Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Роберт Бёрнс Вудворд (англ. Robert Burns Woodward; 10 апреля 1917, Бостон, Массачусетс — 8 июля 1979, Кембридж, Массачусетс) — американский химик-органик[1]. Внёс значительный вклад в современную органическую химию, в особенности, в синтез и определение структуры сложных природных продуктов. Тесно работал с Роалдом Хофманом в области теоретических исследований химических реакций. Лауреат Нобелевской премии по химии за 1965 год.
Член Национальной академии наук США (1953)[2], иностранный член Лондонского королевского общества (1956)[3], Академии наук СССР (1976)[4], Французской академии наук (1978).
Содержание
Молодые годы, образование
Вудворд родился в Бостоне, в семье Маргарет (урождённой Бёрнс), дочери выходца из Шотландии, и Артура Честера Вудворда, сына аптекаря из Роксбери (Массачусетс). В 1918 году, когда Роберту исполнился один год, его отец умер от пандемии гриппа.
С раннего возраста Вудворда привлекала химия, он с увлечением самостоятельно постигал этот предмет ещё в период обучения в школе первой и второй ступени в Куинси, штат Массачусетс. К старшим классам он уже мог справиться почти со всеми опытами, описанными в широко известном руководстве Людвига Гаттермана для практических занятий по органической химии. В 1928 году Вудворд связался с генеральным консулом Германии в Бостоне, и через него ему удалось получить копии нескольких новых статей, опубликованных в немецких журналах. Позже, в своей Коуповской лекции, он вспоминал, как был очарован, когда среди этих статей случайно наткнулся на первое сообщение Л. Дильса и К. Альдера об открытой ими реакции. На всём протяжении своей карьеры Вудворд часто использовал и изучал эту реакцию, как в теоретическом плане, так и экспериментально. В 1933 году он поступил в Массачусетский Технологический Институт (МТИ), но так запустил некоторые стороны своего обучения, что был отчислен в следующем году. В 1935 году МТИ восстановил его и к 1936 году он получил степень бакалавра. Уже через год институт присудил ему докторскую степень, в то время как его однокурсники только оканчивали бакалавриат. Докторская работа Вудворда представляла собой исследования, связанные с синтезом женского полового гормона эстрона[5]. По правилам МТИ необходимо, чтобы выпускники имели руководителей. Руководителем Вудворда был Эйвери А. Эшдаун, хотя до сих пор неизвестно, пользовался ли он его советами. После недолгого преподавания в университете Иллинойса он получил годичную стипендию в Гарвардском университете (на 1937—1938 гг.) и проработал в Гарварде на различных должностях всю оставшуюся жизнь. В 1960-м году Вудворд был удостоен звания Доннеровского профессора, этот титул освободил его от преподавания обязательных курсов, и он смог посвятить всё своё время научным исследованиям.
Ранние работы
Первым крупным достижением Вудворда в начале 1940-х годов была серия статей, описывающая применение ультрафиолетовой спектроскопии в объяснении структуры природных продуктов. Вудворд собрал большое количество эмпирических данных и разработал ряд правил, позднее названных «правилами Вудворда», которые могли применяться для выяснения структур как природных веществ, так и синтезированных молекул, не встречающихся в природе. Рациональное использование новейших инструментальных методов было «визитной карточкой» работ Вудворда в течение всей его карьеры; при этом он постоянно переходил от монотонных и длительных методов определения структуры к более современным.
В 1944 году, вместе со своим подопечным, постдокторантом Уильямом Э. фон Дерингом Вудворд сообщил о синтезе алкалоида хинина, используемого в лечении малярии. Хотя синтез был преподнесён как успех, позволяющий преодолеть трудности в обеспечении лекарственными препаратами, закупаемыми в Южной Азии, в действительности синтез был слишком длинным и трудоёмким, чтобы применять его в практических масштабах. Тем не менее он стал поворотным пунктом для химического синтеза в целом. Находкой Вудворда, важной для данного синтеза, было использование факта почти 40-летней давности, когда немецкий химик Пауль Рабе получил хинин из его предшественника (прекурсора) — хинотоксина (1905). Следовательно, синтез хинотоксина (который Вудворд фактически и синтезировал), должен открыть дорогу к синтезу хинина. Когда Вудворд осознал это, органический синтез был ещё в стадии «проб и ошибок», и никто не думал, что можно создавать такие сложные структуры. Вудворд показал, что органический синтез можно превратить в рациональную науку и что помочь этому могла бы разработка теоретических знаний о реакционной способности и структуре. Этот синтез был первым из серии чрезвычайно сложных и элегантных синтезов, которые он проделал.
Дальнейшие работы и их значение
В 1930-х годах британские химики Кристофер Ингольд и Роберт Робинсон занялись исследованием механизмов органических реакций и предложили эмпирические правила, с помощью которых можно было прогнозировать реакционную способность органических молекул. Вудворд, видимо, был первым химиком-синтетиком, кто использовал эти идеи для прогнозирования структуры в синтезе. Пример Вудворда вдохновлял сотни других химиков-синтетиков, которые работали в области создания сложных структур природных продуктов, важных в медицинском отношении.
Органические синтезы и Нобелевская премия
Вудворд синтезировал много сложных природных продуктов, таких как хинин (1944), кортизон (1951), резерпин (1956), хлорофилл (1960), тетрациклин (1962), холестерин, лизергиновая кислота, цефалоспорин и колхицин а также установил строение ряда важных природных соединений: стрихнина, террамицина (окситетрациклин[англ.]) (1953) и ауреомицина, магнамицина. Синтез хлорофиллов Вудворд начал в 1956 году и завершил в 1960 году[6]. Вместе с тем, Вудворд открыл новую эру в синтезе (иногда её называют «эпохой Вудворда»), в которой он показал, что природные продукты можно синтезировать, только тщательно соблюдая принципы физической органической химии[англ.] и детально планируя все шаги.
Большинство синтезов Вудворда были очень эффектно описаны его коллегами, и до того, как он их сделал, некоторые думали, что невозможно создать эти вещества в лабораторных условиях. Его синтезы несли в себе элемент искусства, и с тех пор химики-синтетики обращали внимание не только на удобство и практичность синтеза, но и на его красоту. Работы Вудворда часто включали активное использование новых методов — ИК-спектроскопии, а позднее и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Другая важная особенность синтезов Вудворда была в том, что он обратил внимание на стереохимию, или особую конфигурацию молекул в трёхмерном пространстве. В большинстве случаев природные вещества, использующиеся в медицине, обладают необходимой биологической активностью только в виде чистых энантиомеров. Это привело к востребованности «стереоспецифического синтеза», в результате которого получался продукт с определённой конфигурацией. Сегодня методы стереспецифического синтеза широко используются, Вудворд же в своё время первым показал, что для осуществления такого (стереоспецифического) синтеза нужна основательная подготовка и тщательное планирование. Многие его синтезы были направлены на изменение конфигурации молекул посредством внедрения в них жесткого структурного элемента; эта методика сегодня стала обычной. Особенно показательными в этом отношении были синтезы резерпина и стрихнина.
Во время Второй мировой войны Вудворд был консультантом Военного совета по производству в связи с пенициллиновым проектом. Хотя многие предполагали бета-лактамную структуру пенициллина, фактически первыми это предложили химики Оксфорда и компании Мерк, а затем в исследования включились и другие группы учёных (в частности, из компании Шелл). Вудворд первым высказал мысль о неправильности трициклической структуры (тиазолидин соединялся амино-мостом оксазинона), выдвинутой группой исследователей пенициллина из Пеории. Впоследствии он согласился с бета-лактамной структурой (вместо тиазолидин-оксазолоновой), предложенной Робертом Робинсоном, в дальнейшем — ведущим химиком-органиком своего времени. В конечном итоге Дороти Ходжкин в 1945 году с помощью рентгеновской кристаллографии подтвердила для пенициллина именно бета-лактамную структуру.
Для определения структуры сложных молекул Вудворд применял инфракрасную спектроскопию и химическую деградацию. Здесь заметными примерами стали сантониновая кислота, стрихнин, магнамицин и террамицин. Коллега Вудворда и Нобелевский лауреат Дерек Бартон сказал о террамицине следующее:
Самое блестящее решение структурной головоломки, сделанное когда-либо, было, конечно, решение проблемы террамицина (1953). Это была проблема большой индустриальной важности, и много способных химиков выполнили огромный объем работы по определение его структуры. В результате собрался впечатляющий объем противоречивых фактов. Вудворд взял большой кусок картона, выписал на него все данные и, подумав в одиночестве, вывел правильную структуру террамицина. Никто больше не смог бы этого сделать в то время.
Все эти случаи показывают, как рациональные факты и химические принципы, объединённые с интуицией, могут быть использованы для достижения цели.
В начале 1950-х годов Вудворд и британский химик Джефри Уилкинсон предложили новую структуру ферроцена — соединения, состоящего из комбинации органических молекул с железом. Это стало началом металлоорганической химии, которая выросла в индустриально значимую область. За эту работу Уилкинсон (вместе с Эрнстом Отто Фишером) получил в 1973 году Нобелевскую премию. Некоторые историки считали, что Вудворд должен был получить эту премию вместе с Уилкинсоном. Интересно, что так думал и Вудворд: позднее он даже написал об этом в Нобелевский комитет.
Вудворд получил Нобелевскую премию в 1965 году за синтез сложных органических молекул. В своей Нобелевской лекции он описывал полный синтез антибиотика цефалоспорина, отметив, что ему пришлось ускорить синтез, чтобы успеть закончить его до Нобелевской церемонии.
Синтез витамина B12и правила Вудворда-Хоффмана
В начале 1960-х годов Вудворд приступил к сложнейшему по тем временам синтезу природного продукта — синтезу витамина B12. Плодотворно сотрудничая с коллегой из Цюриха Альбертом Эшенмозером, Вудворд с командой из почти 100 студентов и постдоков несколько лет трудились над синтезом этой молекулы. Работа была окончена и опубликована в 1973 году, она явилась поворотным пунктом в истории органической химии. Синтез включал почти 100 стадий, каждая из которых тщательно планировалась и анализировалась, что было характерно для всех работ Вудворда. Он более других убедил химиков-органиков в том, что синтез любого сложного вещества возможен при достаточном времени и разумном планировании. Однако до 2006 года практически никаких публикаций по вопросу полного синтеза витамина B12 не было.
В том же самом году, основываясь на наблюдениях, сделанных Вудвордом в процессе синтеза B12, он и Роалд Хофман разработали правила (известные ныне как правила Вудворда-Хофмана), объясняющие стереохимию продуктов органических реакций[7]. Вудворд сформулировал свои идеи (базирующиеся на симметричных свойствах молекулярных орбиталей), основываясь на своём опыте химика-синтетика, а затем попросил Хофмана выполнить теоретические вычисления для подтверждения этих идей. Эти вычисления были сделаны с помощью метода Хюккеля[англ.]. Корректность этих правил была подтверждена многими экспериментами. Хоффман получил Нобелевскую премию в 1981 году за свою работу (вместе с Кэнъити Фукуи, японским химиком, который выполнил ту же работу, используя другой подход); Вудворд несомненно получил бы вторую Нобелевскую премию, если бы был жив. Отметим, что в недавней статье в журнале «Nature» описывается, как можно использовать механическое напряжение, чтобы изменить ход химической реакции, продукты которой не подчиняются правилам Вудворда-Хоффмана[8].
Институт Вудворда и последний период жизни
Параллельно с работой в Гарварде Вудворд руководил Исследовательским институтом (Woodward Research Institute), основанным в 1963 году в Базеле (Швейцария)[9]. Он также стал членом попечительского совета МТИ (1966—1971) и Института науки Вейцмана в Израиле.
Вудворд умер в Кембридже, штат Массачусетс от сердечного приступа во время сна. В этот период он работал над синтезом антибиотика эритромицина. Его студент сказал о нем:
|
|