های شیمی آلی پس از وهلر
علم شیمی آلی تصادفی آغاز شد و همانگونه نیز ادامه یافت. زمانی که در سال 1844 کالج سلطنتی علوم در لندن تصمیم گرفت تا دروس مربوط به شیمی را با اهمیت تر کند، استاد آلمانی جوانی را برای اداره این کار استخدام کرد. این استاد آگوست ویلهلم وان هافمن نام داشت و وظایفش را به خوبی انجام داد.

یکی از دانشجویان هافمن در آینده قرار بود که اولین کشف بزرگی را در شیمی آلی انجام دهد. این کشف با اهمیتی که داشت توجه دانشمندان را در همه جا به خود جلب می کرد و شاید تعجبی نداشت که این کشف تصادفی انجام گیرد، درست همانگونه که وهلر قبلاً دریچه ورود به شیمی آلی را تصادفی گشوده بود.

ویلیام هنری پرکین (William Henry Perkin) در 1855 تنها هفده سال داشت که در کالج سلطنتی دستیار هافمن شد، ولی بسیار باهوش و خستگی ناپذیر بود. اندکی بعد تصمیم گرفت تا برای ساخت گنه گنه مصنوعی که در درمان بیماری تب زایی بکار می رفت تلاش کند. اگر موفق می شد دارویی در دسترس جهانیان قرار می گرفت که کم هزینه و آسان یاب بود.

هافمن با قطران زغال سنگ کار می کرد که پیشتر باعث تولید موادی شده بود که اغلب در ترکیبات آلی بکار می رفت. چون یکی از مواد حاصل از قطران زغال سنگ از لحاظ اتمی مشابه گنه گنه بود، پرکین جوان با آن شروع به آزمایش کرد. این ترکیب البته گنه گنه نبود. آنچه پرکین ساخته بود گِل کدر و بد رنگی بود. پس از آن ماده دیگری از قطران زغال سنگ بدست آورد. به نظر می رسید که هر بار بدتر می شود چون این بار گِل حاصل مثل خود قطران زغال سنگ سیاه بود. وقتی که شیمیدان جوان می خواست گِل را دور بریزد، نور خاصی از آن ساطع شد. آیا علاوه بر رنگ سیاه درخشش اندکی از رنگ ارغوانی نیز در آن بود؟ بله وجود داشت و ناگهان فکر دیگری به ذهنش رسید. با افزودن الکل به ترکیب، رنگ آن را به ارغوانی سیر زیبایی تبدیل کرد.

در انجیل از رنگ ارغوانی ناب و زیبایی صحبت شده است که در گذشته های دور در لباس ثروتمندان بکار می رفت. سرزمین باستان تایر (Tyer) به دلیل تهیه رنگ ارغوان زیبایی از نوعی جانور دریایی ثروتمند بود. ولی ویلیام پرکین در هیجده سالگی تصادفاً چیزی را کشف کرده بود که بسیار مرغوب تر از محصول تایر بود. این دانشمند که سعی در درمان تب داشت، ماده ای رنگی تولید کرده بود که بعدها در فرانسه برای تولید لباس های خیلی شیک بکار می رفت.

بعدها پرکین ماده ای ساخت که بوی خوشایند و دل انگیزی داشت. نتیجه این کار صنعت عطرسازی را پایه ریزی کرد.

کشف بزرگ دیگر در شیمی آلی بر اثر تصادف کاملاً متفاوتی رخ داد. در ژوئن 1822، شکارچی کانادایی فرانسوی تبارِ جوانی از ناحیه شکم تیر خورد. این رویداد در جزیره ای در بخش شمالی دریاچه میشیگان رخ داد. در این جزیره دکتر ویلیام بومانت ساکن بود و زخم های الکسیس سن مارتین تیر خورده را مداوا کرد.

گلوله گوشت را شکافت و داخل شکم شده بود. بومانت تمام تلاش خود را کرد ولی نتوانست این شکاف بزرگ را مسدود کند. در کمال شگفتی، سن مارتین جوان زنده ماند ولی این شکاف مسدود نشد. او 83 سال زندگی کرد. بومانت سال های زیادی از شکارچی مراقبت کرد تا در عوض آزمایش هایی را درون شکم او صورت دهد. بومانت به مایعی که در معده غذا را آماده جذب می کند علاقه نشان داد. او در بعضی از آزمایش ها مایع را از معده خارج کرد و دریافت که این مایع حتی خارج از معده نیز بر غذا تاثیر می گذارد.

نتیجه این آزمایش ها به کشف آنزیم ها انجامید. آنزیم ها موادی طبیعی هستند که به تغییر در یاخته های موجودات زنده کمک می کنند.

در سال 1897، تقریباً 70 سال پس از اینکه وهلر اوره مصنوعی تولید کرد، برادران باخنر به کشف بزرگ دیگری در شیمی نائل آمدند. آنها، بطور تصادفی کشف کردند که آنزیم ها می توانند خارج از یاخته هایی که آنها را می سازند موثر باشند. به گفته دیگر، آنزیم های خارج شده از بدن می توانند در لوله آزمایشگاه مثل بدن انسان، حیوان یا گیاه عمل کنند.

ادوارد باخنر رئیس بخشی از گروه شیمی دانشگاه کیل در آلمان بود. در تعطیلات پاییز 1896 برادرش هانس را ملاقات کرد. فعالیت هانس شامل مطالعه بر گیاهان و حیوانات بود. ادوارد با مخمرها کار کرده بود و اکنون بر این باور بود که شاید بتواند بخشی از مخمر را که برای حیوانات آزمایشگاهی مفید هستند، بیابد.

با استفاده از یک دستگاه پرس، عصاره یاخته های له شده مخمر را خارج کرد. دوباره یاخته های مخمر را له کرده آنها را زیر فشار قرار داد و بعد تمام تفاله را جدا کرد. نتیجه نوعی مایع شفاف بود. مطمئن بود که آنچه باقی مانده برای حیواناتی که برادرش روی آنها کار می کرد مفید خواهد بود. با وجود این، آنها در آزمایشگاه کارهای دیگری داشتند و نتوانستند برای مدتی از این مایع استفاده کنند. از این رو، ادوارد و هانس برای یافتن راهی جهت حفظ آن به کاوش پرداختند.

سرانجام این دو دانشمند تصمیم گرفتند تا روش بسیار قدیمی و ساده ای را بکار برند. آنها برای حفظ مایع از شکر استفاده کردند. خانم ها از سال ها پیش می دانستند که در تهیه کمپوت و جلوگیری از فاسد شدن میوه ها، شکر فراوان باعث تازه ماندن میوه می شود. بنابراین، دانشمندان به مخمر صاف شده شکر افزودند. مخمر فاسد نشد ولی شکر شد! این محلول تخمیر شد و برادران باخنر شگفت زده شده متوجه شدند که آنزیم ها خارج از یاخته تاثیر خود را گذاشته اند.

ادوارد هیجان زده آزمایش را تکرار کرد و مخمر را چندین مرتبه دیگر صاف کرد تا مطمئن شود که هیچ یاخته ای بر جا نمانده است. بعد این کار را با انواع دیگری از قند، میوه و آب انگور انجام داد. دوباره همان تخمیر روی داد. تنها زمانی که قند شیر بکار می برد تخمیر رخ نداد. حتی نگهداری مخمر در مکان سرد به مدت دو هفته نیز قدرت تخمیر آن را از بین نبرد.

ادوارد کشف خود را با افتخار اعلام کرد. او ماده ای کشف کرده بود که جاندار نبود، احتمالاً یک پروتئین، که با این حال قدرت یاخته زنده مخمر را داشت. دانشمندان این کشف را به قدری مهم دانستند که باخنر برای آن جایزه نوبل را دریافت داشت.

ساختن بلور اوره که جزء مواد آلی است بی جان است و نیز ساخت دارو، مواد رنگی یا عطر که شیمی آلی تولید کرده کار بزرگی بوده است. ساخت مواد آلی زنده رویای جذاب تری بود، ولی حتی آنهایی که چنین رویایی در سر داشتند نمی پذیرفتند که این رویای شگفت انگیز روزی عملی شود! زمانی گفته می شد که انسان هرگز قادر به ساخت مواد شیمیایی آلی ناشدنی نخواهد بود. مردم می گفتند که بشر هرگز حیات را خلق نخواهد کرد. مدت ها پس از اینکه وهلر ساخت مواد آلی را به اثبات رساند مردم بر این عقیده بودند که هرگز حیات ساختنی نیست. ولی امروزه دانشمندان زیادی امکان خلق حیات مصنوعی را عملی می دانند.

شیمیدان های عصر ما در آزمایشگاه DNA (مولکول پروتئین) که رمز حیات و جزء سازنده طبیعت تلقی می شود را تولید کرده اند. شیمی آلی در این 186 سالی که از اتفاق مبارک وهلر می گذرد پیشرفت زیادی کرده است. در 186 سال آینده چه مقدار به سمت خلق حیات پیش خواهیم رفت؟

[toggle title=”برای مشاهده منابع اینجا کلیک کنید.” state=”close” ]

مقاله علمی و آموزشی «چگونه ساخت اوره مصنوعی توسط فردریش وهلر، شیمی آلی را متحول کرد؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا کتاب کشف های تصادفی در علم، نوشته ی دانیل استفان هالاسی و ترجمه محمدرضا قلیچ خانی از نشر روزنه، منتشر شده در خرداد 1379 با شابک 964-334-020-1 به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.

[/toggle]