Dudley Herschbach (2012) - Glimpses of Chemical Wizardry

In an evangelical spirit, three vignettes will be presented that have the character of molecular parables: stories with lessons that transcend the specific details

I am delighted to be here. I've had a wonderful time and the most wonderful of all was listening to the last 40 minutes by the previous speaker. It's a marvellous, marvellous story. You can learn so much from it beyond the science itself. And what I want to talk about today, oh it's here already, is just to give a few examples of what I call molecular parables. For me a parable is something that carries messages beyond the specific content itself. It's broader, it's to recognise, you sense that, it's a more human thing. There are parables that we still repeat 2,000 years later. So, I always thought that teaching by parables has to be a good way to do it, especially for science. So I'll do 3 of them. But before I do that I'll have a glimpse of 3 things I thought of talking about instead. You know this is my first trip to Lindau and you consider all possibilities for your little appearance. As you've heard my Nobel Prize came quite a long time ago. You can read about all, all you want, on the web so no point in going into that again. The first thing I thought about was a theme that connects a bit to what I wander talking on. There's a cultural gulf often met by and fostered by scientists. And I love MIT, I've great colleagues, I have 2. But this just happens to be an irresistible example. Look here "Mens et Manus", that's mind enhance, wonderful message. But now you have the scholar and the blacksmith to represent those. Do you notice anything rather anomalous? One looks that way, the other looks that way. They have nothing to do with each other, completely the opposite message from this nice model. I had an occasion at MIT a few years ago to show this in the presence of the president of MIT. And I suggested that we should make a transformation, rather simpler than the ones you heard about in the last half hour. You could just interchange these. And then it would send a message more correctly, right? And I was assured that that change would be made, I don't think it's happened yet. I know at least 1 or 2 MIT people here. Is it the case that all these years so many people have overlooked this? Well, there's another moral in that story. Another possibility I thought about was entanglement. I published some papers on that last year. And showing in the case of molecules it's far less mysterious than it's made to be in the usual discussions of entanglement. But I decided that was too subtle for people. So, then I thought of another possible topic that was not subtle at all. Maybe some of you know this book; it would be interesting to talk about this. But I decided not to, I'll do the glimpses I had listed already. But I mention these because at 3 o'clock today I'm to meet with young researchers and those other topics are ones you might want to bring up. So the first example has to do with palytoxin molecule. You know, as a chemical physicist I'm between cultures. And I am sometimes in the presence of physicists that say rather disparaging things about chemistry. One is: "Oh, it's awfully crude; you never do anything very accurately." And then I sometimes succumb to the temptation to remark: Of course the physicists looked a little bit shaken by that. And then of course I mention the example of the synthesis of the palytoxin molecule. It's probably the most poisonous substance we know incidentally. But Professor Kishi I'll describe has synthesised it. What's so remarkable about it is that it's a very floppy kind of thing as you see here. And yet he was able to make just the one isomer of the 2^72 different ones that are possible. If you don't get it right at each left and right turn you can really get seriously lost. But 10^21 is a lot. How did he do it? So I like to ask my physicist friends who have got into this topic. How would you do it as a physicist? And this just illustrates the big cultural gulf between the sciences and an interesting and instructive one I think. How would you do it? Well, you might ask for a few zillion mega bucks or something to figure out how to generate molecules in a very exciting way to make all the possibilities. And then somehow sort out the one in 10^21. My impression is that's essentially, from what we heard yesterday, the way it was, the possible Higgs boson was searched for. They said they wound up finding 10 grains of sand or the equivalent there of an Olympic sized swimming pool filled with sand. This is more or less something like this. That's a good approach. Apparently it worked after lots of effort. But I'll show you a very simple contribution from chemical physics. There was the key thing to doing this remarkable thing synthesising a molecule like this, more than 400 atoms, and getting the right structure at each point, each of the 72 points that really were tricky. Getting what is called the stereochemical isomer. Incidentally, you've read the thing by now. The black dots are carbon, the red are oxygen. This is a little white; it means really an OH group with hydrogen attached. But there's so many hydrogens we don't put them on if they're only attached to carbon. And there's 3 nitrogens, blue ones hidden in various places. So here's Kishi, I've photographed him holding in his left hand an amount of sugar, rather than palytoxin. Nobody could make that much of it and it would kill more than the whole population of the globe if they were to imbibe it. And in the right hand a model of the propylene molecule. Propylene molecule has, if you ignore the methyl group here, is totally flat. I mean if we just had hydrogens in all these places and hydrogen here too, that would be ethylene, very simple molecule, 2 carbons. Adding the methyl group raises the question: How are the bonds in the methyl group oriented relative to the double bond and the plain of the rest of the molecule? Well that's a question that may seem rather trivial but it turns out that bit of information is the key thing. Kishi is a real wizard, used to get the synthesis correct at all 72 places. I tell you how he did it. I put here the correct equilibrium contribution. I should mention you only have to think about three-fold symmetry here, the methyl group, nothing quite as sophisticate as the five-fold symmetry. You've heard the wonderful saga about. But the methyl group is sort of a carbon atom, these 3 hydrogens sticking off in tetrahedral angles between them. And the adjacent atom here in the double bond, that's what we call a plainer sometimes carbon atom. You see it has just 3 things attached to it. So it's a trigonal, we say, carbon atom whereas this is a tetrahedral carbon atom. So, Kishi knowing this in a way I'll describe in a minute, he could introduce anywhere he needed to a double bond. That's a standard thing you can do, well known technique in organic synthesis. And he can do it in such a way that the attaching group that introduces it has a big clunky thing here. A hydrogen atom there. And this is something he adds to deliberately when he wants to create another carbon atom going off in this direction. So by having a big group here and knowing that the hydrogen eclipses is double bond in the equilibrium configuration he knows that the added group is going to come on this side. He does it over and over again, 72 times. Sounds simple right? Well it's not so simple because you're using macroscopic agents. You don't individually get to pluck out these molecules and plug it like tinker toys together. So, whatever you're going to do at some particular site you're working on, you have to be aware of what the reagent you're adding may do at some other site. So you have to take precautions and build scaffolding and so forth to prevent that. And make sure the reaction can only occur where you want it. That's a rather tricky thing. I would compare this to Beethoven writing one of his symphonies. Each note very simple, right? But the combination and the way you have to put them together and all that's what's a masterpiece. So this is a great intellectual accomplishment to do this. The organic chemists were astounded because all the cases of stereospecific synthesis of significant big biological molecules before were cases where you had big rigid ring systems. So you had nice clear reference cases. What Kishi did was realise: which was a contribution that information of microwave spectroscopy studied in chemical physics. Ok so how did he do that? Well, that part was easy. This is the only thing I'm talking about today where I was personally involved in. And one reason I decided to mention this story to the young researchers is that it goes this way. I was a young researcher then, a graduate student. I got the issue of the Journal of Chemical Physics that had an article on the microwave spectrum of propylene. No isotopic version so it wasn't completely determinant of the structure of propylene. In microwave spectroscopy what you deal with primarily are rotational motions of molecules, tumbling in space and the moments of inertia of course depend on the geometry of the molecule, the masses of the atoms. So that's the information you can extract from the spectra. And in this case since we knew from Lloyds work the general structure of propylene, we could calculate pretty well what would happen if we put a deuterium on the methyl group. And then you see you have the option, this diagram is a standard thing, you look along the axis of the methyl group and you see on the other side... If we look at propylene again, you see on the other side if we're looking down this axis, you'll see something sticking out here which in propylene is a hydrogen atom. And on the other side a CH2 group with a double bond. You see looking this way. You put a disc there and that's what that round circle is in the so called Newman diagram. So if it's this configuration, there will be a deuterium sitting here. And if you're adding deuterium in a bulk way, there'll be deuterium that could come there or there. Only 1 deuterium is added. So you're going to get 2, you'll get really 3 things, 2 of them have the same spectrum because they're symmetric. Or if it were this way, if it were stable as had been predicted in a recent theoretical paper before Lloyd's came out. Of course Lloyd's paper did not have any information about the orientation of the methyl group. Then you'd have again 2, but they'd be down here and you'd have the deuterium over here. That would adjust the moments inertia such as the spectral line we're looking at here is this. Well there are a bunch of spectral lines you can look at and it's all the same, only showing one. So you can get 99.9999% proof immediately by just measuring and finding these lines for several transitions. So it's absolutely easy to be absolutely 100% certain that this is the answer. Well of course as chemical physicists we weren't used to making isotopically substituted molecules. So we, meaning my office, Larry Kreisler went to Tom Katz, who was another graduate student in the group of R. B. Woodward, a famous organic chemist at Harvard. And we asked Tom: How do you do this? And he kindly did some literature research and came back and said: That takes about 2 weeks and so forth." We weren't about to do that. He didn't realise that microwave spectroscopy has such high resolution that you could have all the different junk and so on floating around. Only the species we're interested in we could identify completely. Because when you turn on an electric field, these lines split in a certain way that tells you what the J value is. And you could be 100% sure. So we didn't need pure samples. So in half an hour we started with aldehyde bromide which is the same as propylene with the bromine atom on the methyl group. We dripped in D2O with a little zinc catalyst, distilled it in a vac line, we had our sample. In another hour we had the spectrum, knew the answer. Next morning we reported it to Tom Katz and of course he was flabbergasted. Well, we thought that was fun, just one night's work. People came from miles around because this was an historic thing. Not quite like the possible Higgs boson but pretty exciting. And the first reference he gives is to the paper that Larry and I published giving the equilibrium orientation of the methyl group in propylene. I had no idea it would be that interesting or valuable but it turns out it's really universal. In the whole field of stereospecific synthesis had been enormously expanded because you can do floppy molecules this way. Well, most molecules are very floppy. You don't have to rely on special structural things that make it possible otherwise. So I mention all this because it just involves a methyl group. But the next story also just involves a methyl group. I thought this would be a good lead in. When I was a young faculty member at Berkeley, every young woman I knew was reading this book. It's actually the 50 year anniversary about its publication. Sex and the Single Girl, Helen Gurley Brown. It was a sensation, it sold, I think, 3 million copies the first 2 weeks. It was a publishing sensation. Actually, there was very little sex in this book. It was a little like Stephen Hawkins' "Brief History of Time", you know, you read the first part and then you're not quite getting what you thought you might. But any rate. And more recently there's a takeoff on it, Sex in the City, they sort of borrowed the title. I'm borrowing it too; I'm saying Sex and the Single Methyl Group. I want you to recognise how important that single methyl group is. And sex among other things. We've already seen how important it is if you want to synthesise palytoxin or something like that. Ok, well here is the essence of the story. There is a region of the Y chromosome. I see quite a few people with Y chromosomes here. It's called the sex determining region. The Y chromosome is a little pitiful. It only has room for 35 genes or so compared with the X chromosome which has 2,000 or more at least. And it seems that there's evidence that historically the Y chromosome used to be a lot larger but it may have shrunk quite a lot with time. And perhaps it will keep doing so. I see some XX people smiling a little at that thought. Anyway, for human XY foetus you can't tell for the first 35 days by ultrasound or anything whether it's going to be male or female. You can't tell whether it's XY or XX because in terms of anatomy it looks just the same. But on the 35th day there's this genetic switch that's if DNA operates properly, you get a male baby. Of course, we know that XY. But it fails sometimes; about 1 in 50 to 100,000 times the case is it will fail. And the usual case is a mutation that, if it fails at all, replaces a certain amino acid, a particular site by another one. And they only differ by a methyl group. That one methyl group shortens the isoleucine amino acid side group and renders inactive this key gene that's involved in this switch. So then the baby is viable, born but in terms of anatomy it's female but with XY. You may have heard years ago there was a big fuss in the Olympics because they had a case like this, infertile. Ok, well this is a parable because doesn't it make you think a little bit about, gosh, only a methyl group. A methyl group, here is this one which incidentally NMR, of the sort you heard a wonderful talk about earlier from Kurt and all, demonstrated this. It's the work of Michael White who is at Carnegie Mellon now. But just that methyl group. Now, you're always told, maybe even some of you young people have heard this, that you should tell your kids about the birds and the bees. And we have people from different cultures here. Have you the equivalent phrase in your culture? I learned that it's true in Germany. You have a similar term to birds and the bees. No other, so they don't tell you at all about sex. How many are told something about sex by their parents or someone else? Astounding. I'm amazed, how are you planning to contribute to reproduction of our species? Are you all working so hard? It makes me wonder, I can't help it. Ok, what if that methyl group were lacking more often. You see, nobody tells their kids about the birds and the bees. Because while birds reproduce somewhat like mammals there are rather big differences. The egg is one of them. Bees don't replicate the way mammals do. You know the bees have an infertile worker class. Well if this methyl group were lacking more often we'd have an infertile working class. We'd probably call it XY on their T-shirts or whatever, right. The XYs, all you XYs, you don't look too worried, but it might happen eventually. Happen as the mutation kept going. However, I see some XX people again smiling a little at the prospect but you ought to be aware that because you're XX you're actually at risk. If certain genes on both of the X chromosomes you have were fully active or expressed as the biochemist says, you would not be viable. Because that gene generates a certain protein as you know. That protein is probably an enzyme that controls other things. And if you double the rates and so on certain things that cause cascades of other, can't go. So one or the other of your X chromosomes has to be turned off in every cell. And it's done randomly. And how is it done? You don't have to understand science at all, only psychology. If a professor asks a question like that in a context like this, you must know the answer immediately, right? Where is the faint voice back there? A methyl group, it's attached, you attach a methyl group and that deactivates the gene. This is a very general mechanism; it applies not just to sex but a lot of other things. It's a big subject but this is the essence of it. But it qualifies as a parable because it makes you think of what our society might be if the methyl group were not where it usually is. Ok, so the last of the little things I intended to do... Oh sorry, I haven't quite finished this subject on the X. You've heard about testosterone. Some of you even have an excess, oh excuse me, and oestrogen. Look at this! This is a trivial difference here. Any chemist knows you can have either form easily. This you would get by simply adding the methyl group right there. You'd turn a trigonal carbon into a tetrahedral carbon. That's it ladies and gentleman, you're not too different, just a methyl group, yeah. Ok, think about that. Now the last little episode is fun. Recently Yo-Yo Ma, who I am fortunate enough to know personally, approached me and said: How many of you have heard of his Silk Road project? Boy, this audience is very... Ok good, we have 10 people. That's more than usual, no no, much less than usual. More than 10 years ago Yo-Yo Ma launched this Silk Road project to celebrate and interest people in the great saga of the Silk Road, the one from India and China all the way to the civilisations of the Mediterranean. Marco Polo came back with that information and had a huge impact on the development really of our whole civilisation. And much was traded there and among the things traded were Indigo. It's a blue dye that is very, very prized, not only because it was very hard to get anywhere any kind of dyes, really good blue dyes. But it had a mystic quality that in the final stages of dying with it, as you brought it out of solution, it turned magically blue as it came out. Supernatural kind of mystical thing as so much of chemistry is. But his idea was since it's now a big section on studying this Silk Road, not only the music but all the cultural and wars and all the rest connected with it through history. It's part of the curriculum in middle schools and high schools now, thousands of schools use it. But we had talked about how to get science more into our general culture. And he said: "Well, I'd like to have some in the Silk Road. And indigo should be a good case because it's a molecule that's very interesting and you can tell a story." So, here's a magazine that arrived, resulted from this. It's Calliope and it's written for 10 to 11 year olds, that's the target. So that means this won't be too high level for this audience I don't think. And here this issue has all sorts of chapters, a whole history and all things. And I have, what he wanted to do, I wrote a little chapter about how the synthesis of indigo totally transformed everything. For millennia it had involved huge amounts of human labour, very intensive. And it also led to wars, slavery, all kinds of ugly things. But when the synthesis actually succeeded as I'll describe it. It completely wiped out that whole industry within 10 years and it's still, it's almost all made by chemistry today. And then a little section on what the indigo molecule is. I wonder. How many of you know what the indigo molecule is? Not a single hand, not even among that row of NLs. Don't be embarrassed, I asked my organic colleagues, they didn't know what it was. Isn't that a shame? Because the story I think ought to be told at the start of any organic chemistry class. It's really very instructive in a general way. Just as in my first story the punch line was holy smoke. You know one little bit of key information. Look what you can do with it, if you've got a wizard like Kishi to take advantage. Or Beethoven in the case of notes. Well, here's a typical chem lab in the 1890's. You notice anything missing there? There's no sign of the NMR, any spectroscopic apparatus of any kind. All those people could do was weigh macroscopic amounts of reagents and products, melt and boil, sniff, sometimes taste, drop other crystals in, play games, guess. That's what they could do. And look what they accomplished. These are all figures from the little article that... I didn't find these figures. They were put in my article for me. Really the dye industry which had a tremendous impact in the industrial revolution was launched earlier before the indigo syntheses; I'm going to tell you about. An 18 year old, another reason I want you to hear this story, accidently found a way to make a very striking purple dye called mauve. And when Queen Victoria... He immediately applied for a patent and launched a company before he was 19, I think. But he made it just from messing around with coal tar which there was great an excess in the 19th century lying around. But Queen Victoria wore this to her daughter's wedding. It touched off a firestorm of interest and boosted the dye industry immediately. There was a great competition in the dye industry between Britain and Germany. Germany won hands down, within 20 years they had most of the dye industry. Why? Historians know why and they've emphasised this, the Germans had better chemistry education than the Brits had. And may perhaps still be true, I'm not sure. But at any rate that's a lesson, the parable; it's always nice to have a bunch of lessons. But how about indigo? Here is what the molecule looks like. It has 30 atoms but a physicist ought to like it because the 2 halves are identical, they are just rotated 180 degrees and then connected by a double bond here. That's the ball and stick kind of model where you can see double bonds and so on. And this is a space filling model. You notice it's flat. You're familiar with probably Pi electrons are all sticking up from the plain. That's one reason why it packs very strongly together. Blocks of indigo have been found in sunken ships. They've been under water for 2 or 3 centuries, absolutely intact still. You can take it out and still use it. And it melts very high. It's just from those Pi electrons, the way they pack and so on. But that's this beautiful molecule. Now here's... we get to the heart of this story. It was synthesised in the 19th century. And the dates involved are really intriguing to me. When I sat down to write an article for 9 year olds about chemistry, I thought gee whiz, you know I can't mess around with any fancy details. They know about atoms I guess and that's about it. You know, like the average physicist attitude towards chemistry. But, so I thought the thing to do is start. And I think I wrote something like: Something like that, it went on. Well, this fellow in 1865 figured out the correct structure of indigo. It's like the ball and stick thing, you saw in the previous slide. Well, some of you who have taken organic chemistry or even freshman chemistry, the text books will mention that in the 19th century people were confused about whether, say, water was OH or H2O. They were not quite clear the difference between atoms and molecules connected together, atoms connected together as a molecule and how many were and so on. And there was a famous conference, I don't know if it was at another lake which is of course enchanting place. And an Italian, Cannizzaro, sets people straight. Finally they can understand. Not till 1860 did professional chemists have a clear picture of how to really tell you when you had a molecule or you know the correct molecular structure. You could get the elemental composition in those days by taking it apart cooking it so hard you could separate all the elements and all. Flame things and you could detect what they were. But how they're connected together, as I said no spectroscopy, no mass spec, no NMR, nothing like that to help out. But he figured it out empirically by comparing it with his experiences and guesses. He had a 6-membered ring, must be attached to a 5-membered. By 1880 he figured out 2 ways to actually synthesise it. You could check he had the right stuff by finding out the same melting point and so forth. But it wasn't commercial viable. And that touched off literally a gold rush. Because it was such a valuable material for trade and it still took 17 years to get a commercial synthesis. And the BASF company actually invested practically its whole net worth in this one project. And it succeeded in 1897. Every physicist knows what happened in 1897. Any of you not know, I want you to all raise your hands if you know. Gosh this raising hand thing is a little... Are you a little too tired to raise your hands? Have you ever heard of J. J. Thomson and the electron 1897? Ok, I see some of those gentlemen there nodding. Yes, they remember now. So look, it wasn't until 1897 that they even knew atoms had electrons in them. And of course it wasn't until 1911 that anybody knew there was a nucleus in there with Rutherford. So these guys didn't know what they were doing. They just knew there were such things. Or some of them thought... other people weren't absolutely sure there were atoms. This thermodynamic view was... You don't want to mess around talking about details like that. But anyway the synthetic chemists knew they were or believed they were and made lots of molecules with their imperfect knowledge but their empirical adventures. And after 1897 when the 10 years, as I mentioned, totally wiped out the human cooking and all that went on to make indigo in the old way. And today about 20,000 tonnes are still made every year, most to dye blue jeans. I see a nice pair of indigo dye blue jeans there for example. So that's the key story of the second one. And I want to go on now to... Oh, if you want any references, there's the palytoxin story. I published a bit about it in Physics today. I started out by pointing out to Arthur Schawlow who is a dear friend of mine. I had a dictum that is now out of date that said that a diatomic molecule has 1 atom too many. That was the attitude of physicists. That's changed in recent years, people appreciate molecules more. But anyway Sex and the single methyl group, here's the work of Michael Weiss and his colleagues who demonstrated that aspect. And here's a couple of places where I have written about it. And here's the indigo saga. If you have any grandkids or whatever, I can recommend the Calliope. It's a wonderful magazine. But now I want to draw the final conclusion which I realised for a lot of things, an advice you should all take. So, let's take it away, let's have the music. Here's a song by Cole Porter, notice the date, oh goodie, you dance... (laughter and applause). Hear the words, wait till the song comes. You all have learned reliance on the sacred teachings of science, so I hope through life you never will decline, in spite of Philistine defiance. To do what all good scientists do. Experiment, make it your motto day and night. Experiment and it will lead you to the light. The apple on the top of the tree is never too high to achieve, so take an example from Eve, to experiment... 2 X chromosomes, the first human experimenter, pay homage to her. Some of them physicists. Thank you. Applause I just want to add one comment which I don't really need to because it is obvious to you. I should have dedicated this song to the previous speaker. It simplifies it all so well. Thank you.

Ich freue mich, hier sein zu können. Ich verbringe hier eine wunderbare Zeit. Und das Wunderbarste war, in den letzten 40 Minuten dem vorherigen Sprecher zuzuhören. Es ist einfach eine so fabelhafte Geschichte. Man kann daraus so Vieles lernen, was über die Wissenschaft hinausgeht. Und das, worüber ich hier heute reden möchte, sind ein paar Beispiele, die ich als molekulare Parabeln bezeichne. Eine Parabel ist für mich eine Geschichte, die über ihren konkreten Inhalt hinausgehende Botschaften transportiert. Das ist umfassender. Es geht um Erkenntnisse. Man spürt das, es geht um eine eher menschliche Dimension. Es gibt Parabeln, die wir auch nach 2.000 Jahren noch erzählen. Deshalb dachte ich immer, dass das Lehren über Parabeln doch ein guter Weg sein müsste, insbesondere in der Wissenschaft. Deshalb will ich Ihnen drei solcher Parabeln vorstellen. Aber bevor ich damit beginne, möchte ich kurz auf drei Themen eingehen, die ich auch als Thema erwogen hatte. Sie wissen ja, dass dies meine erste Reise nach Lindau ist und da bedenkt man alles Mögliche im Zusammenhang mit dem bescheidenen Auftritt. Wie Sie gehört haben, erhielt ich meinen Nobelpreis bereits vor langer Zeit und Sie können darüber im Internet alles nachlesen. Deshalb macht es keinen Sinn, das hier zu wiederholen. Das erste Thema, das mir in den Sinn kam, hat ein bisschen mit dem zu tun, über das ich tatsächlich reden werde. Es gibt eine kulturelle Kluft, die von Wissenschaftlern oft bedient und gefördert wird. Ich liebe das MIT, ich habe da hervorragende und großartige Kollegen. Ich habe zwei. Aber dennoch scheint mir das ein unwiderstehlich gutes Beispiel zu sein. Sehen Sie hier: "Mens et Manus", also Geist und Hand, eine wundervolle Botschaft. Aber dann gibt es da den Gelehrten und den Schmied, die diese beiden Aspekte repräsentieren sollen. Fällt Ihnen da etwas ziemlich Anomales auf? Der eine schaut in die eine Richtung, der andere in die entgegengesetzte Richtung. Sie haben nichts miteinander zu tun, genau die gegenteilige Botschaft zu dieser schönen Vorstellung. Ich hatte vor einigen Jahren am MIT die Gelegenheit, dies in Gegenwart des MIT-Präsidenten zu präsentieren. Und ich schlug eine Veränderung vor, wesentlich einfacher als die, von der Sie in der letzten halben Stunde gehört haben. Man könnte die beiden Figuren einfach vertauschen. Und dann würde das die Botschaft besser transportieren, oder nicht? Mir wurde damals zugesichert, dass man diese Änderung umsetzen wolle. Aber ich glaube nicht, dass das wirklich geschehen ist. Ich kenne mindestens ein oder zwei MIT-Mitarbeiter hier. Stimmt es, dass so viele Mitarbeiter das all die Jahre übersehen haben? Nun, es gibt noch eine andere Moral in der Geschichte. Eine andere Möglichkeit, über die ich nachdachte, war die Verschränkung. Ich habe darüber im letzten Jahr einige Artikel veröffentlicht. Und wie sich im Fall der Moleküle herausstellt, ist das wesentlich weniger mysteriös, als es in den üblichen Diskussionen über Verschränkung erscheint. Aber ich hatte den Eindruck, dass das doch ein zu hintersinniges Thema wäre. Deshalb dachte ich über ein weiteres mögliches Thema nach, das überhaupt nicht hintersinnig ist. Möglicherweise kennen einige von Ihnen dieses Buch hier. Es wäre wirklich interessant, darüber zu reden. Aber ich habe mich dagegen entschieden und werde Ihnen stattdessen die Einblicke gewähren, die ich bereits vorbereitet hatte. Aber ich erwähne das hier, weil ich mich heute Nachmittag um 15.00 Uhr mit jungen Wissenschaftlern treffe und das vielleicht Themen sind, über die Sie sprechen möchten. Das erste Beispiel hat mit dem Palytoxin-Molekül zu tun. Wissen Sie, als Physikochemiker bewege ich mich zwischen den Kulturen. Und ich höre manchmal in der Gegenwart von Physikern ziemlich abfällige Bemerkungen über die Chemie. Einer lautet: "Oh, das ist schrecklich ungenau. Nie macht man da etwas mal ganz genau." Und dann erliege ich manchmal der Versuchung zu antworten: Das ist doch respektabel, oder nicht?" Die Physiker haben dann natürlich etwas erschüttert geguckt. Und dann erwähne ich natürlich das Beispiel der synthetischen Herstellung des Palytoxin-Moleküls. Es ist übrigens die wohl giftigste Substanz, die wir kennen. Aber Professor Kishi hat sie, wie ich beschreiben werde, synthetisch hergestellt. Was so bemerkenswert daran ist, ist die Tatsache, dass es sich dabei um eine ziemlich weiche Angelegenheit handelt, wie Sie hier sehen. Und doch war er in der Lage, genau dieses eine von 2^72 verschiedenen möglichen Isomeren herzustellen. Wenn man das nicht bei jeder Links- und Rechtsdrehung richtig macht, kann man sich wirklich verirren. Aber 10^21 ist eine Menge. Wie hat er das gemacht? Ich würde gerne meine Physikerfreunde fragen, die in diesem Thema drin sind. Wie macht man das als Physiker? Und das verdeutlicht doch gerade die tiefe kulturelle Kluft zwischen den Wissenschaften - und zwar eine interessante und lehrreiche Kluft, wie ich finde. Wie würden Sie das machen? Nun, man kann enorme Mega-Budgets beantragen, um auf sehr aufregende Art und Weise herauszufinden, wie sich Moleküle generieren lassen, nämlich, indem man alle Möglichkeiten durchprobiert. Und dann findet man irgendwie ein Molekül aus 10^21. Das entspricht nach meinem Eindruck dann im Wesentlichen dem Weg, wie man nach dem Higgs-Boson gesucht hat, wie wir gestern gehört haben. Man hat sich aufgemacht, um zehn Sandkörner bzw. die äquivalente Menge davon in einem mit Sand gefüllten Swimmingpool in Olympiagröße zu finden. Um solche Größenverhältnisse geht es mehr oder weniger auch hier. Das ist ein guter Ansatz. Schließlich hatte er nach vielen Bemühungen Erfolg. Aber ich möchte Ihnen einen sehr einfachen Beitrag der Chemikophysiker zeigen. Entscheidend war diese bemerkenswerte Synthetisierung eines Moleküls wie dieses hier, mit mehr als 400 Atomen und der richtigen Struktur an jedem Punkt, an jedem der 72 Punkte. Das war wirklich sehr verzwickt. Es ging im Ergebnis um das, was als stereochemisches Isomer bezeichnet wird. Wahrscheinlich haben Sie das inzwischen gelesen. Die schwarzen Punkte sind Kohlenstoff, die roten sind Sauerstoff. Hier ist ein kleiner weißer Punkt. Er steht für eine OH-Gruppe mit gebundenem Wasserstoff. Aber das sind so viele Wasserstoffatome, dass wir sie nicht dargestellt haben, wenn sie nur an Kohlenstoff gebunden sind. Und dann gibt es die drei blauen Stickstoffatome, die an verschiedenen Stellen versteckt sind. Das hier ist übrigens Kishi. Ich habe ihn mit Zucker statt Palytoxin in der linken Hand fotografiert. Niemand hätte etwas davon und es würde mehr als die gesamte Erdbevölkerung auslöschen, wenn sie sich das einverleiben würde. Und in der rechten Hand hält er ein Modell des Propylen-Moleküls. Das Propylen-Molekül ist, wenn man die Methylgruppe hier ignoriert, völlig flach. Wenn wir an all diesen Stellen nur Wasserstoffatome und auch hier Wasserstoff hätten, wäre das Äthylen, ein sehr einfaches Molekül, zwei Kohlenstoffatome. Nach Hinzufügen der Methylgruppe stellt sich die Frage: Wie sind die Verbindungen in der Methylgruppe im Verhältnis zur Doppelbindung und Fläche des restlichen Moleküls ausgerichtet? Die Frage erscheint vielleicht ziemlich trivial. Aber es zeigt sich, dass ein bisschen Information entscheidend ist. Kishi ist ein echter Zauberer, dem die Synthese an allen 72 Stellen korrekt gelang. Ich erzähle Ihnen, wie er das gemacht hat. Ich nehme hier den richtigen Gleichgewichtsbeitrag. Ich sollte erwähnen, dass man hier nur über Dreifachsymmetrie nachdenken muss, die Methylgruppe, nicht so etwas Komplexes wie fünffache Symmetrie, über die Sie diese wundervolle Geschichte gehört haben. Aber die Methylgruppe ist eine Art von Kohlenstoffatom, aus dem diese drei Wasserstoffatome in tetrahedralen Winkeln dazwischen heraus stehen. Und das benachbarte Atom hier in der Doppelbindung bezeichnen wir manchmal als flacheres Kohlenstoffatom. Sie sehen, dass daran nur drei Elemente gebunden sind. Wir nennen das also ein trigonales Kohlenstoffatom, während das hier ein tetrahedrales Kohlenstoffatom ist. Wie Kishi das herausgefunden hat, werde ich gleich beschreiben. Er konnte überall dort, wo er es benötigte, eine Doppelbindung einführen. Das ist ein Standardverfahren, eine bekannte Technik in der organischen Synthese. Und das kann er dann so realisieren, dass die entsprechende bindende Gruppe hier ein großes, klobiges Ding hat und dort ein Wasserstoffatom. Und das ergänzt er absichtlich, wenn er ein weiteres Kohlenstoffatom erzeugen möchte, das sich in diese Richtung orientiert. Durch das Vorhandensein einer großen Gruppe an dieser Stelle und weil ihm bekannt ist, dass die Wasserstoffeklipsen in der Gleichgewichtskonfiguration doppelt gebunden sind, weiß er, dass sich die hinzugefügte Gruppe auf dieser Seite konfigurieren wird. Er wiederholt das immer wieder, 72 Mal. Klingt einfach, nicht wahr? Das ist aber gar nicht so einfach, weil man makroskopische Wirkstoffe verwendet. Man reißt diese Moleküle nicht einzeln wie Steckspielzeug auseinander und fügt sie dann wieder zusammen. Was auch immer man an einer speziellen Stelle, an der man arbeitet, macht: Man muss sich im Klaren darüber sein, was das hinzugefügte Reagens an einer anderen Stelle bewirken könnte. Man muss also für entsprechende Grundlagen und Vorsichtsmaßnahmen sorgen, die das verhindern, und sicherstellen, dass die Reaktion nur dort stattfinden kann, wo sie erwünscht ist. Das ist eine ziemlich heikle Angelegenheit. Ich würde das mit dem Schreiben einer Sinfonie durch Beethoven vergleichen wollen. Jede Note an sich ist sehr simpel. Aber die Kombination und die Art und Weise, wie alle Noten zusammengefügt werden und all das andere, das ist das wahre Meisterstück. Das ist eine große intellektuelle Leistung. Die Organiker waren wirklich verblüfft, weil vorher alle Fälle der stereospezifischen Synthese von signifikanten, großen, biologischen Molekülen Fälle eines Riesensystems mit starrem Ring waren. Deshalb ergaben sich schöne, eindeutige Referenzfälle. Kishi erkannte: "Ah, ich kann meine Referenzkonfiguration bei Bedarf jedes Mal durch Nutzung dieses sehr einfachen Falls einbauen", was ein Beitrag aus der Mikrowellenspektroskopie war, die er in der Chemikophysik studiert hatte. Wie hat er das geschafft? Nun, der Teil war einfach. Das ist übrigens auch die einzige Angelegenheit, über die ich heute rede, an der ich persönlich beteiligt war. Und einer der Gründe für mich, diese Geschichte hier vor jungen Nachwuchswissenschaftlern zu erzählen, hat mit Folgendem zu tun. Ich war damals selbst junger Nachwuchswissenschaftler, Promotionsstudent. Mir fiel eine Ausgabe des Journal of Chemical Physics mit einem Artikel über das Mikrowellenspektrum von Propylen in die Hände. Keine isotopische Version, sodass sie auch nicht völlig ausschlaggebend für die Propylen-Struktur war. In der Mikrowellenspektroskopie hat man es hauptsächlich mit Rotationsbewegungen von im Raum taumelnden Molekülen zu tun. Und die Trägheitsmomente sind natürlich von der Geometrie des Moleküls, den Massen der Atome abhängig. Diese Informationen kann man aus den Spektren extrahieren. Und da wir aus Lloyds Arbeiten die allgemeine Struktur von Propylen kannten, konnten wir in diesem Fall sehr gut berechnen, was passieren würde, wenn wir in der Methylgruppe ein Deuteriumatom ergänzen. Und dann erkennt man die Option - dieses Diagramm hier ist eine Standardangelegenheit - dann schaut man entlang der Achse der Methylgruppe und sieht auf der anderen Seite ... Wenn wir uns erneut Propylen anschauen, sehen wir auf der anderen Seite entlang dieser Achse etwas herausstehen, das ein Wasserstoffatom in Propylen ist. Und auf der anderen Seite eine CH2-Gruppe mit einer Doppelbindung. Die Beobachtungsrichtung geht in diese Richtung. Man fügt dort eine Scheibe ein und das ist dann dieser runde Kreis im so genannten Newman-Diagramm. Bei dieser Konfiguration befindet sich also hier ein Deuterium. Und wenn man Deuterium in Massen ergänzt, könnte sich Deuterium hier oder dort ansiedeln. Es wird nur ein Deuterium-Atom hinzugefügt. Und dann erhält man zwei oder eigentlich drei Dinge, von denen zwei das gleiche Spektrum haben, weil sie symmetrisch sind. Oder wenn es so wie hier wäre, wenn es stabil wäre, wie in einem kürzlich veröffentlichten theoretischen Papier vorhergesagt wurde, bevor der Aufsatz von Lloyd herauskam dann hätte man also erneut zwei. Aber sie wären dann hier unten und das Deuterium wäre hier. Das würde die Trägheitsmomente so anpassen, dass die Spektrallinie, auf die wir hier schauen, so aussähe. Nun, dort gibt es ein ganzes Bündel an Spektrallinien zu beobachten, die alle gleich aussehen, weshalb nur eine gezeigt wird. Man erhält also durch einfaches Messen und Untersuchen dieser Linien auf mehrere Übergänge unmittelbar den 99,9999%-igen Nachweis. Es ist also absolut leicht, sich zu 100% sicher zu sein, dass dies die Antwort ist. Als Chemikophysiker waren wir es natürlich nicht gewohnt, isotopisch ersetzte Moleküle herzustellen. Deshalb machten wir uns, das heißt mein Büro, also Larry Kreisler machte sich auf den Weg zu Tom Katz, einen anderen Promotionsstudenten in der Gruppe von R. B. Woodward, dem bekannten Organiker in Harvard. Und wir fragten Tom: "Wie macht man das?" Und er betrieb freundlicherweise etwas Literaturforschung und kam wieder auf uns zu und sagte: Er ahnte nicht, dass die Mikrowellenspektroskopie eine dermaßen hohe Auflösung hat, dass man all das unterschiedliche Zeug, das da herumtreibt, erkennt. Nur die Spezies, die uns interessierte, konnten wir vollständig identifizieren. Denn, wenn man ein elektrisches Feld aktiviert, teilen sich diese Linien in einer bestimmten Weise, die anzeigt, welcher J-Wert vorliegt. Und man konnte zu 100% sicher sein. Deshalb brauchten wir keine reinen Proben. Innerhalb einer halben Stunde begannen wir also mit Aldehyd-Bromid, was das gleiche wie Propylen ist, nur mit dem Brom-Atom an der Methylgruppe. Mit einem kleinen Zinkkatalysator tropften wir D2O ein, destillierten das in einer VAC-Linie und hatten unsere Probe. Nach einer weiteren Stunde hatten wir das Spektrum, kannten die Antwort. Als wir das am nächsten Morgen Tom Katz berichteten, war der natürlich völlig verblüfft. Und wir waren begeistert, dass das in einer einzigen Nacht zu bewerkstelligen war. Und weil das eine historische Angelegenheit war, waren die Leute von weit her angereist. Das war nicht ganz mit der potenziellen Entdeckung des Higgs-Bosons vergleichbar, aber ziemlich aufregend. Und die erste Quellenangabe, die er macht, war das von Larry und mir zur Gleichgewichtsorientierung der Methylgruppe in Propylen veröffentlichte Papier. Ich hatte keine Ahnung, dass das so interessant oder wertvoll sein würde. Aber es hat sich als wirklich universell herausgestellt. Im gesamten Bereich der stereospezifischen Synthese hat das eine enorme Verbreitung gefunden, weil man auf diese Art und Weise weiche Moleküle herstellen kann. Nun, die meisten Moleküle sind sehr weich. Man braucht sich nicht auf spezielle Strukturen zu stützen, die das anderweitig ermöglichen. Ich erwähne das alles, weil nur eine Methylgruppe erforderlich ist. Auch die nächste Geschichte hat mit nur einer Methylgruppe zu tun. Ich dachte, dies wäre eine gute Einleitung. Als ich junges Fakultätsmitglied an der Berkeley-Universität war, hat jede junge Frau, die ich kannte, dieses Buch gelesen. Es hat übrigens gerade den 50. Geburtstag seiner Veröffentlichung gefeiert. "Sex and the Single Girl" von Helen Gurley Brown. Das war damals eine Sensation, ein Bestseller. Das Buch wurde innerhalb von zwei Wochen drei Millionen Mal verkauft. Das war eine Verlagssensation. Tatsächlich ging es in diesem Buch kaum um Sex. Es war in etwa so wie mit dem Buch "Eine kurze Geschichte der Zeit" von Stephen Hawkins. Man liest den ersten Teil und weiß, dass man etwas anderes vor sich hat als erwartet. Und in jüngerer Zeit gibt es eine Nachahmung dazu, "Sex in the City". Die haben sich gewissermaßen den Titel geborgt. Und ich borge ihn mir jetzt auch mal und sage "Sex and the Single Methyl Group". Ich möchte Ihnen klarmachen, wie bedeutsam diese einzelne Methylgruppe ist. Und Sex unter anderem übrigens auch. Wir haben bereits gesehen, wie wichtig das ist, wenn man Palytoxin oder etwas Ähnliches synthetisieren möchte. Nun, hier ist die Essenz der Geschichte. Es gibt eine Region im Y-Chromosom. Ich sehe hier so einige Menschen mit Y-Chromosomen. Man nennt das die geschlechtsdeterminierende Region. Das Y-Chromosom ist etwas kläglich, denn es hat nur Platz für rund 35 Gene. Im Vergleich dazu bietet das X-Chromosom Platz für mindestens 2.000 Gene. Und es scheint Belege dafür zu geben, dass das Y-Chromosom in der Vergangenheit wesentlich größer war, aber mit der Zeit enorm geschrumpft ist. Und vielleicht setzt sich diese Entwicklung ja fort. Und auf dem Gesicht einiger XX-Menschen sehe ich bei diesem Gedanken ein Lächeln auftauchen. Auf jeden Fall kann man bei einem menschlichen XY-Fötus in den ersten 35 Tagen weder mit Hilfe von Ultraschall noch in anderer Weise vorhersagen, ob es ein Junge oder ein Mädchen wird. Man kann nicht sagen, ob es XY- oder XX-Chromosomen sind, weil sie anatomisch exakt gleich aussehen. Aber am 35. Tag kommt dieser genetische Schalter zum Einsatz und dann bekommt man einen Jungen, wenn die DNA ordnungsgemäß funktioniert. Das kennen wir natürlich, dieses XY. Aber manchmal misslingt das. In einem von 50.000 bis 100.000 Fällen geht das schief. Und der übliche Fall ist eine Mutation, die, sofern das komplett schief geht, eine bestimmte Aminosäure, eine bestimmte Stelle durch eine andere ersetzt. Und sie unterscheiden sich nur durch eine einzelne Methylgruppe. Diese einzelne Methylgruppe verkürzt die Isoleukin-Aminosäuren-Stelle der Gruppe und deaktiviert dieses Schlüsselgen, das an diesem Schalter beteiligt ist. Und das Baby kommt lebensfähig auf die Welt und ist im anatomischen Sinne ein Mädchen, aber mit XY. Vielleicht können Sie sich an den Wirbel bei den Olympischen Spielen vor einigen Jahren erinnern, weil dort ein solcher Fall vorkam. Infertil. Okay, das ist eine Parabel. Denn bringt uns das nicht etwas ins Grübeln, dass es nur um eine einzige Methylgruppe geht? Eine Methylgruppe. Hier ist eine, die mit NMR-Spektroskopie der Art, über die wir diesen wunderbaren Vortrag von Kurt gehört haben, nachgewiesen wurde. Es war vor allem die Arbeit von Michael White, der heute am Carnegie Mellon arbeitet. Aber nur diese eine Methylgruppe. Nun, es wird einem immer erzählt - und vielleicht war das auch bei einigen von Ihnen als junge Menschen der Fall - dass man seinen Kindern etwas über "birds and bees" erzählen sollte. Und hier sind Menschen aus unterschiedlichen Kulturen. Fällt Ihnen der äquivalente Begriff aus Ihrem Kulturkreis dazu ein? Ich habe erfahren, dass er auch in Deutschland gilt. Dort soll es einen ähnlichen Ausdruck mit Blumen und Bienen geben. Keine weiteren Begriffe? Also hat man Ihnen überhaupt nichts über Sex erzählt? Wer von Ihnen wurde von seinen Eltern oder jemand anderem über Sex aufgeklärt? Erstaunlich. Ich bin verblüfft. Wie wollen Sie Ihren Beitrag zur Reproduktion unserer Spezies planen? Arbeiten Sie alle so hart? Das wundert mich, ich kann mir nicht helfen ... Okay, was würde passieren, wenn diese Methylgruppe öfter fehlt? Keiner erzählt seinen Kindern etwas über Vögel und Bienen. Während sich Vögel ähnlich vermehren wie Säugetiere, gibt es doch große Unterschiede. Einer der Unterschiede ist das Ei. Bienen pflanzen sich anders fort als Säugetiere. Bei den Bienen gibt es eine unfruchtbare Arbeiterklasse. Wenn diese Methylgruppe öfter fehlen würde, hätten auch wir bald eine unfruchtbare Arbeiterklasse. Das wären die mit dem XY auf ihren T-Shirts. Die XYs, all Ihr XYs. Sie schauen nicht gerade besorgt, aber das könnte tatsächlich passieren, wenn die Mutation sich in dieser Weise fortsetzt. Allerdings sehe ich auch jetzt einige XX-Menschen bei dieser Aussicht ein bisschen lächeln. Aber Sie sollten sich der Tatsache bewusst sein, dass Sie als XX-Menschen wirklich riskant leben. Wenn nämlich bestimmte Gene auf beiden X-Chromosomen voll aktiv oder exprimiert sind, wie der Biochemiker sagt, wären Sie nicht lebensfähig, weil das Gen ein bestimmtes Protein erzeugt, wie Sie wissen. Dieses Protein ist wahrscheinlich ein Enzym, das andere Dinge steuert. Und wenn man die Raten verdoppelt usw., können bestimmte Dinge kaskadenartig weitere Prozesse auslösen, das wäre ein Problem. Das eine oder andere Ihrer X-Chromosomen muss also in jeder Zelle deaktiviert werden. Und das geschieht willkürlich. Und wie geschieht das? Sie brauchen kein wissenschaftliches Verständnis zu haben, sondern es reicht Psychologie. Wenn ein Lehrer eine derartige Frage in einem Kontext wie diesem stellt, müssen Sie die Antwort sofort wissen, oder? Woher kommt die schwache Stimme dahinten? Eine Methylgruppe, sie ist angehängt. Eine Methylgruppe wird angehängt und das Gen dadurch deaktiviert. Das ist ein sehr allgemeiner Mechanismus. Der gilt nicht nur für das Geschlecht, sondern auch für viele andere Dinge. Das ist ein ganz großes Thema, dessen Essenz das hier ist. Es eignet sich als Parabel, weil man gezwungen wird, darüber nachzudenken, wie unsere Gesellschaft aussähe, wenn die Methylgruppe nicht an der Stelle wäre, an der sie sich normalerweise befindet. Okay, dann noch die letzte kleine Geschichte, die ich erzählen wollte ... Oh, Entschuldigung. Ich war ja noch nicht ganz fertig mit diesem X-Thema. Sie haben von Testosteron gehört - einige von Ihnen haben möglicherweise sogar einen Überschuss davon, entschuldigen Sie bitte - und Östrogen. Schauen Sie sich das hier an! An dieser Stelle liegt ein ganz trivialer Unterschied. Jeder Chemiker weiß, dass beide Formen einfach zu erzeugen sind. Diese hier erhält man durch einfache Ergänzung der Methylgruppe genau an dieser Stelle. Man ändert einen trigonalen in einen tetrahedralen Kohlenstoff. Das ist es schon, meine Damen und Herren. Sie unterscheiden sich gar nicht so sehr, nur um eine Methylgruppe. Denken Sie darüber mal nach. Die letzte kleine Geschichte macht Freude. Vor einiger Zeit wandte sich Yo-Yo Ma, den ich glücklicherweise persönlich kenne, an mich und sagte: Wer von Ihnen hat schon von seinem Seidenstraßenprojekt gehört? Oh, das ist wirklich ein besonderes Publikum hier... Wir haben zehn Leute. Das ist mehr als üblich, nein, nein viel weniger als üblich. Vor über zehn Jahren initiierte Yo-Yo Ma sein Seidenstraßenprojekt, um die große Geschichte von der Seidenstraße, diesem historischen Verkehrsweg von Indien und China über alle Zivilisationsgesellschaften bis hin zum Mittelmeer, zu würdigen und Menschen dafür zu interessieren. Marco Polo kam mit dieser Erfahrung zurück und diese Informationen hatten wirklich einen enormen Einfluss auf die Entwicklung unserer gesamten Zivilisation. Es wurde dort mit vielen Waren gehandelt und unter anderem auch mit Indigo. Das ist ein blauer Farbstoff, der sehr, sehr beliebt war - nicht nur, weil er wie überhaupt alle Arten von Farbstoffen, wirklich gute blaue Farbstoffe schwierig zu bekommen war. Er besaß nämlich diese geheimnisvolle Eigenschaft, dass sich das Färbegut in den letzten Phasen des Färbevorgangs, wenn es aus der Lösung genommen wurde, in magischer Weise in Blau verwandelte. Ein übernatürliches Ereignis, wie so viele Dinge in der Welt der Chemie. Seine Idee bestand aber darin, nicht nur die Musik, sondern auch die gesamte Kultur und die Kriege und all den Rest der Geschichte in dieses große Seidenstraßenprojekt einzubeziehen. Das zählt jetzt zum Lehrplan jeder Mittel- und Oberschule. Tausende von Schulen lehren das. Wir hatten uns darüber unterhalten, wie man die Wissenschaft stärker in unserer allgemeinen Kultur verankern kann. Und er sagte: "Ich hätte gerne ein Stück Wissenschaft für dieses Seidenstraßenprojekt. Und Indigo wäre ein gutes Beispiel, weil das ein sehr interessantes Molekül ist, das eine Geschichte zu erzählen hat." Das hier ist eine im Rahmen dieses Projekts entstandene Zeitschrift. Sie heißt Calliope und wird für zehn- bis elfjährige Kinder geschrieben, das ist die Zielgruppe. Deshalb ist das wohl nicht zu schwierig für dieses Publikum hier. Und diese Ausgabe hat verschiedene Inhalte, die ganze Seidenstraßengeschichte und so etwas. Und ich habe dort auf seinen Wunsch hin ein kurzes Kapitel darüber geschrieben, wie die Herstellung von synthetischem Indigo alles total verändert hat. Seit jeher hatte die Indigoproduktion unglaublich viele Arbeitskräfte benötigt, war wirklich sehr arbeitsintensiv. Und sie führte auch zu Kriegen, Sklaverei, all diesen hässlichen Dingen. Aber als die synthetische Indigo-Herstellung tatsächlich erfolgreich wurde, wie ich noch beschreiben werde, vernichtete sie innerhalb von zehn Jahren eine gesamte Industrie. Und auch heute noch wird alles chemisch hergestellt. Und dann gibt es noch ein kleines Kapitel über das Indigo-Molekül. Ich bin gespannt, wie viele von Ihnen wissen, was das Indigo-Molekül ist? Keine einzige Hand geht nach oben, nicht mal in der Reihe der Nobelpreisträger. Das sollte Sie aber nicht in Verlegenheit bringen. Ich habe auch meine Kollegen aus der organischen Chemie gefragt. Selbst die wussten nicht, was das ist. Ist das nicht beschämend? Ich finde, jeder Unterricht in organischer Chemie sollte mit dieser Geschichte beginnen. Sie ist wirklich in jeder Hinsicht sehr lehrreich. Genau wie in meiner ersten Geschichte kam der Durchbruch in Form einer höheren Erleuchtung. Man hat ein winziges Stück Information und schaut, was man damit anfangen könnte. Und solche Hexenmeister wie Kishi - oder im Falle von Noten: Beethoven - machen dann was daraus. Hier sehen Sie ein typisches Chemielabor der 1890-er Jahre. Fällt Ihnen auf, was fehlt? Es gibt keine Spur von NMR, irgendeiner spektroskopischen Apparatur jeglicher Art. Alles, was die Menschen damals machen konnten, war: makroskopische Mengen von Reagenzien und Produkten wiegen, schmelzen und kochen, daran riechen, manchmal schmecken, andere Kristalle hineintropfen, experimentieren, raten. Das war alles, was sie tun konnten. Und schauen Sie hier, was sie erreicht haben. Das sind alles Zahlen aus dem kleinen Artikel, den ... ich habe diese Zahlen nicht gefunden. Sie wurden für mich in den Artikel montiert. In Wirklichkeit nahm die Farbstoffindustrie, die sich später enorm auf die industrielle Revolution ausgewirkt hat, bereits vor der synthetischen Indigo-Herstellung ihren Anfang. Darüber möchte ich Ihnen erzählen. Ein 18-Jähriger - ein weiterer Grund, warum ich Sie um Aufmerksamkeit für diese Geschichte bitte - fand zufällig eine Möglichkeit, einen sehr markanten Purpur-Farbstoff mit der Bezeichnung "Mauve-Violett" herzustellen. Und als Queen Victoria ... Er beantragte direkt ein Patent und gründete ein Unternehmen - noch bevor er 19 war, soweit ich weiß. Er hatte das einfach durch Experimentieren mit Steinkohlenteer hergestellt, den es im 19. Jahrhundert überall in großem Überfluss gab. Queen Victoria trug diese Farbe dann bei der Hochzeit ihrer Tochter und löste damit einen Feuersturm des Interesses aus. Und das führte direkt zu einem Boom für die Farbstoffindustrie. In diesem Industriezweig gab es damals einen großen Konkurrenzkampf zwischen Großbritannien und Deutschland. Deutschland gewann den spielend und beherrschte innerhalb von 20 Jahren fast die gesamte Farbenindustrie. Und wissen Sie, warum? Historiker wissen das und haben es immer betont. Die Deutschen hatten einen besseren Chemieunterricht als die Briten. Und vielleicht gilt das ja immer noch. Ich weiß es nicht genau. Aber das kann uns auf jeden Fall eine gute Lehre sein, eine Parabel gewissermaßen: Eine gute Ausbildung ist immer gut. Aber was ist mit dem Indigo? So sieht das Molekül aus. Es hat 30 Atome, aber jeder Physiker mag dieses Atom, weil die beiden Hälften identisch sind. Sie sind einfach um 180 Grad gedreht und dann hier über eine Doppelbindung miteinander verbunden. Das ist eines dieser Stäbchenmodelle, an dem man Doppelbindungen und so etwas erkennen kann. Und das hier ist ein raumfüllendes Modell. Sie sehen, dass das flach ist. Vielleicht kennen Sie Pi-Elektronen, die aus der Fläche herausragen. Das ist einer der Gründe dafür, warum das ziemlich stark zusammenhält. In gesunkenen Schiffswracks hat man Indigo-Blöcke gefunden, die bereits zwei- oder dreihundert Jahre unter Wasser lagen und noch absolut intakt waren. Man kann sie herausnehmen und immer noch verwenden. Und der Schmelzpunkt liegt sehr hoch. Das hängt einfach mit diesen Pi-Elektronen zusammen und der Art, wie sie aufeinander gepackt sind. Aber so ist dieses wunderbare Molekül. Und jetzt kommen wir zum Kern der Geschichte. Es wurde im 19. Jahrhundert synthetisch hergestellt. Und all die damit zusammenhängenden Daten sind wirklich faszinierend für mich. Als ich mich hinsetzte, um einen Artikel über Chemie für Neunjährige zu schreiben, dachte ich "Du meine Güte". Ich kann doch da nicht mit ausgefallenen Details kommen. Sie kennen vielleicht Atome, aber das wird es dann auch sein. Also die Haltung des Durchschnittsphysikers gegenüber der Chemie. So fing ich also einfach an, zu schreiben und begann ungefähr so: "Wissenschaft strotzt nur so von Detektivgeschichten. Eine dieser wunderbaren und sehr lukrativen Geschichten war die synthetische Herstellung von Indigo." So etwas ungefähr habe ich geschrieben. Dieser Mensch hatte 1865 die korrekte Indigo-Struktur herausgefunden, also so in der Art dieses Stäbchen-Modells, das auf der vorherigen Folie zu sehen war. 1865. Vielleicht haben einige von Ihnen, die organische Chemie oder Erstsemester-Chemie studieren, schon einmal in Lehrbüchern gelesen, dass die Menschen im 19. Jahrhundert nicht wussten, ob sie zu Wasser OH oder H2O sagen sollten. Sie kannten den Unterschied zwischen Atomen und verbundenen Molekülen, verbundenen Atomen als Molekül nicht so richtig und wussten nicht, wie viele es waren usw. Und es gab eine berühmte Tagung - ich weiß nicht, ob das an einem anderen See war, es war jedenfalls ein bezaubernder Ort - und dort hat ein Italiener namens Cannizzaro die Menschen aufgeklärt. Und dann konnten sie es verstehen. Erst 1860 hatten die professionellen Chemiker eine klare Vorstellung davon, wann sie ein Molekül vor sich hatten oder wie die korrekte Molekülstruktur auszusehen hatte. Und die elementare Zusammensetzung erschloss man sich damals, indem man das auseinander nahm und so stark kochte, dass man anschließend alle Elemente voneinander trennen konnte. Entflamme die Dinge und du erkennst, woraus sie bestehen! Aber wenn es darum ging, herauszufinden, wie die Dinge miteinander verbunden sind, gab es nichts. Keine Spektroskopie, keine Massenspektroskopie, kein NMR, nichts dergleichen. Aber er fand das empirisch heraus - durch Vergleich mit seinen Erfahrungen und Annahmen. Er hatte einen sechsgliedrigen Ring, der mit einem fünfgliedrigen Ring verbunden werden musste. Bis 1880 hatte er zwei Möglichkeiten herausgefunden, das Molekül tatsächlich synthetisch herzustellen. Man konnte überprüfen, ob man das richtige Zeug vor sich hatte, indem man den Schmelzpunkt usw. herausfand. Aber geschäftlich hatte das noch keine Zukunft. Doch dadurch wurde dann buchstäblich ein Goldrausch ausgelöst, weil es so ein wertvolles Material für den Handel war. Es dauerte dann noch einmal 17 Jahre, bis eine kommerzielle synthetische Herstellung gelang. Hunderte Chemiker wollten das unbedingt realisieren. Das Unternehmen BASF investierte praktisch sein gesamtes Vermögen in dieses Projekt und hatte 1897 Erfolg. Jeder Physiker weiß, was 1897 geschah. Einige von Ihnen wissen das vielleicht nicht. Ich bitte alle, die es wissen, die Hand zu heben. Mensch, diese Sache mit dem Handheben ist ein bisschen ... Sind Sie etwa zu müde, um Ihre Hand zu heben? Haben Sie jemals von J. J. Thomson und dem Elektron im Jahre 1897 gehört? Okay, einige der Herren nicken offensichtlich. Jetzt erinnern sie sich wohl. Bis 1897 wusste man nicht einmal, dass sich im Innern von Atomen Elektronen befinden. Und erst 1911 wusste man - dank Rutherford -, dass es innen einen Kern gibt. Diese Leute wussten also überhaupt nicht, was sie taten. Sie wussten nur, dass es solche Dinge geben könnte. Oder nahmen es an ... Andere wiederum waren nicht absolut davon überzeugt, dass es Atome gibt. Diese thermodynamische Sichtweise war ... Ich sollte meine Zeit nicht mit solchen Details verschwenden. Aber dennoch wussten die in der synthetischen Chemie tätigen Chemiker aufgrund ihrer unvollständigen Kenntnisse und ihrer empirischen Abenteuer, dass es Moleküle gab oder sie glaubten zumindest daran und stellte eine Menge Moleküle her. Und innerhalb von zehn Jahren verschwanden nach 1897 die ganzen alten Herstellungsprozesse für Indigo. Heute werden immer noch über 20.000 Tonnen jährlich hergestellt, größtenteils zur Färbung von Blue Jeans. Ich sehe beispielsweise dort wunderbare Blue Jeans in Indigo-Blau. Das ist also der wesentliche Inhalt der dritten Geschichte. Und ich werde jetzt fortfahren ... Oh, hier sind ein paar Literaturhinweise. Da geht es um diese Palytoxin-Geschichte. Ich habe darüber etwas in Physics Today veröffentlicht. Ich begann mit einem Hinweis auf Arthur Schawlow, einem engen Freund von mir und es gab ein geflügeltes Wort von mir, das heute veraltet ist. Es besagte, dass ein biatomares Molekül ein Atom zu viel hat. Das war die Haltung der Physiker damals. Das hat sich in den letzten Jahren geändert. Die Menschen wissen die Moleküle mehr zu schätzen. Aber dennoch: "Sex and the Single Methyl Group". Hier ist die Arbeit von Michael Weiss und seinen Kollegen, die diesen Aspekt nachgewiesen haben. Und hier sind mehrere Hinweise auf Veröffentlichungen, in denen ich darüber geschrieben habe. Und das hier ist die Indigo-Geschichte. Wenn Sie Enkel haben, kann ich Calliope empfehlen, dieses wunderbare Magazin. Aber jetzt möchte ich zum Schluss kommen, der für mich für vieles gilt. Ich möchte Ihnen einen Rat geben, den Sie annehmen sollten. Nehmen wir das also weg und schalten wir Musik ein. Das hier ist ein Song von Cole Porter. Achten Sie auf das Datum. Das ist aus den guten alten Zeiten. Da tanzt man doch ... Hier ist der Text. Hören Sie gut zu, wenn der Song beginnt. Ihr, vom Glück weniger begünstigten Sterblichen. Hier kommt noch eine letzte Mitteilung von mir. Ihr habt alle gelernt, Euch auf die heiligen Lehren der Wissenschaft zu verlassen. Ich hoffe, dass Ihr im Laufe Eures Lebens allen Banausen zum Trotz nicht damit aufhört zu experimentieren. Tut, was alle guten Wissenschaftler tun. Experimentiert! Macht das zu Eurem Motto bei Tag und bei Nacht. Experimentiert. Das wird Euch erleuchten. Der Apfel im Wipfel des Baumes hängt nie zu hoch, als dass Ihr ihn nicht erreichen könntet. Nehmt Euch ein Beispiel an Eva und experimentiert ... Zwei X-Chromosomen, die erste menschliche Experimentatorin. Huldigen Sie ihr. ...Seid neugierig, auch wenn sich einmischende Freunde ... Einige von ihnen Physiker. ihre Stirn runzeln. Seid neugierig! ...Und wenn Ihr diesen Rat bei jedem Versuch, der Euch davon abhalten will, befolgt, wird die Zukunft Euch unendliche Freude und Fröhlichkeit bieten. Experimentiert und Ihr werdet sehen! Vielen Dank. Ich möchte noch einen Kommentar ergänzen, der eigentlich überflüssig ist, weil er so offensichtlich sein dürfte. Ich hätte diesen Song dem vorherigen Sprecher widmen sollen. Das vereinfacht das alles so gut. Danke.

Dudley Herschbach (2012)

Glimpses of Chemical Wizardry

Dudley Herschbach (2012)

Glimpses of Chemical Wizardry

Abstract

In an evangelical spirit, three vignettes will be presented that have the character of molecular parables: stories with lessons that transcend the specific details. (1) How knowledge of the orientation of a methyl group with respect to a neighboring double bond, obtained from thermodynamics and microwave spectroscopy, enabled chemists to synthesize the single biologically active form of a molecule that has 5 x 1021 different structural isomers. (2) The lack of a single methyl group on a particular amino acid among billions in each DNA molecule on the Y chromosome of a human fetus is found to result in an infertile female rather than a male. This mutation is rare, of frequency ~ 10-5. Consider how different human society would be if it were to become dominant! (3) Remarkable feats, such as synthesis of Indigo, a highly prized dye for many centuries, were achieved in the 19th century. Nothing was yet known about atomic structure and experimental tools were very modest; substances could be characterized just by measuring weights, melting and boiling temperatures, observing colors, odors, and tastes. The key guiding concept, which proved amazingly powerful, was simply that all substances are composed of definite proportions of various chemical elements.

Two references:
D. Herschbach, Chemistry: Blithe Sibling of Physics, Physics Today 50, 11 (April, 1997).

C.M. Haqq, et al, Molecular Basis of Mammalian Sexual Determination,
Science 266, 1494 (1994).

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