F. R. S. 989 January 1998: Elected



Yüklə 3,66 Mb.
Pdf görüntüsü
tarix28.07.2018
ölçüsü3,66 Mb.
#59467


F.R.S. 1989

 9 January 1998: Elected

−−

Kenichi Fukui. 4 October 1918 

A.D. Buckingham and H. Nakatsuji

, 223-237, published 1 November 2001



47

2001 


Biogr. Mems Fell. R. Soc. 

Email alerting service

here


the top right-hand corner of the article or click 

Receive free email alerts when new articles cite this article - sign up in the box at

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/subscriptions

, go to: 



Biogr. Mems Fell. R. Soc.

To subscribe to 

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




KENICHI FUKUI

4 October 1918 — 9 January 1998



Biog. Mems Fell. R. Soc. Lond. 47, 223–237 (2001)

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



KENICHI FUKUI

4 October 1918 — 9 January 1998

Elected For.Mem.R.S. 1989

B



A.D. B



1

, C.B.E., F.R.S.,





H. N




2

1



Department of Chemistry, Cambridge University, Cambridge CB2 1EW, UK

2

Department of Synthetic Chemistry and Biological Chemistry,



Graduate School of Engineering, Kyoto University, Kyoto 606-8501, Japan

L

  



Kenichi Fukui was born in Oshikuma, Nara, Japan, on 4 October 1918. He was the eldest of

three boys of Ryoukichi, his father, and Chie, whose family name before marriage was

Sugisawa. Ryoukichi Fukui, who graduated from the Tokyo Commercial Institute (later

Hitotsubashi University), was a merchant who traded with foreign countries and also

managed a factory making precision instruments. He liked fishing and often took Kenichi

with him, and was a member of the National Geographic Society—the

National Geographic

Magazine


was one of the most important magazines of Kenichi’s childhood. Chie graduated

from Nara Women’s College and was an affectionate mother of her boys. She never forced

them to study but provided a studious environment. For example, she bought for her children

the complete works of Souseki Natsume, a famous Japanese novelist, whose books Kenichi

was very fond of reading.

Shortly after Kenichi’s birth, the family moved to their new house at Kishinosato, Osaka,

and lived there until he was 18. In his childhood, he loved playing in the natural environment

and spent almost every vacation at his mother’s native house in Oshikuma. He liked walking

near or sometimes far from the house. There were many ponds in the vicinity and he enjoyed

fishing with his brothers. Even in Osaka, there was much in nature that entranced him.

Kenichi liked collecting many different kinds of things, like postage stamps, match labels,

leaves and buds of plants, and mineral stones. There were many beautiful butterflies and

mysterious insects; the imaginative and sensitive heart of Kenichi was enchanted by their

225


© 2001 The Royal Society

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




226

Biographical Memoirs

beauty. This interest in nature remained with him even when he went abroad to give lectures at

international symposia many years later; he was excited to catch a splendid cicada at

Ryukabitos near Athens, and butterflies in Florida and Istanbul.

Kenichi entered Tamade Daini Primary School in 1925. He was not strong physically. He

enjoyed field work in the summer school at the seashore to the south of Osaka. A beautiful

Halinga ornata

(

hana-densha



in Japanese) in seawater in bright summer sunshine enchanted

Kenichi.


Kenichi moved to Imamiya Middle School in 1931. He joined the Biological Circle, whose

senior members were experts and were good leaders. They went hiking in nearby mountains in

the suburbs of Osaka and gathered many different kinds of insect. This introduced Kenichi to

the works of Jean Henri Fabre, who continued to influence him through his book series

Entomological souvenirs

. Kenichi read it in the Japanese translation by Y. Yoshida and

T. Hayashi and eagerly awaited the publication of each volume. The statements and

observations written in this book were in harmony with his own experiences. This was in some

sense a surprise for him because Osaka and Provence are so distant. Much later, Kenichi was

elected a member of the International Academy of Quantum Molecular Science, whose

headquarters are located in Menton, France. While attending an academy meeting, he enjoyed

travelling in Provence with Tomoe, his wife, because this was the place where Fabre had spent

his life with his insects. Kenichi and his wife dreamt of living in Provence after retirement, but

this was not realized because the Nobel Prize caused him to be so busy.

Henri Fabre was a gifted chemist as well as an eminent entomologist. He succeeded in

preparing alizarin dye from plant madder on an industrial scale, but this was not used because

of the success of the synthetic method introduced by German chemists. Fabre devoted the last

chapter of his

Entomological souvenirs

to this story and the last sentence was a declaration of

starting again from the beginning: ‘Laboremus!’, and this impressed Kenichi. Chemistry did

not seem to give happiness to Fabre. This cast a shadow on Kenichi’s impression of chemistry.

The chemistry course started in the third year of the middle school, but he did not like it

mainly because of its dependence on memory work, but also partly because it did not give

happiness to Henri Fabre.

Kenichi wrote at the age of 65 how important these boyhood experiences were in his

becoming a natural scientist. However, in those early days he never thought of becoming a

scientist, but rather a doctor of literature. His favourite subjects were history and literature. A

reason for this is that his birthplace, Oshikuma, was located between Nara and Kyoto, where

there are many historical monuments.

In 1935 Kenichi entered Osaka High School. He joined the Science Department and took

German as a second language. In those days, students had to take one sport as a specialty and

he took Japanese fencing (Kendo). Kenichi enjoyed doing exercises for this sport almost every

day, but it made him tired so he did not do much study. When he started fencing he was

unable to win, but one day his master said to him ‘never expect to win, rather only do your

best’. After taking this suggestion on board, he found he could win a match and he gradually

got into this sport. It made him strong in body, but rather apart from his studies.

In the spring of 1938, his last high school year, his father visited Genitsu Kita, a relative

and native of the same district of Nara and Professor of Chemistry at Kyoto University, at his

home in Kitashirakawa and consulted him about the course for Kenichi after graduation from

high school. He explained that his son had taken German and liked mathematics. Kita

advised that both mathematics and German are important for chemistry, so ‘please send your

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Kenichi Fukui

227


son to my laboratory in Kyoto’. This advice was rather unexpected because it was thought in

those days that mathematics was not necessary for chemistry. When Kenichi heard this advice

from his father, namely ‘if he likes mathematics, he should do chemistry’, he immediately

decided to do chemistry. Kenichi was very happy to have received such good advice and to

have met such an excellent teacher.

Professor Kita was born in Nara in 1883, graduated from the Department of Applied

Chemistry of the Imperial University of Tokyo in 1906 and became an associate professor in

that department in 1908. After two years in Europe and America, he became a professor in

the Department of Industrial Chemistry of Kyoto Imperial University in 1921. Kita was not

only an eminent chemist who published more than 1000 articles, but also an excellent teacher

who taught a number of leaders of chemistry in Japan, including J. Sakurada, S. Kodama,

M. Horio and J. Furukawa. After his retirement from Kyoto University in 1944, he became

President of Naniwa University (later Osaka Prefectural University) and a member of the

Japan Academy.

Kenichi entered the Department of Industrial Chemistry, Faculty of Engineering, Kyoto

Imperial University, in 1937. He would often visit Professor Kita at home where he and his

wife, an excellent violinist who had played in a US orchestra and once performed for the Meiji

Emperor, warmly welcomed him. Kita was a rather silent person and even looked rustic. His

advice was, ‘You must study basic science if you want to do excellent applied chemistry’.

Although he never suggested an actual field, there was a clear recommendation to study

fundamental chemistry. The Department of Industrial Chemistry emphasized applied fields

of chemistry such as ceramic chemistry, electrochemistry, fermentation chemistry and the

chemistries for synthetic dyes, fibres, rubbers and plastics. The lectures in the department were

strongly application-oriented. Kenichi, who was oriented towards basic science, took lectures

in the Faculty of Science, which was located nearby. In due time, Kenichi decided to study

quantum mechanics, which was only about 12 years from its birth. There were almost no

lectures on quantum mechanics, so he went to the library of the Physics Department and

borrowed books. His policy was to try to understand all the equations, so he went back to the

original literature. The world of atoms and molecules enchanted Kenichi. A problem was that

he could not borrow books such as

Handbuch der Physik

, so he wrote the essence of the

articles in his notebook. For recreation he enjoyed, once in a while, imported movies like

Under the roofs of Paris

. His undergraduate days in Kyoto gave him much pleasure.

Kenichi’s method of study was to read deeply a small number of selected papers, rather

than a lot of literature in a wide range of fields. The field of mathematical physics was already

established. Courant & Hilbert’s

The methods of mathematical physics

was one of his favourite

books. He wondered then why ‘mathematical chemistry’ did not exist and thought that the

empirical nature of chemistry should decrease through cultivating mathematical chemistry.

‘Decreasing the empirical nature of chemistry’ was a phrase that Professor Fukui was often to

use in his lectures.

In the third undergraduate year he started graduate study under the guidance of Associate

Professor Haruo Shingu, because Professor Kita was approaching retirement. This

experimental study was important for his later theoretical study: different hydrocarbons

showed different reactivities to hexachloroantimony, which was rather mysterious and

interesting. Kenichi was also interested in the different reactivities in aromatic hydrocarbons,

such as naphthalene and anthracene. This was the subject through which the frontier electron

theory was first cultivated and to which the first applications of the theory were so

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




228

Biographical Memoirs

successfully made. It was perhaps fortunate that the results of his experimental studies could

not be explained by existing theories.

Kenichi graduated from Kyoto University’s Faculty of Engineering in March 1941 and

entered the graduate school in the Department of Fuel Chemistry of the Faculty of

Engineering. The supervisor of his graduate study was Professor Shinjiro Kodama, who was

also a student of Professor Kita. Professor Kodama considered fundamental science to be

important, probably even more so than Professor Kita. Kodama had studied in Germany

from the age of 24 and owned many books on subjects such as quantum mechanics and

electromagnetism. Kenichi was able to study basic physics in the free atmosphere of Professor

Kodama’s laboratory.

In August 1941, Kenichi went to the Fuel Institute of the Japanese Army in Tokyo. In

1943, he became a lecturer in the Department of Fuel Chemistry, Kyoto University, and in

1944 Associate Professor in the same department. Kenichi spent much time studying quantum

mechanics. Particularly impressive to him were R.H. Fowler’s

Statistical mechanics

(1936) and

Hideki Yukawa’s

Introduction to quantum mechanics

(1947) and

Introduction to particle physics

(1948).


The Fuel Institute was concerned with the synthesis of hydrocarbons that improve the

performance of gasoline. In the USA they used 2,2,4-trimethylpentane, and Kenichi had to

synthesize similar compounds from butanol that had been made by the fermentation of sugar.

In September 1944 his team succeeded in this synthesis and was awarded a prize by the Army.

After World War II, Kenichi returned to Kyoto University and engaged in chemical reaction

design under the guidance of Professor Kodama. He worked on basic aspects of engineering

in the high-pressure synthesis of polyethylene. From this emerged the subject of his doctoral

thesis, namely the theoretical study of temperature distributions in the reactors of chemical

industry. It was a volume of about 200 pages; when he showed it to Professor Kita, who had

already retired, he only responded how thick it was! It was a hot summer in 1948 when he

submitted his doctoral thesis. Three copies were required, all handwritten in those days. As his

thesis was long, his wife, Tomoe, helped him to make a copy; her handwriting was mixed with

his.

Tomoe (whose maiden name was Tomoe Horie) and Kenichi married in the summer of



1946. She had dreamt of becoming a scientist after reading the biography of Marie Curie, and

graduated from the Physical Chemistry Department of the Imperial Women’s University of

Science in Tokyo. Before their marriage, Kenichi took her to a concert with all the scores of

what was probably the Ninth Symphony of Beethoven. After the concert, he proudly pointed

out that they did not play some parts of the symphony as written on the score. Her concern

was with how he could spoil the pleasure of the concert. Those were difficult days in Japan,

but Tomoe did her best to let him concentrate on science. Their son, Tetsuya, was born on

8 January 1948 and their daughter, Miyako, on 19 May 1954.

After completing his doctoral thesis, Kenichi turned to theoretical studies on chemical

reactions. In those days, chemical reactions formed the major subject of the Department of

Chemistry in the Faculty of Science of Kyoto University. In particular, S. Horiba, T. Lee and

S. Sasaki were active in this field. This was in sharp contrast to the Faculty of Science of the

University of Tokyo, where studies on molecular structure were favoured. In this atmosphere

it was natural for him to take chemical reactions as his main subject. The experimental studies

on the reactions of hydrocarbons that he did in his undergraduate study and in the Fuel

Institute in Tokyo formed the backbone of his theoretical studies.

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Kenichi Fukui

229


In 1951 Fukui was promoted to Professor in the Department of Fuel Chemistry. In

February of that year a fire occurred at the department and as a result he had to share a

laboratory with Professor Shingu and others. It was in this room that the frontier electron

theory was born. He imagined that, in the course of a chemical reaction, the electron in an

outermost molecular orbital should have an important role, as it is the outermost region of

the molecule that meets the other molecule. This orbital was called a ‘frontier orbital’.

Fukui first calculated the frontier electron density of naphthalene and found that the den-

sity was largest at the position where chemical reaction took place. He proceeded, with the

help of Teijiro Yonezawa, who was at that time his graduate student, to study more complex

hydrocarbons such as anthracene, pyrene and perylene. The frontier orbital theory correctly

showed the positions of chemical attack by an electrophile such as NO , thus giving confi-

dence in the validity of the theory. Details of the theory are explained later in this memoir.

+

2

The collection of many experimental results and their interpretation were due to Professor



Shingu, an organic chemist with a deep knowledge of the electron theory of organic reactions.

They discussed the naming of the new theory and it was Shingu who suggested ‘frontier’

electron theory. In October 1951 the first paper of the frontier electron theory was submitted

to the


Journal of Chemical Physics

; it appeared in April 1952 (1)*, with T. Yonezawa and H.

Shingu as co-authors. Two years later, a second paper appeared and then the frontier electron

theory was changed to the frontier orbital theory to include the lowest unoccupied orbitals in

the frontier orbitals (2). Kenichi and his students T. Yonezawa, C. Nagata, H. Kato,

K. Morokuma, A. Imamura and H. Fujimoto in particular developed frontier orbital theory

and identified the special role of the frontier orbitals of molecules in the course of chemical

reactions. Later, R.B. Woodward (For.Mem.R.S. 1956) and Roald Hoffmann (For.Mem.R.S.

1984) also considered the role of orbitals in chemical reactions (Woodward & Hoffmann

1965, 1969

a

,

b



). The orbital was the key common concept of their theories.

The frontier orbital theory explained not only the reactivities of hydrocarbons but also

those of many types of molecule. This showed that the frontier orbital theory had a wider

validity than the electron theory of organic reactions that had previously existed. Hammett’s

rule (Hammett 1940), one of the important consequences of the electron theory, was

explained by the frontier orbital theory.

In the same year as the frontier orbital theory was published, the charge-transfer theory of

Robert Mulliken appeared (Mulliken 1952). His theoretical formulation on the interaction of

two molecules leading to a charge-transfer complex had some similarity to the frontier orbital

theory. This similarity gave Kenichi much insight in the later development of frontier orbital

theory. Mulliken visited Japan in 1953 and gave a series of lectures referring to the frontier

orbital theory, thus enhancing the importance of this theory to Japanese chemists. It took

about 10 years for the frontier orbital theory to be recognized worldwide.

In 1962 he received the Japan Academy Prize for the study of the electronic structure and

chemical reactivity of conjugated compounds; this was 10 years after the first appearance of

the frontier orbital theory. Yoshio Tanaka, Professor Emeritus of the University of Tokyo,

who was one of his supporters, told him, ‘This theory may even deserve the Nobel Prize’.

Tanaka continued to ask him whether the frontier orbital theory was applicable to

stereospecific reactions. That was three years before the Woodward–Hoffmann rule was

published.

* Numbers in this form refer to the bibliography at the end of the text.

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




230

Biographical Memoirs

In 1964 he attended the Sanibel Symposium and met Roald Hoffmann for the first time.

Hoffmann was 19 years younger than Fukui and was already well known for his extended

Hückel method, a subject of his PhD dissertation. From that meeting a warm friendship

continued until the end of Kenichi’s life. After Sanibel, he travelled for almost two months in

the USA and Europe with Tomoe. This was his first travel abroad and they celebrated their

19th wedding anniversary at a restaurant in Paris.

In 1964 P.-O. Löwdin and B. Pullman invited him to contribute a chapter to a book that

was to be a tribute to Robert Mulliken at the age of 60. He accepted, and wrote a paper

entitled ‘A simple quantum theoretical interpretation of the chemical reactivity of organic

compounds’ (9). In this article he studied the Diels–Alder reaction and related for the first

time the symmetries of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest

unoccupied molecular orbital (LUMO) to the selectivity of the reaction. This concept was

shown to be important by Woodward and Hoffmann through their presentation of the theory

of the conservation of orbital symmetry, the so-called Woodward–Hoffmann rule. This

theory, presented in 1965, relating the chemical reactivities of molecules directly with the

natures of their HOMOs and LUMOs, was quickly understood by chemists and opened a

new field in organic chemistry. As a result, the frontier orbital theory, especially in its

application to the Woodward–Hoffmann rule, became famous and was recognized by the

joint award of the Nobel Prize for Chemistry in 1981.

Chemical and Engineering News

,

published weekly by the American Chemical Society, commented as follows:



So if Fukui had not developed frontier orbital theory, Hoffmann and Woodward might not have hit

upon their own theory when they did. And if Hoffmann and Woodward had not presented their ideas

in simple, instantly usable form, Fukui might have been much longer in gaining recognition.

In 1970 Fukui was in Chicago for six months with Tomoe. He took the opportunity to visit

R.B. Woodward at Harvard University. The purpose of his visit to Chicago was mainly to

lecture for a semester in the graduate school at the Illinois Institute of Technology. It was his

first graduate lecture course outside Japan and therefore he prepared hard. However, the

reaction of the students was that his lectures were difficult to understand. This was also the

general impression even for Japanese students in Kyoto. After a discussion with a group of

the students, he agreed to make the lectures easier. It was disappointing for him. Nevertheless,

he enjoyed life in Chicago, where it was possible to sample restaurants from all over the world.

It was in Chicago that they experienced a tornado that hit their apartment—they saw a big

tree pulled from the earth and several cars turned over like toys.

Fukui completed a small but important study in Chicago (12). It was about the definition

of the chemical reaction coordinate, which he called the ‘intrinsic reaction coordinate (IRC)’.

He thought it necessary to define the route of a chemical reaction, and the formulation itself

was quickly completed. However, anxiety came over him; his idea was so simple and obvious,

and it was already about 30 years from the famous book of Henry Eyring, so surely a similar

idea must have been published somewhere. He did his best to look for such a publication but

failed. At the apartment, which faced west, he struggled with the anxiety about the priority of

this study. Later, Tomoe told him that he was like a Deva King facing sunset and trying with

all his power to produce his cerebrospinal fluid. He finally decided to submit this small article

to the

Journal of Physical Chemistry



. The referee’s report was fun: this article had no

originality but was worthy of publication. He had never before had the experience of a paper

having no originality being acceptable for publication. However, it was indeed pleasing for

him that this short study turned out to initiate a series of studies by other scientists.

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Kenichi Fukui

231


Fukui was a scientist with plenty of ideas, most of which came early in the morning. He

suddenly woke up with an inspiration that would quickly disappear if it were not put down on

paper. Such papers were always beside his bed, just like a samurai’s sword, and when some

inspiration came he could record it without light.

Kenichi Fukui was Chairman of the third International Congress of Quantum Chemistry

held in Kyoto, and Teijiro Yonezawa was its general secretary. It was in the autumn of 1979

and Kyoto was brilliantly coloured by maple trees. Many scientists gathered from both

outside and inside Japan to the Congress Hall located north of the city.

It was at about 10 p.m. on 19 October 1981, soon after his 63rd birthday, that Fukui had a

telephone call from a newspaper in Tokyo asking for an interview as a Nobel laureate. He was

astonished but became confident when he saw his name on television with Roald Hoffmann’s.

That night he had many visitors at home: cameramen, newspapermen, friends and students.

Kenichi and Tomoe were surrounded by newspapermen until midnight.

On 10 December 1981 Kenichi Fukui received the Diploma and Medal of the Nobel Prize

for Chemistry from King Gustav of Sweden. The prize was shared with Roald Hoffmann.

The pictures on the Diploma were purple crocus flowers. At that moment he recalled the

favours and the benefits that he had received from Professor Genitsu Kita and Professor

Yoshio Tanaka. It was impressive for him that many important events after the ceremony

were held under the auspices of the Student Union of Sweden.

After the Nobel Prize, Fukui became very busy and was constantly in the public eye in

Japan. This made his life less flexible, but he still liked walking among nature and he did so

early in the morning. He became President of the Kyoto Institute of Technology. As this

position was not a scientific one but an administrative one, he could not have a laboratory in

the university. Three years later he became President of the Institute for Fundamental

Chemistry that was built for him in Kyoto with funds donated by the Japanese chemical

industry. He also became chairman of many important organizations and committees, leaving

little time for active science.

Fukui was frequently invited to deliver lectures, not very specific but rather general ones.

In such lectures, he discussed several topics. He suggested that chemistry would become one

of the most popular fields of science. Although the problem of environmental pollution

damaged the image of chemistry, this had also forced chemistry and chemical industry to

change. Now it was clear that without chemistry the problems of resources, energy and food

that the human race must face could not be resolved. Young scientists and students should

study this important subject by less empiricism and through more fundamental concepts.

Advances in computer science should be of great benefit in such non-empiricism in chemistry;

he proposed the name ‘molecular engineering’ for the field that exploits the intrinsic

properties of molecules. He encouraged young scientists to be creative and a source of new

science and engineering.

In the winter of 1997, cancer was diagnosed in his stomach. He immediately underwent

surgery but had to return to hospital in the summer. On 9 January 1998 he died at the age of

79. His tomb is on the hillside of Higashiyama, where his teacher Genitsu Kita also lies.

R





On graduation from Kyoto Imperial University in 1941, Kenichi Fukui was engaged in

experimental research on synthetic fuel chemistry. He therefore started his research career as

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



232

Biographical Memoirs

an experimentalist. This might be thought to have been a diversion from the path to becoming

a theoretician. However, not much time was required to make up for this because he had been

immersing himself since his student days in quantum mechanics, theoretical physics and

mathematics. By 1956 Fukui had built up a subgroup of theoreticians in his research group.

His experience in experimental chemistry and his associations with experimentalists were in

fact central to his theoretical work.

The thrust of his main contribution to chemistry can be recognized in his more than 300

publications in English, of which about 230 concern the theory of chemical reactions and

related subjects. Other papers relate to the statistical theory of gelation, organic synthesis by

inorganic salts, and polymerization kinetics and catalytic reactions.

One of the most important papers was his first on the theory of chemical reactions (1). He

found a correlation between the reactivity of aromatic hydrocarbons to electrophilic reagents

and the square of the atomic orbital coefficients of the linear combination in the HOMO. The

spatial distribution of electron density in the HOMO was parallel to the order of reactivity in

the molecule. A little later, a similar correlation was found with respect to the reactions with

nucleophilic reagents between the reactivity and the distribution of the LUMO. The reactivity

with free radicals was determined by the summed density of both the HOMO and LUMO (2).

Fukui considered this result as coming from a general feature of chemical reactions, that

is, a general orientation behaviour. He attempted to extend the range of compounds to which

this rule was applicable to different types, namely organic and inorganic, aromatic and

aliphatic, saturated and unsaturated. He found that the range of chemical reactions thus

treated covered substitutions, additions, abstractions, bond fissions, eliminations and

molecular complex formation.

Fukui’s 1952 paper (1) was published in the same year as Mulliken’s important paper on

the charge-transfer interaction in donor–acceptor complexes (Mulliken 1952). Under the

influence of Mulliken’s paper, Fukui gave a theoretical foundation for his findings. The basic

idea was essentially the consideration of the importance of the electron delocalization

between the HOMO and LUMO of reacting species. These particular orbitals are known as

‘frontier orbitals’.

The frontier orbital approach was developed in various directions by Fukui’s own group

and by other scientists, both theoretical and experimental. Useful reactivity indices,

particularly ‘super-delocalizabilities’, (3) were derived from the theory and applied to various

special topics, for example comparison of the chemical reactivity of different molecules,

polymerization kinetics and copolymer structures (4, 6), antioxidants (8) and various

biochemical substances (5).

However, it was after the discovery of a relation connecting the HOMO and LUMO with

stereoselective phenomena that Fukui’s theory attracted more attention. In 1961 the

importance of the nodal property of the frontier orbital was indicated in the study of silver

complexes of aromatic compounds (7). In 1964 Fukui correlated the symmetry of the HOMO

and LUMO of the reactant molecules with the occurrence of a cycloaddition reaction (9).

This was a result of the simple application of the frontier orbital approach to so-called

‘concerted’ two-centre reactions.

A more decisive illumination of Fukui’s theory was brought about by Woodward &

Hoffmann (1965), who pointed out a specific control by the HOMO and LUMO for the

formation of stereospecific products in thermal cyclizations and photocyclizations of

conjugated polyenes. This discovery was the start of their establishing rules for stereoselection

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




Kenichi Fukui

233


in various concerted reactions. They interpreted all of these rules in a unified manner as the

consequence of ‘conservation of orbital symmetry’ (Woodward & Hoffmann 1969

a

,

b



).

All the results explained by the Woodward–Hoffmann rules were interpreted later by

Fukui through the frontier orbital approach (14, 27–29). However, there is no doubt that

Fukui’s work became more widely understood by the chemical community through the

incisive work of Woodward and Hoffmann.

The HOMO–LUMO interaction rationale of the type made by Fukui in 1964 in respect of

cyclic additions was applied later by his own group and by other chemists (Houk 1973) to a

variety of chemical reactions, cyclic and acyclic additions, eliminations, rehybridizations,

multicyclizations, various intramolecular rearrangements, benzyne reactions, ring openings

and closures, and so on, including thermally induced and photoinduced reactions

(13, 14, 20, 27–29). Particular use was made of frontier orbitals with respect to complicated

regioselectivities and various sorts of secondary stereochemical effects in concerted

cycloadditions. These were explained in the same unified manner by the particular interaction

of the frontier orbitals. The charge and spin transfers in chemical reaction paths were

discussed from the same viewpoint (17).

Fukui and his co-workers extended their orbital interaction rationale from two-orbital

problems to three-orbital interactions (16). The important role of orbital mixing and polari-

zation and that of a favourable phase relation in three-orbital interactions were derived to ex-

plain various experimental results. This theory of three-species interaction was introduced to

discuss the role of catalysts in terms of HOMO–LUMO analysis (19), and the concept of

‘pseudoexcitation’ was applied to the interpretation of several chemical phenomena (18).

In addition to these fundamental but rather qualitative successes, Fukui and his group

tried to give the frontier orbital rationale a more quantitative character (10). In 1968 a general

theory of intermolecular reactions was proposed to disclose the general principles governing

the reaction path, pointing out the increasing importance of the HOMO–LUMO interaction

with the progress of the reaction (11). The mechanism of bond interchange essential to the

occurrence of the reaction and the origin of stabilization of the reacting system along the

reaction path were made clear (15).

In this connection the formulation of the reaction coordinate made by Fukui in 1970 (12)

was important. The concept of the IRC was defined as the steepest-descent path from the

transition state. In this way, a method was proposed for discussing the origin of the favourable

or unfavourable character of a reaction path by an analysis of the potential gradient along the

reaction coordinate. A method of investigating qualitatively the contribution of frontier

orbitals along the reaction coordinate was provided by this formulation. By the use of the

IRC concept the geometry change of reacting systems could be calculated. The process was

named ‘reaction ergodography’ (21).

The IRC approach was extended to a wave-mechanical estimation of the absolute rate of

chemical reactions (24). The case of proton migration in the enol form of malonaldehyde was

used as an example (23). In relation to the IRC approach a differential geometrical study of

the configuration space of chemically reacting systems was developed. ‘Normal coordinates’

of reacting systems were defined in a coordinate-transformation-invariant form. The ‘cell’

structure of that space was indicated in relation to the absolute rate calculation (24).

Variational principles, including the geodesic principle implicitly involved in chemical

reactions, were elucidated (25). Thus, a particular Riemannian space could be defined for any

reacting system (23).

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




234

Biographical Memoirs

Fukui tried to combine the frontier orbital concept with the IRC approach. This attempt

was successful in obtaining the frontier orbitals of interacting molecules—the interaction

frontier orbitals (IFOs) (26).

The range of Fukui’s research extended to many fields of molecular science that are

related to chemical reactivity. These included the theories of biradicals, the behaviour of

crown ether complexes, chemisorption on a solid metal surface, the formation of charge-

transfer complexes, the role of solvent molecules, interatomic long-range forces, solvated

electrons and the theoretical interpretation of nuclear magnetic resonance and electron spin

resonance spectra. They also included the nature of some intramolecular and intermolecular

bonds, electronic structures and spectra of compounds including high polymers, a theory of

resonant states, the problem of complex eigenvalues and quasistationary molecular systems,

some vibronic problems, and some polymers of practical importance such as linear

superconductors and semiconductors and chalcogenides.

Fukui’s work, particularly the frontier orbital approach, exerted a strong influence on

chemists. The term ‘frontier orbital’ is now used in many papers without a citation of Fukui’s

paper. The book by Ian Fleming (F.R.S. 1993) has the title

Frontier orbitals and organic

chemical reactions

(Fleming 1976). Fukui and Fujimoto summarized selected papers of Fukui

in a book (33) that is useful for understanding Fukui’s contributions to chemistry. A

memorial volume for Fukui was published in

Theoretical Chemistry Accounts

(1999) and

included a complete list of Fukui’s publications in English.

Fukui did not stop studying after he retired from Kyoto University. His recent work on the

IRC and IFO approaches should be mentioned (24, 26). With his co-workers he applied the

IRC theory to an analysis of chemical laser systems as well as to mode-selective chemical

reactions by using vibrational correlation diagrams (30). A succession of IFO plots—‘IFO

correlation diagrams’—is useful for visualizing the mode of formation and the breaking of

chemical bonds in a reaction through a completely non-empirical calculation.

Fukui also tried to extend his theories of chemical reactions to more general rate

processes. He named the resultant equation of the rate process the ‘equation of wandering

mutation’, which was presented at the Fifth Institute for Fundamental Chemistry (IFC)

Symposium in 1989 and was summarized in Japanese and English (32). This was probably the

last systematic scientific study he made.

Fukui’s name is appropriately associated with a useful function in density functional

theory (Parr & Yang 1984). If the nuclei in a molecule give rise to a potential

V

(

r



) acting on

N

electrons and the total ground-state electronic energy is



E

[

N



,

V

(



r

)], then


d

E

=

m



d

N

+



r

(r)

d

V

(r)

,

where



is the chemical potential and

the electron density; the angle

brackets

〈 〉


denote an integral over all

r

;



m

= (


û

E

/

û



N

)

V

r

(r)



d

m

=



h

d

N

+



f



(r)

d

V

(r)

,



where

is the hardness (equal to the inverse of the softness) and

h

= (


û 2

E

/

û



N

2

)



V

f

(r) =

(

û r


(r)

/

û



N

)

V

=

û 2


E

/

û



N

û

V

(r) =

(

û m



/

û

V

(r)

)

N

is the Fukui function (Parr & Yang 1984; Parr & Parr 1999), which can be used as a reactivity

index.


 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Kenichi Fukui

235


We end this memoir by quoting from Kenichi Fukui’s Nobel Lecture (28):

In my opinion, quantum mechanics has two different ways of making contributions in chemistry. One

is the contribution to the nonempirical comprehension of empirical chemical results just mentioned.

However, we should not overlook another important aspect of quantum mechanics in chemistry. That

is the promotion of empirical chemistry from the theoretical side. But, also for this second purpose, as

a matter of course, reliable theoretical foundations and computational methods are required. The

conclusions of theories should be little affected by the degree of sophistication in approximations

adopted.


On the other hand, for theoreticians to make the second contribution, the cases where predictions

surpassing the experimental accuracy are possible by very accurate calculations are for the present

limited to those of a very few, extremely simple molecules. In order to accomplish this object in regard

to ordinary chemical problems, it becomes sometimes necessary to provide qualitative theories that

can be used even by experimental chemists. If one can contribute nothing to chemistry without

carrying out accurate calculations with respect to each problem, one cannot be said to be making the

most of quantum mechanics for the development of chemistry. It is certainly best that the underlying

concepts are as close to experience as possible, but the sphere of chemical experience is steadily

expanding. Quantum chemistry has then to perform its duty by furnishing those concepts with the

theoretical basis in order to make them chemically available and serviceable for the aim of promoting

empirical chemistry.

A





The personal part of this memoir is based on Kenichi Fukui’s book

Creation of an academic discipline

(31),

which is very much his autobiography. We thank Mrs Tomoe Fukui for permitting us to use this book as a



source and also for providing other information, including the frontispiece photograph. The section on

Professor Fukui’s research owes much to a manuscript found among his papers. We are grateful to Professor

Hiroshi Fujimoto, Professor Roald Hoffmann, Professor Keiji Morokuma and Professor Robert G. Parr for

their helpful comments.

The frontispiece photograph was taken in 1981 by Sato Photo Co., Tokyo, and is reproduced with

permission.

R

   



Fleming, I. 1976

Frontier orbitals and organic chemical reactions

. Chichester: Wiley.

Fowler, R.H. 1936

Statistical mechanics

. Cambridge University Press.

Hammett, L.P. 1940

Physical organic chemistry

. New York: McGraw-Hill.

Houk, K.N. 1973

J. Am. Chem. Soc.

95

, 4092–4094.



Mulliken, R.S. 1952

J. Am. Chem. Soc.

74

, 811–824.



Parr, R.G. & Yang, W. 1984

J. Am. Chem. Soc.

106

, 4049–4050.



Parr, R.G. & Parr, J.B. 1999

Theor. Chem. Accts

102

, 4–6.


Theor. Chem. Accts

1999


102

, 1–400. [Pages 13–22 list Kenichi Fukui’s publications in English.]

Woodward, R.B. & Hoffmann, R. 1965

J. Am. Chem. Soc.

87

, 395.


Woodward, R.B. & Hoffmann, R. 1969

a Angew. Chem. Int. Edn Engl.

8

, 781–853.



Woodward, R.B. & Hoffmann, R. 1969

b The conservation of orbital symmetry

. New York: Academic Press.

Yukawa, H. 1947

Introduction to quantum mechanics

. Tokyo: Khobundo. [In Japanese.]

Yukawa, H. 1948

Introduction to particle physics

. Tokyo: Iwanami. [In Japanese.]

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 




236

Biographical Memoirs

B





The following publications are those referred to directly in the text. A full bibliography

appears in

Theor. Chem. Accts

102


, 13–22 (1999).

(1)


1952 (With T. Yonezawa & H. Shingu) A molecular orbital theory of reactivity in aromatic

hydrocarbons.

J. Chem. Phys.

20

, 722–725.



(2)

1954 (With T. Yonezawa, C. Nagata & H. Shingu) Molecular orbital theory of orientation in

aromatic, heteroaromatic and other conjugated molecules.

J. Chem. Phys

.

22

, 1433–1442.



(3)

(With T. Yonezawa & C. Nagata) Theory of substitution in conjugated molecules.

Bull. Chem.

Soc. Japan

27

, 423–427.



(4)

(With T. Yonezawa, K. Hayashi, C. Nagata & S. Okamura) Molecular orbital theory of

reactivity in radical polymerization.

J. Polym. Sci.

14

, 312–314.



(5)

1955 (With C. Nagata & T. Yonezawa) Electronic structure and carcinogenic activity of aromatic

compounds. I. Condensed aromatic hydrocarbons.

Cancer Res.

15

, 233–239.



(6)

1961 (With T. Yonezawa & K. Morokuma) On cross termination in radical polymerization.

J. Polym.

Sci.


49

, S11–S14.

(7)

(With A. Imamura, T. Yonezawa & C. Nagata) A theoretical treatment of molecular complexes.



I. Silver-aromatic hydrocarbon complexes.

Bull. Chem. Soc. Japan

34

, 1076–1080.



(8)

1963 (With K. Morokuma & H. Kato) The electronic structures and antioxidizing activities of

substituted phenols.

Bull. Chem. Soc. Japan

36

, 541–546.



(9)

1964 A simple quantum-theoretical interpretation of the chemical reactivity of organic compounds.

In

Molecular orbitals in chemistry, physics and biology



(ed. P.-O. Löwdin & B. Pullman), pp. 513–

537. New York: Academic Press.

(10) 1968 (With H. Fujimoto) An MO-theoretical interpretation of the nature of chemical reactions. I.

Partitioning analysis of the interaction energy.

Bull. Chem. Soc. Japan

41

, 1989–1997.



(11) 1969 (With H. Fujimoto) An MO-theoretical interpretation of the nature of chemical reactions. II.

The governing principles.

Bull. Chem. Soc. Japan

42

, 3399–3409.



(12) 1970 A formulation of the reaction coordinate.

J. Phys. Chem

.

74

, 4161–4163.



(13)

Theory of orientation and stereoselection

. Berlin: Springer-Verlag. [Revised edn 1975.]

(14) 1971 Recognition of stereochemical paths by orbital interaction.

Accts Chem. Res.

4

, 57–64.



(15) 1972 (With H. Fujimoto, S. Yamabe & T. Minato) Molecular orbital calculation of chemically

interacting systems. Interaction between radical and closed-shell molecules.

J. Am. Chem. Soc.

94

, 9205–9210.



(16) 1973 (With H. Fujimoto, S. Kato & S. Yamabe) Orbital symmetry control in the interaction of three

systems.


Bull. Chem. Soc. Japan

46

, 1071–1076.



(17) 1974 The charge and spin transfers in chemical reaction paths. In

Proc. First Int. Congr. Quant.

Chem., Menton, France, 1973

(ed. R. Daudel & B. Pullman), pp. 113–141. Dordrecht: D. Reidel.

(18) 1975 (With S. Inagaki & H. Fujimoto) Chemical pseudoexcitation and paradoxical orbital interaction

effect.


J. Am. Chem. Soc.

97

, 6108–6116.



(19)

(With S. Inagaki) Mechanism of

cycloaddition and related reactions between electron-

donors and electron-acceptors. Perepoxide quasi-intermediate and its roles in the reactions of

1



g



molecular oxygen with olefins.

J. Am. Chem. Soc.

97

, 7480–7484.



2

+

2



(20) 1976

Chemical reaction and orbitals of electrons

. Tokyo: Maruzen. [In Japanese.]

(21)


(With S. Kato) Reaction ergodography—methane–tritium reaction.

J. Am. Chem. Soc.

98

, 6395–


6397.

(22) 1977 (With S. Kato & H. Kato) A theoretical treatment on the behavior of the hydrogen-bonded

proton in malonaldehyde.

J. Am. Chem. Soc.

99

, 684–691.



(23) 1979 (With A. Tachibana) Intrinsic field theory of chemical reactions.

Theor. Chim. Acta

(

Berl.


)

51

,



275–296.

(24) 1981 The path of chemical reactions. The IRC approach.

Accts Chem. Res.

14

, 363–368.



(25)

Variational principles in a chemical reaction.

Int. J. Quantum Chem. Symp.

15

, 633–642.



 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Kenichi Fukui

237


(26)

(With N. Koga & H. Fujimoto) Interaction frontier orbitals.

J. Am. Chem. Soc.

103


, 196–197.

(27) 1982 The role of frontier orbitals in chemical reactions. In

Nobel Foundation: Les Prix Nobel 1981

,

pp. 146–166. Stockholm: Almqvist & Wiksell International.



(28)

Role of frontier orbitals in chemical reactions.

Science

218


, 747–754.

(29)


The role of frontier orbitals in chemical reactions (Nobel Lecture).

Angew. Chem. Int. Ed.

21

,

801–809.



(30)

(With K. Yamashita & T. Yamabe) Dynamic behavior of the IRC in chemical laser systems.

Theor. Chim. Acta

(

Berl.



)

60

, 523–533.



(31) 1984

Creation of an academic discipline

(

Gakumon no souzou



). Tokyo: Kousei. [In Japanese.]

(32) 1989 Possibility of chemical creation of definite-sequence polymers—a contribution to the discussion

about the origin of life. In

Proceedings of the 5th IFC Symposium, 26 May 1989, Institute for

Fundamental Chemistry, Kyoto

, pp. 29–42. Kyoto.

(33) 1997 (With H. Fujimoto)

Frontier orbitals and reaction paths

. Singapore: World Scientific.

 on July 28, 2018

http://rsbm.royalsocietypublishing.org/

Downloaded from 



Yüklə 3,66 Mb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə