Benzen: 21. yüzyılı şekillendiren molekülün 200 yılı

Tam iki yüzyıl önce, 1825'te, İngiliz bilim insanı Michael Faraday, Londra sokaklarını aydınlatmak için kullanılan gaz kalıntısını ısıtarak tuhaf bir sıvı tespit etti. Renksizdi, tatlı ve kendine özgü bir kokusu vardı ve o kadar gizemli bir şekilde davranıyordu ki, dönemin kimyagerleri bile onu nasıl sınıflandıracaklarını bilemiyorlardı. Faraday, bu maddeye hidrojen bikarbonat adını verdi. O zamanlar kimse, bugün benzen olarak bilinen bu maddenin bilim tarihini ve hayatımızı değiştireceğini tahmin edemezdi.

Günümüzde küçük molekül benzen, çevremizdeki hemen hemen her şeyde mevcuttur: plastikler, boyalar, deterjanlar, tekstil ürünleri, parfümler, ilaçlar , yapıştırıcılar, yakıtlar, böcek ilaçları ve hatta akıllı telefonlar gibi elektronik cihazlar. Ancak etkisi günlük ürünlerin ötesine geçiyor. Benzenin benzersiz moleküler yapısı, tıptan nanoteknolojiye kadar uzanan uygulamalara sahip binlerce organik bileşiğin temeli haline gelmiştir. En etkileyici olanı ise, atomlarının mimarisinin, enerji, bilişim ve biyomedikal alanların geleceğini dönüştürmeyi vaat eden grafen gibi devrim niteliğindeki malzemelerin geliştirilmesine yol açmış olmasıdır.

Benzenin büyüleyici yanı, sadece neyden yapılabileceği değil, nasıl yapıldığıdır. Molekülünde, bir halka oluşturacak şekilde düzenlenmiş altı karbon atomu ve altı hidrojen atomu bulunur. Bu küçük, kusursuz altıgen, kimyasal bir tuhaflığı gizler: Elektronları, diğer organik moleküllerde olduğu gibi tek veya çift bağlar halinde sabitlenmez, bunun yerine halka içinde sürekli hareket eder. Bu olguya elektron rezonansı denir ve benzene şaşırtıcı bir kararlılık kazandırır.

Kolay tepkimeye girmez, kimyasal saldırılara karşı dayanıklıdır ve ayrıca büyük bir kolaylıkla yeni yapılar oluşturabilir. Bu tepkime ve kararlılık kombinasyonu onu bu kadar değerli kılan şeydir. Kimyada bu özellikler, başlangıçta belirli maddelerin kokusunu ifade eden, ancak günümüzde benzersiz elektronik davranışlarını tanımlayan bir terim olan aromatiklik olarak bilinir.

Modern kimyanın sembolü

Bu tür yapıları anlamak onlarca yıllık bir çalışma gerektirdi. 19. yüzyılın ortalarında, Alman kimyager August Kekulé, bir yılanın kuyruğunu ısırdığı bir rüyadan esinlenerek, hareketli bağlara sahip altıgen halka modelini önerdi. Bu olay, sözde yapısal teorinin gelişimindeki en büyük bilimsel dönüm noktalarından birini temsil ediyordu. O zamandan beri benzen, modern organik kimyanın sembolü ve moleküler orbitaller, elektron delokalizasyonu ve moleküler kararlılık gibi daha yeni karmaşık kavramları açıklamanın bir kapısı haline geldi.

Ancak etkileri ders kitaplarıyla sınırlı kalmadı. 20. yüzyıl ilerledikçe bilim insanları birkaç benzen halkasını birleştirmeye başladı. Bu, yakıtların, yağlayıcı yağların, boyaların ve plastiklerin bir parçası olan ve aynı zamanda son teknoloji bilimsel araştırmaların konusu olan polisiklik aromatik hidrokarbonların (PAH'lar) ortaya çıkmasına yol açtı. Bazı PAH'lar floresan özelliklere sahipken, diğerleri yarı iletken olarak işlev görür ve birçoğu tıbbi, elektronik ve enerji uygulamalarına sahip yeni moleküllerin geliştirilmesinin başlangıç noktası olmuştur. Bu yapılar ayrıca, günümüzde moleküler nanografenler olarak bilinen, sensör, transistör veya enerji depolama sistemleri olarak işlev görmek üzere atomik hassasiyetle tasarlanmış grafen parçalarının da ortaya çıkmasına neden olmuştur.

Grafen, nihayetinde bu evrimin doruk noktasıdır. Karbon altıgenlerinin sürekli bir ağından oluşan, yalnızca bir atom kalınlığında iki boyutlu bir katmandır. Benzen halkalarından yapılmış sonsuz bir tabaka gibidir. 2004 yılında, 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü alan Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından tanımlanan grafen olağanüstüdür: şimdiye kadar yaratılmış en ince malzemedir, çelikten daha güçlüdür, esnektir, şeffaftır ve olağanüstü elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir. Kullanımı halihazırda ultra hızlı pillerde, katlanabilir dokunmatik ekranlarda, biyomedikal cihazlarda, su filtreleme sistemlerinde, sinir implantlarında ve kuantum teknolojilerinde araştırılmaktadır . Bilim kurgu gibi görünse de grafen bir gerçektir ve her şey Faraday tarafından 200 yıl önce keşfedilen gizemli maddenin arkasındaki o küçük molekülle başladı.

Ancak benzen ve türevleri yalnızca laboratuvarlarda veya fabrikalarda bulunmaz: aynı zamanda uzayda da yüzerler. Son yıllarda gökbilimciler, yıldızlar arası bulutlarda, kuyrukluyıldızlarda ve genç yıldızları çevreleyen tozlu disklerde aromatik bileşikler tespit ettiler. Benzen benzeri karbon halkalarından oluşan bu karmaşık moleküller, evrende yaygın gibi görünüyor ve Dünya'nın ilk dönemlerine meteoritlerle ulaşmış olabilirler. Varlıkları büyüleyici bir olasılığı gündeme getiriyor: Yaşamın kimyasal yapı taşları olan karmaşık organik moleküllerin kozmik bir kökeni olabilir ve benzen de bu kökenlerin en eski öncülerinden biri olabilir.

Bilimsel devrimin kokusu

Böylesine basit bir yapının bu kadar çok yönü olması ilginçtir. Benzen aynı zamanda kimya öğretiminde de önemli bir moleküldür. Nesiller boyu öğrenciler aromatiklik, rezonans ve moleküler orbital teorisi gibi kavramları ondan öğrenmiştir. Sessiz varlığına rağmen, mükemmel simetrisi, neredeyse sihirli kararlılığı ve karmaşık bileşikler oluşturma yeteneğiyle hayranlık uyandıran bir moleküldür. Yüksek konsantrasyonlarda toksik olabileceği bilinse de (bu nedenle ev ürünlerinde kullanımı sınırlı ve çevrede varlığı kontrol altındadır), bilimsel ve teknolojik mirası tartışılmazdır.

Dünyanın en prestijli bilim kurumlarından biri olan Kraliyet Kimya Derneği (RSC), bu iki yüzüncü yıl dönümünü kutlamak için, benzen ve türevlerinin tarihi, evrimi ve geleceğine adanmış makalelerle yirmi dergisinden oluşan özel bir tematik sayı çıkaracak. Bu sayı, alanında önde gelen iki isim olan Nobel ödüllü Ben Feringa ve bu metnin yazarı tarafından koordine edilecek. Bu özel sayı, büyüleyici aromatik ve antiaromatik bileşiklerden benzen bazlı moleküler makinelere, karbon nanotüplere, fullerenlere ve grafen ve türevlerinin yeni sınırlarına kadar her şeyi kapsayacak.

Teknolojik yeniliklerin baş döndürücü bir hızla ilerlediği, yapay zekâdan, haberci RNA aşılarından veya ayakkabı kutusu büyüklüğünde uydulardan bahsettiğimiz bir dünyada, bu günümüz harikalarının çoğunun köklerinin geçmişteki keşiflere dayandığını hatırlamakta fayda var. Altı karbon atomundan oluşan ve altıgen bir halka şeklindeki küçük molekülüyle benzen, yaşam, üretim, şifa ve yaratma biçimimizi değiştiren sessiz keşiflerden biridir. Bazen büyük devrimler bir anda değil, hafif bir aroma ve mükemmel bir halka ile gelir. Ve şüphesiz benzen de bunlardan biridir; aroması en başından beri devrimle eş anlamlı olan bir molekül.

Nazario Martín León, Complutense Üniversitesi'nde Organik Kimya profesörü, Ulusal Araştırma Ödülü sahibi ve Kraliyet Bilimler Akademisi üyesidir.