Фукуи Кэнити: Нобель сыйлықты алған алғашқы шығыс азиялық ғалым

Кіріспе

Жапон химигі (1918–1998)
Химия саласындағы Нобель сыйлығы (1981)
Мәдениет ордені (1981)
Шығып тұрған Күн орденінің Ұлы кордоны (1988)
ForMemRS (1989) – Шығыс Азия тегіндегі алғашқы Нобель сыйлығының иегері ретінде танымал. Фукуи 1981 жылғы Химия саласындағы Нобель сыйлығын Роалд Хоффманмен бірлесіп, химиялық реакциялардың механизмдерін тәуелсіз зерттегені үшін алды. Фукуидің жүлделі еңбегі химиялық реакциялардағы шекаралық орбитальдардың роліне арналған: атап айтқанда, молекулалардың шекаралық орбитальдарды – яғни ең жоғары толған молекулалық орбиталды (HOMO) және ең төменгі бос молекулалық орбиталды (LUMO) – иеленетін бос электронды бөлісуіне назар аударды.

Ерте өмір

Фукуи – Рёкичи Фукуидің, сыртқы сауда саудагерінің, және Чи Фукуидің үш ұлының ең үлкені болды. Ол Жапонияның Нара қаласында дүниеге келді. 1938-1941 жылдар аралығында студент кезінде Фукуидің қызығушылығын кванттық механика және Эрвин Шредингердің әйгілі теңдеуі оятты. Сондай-ақ, ол ғылымдағы жаңалықтардың қашық салалардың күтпеген бірігуі арқылы туындайтынына сене бастады. "Химикалық интеллект" журналына берген сұхбатында Кеничи орта мектептен бастап химияға қалай келгенін айтады: "Менің химияны таңдауымның себебін түсіндіру оңай емес, себебі химия орта мектеп және жоғары мектепте менің сүйікті пәнім болған емес. Шындығында, менің құрметтейтін Фабре химияда гений болғандығы жасырын түрде маған әсер еткен, ал менің білім беру жолымдағы ең шешуші оқиға – әкемнің Киото императорлық университетінің профессоры Ген Ицу Китадан қандай мамандық таңдауым керек деген кеңес сұраған кез болды".

Китаның кеңесімен, Фукуидің әкесімен жеке таныс болған, жас Кеничи Киото университетімен байланысты Индустриялық химия факультетіне бағытталды. Ол химияның оны қиындыққа салып, жаттап алуды қажет ететінін, ал химияда логикалық сипатты артық көретінін де түсіндіреді. Кеничидің өзі құрметтеген ұстазының кеңесін тыңдап, артқа қайтпады. Ол Жапониядағы Киото университетіне оқуға түсіп, соның қадамдарымен жүрді. Сол сұхбатта Кеничи эксперименталды химияға қарағанда теориялық химияны артық көру себебін де айтты. Ол теориялық ғылымда жетістікке жеткенімен, алғашқы зерттеулерінің көп бөлігін тәжірибелік жұмыстарға жұмсады. Кеничи 100-ден астам тәжірибелік жоба мен мақаланы жылдам аяқтады және химияның тәжірибелік құбылыстарын ұнататын. Шындығында, кейіннен сабақ бергенде студенттерін теңгермеу үшін тәжірибелік диссертациялық жобаларды ұсынатын. Теориялық ғылым студенттерге табиғи болса да, тәжірибелік жобаларды ұсыну арқылы олар екі концепцияны да түсіне алатын, өйткені барлық ғалымдар осылай болуы керек. 1941 жылы Киото императорлық университетін бітіргеннен кейін Фукуи Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Жапонияның армиялық отын зертханасында жұмыс істеді. 1943 жылы Киото императорлық университетінде отын химиясы бойынша лекторы болып тағайындалды және тәжірибелік органикалық химик ретінде мансабын бастады.

Зерттеу

Ол 1951 жылдан 1982 жылға дейін Киото университетінде физикалық химия профессоры, 1982-1988 жылдар аралығында Киото технология институтының президенті, Халықаралық кванттық молекулалық ғылым академиясының мүшесі және Мюнхендегі Халықаралық ғылым академиясының құрметті мүшесі болды. 1988 жылдан қайтыс болғанға дейін Фундаменталды химия институтының директоры қызметін атқарды. Сонымен қатар, 1983-84 жылдары Жапония химия қоғамының президенті болды және Нобель сыйлығынан өзге көптеген марапаттарға ие болды, мысалы: 1962 жылғы Жапон академиясының сыйлығы, 1981 жылғы Мәдени еңбегі, 1988 жылғы Шығып келе жатқан Күн орденінің Ұлы Кордонының императорлық құрметі және тағы да басқа сыйлықтар. 1952 жылы Фукуи жас әріптестері Т. Йонезава мен Х. Шингумен бірге ароматты көмірсутектердегі реактивтіліктің молекулалық орбиталық теориясын ұсынды, ол «Journal of Chemical Physics» журналында жарияланды. Сол кезде оның бұл тұжырымдамасы химияшылардың назарына жеткілікті ие болмады. Фукуи 1981 жылы Нобель сыйлығын алған кезде өзінің алғашқы еңбегіне қатысты «бірқатар даулы пікірлер айтылды. Бұл белгілі бір дәрежеде түсінікті болды, өйткені менің тәжірибелік мүмкіндігім жеткіліксіз болғандықтан, осы айқын нәтижеге теориялық негіз нашар немесе дұрыс емес берілген еді» деді. Шекаралық орбитальдар тұжырымдамасы 1965 жылы Роберт Вудвард пен Роальд Хоффманның Вудвард-Хоффман стереоселекция ережелерін жариялағаннан кейін танылды, бұл ережелер екі реактив арасындағы реакция жылдамдығын болжауға мүмкіндік берді. Диаграммаларда бейнеленген осы ережелер кейбір жұптардың неге оңай, ал басқаларының неге қиын реакцияға түсетінін түсіндіреді. Бұл ережелердің негізі молекулалардың симметриялық қасиеттерінде және әсіресе олардың электрондарының орналасуында жатыр. Фукуи Нобель сыйлығының лауреаты ретінде сөйлеген сөзінде: «Вудвард пен Хоффманның керемет еңбегінен кейін ғана мен тығыздықтың таралуы ғана емес, сонымен қатар нақты орбитальдардың түйіндік қасиеттері де химиялық реакциялардың кең ауқымында маңызды екенін толық түсіндім» деп мойындады. Фукуидің маңызды үлесінің ерекшелігі – ол өз идеяларын химиктердің модельдеу үшін үлкен компьютерлерге қол жеткізбей тұрып дамытты. Химиялық реакциялар теориясын зерттеуден басқа, Фукуидің химияға қосқан үлесіне геляцияның статистикалық теориясы, органикалық тұздар арқылы органикалық синтез және полимерлендіру кинетикасы кіреді. 1985 жылы «New Scientist» журналына берген сұхбатында Фукуи Жапония университеттері мен өнеркәсіптерінде ғылымды дамыту үшін қабылданған тәжірибелерді қатты сынға алды. Ол: «Жапон университеттерінде бекітілген иерархиялық жүйеде кафедралар бар. Бұл бір тақырыпта зертханалық жұмыс істеуге тырысқанда пайдалы. Бірақ, егер сіз жаңаша жұмыс жасағыңыз келсе, сіз жас болуыңыз керек, ал жас адамдар кафедра жүйесімен шектеледі. Тіпті студенттер ертеректе ассистент-профессор бола алмаса да, оларды шығармашылық жұмысқа ынталандыру керек» деді. Фукуи сонымен қатар жапондық өнеркәсіптік зерттеулерді сынға алып, «Өнеркәсіп зерттеу күшін күнделікті бизнесіне жұмсауға бейім. Оның таза химиямен айналысуы қиын. Біз мақсаты белгісіз болса да, қолданылуы белгісіз болса да, ұзақ мерзімді зерттеулерді ынталандыруымыз керек» деді. «The Chemical Intelligencer» журналына берген сұхбатында ол өзінің сын-пікірін былай түсіндірді: «Бүкіл әлемге белгілі болғандай, Жапония осы ғасырдың басынан бастап ғылымды олардан импорттау арқылы батыс елдеріне жете алмады». Жапония, белгілі бір мағынада, қоғамның бір бөлігі ретінде фундаменталды ғылымға салыстырмалы түрде жаңа, ал батыс елдерінің артықшылықтары бар бірегейлік қабілеті мен қаржыландырудың жетіспеуі елге фундаменталды ғылымда зиян келтіреді. Дегенмен, ол Жапонияда, әсіресе фундаменталды ғылымды қаржыландыруда жақсарулар байқалып жатқанын, өйткені ол бірнеше жылдан бері тұрақты өсімді көрсетіп келеді деді.

He was professor of physical chemistry at Kyoto University from 1951 to 1982, president of the Kyoto Institute of Technology between 1982 and 1988, and a member of the International Academy of Quantum Molecular Science and honorary member of the International Academy of Science, Munich. He was also director of the Institute for Fundamental Chemistry from 1988 till his death. As well as President of the Chemical Society of Japan from 1983–84, receiving multiple awards aside from his Nobel Prize such as; Japan Academy Prize in 1962, Person of Cultural Merit in 1981, Imperial Honour of Grand Cordon of the Order of the Rising Sun in 1988, with many other awards not quite as prestigious. In 1952, Fukui with his young collaborators T. Yonezawa and H. Shingu presented his molecular orbital theory of reactivity in aromatic hydrocarbons, which appeared in the Journal of Chemical Physics. At that time, his concept failed to garner adequate attention among chemists. Fukui observed in his Nobel lecture in 1981 that his original paper 'received a number of controversial comments. This was in a sense understandable, because for lack of my experiential ability, the theoretical foundation for this conspicuous result was obscure or rather improperly given.' The frontier orbitals concept came to be recognized following the 1965 publication by Robert B. Woodward and Roald Hoffmann of the Woodward Hoffmann stereoselection rules, which could predict the reaction rates between two reactants. These rules, depicted in diagrams, explain why some pairs react easily while other pairs do not. The basis for these rules lies in the symmetry properties of the molecules and especially in the disposition of their electrons. Fukui had acknowledged in his Nobel lecture that, 'It is only after the remarkable appearance of the brilliant work by Woodward and Hoffmann that I have become fully aware that not only the density distribution but also the nodal property of the particular orbitals have significance in such a wide variety of chemical reactions.' What has been striking in Fukui's significant contributions is that he developed his ideas before chemists had access to large computers for modeling. Apart from exploring the theory of chemical reactions, Fukui's contributions to chemistry also include the statistical theory of gelation, organic synthesis by inorganic salts and polymerization kinetics. In an interview to New Scientist magazine in 1985, Fukui had been highly critical on the practices adopted in Japanese universities and industries to foster science. He noted, "Japanese universities have a chair system that is a fixed hierarchy. This has its merits when trying to work as a laboratory on one theme. But if you want to do original work you must start young, and young people are limited by the chair system. Even if students cannot become assistant professors at an early age they should be encouraged to do original work." Fukui also admonished Japanese industrial research stating, "Industry is more likely to put its research effort into its daily business. It is very difficult for it to become involved in pure chemistry. There is a need to encourage long range research, even if we don't know its goal and if its application is unknown." In another interview with The Chemical Intelligencer he further elaborates on his criticism by saying, "As is known worldwide, Japan has tried to catch up with the western countries since the beginning of this century by importing science from them." Japan is, in a sense, relatively new to fundamental science as a part of its society and the lack of originality ability, and funding which the western countries have more advantages in hurt the country in fundamental science. Although, he has also stated that it is improving in Japan, especially funding for fundamental science as it has seen a steady increase for years.

Тану

Фукуиге реактивтіліктің жақсы жуықтауын шекаралық орбитальдарға (HOMO/LUMO) қарау арқылы табуға болатындығын түсінгені үшін Нобель сыйлығы берілді. Бұл екі молекуланың өзара әрекеттесуі кезіндегі молекулалық орбитальдық теорияның үш негізгі байқауына негізделген. Әртүрлі молекулалардың толып тұрған орбитальдары бір-бірін итермелейді. Бір молекуланың оң заряды екінші молекуланың теріс зарядын тартады. Бір молекуланың толып тұрған орбитальдары және екінші молекуланың бос орбитальдары (әсіресе HOMO және LUMO) бір-бірімен өзара әрекеттесіп, тартылыс тудырады. Осы байқаулар негізінде, шекаралық молекулалық орбитальдық (ФМО) теориясы реактивтілікті бір түрдің HOMO және екінші түрдің LUMO арасындағы өзара әрекеттесуге дейін жеңілдетеді. Бұл Вудвард-Хоффманның термикалық перициклдік реакциялар туралы ережелерінің болжамдарын түсіндіруге көмектеседі, олар келесі тұжырымдамада жиынтықталған: "Жер күйіндегі перициклдік өзгеріс симметриялық тұрғыдан рұқсат етіледі, егер (4q+2)s және (4r)a компоненттерінің жалпы саны тақ болса". Фукуи 1989 жылы Корольдік қоғамның шетелдік мүшесі (ForMemRS) болып сайланды.