Кэнъити Фукуи

Японский химик Кэнъити Фукуи получил Нобелевскую премию за теорию, которую придумал в комнате, куда его подселили после пожара на факультете. Теория граничных орбиталей объяснила, почему одни молекулы вступают в реакцию, а другие нет, — и стала рабочим инструментом органической химии.

Мальчик, который ловил цикад

Фукуи родился 4 октября 1918 года в Наре, старшим из трёх сыновей. Отца звали Рёкити, мать — Тиэ. Рёкити окончил Коммерческий институт Токио и состоял в Национальном географическом обществе; журнал этого общества Кэнъити читал в детстве. Тиэ купила детям полный сборник сочинений Нацумэ Сосэки, который мальчик очень полюбил.

Вскоре после его рождения семья переехала в новый дом в Кисинато, в Осаке, где Кэнъити жил до восемнадцати лет. Он коллекционировал почтовые марки, спичечные коробки, листья, почки растений и камни. Интерес к природе остался с ним: много лет спустя, приезжая читать лекции на международные симпозиумы, он ловил там бабочек и цикад.

В среднюю школу Имамия он поступил в 1931 году и записался в биологический кружок, члены которого ездили за насекомыми в горы на окраине Осаки. Тогда же он познакомился с «Энтомологическими воспоминаниями» Жана Анри Фабра. Наблюдения Фабра совпадали с его собственными, и это удивляло Кэнъити: он находился далеко от Прованса, где жил автор.

Курс химии начался на третьем году обучения, и она ему не понравилась — слишком многое приходилось запоминать. Любимыми предметами были история и литература, и о карьере учёного он тогда не думал.

Как отец привёл его в лабораторию

Весной 1938 года, на последнем курсе, отец посетил Гэнъицу Киту — своего родственника, профессора химии Университета Киото, жившего в том же районе Нары. Он рассказал, что сын любит немецкий язык и математику. Кита ответил, что для химии и то и другое важно, и предложил Кэнъити место в лаборатории в Киото. Предложение было неожиданным: математические методы в химии тогда почти не использовались. Кэнъити согласился.

Кита окончил факультет прикладной химии Императорского университета Токио в 1906 году, а в 1921-м стал профессором факультета промышленной химии Имперского университета Киото. Он опубликовал более тысячи статей и обучил многих японских химиков. В 1944 году, выйдя на пенсию, он стал президентом Университета Нанива и членом Японской академии наук.

На факультете промышленной химии, куда Фукуи поступил в 1937 году, делали упор на прикладные области — керамику, электрохимию, красители, волокна, резины и пластики. Фукуи тянуло к фундаментальной науке, и он слушал лекции на соседней кафедре естествознания. Квантовую механику ему пришлось осваивать самому: лекций по ней не читали, и он брал книги в библиотеке физического факультета. Его занимал вопрос, почему не существует «математической химии».

От углеводородов к граничным орбиталям

В августе 1941 года Фукуи переехал в Топливный институт Японской армии в Токио. Институт занимался синтезом углеводородов, улучшающих свойства бензина. В США для этого использовали 2,2,4-триметилпентан, и Фукуи пришлось синтезировать похожие соединения из бутанола, который получали брожением сахара. В сентябре 1944 года его команда преуспела в синтезе изооктана и получила грант от армии.

После войны он вернулся в Университет Киото и занялся молекулярным дизайном под руководством профессора Синдзиро Кодамы, работая над синтезом полиэтилена высокого давления. Из этого исследования выросла часть его диссертации — двухсотстраничное «Теоретическое изучение температурного распределения в реакторах химической промышленности». Кита, к тому времени уже пенсионер, посмотрев работу, сказал лишь, что она очень толстая. Летом 1948 года исследование было окончено.

В 1951 году Фукуи стал профессором факультета топливной химии. В феврале того года на факультете случился пожар, и ему пришлось делить лабораторию с профессором Сингу и другими. Именно в этой комнате родилась теория граничных орбиталей.

Фукуи исходил из того, что химическая реакция происходит во внешних частях молекул и что решающую роль играет электрон на внешней орбитали. Эту орбиталь он назвал граничной. Он первым посчитал плотность граничных электронов нафталина и обнаружил, что она максимальна там, где и происходит реакция. Вместе с аспирантом Тэдзиро Ёнэдзавой он распространил расчёт на более сложные углеводороды — антрацен, пирен, перилен. Теория точно указала позиции атак электрофилами вроде NO2+. Результаты экспериментов интерпретировал профессор Сингу, органик с глубокими знаниями электронной теории; новую теорию решили назвать в его честь.

Ключевая статья 1952 года вышла в тот же год, что и работа Малликена о переносе заряда в донорно-акцепторных комплексах. От Малликена Фукуи получил теоретическое обоснование своих результатов: идея состояла в электронной делокализации между нижней свободной и верхней занятой молекулярными орбиталями реагирующих веществ.

Признание пришло через чужую работу

В 1962 году Фукуи получил приз Японской академии за изучение электронной структуры и реакционной способности сопряжённых соединений. Профессор Ёсио Танака из Университета Токио, поддерживавший его, говорил, что эта теория могла бы получить Нобелевскую премию.

В 1964 году Фукуи впервые встретил Роалда Хофмана на симпозиуме Санибеля. Хофман был на девятнадцать лет моложе и уже был известен исследованиями расширенного метода Хюккеля. Они подружились и остались друзьями до конца жизни. После симпозиума Фукуи почти два месяца путешествовал по Америке и Европе с женой Томо — это была его первая поездка за границу.

В том же году П.-О. Лёвдин и Б. Пуллман предложили ему написать главу в книгу к шестидесятилетию Роберта Малликена. Фукуи согласился и в статье «Простое квантовое теоретическое объяснение реакционной способности химических соединений» разобрал реакцию Дильса — Альдера, впервые связав симметрии высшей занятой и низшей свободной орбиталей с селективностью реакции. Это отметили Вудворд и Хофман в изложении теории сохранения орбитальной симметрии — правила Вудворда — Хофмана. Теория, представленная в 1965 году, была тепло принята химиками и открыла новую область в органической химии. Широкое распространение работа Фукуи получила именно благодаря Вудворду и Хофману.

19 октября 1981 года Кэнъити позвонили из редакции токийской газеты с просьбой взять интервью у нобелевского лауреата. Он был ошеломлён и поверил в случившееся, только увидев своё имя рядом с именем Хофмана в телевизионных новостях. В ту ночь к нему пришли репортёры, друзья, знакомые и студенты; они с Томо были окружены журналистами до полуночи. 10 декабря 1981 года он получил диплом и медаль Альфреда Нобеля по химии из рук короля Швеции Густава, разделив премию с Хофманом. Премия была присуждена «за разработку теории протекания химических реакций». Фукуи стал первым азиатским учёным, получившим Нобелевскую премию по химии.

Президент без лаборатории

После премии на Фукуи обрушился поток дел, особенно выросло внимание японской прессы. Он стал президентом Технологического института в Киото. Должность была административной, не научной, и лаборатории в университете он иметь не мог. Три года спустя он возглавил Институт фундаментальной химии, построенный для него в Киото на деньги японской химической промышленности. Он также стал председателем многих организаций и комитетов, и на науку времени почти не оставалось.

Фукуи часто просили читать лекции общего характера, и на них он говорил, что химия займёт заметное место среди наук. Проблемы с окружающей средой, по его мысли, дали химической промышленности толчок к переменам, а без химии невозможно решить вопросы ресурсов, еды и энергии. Студентам, считал он, нужно больше фундаментальной теоретической химии и меньше экспериментальной, а компьютерная наука поможет теории развиваться стремительно. Для области, которая ищет нужные свойства молекул, он предлагал термин «молекулярная инженерия».

В 1992 году он подписал «Предупреждение учёных человечеству».

Зимой 1997 года у Кэнъити обнаружили рак желудка. Он сразу прошёл курс хирургических операций, но летом снова вернулся в госпиталь. 9 января 1998 года он умер в возрасте 79 лет. Могила находится на склоне горы Хигасияма, где похоронен и его учитель Гэнъицу Кита.

Томо

С женой Томо, в девичестве Хориэ, Фукуи поженился летом 1946 года. Она мечтала стать учёным после прочтения биографии Марии Кюри и окончила факультет физической химии Императорского женского университета наук в Токио. До свадьбы Кэнъити однажды сводил её на концерт, где играли Девятую симфонию Бетховена, и после гордо заметил, что некоторые заявленные в афише части не исполняли; она подумала, как же можно так испортить впечатление от концерта. Дни были трудные, но Томо делала всё, чтобы Кэнъити мог сосредоточиться на науке. Их сын Тэцуя родился 8 января 1948 года, дочь Мияко — 19 мая 1954 года.

Что про него спрашивают

За что Фукуи получил Нобелевскую премию?

За разработку теории протекания химических реакций — прежде всего теории граничных орбиталей. Премию по химии 1981 года он разделил с Роалдом Хофманом.

Почему его теорию заметили не сразу?

Она привлекла широкое внимание после того, как Вудворд и Хофман использовали верхнюю занятую и нижнюю свободную орбитали для объяснения стереоспецифичности реакций. Работа Фукуи получила распространение благодаря правилу Вудворда — Хофмана.

Кем он был по образованию?

Он окончил кафедру инженерии Университета Киото в марте 1941 года, затем учился в аспирантуре факультета топливной химии. Имел степень доктора технических наук.

Как он относился к химии в конце жизни?

Он считал, что химия займёт заметное место среди наук, и призывал студентов изучать больше теоретической химии. Он предлагал термин «молекулярная инженерия» для поиска молекул с нужными свойствами.