William peine de labios
William Nunn Lipscomb Jr. (9 de diciembre de 1919 - 14 de abril de 2011) fue un químico inorgánico y orgánico estadounidense ganador del Premio Nobel que trabajó en resonancia magnética nuclear, química teórica, química del boro y bioquímica.
Biografía
Resumen
Lipscomb nació en Cleveland, Ohio. Su familia se mudó a Lexington, Kentucky en 1920, y él vivió allí hasta que recibió su licenciatura en Ciencias Químicas en la Universidad de Kentucky en 1941. Obtuvo su Doctorado en Filosofía en Química del Instituto de Tecnología de California. (Caltech) en 1946.
De 1946 a 1959 enseñó en la Universidad de Minnesota. De 1959 a 1990 fue profesor de química en la Universidad de Harvard, donde fue profesor emérito desde 1990.
Lipscomb estuvo casado con Mary Adele Sargent de 1944 a 1983. Tuvieron tres hijos, uno de los cuales vivió solo unas pocas horas. Se casó con Jean Evans en 1983. Tuvieron una hija adoptiva.
Lipscomb residió en Cambridge, Massachusetts hasta su muerte en 2011 por neumonía.
Primeros años
"El entorno de mi hogar temprano... enfatizaba la responsabilidad personal y la autosuficiencia. La independencia se fomentó especialmente en los primeros años cuando mi madre enseñaba música y cuando la práctica médica de mi padre ocupaba la mayor parte de su tiempo."
En la escuela primaria, Lipscomb coleccionaba animales, insectos, mascotas, rocas y minerales.
El interés por la astronomía lo llevó a las noches de visitantes en el Observatorio de la Universidad de Kentucky, donde el Prof. H. H. Downing le entregó una copia de la Astronomía de Baker. Lipscomb reconoce haber obtenido muchos conceptos físicos intuitivos de este libro y de sus conversaciones con Downing, quien se convirtió en el amigo de toda la vida de Lipscomb.
El joven Lipscomb participó en otros proyectos, como mensajes en código Morse a través de cables y aparatos de radio de cristal, con cinco amigos cercanos que se convirtieron en físicos, médicos e ingenieros.
A la edad de 12 años, Lipscomb recibió un pequeño juego de química de Gilbert. Lo amplió ordenando aparatos y productos químicos a los proveedores y usando el privilegio de su padre como médico para comprar productos químicos en la farmacia local con descuento. Lipscomb hizo sus propios fuegos artificiales y entretuvo a los visitantes con cambios de color, olores y explosiones. Su madre cuestionó su pasatiempo de química casera solo una vez, cuando intentó aislar una gran cantidad de urea de la orina.
Lipscomb atribuye la lectura de los grandes textos médicos en la biblioteca de su padre médico y la influencia de Linus Pauling años más tarde a sus estudios bioquímicos en sus últimos años. Si Lipscomb se hubiera convertido en médico como su padre, habría sido el cuarto médico consecutivo en la línea masculina de Lipscomb.
La fuente de esta subsección, salvo que se indique lo contrario, es el bosquejo autobiográfico de Lipscomb.
Educación
El profesor de química de la escuela secundaria de Lipscomb, Frederick Jones, le dio a Lipscomb sus libros universitarios sobre química orgánica, analítica y general, y solo le pidió que hiciera los exámenes. Durante las conferencias de clase, Lipscomb en la parte trasera del aula hizo una investigación que pensó que era original (pero luego descubrió que no lo era): la preparación de hidrógeno a partir de formiato de sodio (u oxalato de sodio) e hidróxido de sodio. Se preocupó de incluir análisis de gases y de buscar posibles reacciones secundarias.
Más tarde, Lipscomb tomó un curso de física en la escuela secundaria y obtuvo el primer premio en el concurso estatal sobre ese tema. También se interesó mucho en la relatividad especial.
En la universidad en la Universidad de Kentucky Lipscomb tenía una beca de música. Realizó estudios independientes allí, leyendo Dushman' s Elements of Quantum Mechanics, el equipo de Física de la Universidad de Pittsburgh An Outline of Atomic Physics, y Pauling's The Nature of the Chemical Enlace y la Estructura de Moléculas y Cristales. El Prof. Robert H. Baker sugirió que Lipscomb investigara la preparación directa de derivados de alcoholes a partir de una solución acuosa diluida sin separar primero el alcohol y el agua, lo que condujo a la primera publicación de Lipscomb.
Para la escuela de posgrado, Lipscomb eligió Caltech, que le ofreció una pasantía docente en Física por $20 al mes. Rechazó más dinero de la Universidad Northwestern, que le ofreció una beca de investigación a $150 al mes. La Universidad de Columbia rechazó la solicitud de Lipscomb en una carta escrita por el premio Nobel Prof. Harold Urey.
En Caltech, Lipscomb tenía la intención de estudiar mecánica cuántica teórica con el Prof. W. V. Houston en el Departamento de Física, pero después de un semestre cambió al Departamento de Química bajo la dirección de influencia del Prof. Linus Pauling. El trabajo de la Segunda Guerra Mundial dividió el tiempo de Lipscomb en la escuela de posgrado más allá de su otro trabajo de tesis, ya que analizó en parte el tamaño de las partículas de humo, pero en su mayoría trabajó con propulsores de nitroglicerina-nitrocelulosa, lo que implicó manipular viales de nitroglicerina pura en muchas ocasiones. Se pueden encontrar breves clips de audio de Lipscomb sobre su trabajo de guerra en la sección Enlaces externos en la parte inferior de esta página, más allá de las Referencias.
La fuente de esta subsección, salvo que se indique lo contrario, es el bosquejo autobiográfico de Lipscomb.
Años posteriores
El Coronel es como los estudiantes de Lipscomb se referían a él, dirigiéndose directamente a él como Coronel. "Su primer estudiante de doctorado, Murray Vernon King, le colocó la etiqueta, y otros estudiantes la adoptaron rápidamente, quienes querían usar una denominación que mostrara respeto informal... Los orígenes de Lipscomb en Kentucky son la justificación de la designación." Algunos años más tarde, en 1973, Lipscomb se convirtió en miembro de la Honorable Orden de los Coroneles de Kentucky.
Lipscomb, junto con varios otros premios Nobel, fue un presentador habitual en la ceremonia anual de premios Ig Nobel, y lo hizo por última vez (en silla de ruedas) el 30 de septiembre de 2010.
Estudios científicos
Lipscomb trabajó en tres áreas principales, la resonancia magnética nuclear y el desplazamiento químico, la química del boro y la naturaleza del enlace químico, y las moléculas bioquímicas grandes. Estas áreas se superponen en el tiempo y comparten algunas técnicas científicas. Al menos en las dos primeras de estas áreas, Lipscomb se planteó un gran desafío que probablemente fracasaría. y luego trazó un curso de metas intermedias.
Resonancia magnética nuclear y desplazamiento químico
En esta área, Lipscomb propuso que: "... el progreso en la determinación de la estructura, para nuevas especies de poliborano y para boranos y carboranos sustituidos, se aceleraría enormemente si se pudieran utilizar los espectros de resonancia magnética nuclear [boro-11], en lugar de la difracción de rayos X. " Este objetivo se logró parcialmente, aunque la difracción de rayos X todavía es necesaria para determinar muchas de estas estructuras atómicas. El diagrama de la derecha muestra un espectro típico de resonancia magnética nuclear (RMN) de una molécula de borano.
Lipscomb investigó, "... los carboranos, C2B10H12, y los sitios de ataque electrofílico en estos compuestos usando espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN). Este trabajo condujo a [la publicación de Lipscomb de una completa] teoría de los cambios químicos. Los cálculos proporcionaron los primeros valores precisos para las constantes que describen el comportamiento de varios tipos de moléculas en campos magnéticos o eléctricos."
Gran parte de este trabajo se resume en un libro de Gareth Eaton y William Lipscomb, NMR Studies of Boron Hydrides and Related Compounds, uno de los dos libros de Lipscomb.
La química del boro y la naturaleza del enlace químico
En esta área, Lipscomb originalmente pretendía un proyecto más ambicioso: "Mi intención original a fines de la década de 1940 era dedicar algunos años a comprender los boranos y luego descubrir una descripción de valencia sistemática de la gran cantidad de electrones deficientes. compuestos intermetálicos. He progresado poco hacia este último objetivo. En cambio, el campo de la química del boro ha crecido enormemente y ahora ha comenzado una comprensión sistemática de algunas de sus complejidades." Ejemplos de estos compuestos intermetálicos son KHg13 y Cu5Zn7. De quizás 24.000 de tales compuestos, solo se conocen las estructuras de 4.000 (en 2005) y no podemos predecir las estructuras de los demás, porque no comprendemos suficientemente la naturaleza del enlace químico. Este estudio no tuvo éxito, en parte porque el tiempo de cálculo requerido para los compuestos intermetálicos estaba fuera de alcance en la década de 1960, pero se lograron objetivos intermedios que involucraban enlaces de boro, suficientes para recibir un Premio Nobel.
El enlace de dos electrones de tres centros se ilustra en diborano (diagramas a la derecha). En un enlace covalente ordinario, un par de electrones une dos átomos, uno en cada extremo del enlace, los enlaces dibo son B-H, por ejemplo, a la izquierda y a la derecha en las ilustraciones. En el enlace de dos electrones de tres centros, un par de electrones une tres átomos (un átomo de boro en cada extremo y un átomo de hidrógeno en el medio), los enlaces de diborano B-H-B, por ejemplo, en la parte superior e inferior de las ilustraciones.
El grupo de Lipscomb no propuso ni descubrió el enlace de dos electrones de tres centros, tampoco desarrollaron fórmulas que den el mecanismo propuesto. En 1943, Longuet-Higgins, cuando aún era estudiante en Oxford, fue el primero en explicar la estructura y enlace de los hidruros de boro. El artículo que informa sobre el trabajo, escrito con su tutor R. P. Bell, también repasa la historia del tema a partir de la obra de Dilthey. Poco después, en 1947 y 1948, Price realizó un trabajo espectroscópico experimental. que confirmó Longuet-Higgins' estructura para el diborano. La estructura fue reconfirmada por medición de difracción de electrones en 1951 por K. Hedberg y V. Schomaker, con la confirmación de la estructura que se muestra en los esquemas de esta página. Lipscomb y sus estudiantes de posgrado determinaron aún más la estructura molecular de los boranos (compuestos de boro e hidrógeno) utilizando cristalografía de rayos X en la década de 1950 y desarrollaron teorías para explicar sus enlaces. Posteriormente aplicó los mismos métodos a problemas relacionados, incluida la estructura de los carboranos (compuestos de carbono, boro e hidrógeno). Longuet-Higgins y roberts discutió la estructura electrónica de un icosaedro de átomos de boro y de los boruros MB6. El mecanismo del enlace de dos electrones de tres centros también se discutió en un artículo posterior de Longuet-Higgins, y Eberhardt, Crawford y Lipscomb propusieron un mecanismo esencialmente equivalente. El grupo de Lipscomb también logró comprenderlo a través de cálculos de orbitales de electrones utilizando fórmulas de Edmiston y Ruedenberg y de Boys.
El artículo de Eberhardt, Crawford y Lipscomb discutido anteriormente también ideó el "número styx" método para catalogar ciertos tipos de configuraciones de enlaces de hidruro de boro.
Átomos errantes fue un rompecabezas que resolvió Lipscomb en uno de sus pocos artículos sin coautores. Los compuestos de boro e hidrógeno tienden a formar estructuras de jaula cerrada. A veces, los átomos en los vértices de estas jaulas se mueven distancias considerables entre sí. Lipscomb sugirió el mecanismo diamante-cuadrado-diamante (diagrama de la izquierda) para explicar esta reorganización de los vértices. Siguiendo el diagrama de la izquierda, por ejemplo, en las caras sombreadas en azul, un par de caras triangulares tiene forma de diamante de izquierda a derecha. Primero, el vínculo común a estos triángulos adyacentes se rompe, formando un cuadrado, y luego el cuadrado colapsa de nuevo a una forma de diamante de arriba hacia abajo uniendo los átomos que no estaban enlazados antes. Otros investigadores han descubierto más acerca de estos reordenamientos.
La estructura B10H16 (diagrama de la derecha) determinada por Grimes, Wang, Lewin y Lipscomb encontró un enlace directo entre dos átomos de boro sin hidrógenos terminales, una característica no vista previamente en otros hidruros de boro.
El grupo de Lipscomb desarrolló métodos de cálculo, tanto empíricos como a partir de la teoría mecánica cuántica. Los cálculos mediante estos métodos produjeron orbitales moleculares de campo autoconsistente (SCF) Hartree-Fock precisos y se utilizaron para estudiar boranos y carboranos.
La barrera del etano a la rotación (diagrama de la izquierda) fue calculada con precisión por primera vez por Pitzer y Lipscomb utilizando el método Hartree-Fock (SCF).
Los cálculos de Lipscomb continuaron con un examen detallado de la unión parcial a través de "... estudios teóricos de enlaces químicos multicéntricos que incluyen orbitales moleculares tanto deslocalizados como localizados." Esto incluía "... descripciones de orbitales moleculares propuestas en las que los electrones de enlace están deslocalizados en toda la molécula."
"Lipscomb y sus colaboradores desarrollaron la idea de la transferibilidad de las propiedades atómicas, mediante la cual se desarrollan teorías aproximadas para moléculas complejas a partir de cálculos más exactos para moléculas más simples pero químicamente relacionadas,..."
El posterior ganador del Premio Nobel, Roald Hoffmann, era estudiante de doctorado en el laboratorio de Lipscomb. Bajo la dirección de Lipscomb, Lawrence Lohr y Roald Hoffmann desarrollaron el método Extended Hückel de cálculo de orbitales moleculares. Este método fue posteriormente ampliado por Hoffman. En el laboratorio de Lipscomb, Newton y Boer reconciliaron este método con la teoría del campo autoconsistente (SCF).
El célebre químico de boro M. Frederick Hawthorne llevó a cabo investigaciones iniciales y continuas con Lipscomb.
Gran parte de este trabajo se resume en un libro de Lipscomb, Boron Hydrides, uno de los dos libros de Lipscomb.
El Premio Nobel de Química de 1976 fue otorgado a Lipscomb "por sus estudios sobre la estructura de los boranos que arrojan luz sobre los problemas de los enlaces químicos". En cierto modo, este trabajo continuó sobre la naturaleza del enlace químico por parte de su asesor de doctorado en el Instituto de Tecnología de California, Linus Pauling, quien recibió el Premio Nobel de Química de 1954 por su investigación sobre la naturaleza del enlace químico. y su aplicación a la elucidación de la estructura de sustancias complejas."
La fuente de aproximadamente la mitad de esta sección es la conferencia Nobel de Lipscomb.
Estructura y función de moléculas biológicas grandes
La investigación posterior de Lipscomb se centró en la estructura atómica de las proteínas, particularmente en cómo funcionan las enzimas. Su grupo usó la difracción de rayos X para resolver la estructura tridimensional de estas proteínas a resolución atómica, y luego analizar el detalle atómico de cómo funcionan las moléculas.
Las imágenes a continuación son de las estructuras de Lipscomb del banco de datos de proteínas que se muestran en forma simplificada con los detalles atómicos suprimidos. Las proteínas son cadenas de aminoácidos, y la cinta continua muestra el rastro de la cadena con, por ejemplo, varios aminoácidos por cada vuelta de hélice.
La carboxipeptidasa A (izquierda) fue la primera estructura proteica del grupo de Lipscomb. La carboxipeptidasa A es una enzima digestiva, una proteína que digiere otras proteínas. Se produce en el páncreas y se transporta en forma inactiva a los intestinos donde se activa. La carboxipeptidasa A digiere cortando ciertos aminoácidos uno por uno de un extremo de una proteína. El tamaño de esta estructura era ambicioso. La carboxipeptidasa A era una molécula mucho más grande que cualquier cosa resuelta anteriormente.
Aspartato carbamoiltransferasa. (derecha) fue la segunda estructura de proteína del grupo de Lipscomb. Para hacer una copia de ADN, se requiere un conjunto duplicado de sus nucleótidos. La aspartato carbamoiltransferasa realiza un paso en la construcción de los nucleótidos de pirimidina (citosina y timidina). La aspartato carbamoiltransferasa también garantiza que esté disponible la cantidad justa de nucleótidos de pirimidina, ya que las moléculas activadoras e inhibidoras se unen a la aspartato carbamoiltransferasa para acelerarla o ralentizarla. La aspartato carbamoiltransferasa es un complejo de doce moléculas. Seis grandes moléculas catalíticas en el interior hacen el trabajo, y seis pequeñas moléculas reguladoras en el exterior controlan la rapidez con la que funcionan las unidades catalíticas. El tamaño de esta estructura era ambicioso. La aspartato carbamoiltransferasa era una molécula mucho más grande que cualquier cosa resuelta anteriormente.
La leucina aminopeptidasa, (izquierda) un poco como la carboxipeptidasa A, corta ciertos aminoácidos uno por uno de un extremo de una proteína o péptido.
Metiltransferasa HaeIII (derecha) se une al ADN donde se metila (agrega un grupo metilo) eso.
Interferón beta humano (izquierda) es liberado por los linfocitos en respuesta a los patógenos para activar el sistema inmunológico.
Corismato mutasa (derecha) cataliza (acelera) la producción de los aminoácidos fenilalanina y tirosina.
Fructosa-1,6-bisfosfatasa (izquierda) y su inhibidor MB06322 (CS-917) fueron estudiados por el grupo de Lipscomb en una colaboración, que incluyó a Metabasis Therapeutics, Inc., adquirida por Ligand Pharmaceuticals en 2010, explorando la posibilidad de encontrar un tratamiento para la diabetes tipo 2, ya que el inhibidor MB06322 ralentiza la producción de azúcar por fructosa-1,6-bisfosfatasa.
El grupo de Lipscomb también contribuyó a la comprensión de concanavalina A (estructura de baja resolución), glucagón y anhidrasa carbónica (estudios teóricos).
El posterior ganador del Premio Nobel Thomas A. Steitz era estudiante de doctorado en el laboratorio de Lipscomb. Bajo la dirección de Lipscomb, después de la tarea de entrenamiento de determinar la estructura de la molécula pequeña de metil etileno fosfato, Steitz hizo contribuciones para determinar las estructuras atómicas de la carboxipeptidasa A. y aspartato carbamoiltransferasa. Steitz recibió el Premio Nobel de Química de 2009 por determinar la estructura aún más grande de la gran subunidad ribosómica 50S, lo que llevó a la comprensión de posibles tratamientos médicos.
La posterior ganadora del Premio Nobel, Ada Yonath, que compartió el Premio Nobel de Química de 2009 con Thomas A. Steitz y Venkatraman Ramakrishnan, pasó un tiempo en el laboratorio de Lipscomb, donde tanto ella como Steitz se inspiraron para dedicarse más tarde a sus propios grandes estructuras. Esto fue mientras era estudiante de posdoctorado en el MIT en 1970.
Otros resultados
El mineralogista John Gruner, quien primero lo hizo artificialmente, nombró al mineral lipscombita (imagen de la derecha) en honor al profesor Lipscomb.
La difracción de rayos X a baja temperatura fue pionera en el laboratorio de Lipscomb casi al mismo tiempo que el trabajo paralelo en el laboratorio de Isadore Fankuchen en el entonces Instituto Politécnico de Brooklyn. Lipscomb comenzó estudiando compuestos de nitrógeno, oxígeno, flúor y otras sustancias que son sólidas solo por debajo de las temperaturas del nitrógeno líquido, pero otras ventajas finalmente hicieron que las bajas temperaturas se convirtieran en un procedimiento normal. Mantener el cristal frío durante la recopilación de datos produce un mapa tridimensional de densidad de electrones menos borroso porque los átomos tienen menos movimiento térmico. Los cristales pueden producir buenos datos en el haz de rayos X durante más tiempo porque el daño de los rayos X puede reducirse durante la recopilación de datos y porque el solvente puede evaporarse más lentamente, lo que, por ejemplo, puede ser importante para moléculas bioquímicas grandes cuyos cristales a menudo tienen un alto porcentaje de agua.
Liscomb y sus alumnos estudiaron otros compuestos importantes. Entre estos se encuentran hidracina, óxido nítrico, complejos metal-ditioleno, fosfato de metil etileno, amidas de mercurio, (NO)2, fluoruro de hidrógeno cristalino, sal negra de Roussin, (PCF3)5, complejos de ciclo-octatetraeno con tricarbonilo de hierro, y leurocristina (vincristina), que se usa en varias terapias contra el cáncer.
Cargos, premios y honores
- Guggenheim Fellow, 1954
- Fellow of the American Academy of Arts and Sciences in 1960.
- Miembro de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos
- Miembro del Consejo Asesor de la Facultad de MIT-Harvard Research Journal
- Miembro de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos (1976)
- Premio Nobel de Química (1976)
Cinco libros y simposios publicados están dedicados a Lipscomb.
En su Curriculum Vitae se encuentra una lista completa de los premios y honores de Lipscomb.
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