Рихард Вилштетер

Рихард Вилштетер (Richard Willstätter, 1872–1942) беше германски хемичар кој остави неизбришлив белег во хемијата. Роден во Минхен, Вилштетер студирал хемија на Универзитетот во Минхен, каде неговиот ментор бил Адолф фон Баер – истакнат хемичар познат по работата со растителни пигменти. Вилштетер се развил во врвен експериментатор, со извонредна прецизност и методичност, карактеристики кои му овозможиле да изврши темелни анализи на сложени природни супстанци.

Работата на Вилштетер се одвивала во период на големи промени во хемијата и биологијата, крајот на 19-ти и почетокот на 20-ти век, кога развојот на органската хемија овозможувал разложување и синтеза на природни соединенија, а науката за растителни пигменти се проширувала со нови аналитички методи. Неговите истражувања особено се фокусирале на хлорофилот и сродните пигменти, но тој придонел и во ензимологијата, како и во практичната хемија за време на Првата светска војна.

Во неговото време, органската хемија напредувала со невидена брзина: научниците се обидувале да ги разберат природните супстанци, да ги разложат и повторно да ги синтетизираат. Вилштетер ја искористил оваа ера на откритија за да ја разоткрие тајната на хлорофилот и другите растителни пигменти – зелените светилки на животот.

Дијафанизација-колку бедно изгледа листот без него
Хлорофилот го прави листот зелен и непровиден. Кога ќе се отстрани со варикина и алкохол, клеточните структури се разградуваат, а ткивото станува светло и проѕирно. Жилите остануваат недопрени, како природен скелет што ја открива внатрешната архитектура на листот

Вилштетер се посветил на хлорофилот – пигментот кој го движи светот. Тој ги проучувал и каротеноидите, како и антоцијаните – пигментите кои ја бојат есенската шума и црвените плодови. Со комбинација на хроматографија и внимателни екстракции, ги изолирал овие соединенија и открил нивната структура.

Вилштетер ја откри хемиската разлика помеѓу хлорофил a и b.

• Хлорофил a (лево): главен пигмент за фотосинтеза, апсорбира најмногу сина и црвена светлина
• Хлорофил b (десно): помага во собирање на светлината и ја проширува спектралната апсорпција.

Она што тој направил, како млад докторски кандидат во Минхен (1894), било да ја разјасни точната структура на молекулата на кокаинот и да изврши делумна синтеза на нејзиниот скелет. Тој успеал да ја разгради молекулата на кокаин на помали фрагменти и потоа да ги рекомбинира, потврдувајќи ја точната конфигурација на бензоилекгонинот и неговите деривати.

Целосната лабораториска синтеза на кокаин, почнувајќи од прости небиолошки молекули, е постигната дури во 1923 година од Роберт Робинсон и неговиот тим, иако била мошне долга и неекономична за практична примена.

Значи:

Вилштетер (1894) → одредување на структура и делумна синтеза од растителни прекурсори.

Робинсон (1923) → целосна синтеза од едноставни органски соединенија.

Разликата е во историската терминологија:

• Во времето на Вилштетер, „vollständige Synthese“ значело дека целата молекула е направена од небиолошки извори, дури и ако се почнува од релативно сложен прстен (циклохептанон).
• Подоцна, со развојот на синтетичката органска хемија, „тотална синтеза“ најчесто значела почеток од многу едноставни молекули

Документот е од Chemische Berichte (1901) и опишува како Рихард Вилштетер и Адолф Боде ја направиле првата целосна синтеза на (±)-кокаин почнувајќи од циклохептанон.

Во 1901, Вилштетер и Боде:

• почнале од циклохептанон (не од кока лисја) → го конструирале тропанскиот скелет преку клучна интрамолекуларна SN2 реакција по бромирање;
• продолжиле со редукција, Фишерова естерификација и бензоилирање;
• добиле рацемски (±)-кокаин за 23 чекори.

Тоа било револуционерно затоа што покажало дека е можно целосно лабораториско создавање на сложен природен алкалоид: од циклохептанон до тропански скелет.

• NH₂OH, Na/EtOH → оксим (преку реакција на циклохептанон со хидроксиламин, формира  C = NOH).
• MeI, Ag₂O/H₂O → O-метилирање на оксимот.
• Hofmann-ова елиминација  (Br₂, Me₂NH) → добивање на метилирани амински деривати. Цел: Преку Hofmann-ова елиминација да се направи „отворен пат“ кон бромоалилска структура погодна за затворање во тропанскиот прстен.

Формирање на алил бромид (A)

• Од циклохептанон се оди преку O-метилиран оксим, потоа се бромира со Br₂, па се додава Me₂NH за добивање на N,N-диметиламинска група.
• Резултат: Алил бромид A – молекула со бром на алил позиција и диметиламин како нуклеофилна „сидрена точка“.

Редуктивна аминација до прекурсор B

• A се обработува со метален натриум во етанол (редуктивна аминација) → се добива прекурсор B, кој е многу блиску до тропанскиот скелет.

Клучен чекор – формирање на тропинскиот скелет

• B се изложува на Br₂, потоа на база (NaOH, 130 °C) → интрамолекуларна SN2 реакција.
• Ова создава нов C–N сврзувачки мост и го формира бицикличниот тропански скелет (структура C).  Ова е најважниот чекор – првпат демонстрирано вакво „затворање на мост“ за алкалоид.

Оксидирање до тропинон

• C се оксидира со H₂SO₄ и CrO₃ → добива тропинон (кетон на позиција 3).

 Од тропинон до екгонини

• α-декарбоксилација со Na/CО₂ → создавање на натриева сол на екгонинска киселина.
• Потоа HCl и загревање дава (±)-екгонин.

Естерификација и бензоилирање

• Fischer естерификација со MeOH/HCl → (±)-метил екгонин.
• Бензоилирање со бензоил хлорид (BzCl) → (±)-кокаин.

Зошто е револуционерно (1901):

1. Почнуваат од едноставен циклохептанон – не користат растителни алкалоиди.
2. Првпат се демонстрира дека тропанскиот скелет може да се гради во лабораторија, а не само да се модифицира природен.
3. Реакцијата на интрамолекуларна SN2 за формирање на бициклична структура е пионерски потег.
4. Целиот пат има 23 чекори – за тоа време, екстремно амбициозно.

Рихард Вилштетер добил Железен крст II степен за неговиот придонес во развојот на заштитни филтри за гас-маски за време на Првата светска војна. Во 1915 година, по барање на неговиот пријател Фриц Хабер, Вилштетер развил филтер кој користел активен јаглен и хексаметилентетрамин (уротропин) за неутрализирање на отровните гасови како хлор и фозген. Неговото решение било широко применувано, а до 1917 година произведени биле околу 30 милиони вакви филтри. За овој значаен придонес во заштитата на војниците, Вилштетер бил одликуван со Железен крст II степен.

Во Првата светска војна, отровните гасови како хлор (Cl₂) и фозген (COCl₂) беа користени како боеви отрови. Вилштетер разви ефикасна гас-маска која го заштитуваше војникот преку неутрализирање на отровните гасови. Основниот принцип беше хемиска апсорпција и неутрализација на отровот со помош на материјали како:

• Активен јаглен – за апсорпција на гасови
• Уротропин (хексаметилен-тетрамин, (CH₂)₆N₄) – за хемиска реакција со хлор и фосген

Механизам на дејство

1. Апсорпција на гасови: Активниот јаглен има голема површина и ја задржува молекулата на гасот физички. Механизам: молекулата на Cl₂ или COCl₂ се врзува на порите на јагленот преку фан дер Ваалсови интеракции и физичка адсорпција.
2. Хемиска неутрализација со уротропин: Уротропинот реагира со отровните гасови и ги претвора во неопасни соединенија.

Реакција со хлор:

(CH₂)₆N₄  +  3Cl₂   →    6CH₂ClN₂

Уротропинот го претвора хлорот во стабилни органохлорни соединенија, што не се испаруваат.

Реакција со фозген:

COCl₂  +  (CH₂)₆N₄  +  H₂O  →  (CH₂)₆N₄⋅CO₃  +  2HCl

Фозгенот се хидролизира во присуство на вода и уротропин, формирајќи неопасни карбонатни соли и солна киселина, која се апсорбира од јагленот

Овој чин на херојство во хемијата дополнително го истакнал неговиот пат од патриотски научник до добитник на Нобеловата награда за хемија во 1915 година.

Рихард Вилштетер беше еден од многуте брилијантни научници кои беа протерани од својата татковина за време на националсоцијалистичкиот варваризам. Нобеловец, повеќекратен почесен докторат, член на меѓународни научни друштва од истакнатост - но бидејќи постојано бил напаѓан како Евреин, тој се откажал од својата катедра на Универзитетот во Минхен уште во 1924 година. Во 1938 година избегал во Швајцарија.

Можеби науката во Германија, особено хемијата, никогаш целосно не се опоравила од „одливот на мозоци“ предизвикан од протерувањето на најдобрите германски природни научници во 1930-тите. Повеќе од дваесет добитници на Нобелова награда морале да избегаат; Алберт Ајнштајн и Лизе Мајтнер се веројатно најпознати меѓу протераните.