The forgotten female crystallographer who discovered C–H⋯O bonds — ABC Chemicals

Энди Экстанс рассказывает о пропущенной истории кристаллографа Джун Сутор, чья гипотеза связывания C – H ⋯ O была несправедливо подавлена

Вероятно, после долгих недель в начале 1960-х годов, анализирующих данные дифракции рентгеновских лучей, идея, опередившая свое время, кристаллизовалась в голове Дороти Джун Сутор. Расшифровка кристаллических структур пуринов, представленных пятен, вероятно, помогла ей представить ранее непостижимое химическое явление.

Многие кристаллографы в то время работали через этот интенсивный процесс, но также извлекли выгоду из этого, объясняет Морин Джулиан, которая стала близким другом Sutor несколько лет спустя. «Это способствовало гораздо более глубокому изучению каждого из соединений, потому что это заняло так много времени», — говорит Джулиан, который преподает кристаллографию в Virginia Tech в США.

The forgotten female crystallographer who discovered C–H⋯O bonds - ABC Chemicals

В 1962 году1 и 19632Sutor опубликовал две статьи, описывающие привлекательные взаимодействия водородных связей с участием атомов водорода, связанных с атомами углерода, в качестве единственного автора. Все же ее идеи были отклонены Джерри Донохью, американским кристаллографом и экспертом по водородным связям. И Донохью был влиятельным, частично благодаря тому, что в 1952 году он разделил офис с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, и его последующей ролью в угадывании структуры двойной спирали ДНК.

«Этот тип водородных связей стал почти невозможным», — пишет Карл Швальбе, бывший кристаллограф из Университета Астон в Великобритании, в своем рассказе о своей истории.3 Свидетельство Сутора не было убедительным, и ее идеи были бы широко приняты как истинные только после того, как она оставила исследование структурной кристаллографии. «Кто-то вроде Донохью, который решил десятки кристаллических структур, мог, вероятно, обидеться Джун Сутор, который решил несколько и затем погрузился в литературу с этой новой концепцией», — говорит Швальбе. Мир химии, «Признание женщин в науке, особенно в физических науках, отнюдь не было полным», — писал Швальбе.

По словам Джулиана, Сутор была «очень, очень горда» своей работой по водородному связыванию. Она описывает своего друга как блестящего, щедрого, заботливого и достойного, отчасти благодаря ее воспитанию. Она родилась в 1929 году в Новой Зеландии, дочь «строителя автобусов», как показывают записи переписей. По словам Джулиана, отец Сутора импортировал тяжелую технику из Англии, а затем собирал пожарные машины, автобусы, машины скорой помощи и другие транспортные средства. Предприятие «было чрезвычайно успешным», и в конце концов «отец Джуни получил щедрое предложение купить весь бизнес», говорит Джулиан, делая семью богатой.

Перфокарты

В 1952 и 1954 годах Сутор получил степень магистра и доктора наук в Оклендском университете под руководством Фридриха Ллевеллина, первого кристаллографа в Новой Зеландии. Ее явный талант заработал ее первоклассные награды, а также награды старших ученых и аспирантов, подняв ее в ряды кристаллографов, преобразующих химию. Растущее поле началось в 1912 году, когда немецкий физик Макс фон Лауэ и его коллеги обнаружили зашифрованные атомы рисунки в рентгеновских лучах, проходящих через них, записанные в виде пятен на фотопластинках. В следующем году британские первопроходцы в области кристаллографии Лоуренс и Уильям Брэгг разработали математическое дешифрование закодированных химических структур.

К 1940-м годам многие кристаллографы изучали биомолекулы, а Дороти Ходжкин лидировала в области холестерина в Оксфордском университете в Великобритании. Поэтому Сутор приехала в Англию, где получила докторскую степень в Кембридже, где в 1958 году опубликовала составы пуриновых соединений, в том числе кофеина. После работы в Австралии в течение года Сутор переехала читать лекции в Биркбекский колледж в Лондоне, где Джон Бернал, Розалинда Франклин и Аарон Клуг первопроходец в рентгеновской кристаллографии в молекулярной биологии. Именно здесь она написала статьи 1962 и 1963 годов. Sutor был «скромным и высококвалифицированным ученым», говорит Ольга Кеннард, которая немного знала Sutor и основала Кембриджский центр кристаллографических данных (CCDC) в Великобритании, но сейчас вышла на пенсию.

Горе вам, если вы уроните стопку перфокарт, потому что невозможно вернуть их в правильном порядке

Ученые в те дни использовали камеры, которые позволяют им воспроизводимо определять пятна, сделанные на пленках с помощью рентгенограмм. Первой кристаллической структурой Швальбе был гидрид бора. Его камера Вайссенберга давала фестоны, или цепи, содержащие около 9000 точек, которые он индексировал и назначал интенсивности вручную. «Вы держали эту калиброванную полоску рядом с каждой и отмечали, какая точка на полосе дает наиболее близкое совпадение по степени черноты», — вспоминает Швальбе. Он часто добавляет, что мужчины-кристаллографы «заставляют своих жен работать над этим».

Вычисление структур по таким показателям первоначально занимало месяцы вручную, пока ученые не получили механические табуляторы с перфокартами, подобные тому, который Ходжкин использовал для получения структуры для пенициллина в 1945 году. К тому времени, когда Сутор достигла Биркбека, она могла делать свои расчеты по Меркурию в университете. о Лондоне », — писала она в переписке в Национальном архиве Великобритании. Возможно, она имела в виду ранний компьютер Ferranti Mercury. В более позднем резюме, также в Национальном архиве, она заявляет об интересе «к электронным вычислениям и написала программы для EDSAC в Кембридже и Меркурия в Лондоне».

Джудит Ховард, кристаллограф из Университета Дарема в Великобритании, вспоминает, как все еще переводил код, созданный одной машиной, которая в 1970-х годах вставляла дырки в лентах в перфокарты. «Если у вас был действительно большой набор данных, переведенный в стопку карт, горе вам, если вы уроните их, потому что нет способа вернуть их в правильном порядке».

Допустимые атомы?

Кристаллография опирается и помогает улучшить научное понимание взаимодействий между атомами, корни которых лежат в работе Йоханнеса ван дер Ваальса в конце 19 века. Его многочисленные открытия включали пределы того, насколько близко два атома могут приближаться друг к другу: радиус Ван-дер-Ваальса. Этот важнейший параметр для кристаллографии рассматривается как половина расстояния между ближайшим сближением двух несвязанных атомов данного элемента.

Сутор использовал эту концепцию вместе с идеей электроотрицательности, описанной Линусом Полингом в 1932 году. Электроотрицательные элементы накапливают электроны с большей плотностью вокруг своих ядер, чем другие атомы, с которыми они ковалентно связаны, давая им частичный отрицательный заряд. Поэтому у менее электроотрицательных атомов, с которыми они связаны, меньше электронов и частичных положительных зарядов.

The forgotten female crystallographer who discovered C–H⋯O bonds - ABC Chemicals

В водородных связях эти частичные заряды взаимодействуют, помогая ориентировать электроотрицательный «донорный» атом, ковалентно связанный с атомом водорода, который нековалентно притягивает другой электроотрицательный «акцепторный» атом. Классический пример — связь О-Н с атомами кислорода в воде. Углерод и водород имеют очень похожие значения электроотрицательности, поэтому маловероятно, что углерод мог бы стать донором.

«Водородная связь включает в себя сокращение Ван-дер-Ваальсовского расстояния между атомами, о которых идет речь», — написала Сатор в своей статье 1963 года. «Атом водорода находится между двумя электроотрицательными атомами, и предполагается, что донорные, водородные и акцепторные атомы выровнены линейно. Донор и акцепторный атом обычно являются наиболее электроотрицательными из элементов — фтора, кислорода, азота и хлора — но группа C – H, которая активируется группами, способствующими ионизации или частичной ионизации, также может принимать участие в образовании водородной связи. ‘

The forgotten female crystallographer who discovered C–H⋯O bonds - ABC Chemicals

Это последнее утверждение было смелым, но были подтверждающие доказательства. Например, галогенированные углеводороды, такие как хлороформ, растворяются лучше, чем ожидалось, в растворителях, которые содержат атомы кислорода или азота. Некоторые ученые связывают это с водородной связью, включающей атом водорода, присоединенный непосредственно к единственному атому углерода хлороформа. Точно так же спектроскопия намекала на водородные связи C – H ⋯ O — но только кристаллография могла показать точное расположение атомов.

The forgotten female crystallographer who discovered C–H⋯O bonds - ABC Chemicals

Одна подсказка — это расстояние между метильной группой и кислородом в кристаллической структуре Сьютора 1,3,7,9-тетраметилуровой кислоты или теакрина.4 Используя современные радиусы Ван-дер-Ваальса, расстояние между атомами метилового углерода и кислорода должно было составлять 3,40 ангстрем (Å; 1Å = 0,1 нм). Sutor измерил расстояние всего 3,00 Å и оценил, что оно равно 2,26 Å между метиловым водородом и кислородом. Она основала свою статью 1962 года на восьми таких пуриновых кристаллических структурах с расстояниями углерод-кислород ниже 3,30 Å.

В последующем документе Sutor было 24 аналогичных опубликованных примера, в том числе ДНК, а также взаимодействие с атомами водорода, связанными с углеродом в различных средах. «Соблазнительно предположить, играет ли водородная связь C – H ⋯ O столь же важную роль в структуре биологических молекул, как и другие виды водородных связей», — написала она.

Филип Коппенс из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, США, представил еще одно доказательство в 1964 году: нейтронографическое исследование 2-нитробензальдегида. Молекула хорошо настроена для образования внутримолекулярной водородной связи C – H ⋯ O, поскольку альдегидный водород соседствует с атомами кислорода нитрогруппы. Кроме того, атомы водорода обнаруживаются более четко с нейтронами, чем с рентгеновскими лучами, потому что взаимодействие нейтронов с атомами не зависит от атомного номера, в отличие от рентгеновских лучей. Коппенс описал короткий, 2,38 Å, кислород-водородный контакт. Но была проблема: альдегидная и нитрогруппа молекулы не лежала в одной плоскости с ароматическим кольцом.

«Для максимального перекрытия электронов можно ожидать, что альдегид и нитрогруппы будут настолько копланарны, насколько это возможно», — говорит Швальбе. «Что их останавливает? Стерическое препятствие. Что может преодолеть стерическое препятствие? Водородная связь. Стерические помехи мешают им стать полностью компланарными, но, возможно, они немного ближе к компланарности, чем они были бы ».

Злодей водородной связи?

Основным критиком был Джерри Донохью из Университета Южной Калифорнии, который опубликовал влиятельный обзор по водородным связям в 1952 году. Он также сказал Уотсону и Крику, что они используют неправильные структуры для оснований тимина и гуанина ДНК, влияющих на их водородные связи , В 1968 году Донохью написал главу книги под названием C – HО Водородная связь: что это? Он исключил несколько образцов Sutor из-за проблем с данными, но добавил еще семь примеров коротких взаимодействий C – H ⋯ O. К ним относится исследование Коппенса, в котором Донохью подчеркивает отказ 2-нитробензальдегида лежать в плоской плоскости. Он утверждал, что этот результат показал, что «расстояние О – Н, равное 2,38 Å, не является предполагаемым свидетельством того, что происходит образование водородной связи».

Донохью также утверждал, что Сутор переоценил ван-дер-ваальсово расстояние между атомами водорода и кислорода. Эта переоценка, скорее всего, и была причиной того, что Сутор видела более короткие расстояния в своих измерениях, подразумевал он. По ее словам, то, что она сказала, было водородными связями, в которых вообще не было никаких привлекательных взаимодействий. Учитывая имеющиеся данные, он утверждал, что кислород-водородные контакты вплоть до 2,20 Å могут происходить без водородной связи. «Ответ на вопрос в названии этого раздела:« Это не так », — заключил Донохью.

Поскольку это была глава книги, эту критику было бы труднее опровергнуть, чем если бы это была стандартная исследовательская статья, указывает Швальбе. Робин Тейлор, который также является химиком в отставке CCDC, добавляет, что в то время книга была на полках каждой кристаллографической лаборатории. «По сути, он был недоволен предложением Сутора, — говорит Тейлор. «Ходят слухи, что любой, кто написал бумагу с кристаллической структурой и высказал предположение о существовании связей C – H ⋯ O, получил ее от Donohue, и она была отвергнута».

После того, как ее последняя статья C – H ⋯ O была опубликована, финансирование на должность Sutor закончилось, и она вернулась в свою родную Новую Зеландию. По словам Джулиана, после работы в Департаменте научных и промышленных исследований страны Сутор уехала присматривать за своим отцом, который страдал от рака и умер в 1966 году. Хотя Джулиан сказала, что она достаточно богата, чтобы «установить свои собственные приоры», она стала отчаянно пытается вернуться к исследованиям.

The forgotten female crystallographer who discovered C–H⋯O bonds - ABC Chemicals

Сутор повезло найти работу в Университетском колледже Лондона, работая с Кэтлин Лонсдейл, выдающимся кристаллографом, который начал свою карьеру, работая с Брэггсом. Лонсдейл нанял Sutor в 1966 году, чтобы применить кристаллографию, чтобы изучить, как образуются камни в мочевом пузыре — камни мочевого пузыря — и как их предотвратить. Документы Лонсдейла, включая переписку с Сутором, хранятся в Национальном архиве Великобритании и являются бесценным источником для этой статьи.

Лонсдейлу был нужен исследователь, уже эксперт в кристаллографии, но у Сутора были и другие навыки. «Доктор Сутор показала, что она особенно хороша в получении необходимых контактов и сотрудничества со старшим персоналом больницы», — писал Лонсдейл Дж.В. МакАнуффу, помощнику директора The Nuffield Foundation. Итак, примерно в то время, когда Донохью опубликовал свою критику, Сутор анализировал камень мочевого пузыря французского императора Наполеона III.5

В 1969 году Лонсдейл получила Sutor двухлетнюю стипендию в размере 10 000 фунтов стерлингов, а ее годовая зарплата за этот период составила 2600 фунтов стерлингов. Лонсдейл и Сутор вместе написали книгу по исчислениям, но ответы издателей были предсказуемо каменистыми. После смерти Лонсдейла в 1971 году она оставалась настойчивой, пытаясь опубликовать ее до 1974 года, но безуспешно. Она продолжала изучать камни, отмечая в статье 1981 года, что с тех пор, как в 1979 году она стала частично замеченной, она «заинтересовалась теоретическими аспектами камня». рост.

Легко представить, что отказ Сутор от структурной кристаллографии мог быть ответом на отказ от ее гипотезы о связи C – H ⋯ O. Это правда, что единственный раз, когда Сутор упоминал о связях C – H ⋯ O в переписке между ней и Лонсдейлом, был в ее резюме. Но Джулиан, работавший в группе Лонсдейл с 1966 по 1968 год, помнит, как Сутор проводила семинар на эту тему и подчеркивала большое количество ссылок на ее статьи.

Джулиан подчеркивает связь между Донохью, Уотсоном и Криком и то, как последняя пара обращалась с Розалиной Франклин. В 1983 году Джулиан опубликовал краткую биографию Франклина, описывающую, как Уотсон и Крик использовали «теневое поведение» для доступа к кристаллографическим данным из ДНК, которую Франклин собрал.6 В этом рассказе Джулиан упоминает атмосферу «мужского клуба» в Королевском колледже Лондона, где Франклин работал до переезда в Биркбек. Теперь она предполагает, что отношение Донохью к Сутору может иметь аналогичное происхождение. Однако Кеннард утверждает, что «оппозиция ее теории никоим образом не связана с тем, что июнь — женщина». «Кристаллографическое сообщество всегда очень поддерживало женщин-ученых», — говорит она.

Тем не менее работа Сутора стала табу. Следовательно, индийский кристаллограф Гаутам Дезираджу не рассматривал такие взаимодействия во время своей докторской диссертации в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, США, в 1975 году, «хотя я практически смотрел на них». Дезираджу, который сейчас работает в Индийском институте науки в Бангалоре, впервые исследовал связи C – H ⋯ O в середине 1980-х годов, когда столкнулся с кристаллическими структурами, которые невозможно объяснить без них. С тех пор он узнал, насколько яростной была оппозиция Донохью. «Я разговаривал со своими коллегами в США, и они сказали, что боятся использовать слова« водородные связи C – H ⋯ O », потому что Донохью был очень влиятельным», — говорит Дезираджу. «Они сказали:« Смотри, это вопрос получения моего гранта ».

Острое наследие

Дезираджу мог начать работу над этой темой в значительной степени благодаря статье Тейлора и Кеннарда 1982 года, в которой были спасены претензии Сьютора о связывании C – H ⋯ O.7 Анализируя 113 нейтронограмм в Структурной базе данных Кембриджа, они обнаружили статистически значимую тенденцию в пользу коротких межмолекулярных контактов C – H – O по сравнению с C – H ⋯ C или C – H ⋯ H. «У нас было намного больше данных», — вспоминает Тейлор. «Это было действительно ограничением работы Сутора. Вы не можете быть уверены с таким количеством данных. В частности, в большинстве таких структур вы не могли видеть атомы водорода ».

The forgotten female crystallographer who discovered C–H⋯O bonds - ABC Chemicals

Ни один ученый, который рецензировал исследование, не отвергал его, хотя Тейлор помнит, что один «был явно сварливым». «Он сказал:« Я бы не назвал их водородными связями, я бы назвал их Sutors ». Я бы положил деньги, чтобы это был Донохью. Это не было, исходя из контекста, в каком-либо почетном смысле. Это было в основном «Эта женщина предложила их, но, честно говоря, они просто выдумка».

Углеродно-кислородные расстояния Sutor оказались надежными, в отличие от современных измерений в среднем на 0,03 Å, худшее — 0,07 Å. Из-за трудности определения местоположения атомов водорода с помощью рентгеновских лучей среднее расхождение расстояний водород – кислород от современных значений составляет 0,12 и до 0,26. В целом случаи, которые цитировала Сутор, все еще поддерживают ее заключение, за исключением случаев, когда атомы водорода не были обнаружены в структурном анализе.

Хотя Сутор выжила, чтобы увидеть ее оправдание Тейлор и Кеннард, нет никаких признаков того, что она чувствовала по этому поводу, и она никогда не упоминала об этом Джулиану. 27 мая 1990 года Сутор умерла от рака, как и ее отец. Она оставила имущество в размере 536 210 фунтов стерлингов (на сегодняшний день стоимостью более 1 миллиона фунтов стерлингов), согласно протоколам завещания, но в записях списков избирателей не видно, чтобы ее семья выжила. Вместо этого она создаст июньские стипендии Sutor для исследований по профилактике слепоты в глазном госпитале Moorfields в Лондоне в 1993 году, которые действуют до сих пор. Но гипотеза Сьютора о водородных связях C – H ⋯ O является важным химическим наследием, побуждающим ученых искать другие подобные слабо привлекательные взаимодействия. «Сейчас их десятки, — говорит Тейлор.

Дезираджу продолжал бы писать книгу о слабых взаимодействиях водородных связей и посвятил обзор 1996 года по водородным связям C – H ⋯ O Sutor.8 Это было из уважения к ее системному подходу, но он также «чувствовал, что все к тому времени уже забыли ее». «Теперь невозможно думать о структурной химии или структурной биологии без C – H ⋯ O», — добавляет он.

Тем временем Дезираджу называет очевидные действия Донохью «очень грустным аспектом» истории Сутора. «Когда крупный ученый идет не так, это может оказать очень изнурительное воздействие на поле», — говорит Дезираджу. «Я думаю, что выдающиеся ученые должны быть очень осторожны, когда они критикуют произведение».

Энди Экстанс — научный писатель из Эксетера, Великобритания.

Предоставлено церковью Всех Святых, Хайгейт

Похороны Сутор были проведены в церкви Всех Святых в Хайгейте в июле 1990 года. Порядок службы говорит как о ее научной карьере, так и о ее характере.

«То, что также было очевидно, было ее сильной чертой характера: ее решимость преуспеть в том, что часто считается — или когда-то — миром человека — миром физики и химии и научных исследований».

Нажмите на изображение, чтобы загрузить полный порядок обслуживания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *