Путь к «Нобелевке» Выпуск 3. Якоб Хендрик Вант-Гофф: стереохимия, кинетика, осмос

Якоб Хендрик Вант-Гофф.

Родился 30 августа 1856 года в Роттердаме.

Умер 1 марта 1911 года в Берлине.

Нобелевская премия по химии 1901 года (единолично)

Формулировка нобелевского комитета: «В знак признания огромной важности открытия законов химической динамики и осмотического давления в растворах» (in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the laws of chemical dynamics and osmotic pressure in solutions).

В биографии первого нобелевского лауреата по химии, Якоба Хенрика Вант-Гоффа, есть одна деталь, свойственная юности многих ученых, — конфликт с родителями. Папа хочет, чтобы сын получил денежную профессию, сын (третий из семи детей) обожает поэзию, философию и химию. В случае Якоба Хендрика Вант-Гоффа-старшего такая жесткость была странной: он сам был не только врачом, но и выдающимся любителем и знатоком Шекспира. Но ни увлечения философией, ни многочисленные химические опыты дома, ни кумир Байрон, на которого Вант-Гофф буквально молился, не помогли, и по велению отца Якоб Хендрик Вант-Гофф-младший отправился изучать инженерное дело.

В принципе, сейчас, конечно, выбранное отцом образовательное учреждение было бы очень престижно: политехническая школа в Делфте превратилась в мощный Делфтский технический университет, опытом которого, например, активно пользуется наш МФТИ. Но тогда это было больше похоже на ПТУ.

Вант-Гофф поступил в 1869 году. На то, чтобы пройти все курсы и сдать экзамен, у него было три года. Вант-Гофф справился за два, сдав восьмого июля экзамен и получив специальность — сюрприз! — химического технолога. Видимо, здесь родители и сдались, и, поработав чуток на сахарном заводе, Вант-Гофф отправился в университет. Постоянно сидеть за поляриметром и определять концентрацию сахара оказалось не для него. Он поступил в Лейден, на естественно-математический факультет, но весьма быстро понял, что математика (чистая), при всей его любви к вычислениям, «не его», а химия «не отпускает».

И наш герой отправился учиться химии в Бонн, причем под руководством не абы кого, а самого Фридриха Кекуле (для тех, кто забыл школьную программу, напомним, что химики шестидесятых вообще очень любили спать и видеть научные сны. Менделеев увидел в 1869 году свой периодический закон, а Кекуле увидел танцующих обезьян, которые привели его в 1865 году к правильной формуле бензола в виде шестиугольника).

К слову сказать, с Кекуле у Вант-Гоффа не срослось. Чрезвычайно трудолюбивому ученику не понравилось, что его трудолюбие учитель использует только себе во благо. Он писал родителям:

«Маленький спор с профессором Кекуле: у него возникли новые идеи о камфоре и терпентине, и он хочет использовать нескольких лаборантов для обработки их, то есть он хочет нескольких внесших плату лаборантов превратить в неоплачиваемых частных ассистентов. Я этого предложения не принял и был вынужден искать собственную тему для разработки, и теперь, когда я занят этой темой, профессор Кекуле ко мне относится не так, как прежде, и продолжает привлекать новых ассистентов».

Для нас важно то, что Кекуле был автор самого понятия и термина «валентность», а также автором определения углерода как четырехвалентного элемента. То есть с самого начала своего пути в профессиональной химии Вант-Гофф оказался в эпицентре зарождающейся органической химии, которая уже имела большое количество накопившихся проблем, требующих решения.

Уже в начале XIX века удивительный ученый, физик, географ, геодезист, астроном, воздухоплаватель Жан-Батист Био удивился тому, что растворы некоторых веществ могут вращать плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Причем совершенно одинаковые по составу вещества могут различаться: одни вращали эту плоскость влево, другие — вправо. Почти полвека спустя, в 1848 году, другой великий француз, Луи Пастер, предположил, что молекулы таких веществ представляют собой зеркальные отражения друг друга.

И вот через два года после начала своей научной и учебной карьеры в химии Вант-Гофф публикует статью под названием «Попытка распространить в [трехмерное] пространство существующие структурные химические формулы. С примечанием об отношении между оптической активностью и химическим устройством органических соединений». На 11 страничках Вант-Гофф публикует гениальную догадку: атом углерода представляет собой тетраэдр. Сам атом находится в центре этой объемной фигуры, а четыре связи (помните постулат Кекуле), которые он образует, направлены к его вершинам. Таким образом, если у углерода есть четыре разных заместителя, то зеркальное отражение такой молекулы будет другой молекулой, отражения будут несовместимы в пространстве, как перчатка на правую и левую руки.

Интересно, что свои стереохимические выкладки Вант-Гофф не просто придумывал, но и проверял на бумажных моделях молекул в форме соединенных тетраэдров, которые сохранились.

Так началась научная биография Вант-Гоффа. Тем не менее просто не было. Приходилось зарабатывать репетиторством, давать частные уроки и искать себе место в академических учреждениях. В 1876 году оно нашлось. Сначала им стала Королевская ветеринарная (!) школа в Утрехте, затем — наконец-то — Вант-Гофф стал профессором Университета Амстердама.

Что же касается теории… Теория Вант-Гоффа (и примкнувшего к нему товарища по Парижскому университету Жозефа Ашиля Ле Беля) была принята, как водится, в штыки. Даже «сооткрыватель» четырехвалентного углерода (вместе с Кекуле), Герман Кольбе, назвал работу «фантастической чепухой, напрочь лишенной какого бы то ни было фактического основания и совершенно непонятной серьезному исследователю».

Можно привести еще более едкую цитату из Кольбе: «Доктор Вант-Гофф из Ветеринарной школы в Утрехте, видимо, не испытывает симпатии к точному химическому исследованию. Он рассматривает его скорее как оседлание Пегаса (видимо, заимствовано из ветеринарной школы) и объявляет в своем труде, как, подобно его смелому полету на вершину химического Парнаса, атомы явились ему, расположенные в космическом пространстве».

Кто оказался прав, может судить любой человек, добравшийся в школьном курсе химии до органики. А Вант-Гоффу пришлось ждать шесть лет: в 1880 году его теорию признали очень влиятельные ученые, Иоганн Вислиценус и Виктор Мейер. И именно с этого началась современная стереохимия (в итоге работы в этом направлении принесли «Нобеля» Владимиру Прелогу в 1978 году).

Но в это время Вант-Гофф уже ушел из органики и занялся тем, куда серьезные ученые, в общем, пока что не совались, в изучение скорости химических реакций.

Прекрасный дар экспериментатора и увлечение математикой позволили ему привнести законы термодинамики в химию. Сначала появляется правило Вант-Гоффа (при повышении температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается в 2-4 раза), а затем и более сложные уравнения химической кинетики. Кстати, единственный наш «Нобель» по химии — это продолжение трудов Вант-Гоффа. Николай Николаевич Семенов свою монографию «Цепные реакции» посвятил именно «памяти Сванте Аррениуса и Якоба Вант-Гоффа».

В 1884 году вышел его труд Études de Dynamique chimique (Опыты химической динамики). Затем он изучал разбавленные растворы и тем самым заложил основы будущей теории электролитической диссоциации Сванте Аррениуса (позже они станут работать вместе, и Аррениус станет третьим нобелевским лауреатом по химии), параллельно тщательно изучив такое важное для физики (и биологии) явление, как осмотическое давление. Работ было много, и именно поэтому пришлось уехать из Амстердама: преподавать и заниматься административной работой Вант-Гоффу не хотелось.

С 1896 года он жил в Берлине, и снова поменял область работы, приблизившись уже к геологии. Он изучал океанические отложения в Штатфурте. Опять же, так пишется в академических книжках. Но это одно из крупнейших калийных месторождений мира, которое обеспечивало калием всю керамическую, мыловаренную, оптическую промышленность Германии и калийными удобрениями — ее сельское хозяйство. А от изучения палеозойских пород Вант-Гофф снова перешел в новую область — в биохимию. Он был одним из первых химиков, занявшихся изучением ферментов и кинетики их работы.

Наступил XX век, и нобелевский комитет начал делать свой первый выбор. Номинаций на первую премию по химии было 20. 11 из них — Вант-Гоффа. Поэтому выбор победителя так же, как и в номинации по физике, был очевиден. Правда, из «неудачников» 1901 года и Эмиль Фишер, и Сванте Аррениус, и Анри Муассан тоже в последующие пять лет успели получить свои премии. Сам же Вант-Гофф 16 раз предлагал свои кандидатуры нобелевскому комитету, и не только по химии. И очень часто — удачно. Аррениус, Рэлей, Рамзай, Макс Планк, Ленард — все они были номинированы Вант-Гоффом (правда, не все получили премию с его номинации). Жаль, что ни в 1905, ни в 1906 году комитет не послушал первого лауреата и не присудил премии Дмитрию Менделееву. Это было бы достойным завершением жизни Вант-Гоффа, скончавшегося в 1911 году от туберкулеза. Увы, другой нобелевский лауреат, Зельман Ваксман, тогда только год как уехал из Одессы и жил на ферме у сестер. В 1911 году эффективного средства борьбы с чахоткой еще не существовало.

Проект реализуется в рамках инициативы «Работа с опытом» Десятилетия науки и технологий.