Кэнити Фукуи: Путь к Нобелевской премии и исследованиям в химии.

Введение

Японский химик (1918–1998)
Нобелевская премия по химии (1981)
Орден Культуры (1981)
Большой кордон ордена Восходящего солнца (1988)
ForMemRS (1989) – известен как первый человек восточноазиатского происхождения, удостоенный Нобелевской премии по химии. Фукуи разделил Нобелевскую премию по химии 1981 года с Роальдом Хоффманом за их независимые исследования механизмов химических реакций. Работа Фукуи, отмеченная премией, была посвящена роли граничных орбиталей в химических реакциях: в частности, тому, что молекулы разделяют слабосвязанные электроны, занимающие граничные орбитали, то есть высшую занятую молекулярную орбиталь (HOMO) и низшую незанятую молекулярную орбиталь (LUMO).

Ранние годы

Фукуи был старшим из трех сыновей Рёкичи Фукуи, торговца внешней торговли, и Чи Фукуи. Он родился в Нара, Япония. В студенческие годы, между 1938 и 1941 годами, интерес Фукуи был пробужден квантовой механикой и знаменитым уравнением Эрвина Шрёдингера. Он также пришел к убеждению, что научный прорыв происходит благодаря неожиданному слиянию, казалось бы, далеких друг от друга областей. В интервью журналу The Chemical Intelligencer Кэничи обсуждает свой путь в химию, начиная со средней школы. "Причину моего выбора химии объяснить нелегко, поскольку в средней и старшей школе она никогда не была моей любимой дисциплиной. На самом деле, тот факт, что мой уважаемый Фабр был гением в химии, запечатлелся в моем сердце, а самым решающим событием в моей образовательной карьере стало то, что мой отец попросил совета профессора Гэн Ицу Кита из Киотского императорского университета относительно того, какую специальность мне выбрать."

По совету Кита, личного друга старшего Фукуи, юный Кэничи был направлен в Департамент промышленной химии, с которым тогда был связан Кита. Он также объясняет, что химия давалась ему нелегко, поскольку, казалось, требовала запоминания, и он предпочитал более логичный подход. Он последовал совету наставника, которым глубоко уважал, и больше никогда не оглядывался. Он также пошел по этому пути, поступив в Киотский университет в Японии. В том же интервью Кэничи также рассказал о причинах, по которым он предпочитал теоретическую химию экспериментальной. Хотя он, безусловно, преуспел в теоретической науке, большую часть своих ранних исследований он посвятил экспериментам. Кэничи быстро выполнил более 100 экспериментальных проектов и написал статьи, и ему очень нравились экспериментальные явления в химии. Фактически, позже, когда он преподавал, он рекомендовал своим студентам экспериментальные дипломные проекты, чтобы сбалансировать их подготовку, поскольку теоретическая наука давалась студентам легче, но, предлагая или назначая экспериментальные проекты, они могли бы понять обе стороны, как и должен каждый ученый. После окончания Киотского императорского университета в 1941 году Фукуи был задействован в Армейской топливной лаборатории Японии во время Второй мировой войны. В 1943 году он был назначен лектором по топливной химии в Киотском императорском университете и начал свою карьеру в качестве экспериментального органического химика.

Исследования

Он был профессором физической химии в Киотском университете с 1951 по 1982 год, президентом Киотского технологического института в период с 1982 по 1988 год, членом Международной академии квантовой молекулярной науки и почетным членом Международной академии наук в Мюнхене. Он также был директором Института фундаментальной химии с 1988 года до своей смерти. Помимо этого, он занимал пост президента Химического общества Японии в 1983–1984 годах и получил множество наград, помимо Нобелевской премии, таких как премия Японской академии (1962), признание «Человек культурных заслуг» (1981) и Императорская награда Большого кордона ордена Восходящего солнца (1988), а также множество других, менее престижных наград. В 1952 году Фукуи совместно с молодыми коллегами Т. Йонезава и Х. Шингу представил свою молекулярно-орбитальную теорию реакционной способности ароматических углеводородов, опубликованную в журнале Journal of Chemical Physics. В то время его концепция не получила должного внимания со стороны химиков. В своей Нобелевской лекции 1981 года Фукуи отметил, что его первоначальная статья «вызвала ряд противоречивых комментариев. Это было в определенной степени понятно, поскольку из-за недостатка моего опыта теоретическое обоснование этого замечательного результата было неясным или, скорее, неточно сформулировано». Концепция граничных орбиталей получила признание после публикации в 1965 году Роберта Б. Вудворда и Роальда Хоффмана правил стереоселекции Вудворда-Хоффмана, позволяющих предсказывать скорости реакций между двумя реагентами. Эти правила, представленные в виде диаграмм, объясняют, почему одни пары реагируют легко, а другие – нет. В основе этих правил лежат симметрические свойства молекул, особенно расположение их электронов. Фукуи признал в своей Нобелевской лекции, что «только после блестящей работы Вудворда и Хоффмана я полностью осознал, что в столь широком спектре химических реакций важны не только распределение плотности, но и узловые свойства конкретных орбиталей». Особенно примечательно, что Фукуи разработал свои идеи до того, как у химиков появился доступ к мощным компьютерам для моделирования. Помимо изучения теории химических реакций, вклад Фукуи в химию включает статистическую теорию геля, органический синтез с использованием неорганических солей и кинетику полимеризации. В интервью журналу New Scientist в 1985 году Фукуи резко критиковал практику, принятую в японских университетах и промышленности для поддержки науки. Он отметил: «В японских университетах существует система кафедр, представляющая собой жесткую иерархию. Это имеет свои преимущества, когда лаборатория работает над одной темой. Но если вы хотите заниматься оригинальными исследованиями, нужно начинать рано, а молодым ученым система кафедр мешает. Даже если студенты не могут стать ассистентами профессора в раннем возрасте, их следует поощрять к проведению оригинальных исследований». Фукуи также предостерег японские промышленные исследования, заявив: «Промышленность, скорее всего, будет направлять свои усилия на текущие задачи. Ей очень трудно заниматься фундаментальной химией. Необходимо поощрять долгосрочные исследования, даже если мы не знаем их цели и области применения». В другом интервью для The Chemical Intelligencer он уточнил свою критику, сказав: «Как известно во всем мире, Япония с начала этого века пыталась догнать западные страны, импортируя у них науку». В некотором смысле Япония относительно нова в фундаментальной науке как части общества, и недостаток оригинальности, а также финансирования, в котором западные страны имеют преимущество, наносят ущерб стране в области фундаментальных исследований. Однако он также отметил, что ситуация в Японии улучшается, особенно в отношении финансирования фундаментальной науки, которое стабильно растет в течение многих лет.

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.

Признание

Фукуи был удостоен Нобелевской премии за его понимание того, что хорошее приближение для оценки реакционной способности можно найти, рассматривая граничные молекулярные орбитали (HOMO/LUMO). Это основывалось на трех основных наблюдениях теории молекулярных орбиталей при взаимодействии двух молекул. Заполненные орбитали разных молекул отталкиваются друг от друга. Положительные заряды одной молекулы притягиваются к отрицательным зарядам другой. Заполненные орбитали одной молекулы и незаполненные орбитали другой (особенно HOMO и LUMO) взаимодействуют друг с другом, вызывая притяжение. Исходя из этих наблюдений, теория граничных молекулярных орбиталей (FMO) сводит реакционную способность к взаимодействию между HOMO одного реагента и LUMO другого. Это помогает объяснить предсказания правил Вудварда-Хоффмана для термических перициклических реакций, которые суммируются в следующем утверждении: "Перициклическое изменение в основном состоянии симметрически разрешено, когда общее число (4q+2)s и (4r)π компонентов нечетно".

В 1989 году Фукуи был избран иностранным членом Королевского общества (ForMemRS).