Герман Эмиль Фишер – выдающийся немецкий химик конца XIX – начала ХХ века. Лауреат Нобелевской премии 1902 года по химии за исследования пуринов и сахаров.
Хотя его первое открытие (синтез фенилгидразина) многие называли простой случайностью, он заставил замолчать своих критиков, регулярно повторяя их в дальнейшем. Выдающийся немецкий химик впервые обнаружил кофеин, который является основным ингредиентом кофе. Он определил класс подобных ему соединений и назвал их пуринами.
Краткая биография
Герман Эмиль Фишер родился 9 октября 1852 года в Ойскирхене близ Кельна. Он был младшим из 5 детей и единственным мальчиком. Его отец Лоренц Фишер был успешным бизнесменом. После трех лет обучения у частного преподавателя Эмиль поступил в местную школу, а затем провел 2 года в школе в Вецларе и еще 2 в Бонне. Свой последний экзамен он сдал в 1869 году и завершил учебу с отличием. Отец хотел, чтобы его единственный наследник продолжил семейное дело, но после того, как попытка сына заняться предпринимательской деятельностью завершилась неудачей, уступил его желанию изучать естественные науки, особенно физику. Согласно биографии Эмиля Германа Фишера, написанной им в качестве нобельского лауреата, отец сказал, что он слишком глуп, чтобы быть бизнесменом, поэтому будет лучше, если он станет студентом.
В 1871 году Эмиль поступил в Боннский университет. Там он слушал лекции Кекуле, Энгельбаха и Зинке по химии, Августа Кундта по физике и Пауля Грота по минералогии.
Однако в 1872 году Эмиль, который все еще хотел изучать физику, поддался уговорам его двоюродного брата Отто Фишера и поступил с ним в недавно созданный Страсбургский университет, в котором профессор Розе работал над методом анализа Бунзена.
Здесь Эмиль встретил Адольфа фон Байера, под влиянием которого, наконец, решил посвятить свою жизнь химии. Учась под его руководством, Фишер исследовал фталеиновые красители, открытые Розе, а в 1874 году получил диплом в Страсбурге, защитив работу по флюоресцеину и орсин-фталеину.
Академическая карьера
В том же году Фишер стал ассистентом в Страсбургском университете, где открыл первую основу гидразина (фенилгидразин) и продемонстрировал ее связь с гидразобензолом и сульфоновой кислотой, описанной Штреккером и Ремером. Открытие фенилгидразина, которое, как полагают, было случайным, стало основой большей части более поздних работ Эмиля Фишера.
В 1875 году фон Байеру предложили занять место Либига в Мюнхенском университете, и его подопечный последовал за ним, чтобы стать его ассистентом.
В 1878 г. Эмиль Фишер получил статус приватдоцента в Мюнхене и в 1879 году стал доцентом кафедры аналитической химии. В том же году ему предложили место в Экс-ла-Шапеле, но затем отказали. В 1881 г. Фишер занял должность преподавателя химии в Университете Эрлангена, а в 1883-ом ему предложили руководить лабораторией на баденской анилиново-содовой фабрике BASF. Эмиль, однако, благодаря отцу стал финансово независимым и предпочел академическую карьеру.
В 1888 г. открылась вакансия преподавателя химии в Вюрцбургском университете, и он занимал ее до 1892 года, когда его попросили заменить А. В. Хофмана на кафедре Берлинского университета. Здесь он оставался до своей смерти в 1919 году.
Во время Первой мировой войны немецкий ученый проводил активную работу по организации химических ресурсов Германии и возглавлял комиссии по производству химических веществ и продовольственному снабжению. В мирное время помогал реорганизовать преподавание химии и основывать исследовательские центры.
Работы Фишера в первую очередь касаются состава и синтеза соединений, присутствующих в организме человека. Своими исследованиями сахаров, ферментов, пуринов и белков он заложил основы биохимии.
Научная деятельность
Как уже было сказано, химик Герман Эмиль Фишер открыл фенилгидразин и использовал его в более поздних работах. Он обнаружил новую группу соединений, считая ее производной от еще неизвестного соединения N2H4, которое он назвал гидразином из-за связи с азотом. Затем Фишер получил фенилгидразин и в 1978 г. установил его формулу. Он синтезировал множество органических производных гидразина и исследовал их реакции. Например, реакция с сероуглеродом позволила получить красители, а окисление – тетразины, соединения с цепочками из 4-х атомов азота. Арил-гидразины с кетонами и кетокислотами образовывали производные индола.
Пребывая в Мюнхене, Фишер продолжал исследовать гидразины и с помощью своего кузена, последовавшего за ним в Баварию, разработал новую теорию строения красителей, полученных из трифенилметана, и доказал ее экспериментально.
В Эрлангене Фишер изучал действующие компоненты чая, кофе и какао, а именно кофеин и теобромин. Он установил состав ряда соединений данного типа, и в конечном итоге синтезировал их.
Анилиновые красители
Докторская диссертация Фишера была посвящена химии цветов и красителей. В дальнейшем он расширил сферу своих интересов на новые синтетические красители. Со своим двоюродным братом Отто Эмиль Фишер исследовал состав розанилина, основного красителя, созданного Августом фон Хофманом в 1862 году путем окисления толуидина и анилина. Было высказано несколько предположений о строении этой основы, но удовлетворительного решения не было, пока Фишеру не удалось показать, что это производное трифенилметана. Кузены восстановили розанилин до бесцветного производного, которое называли лейканинином и превратили его путем удаления атомов азота в углеводород C20H18. Они проводили подобные реакции с парарозанилином (из р-толуидина и анилина), получив углеводород с формулой C19H16, который оказался идентичным трифенилметану. В 1878 году они доказали, что розанилиновые красители являются гомологами и производными триамина трифенилметана и его гомологов, причем розанилин является производным метатолилдифенилметана, а p-розанилин – трифенилметана.
Открытие пуринов
Работой, которая принесла химику-органику Эмилю Фишеру широкую известность, стало исследование пуринов и сахаров. Он занимался этим с 1882 по 1906 г. и показал, что такие в то время малоизвестные вещества, как аденин и ксантин, в растительных веществах кофеин и в животных экстрактах мочевая кислота и гуанин, принадлежали к одному семейству, могли быть полученными друг из друга и соответствовали различным гидроксильным и аминопроизводным той же основной системы, образованной бициклической азотистой структурой, в которую входит характеристическая группа мочевины. Это родительское вещество, которое сначала он считал гипотетическим, в 1884 г. он назвал пурином и в 1898 г. синтезировал. Многочисленные искусственные производные, более или менее аналогичные природным веществам, были получены в его лаборатории между 1882 и 1896 годами.
Фишер последовательно синтезировал гипоксантин, ксантин, теобромин, аденин и гуанин. Наконец, в 1898 году ему удалось выделить основное вещество, пурин, из трихлорпурина. Это потребовало огромной подготовительной работы и очень сложных реакций. Фишер совместил исследования пуринов с изучением углеводов и в 1914 году получил глюкозиды теофиллина, теобромина, аденина, гипоксантина и гуанина. Из теофиллина-D-глюкозида он синтезировал первый нуклеотид теофиллин-D-глюкозид-фосфорную кислоту.
Исследования Фишера представляли интерес для немецкой фармацевтики. Его лабораторные методы стали основой промышленного производства кофеина, теофиллина и теобромина. В 1903 г. он синтезировал 5,5-диэтилбарбитуровую кислоту. Она оказалась ценным снотворным, которое продается под различными торговыми названиями (Барбитал, Веронал, Дорминал и др.). Другим коммерчески ценным пурином стал фенил, этилбарбитуровая кислота, полученная Фишером в 1912 году и известная как Люминал или фенобарбитал.
Исследование сахаров
В 1884 г. Эмиль Фишер начал свою большую работу над сахарами, которая изменила понимание этих соединений и создала новые знания, объединенные в единое целое. Альдегидная формула глюкозы была известна еще до 1880 г., но Фишер установил ее с помощью ряда преобразований, таких как окисление в альдоновую кислоту и воздействие открытого им фенилгидразина, который сделал возможным образование фенилгидразонов и осазонов. Путем перехода к общему осазону он установил связь между глюкозой, фруктозой и маннозой, которую он открыл в 1888 году. В 1890 г. путем эпимеризации глюконовой и маннойной кислот он установил стереохимическую природу и изомеризацию всех известных сахаров и точно предсказал возможные изомеры, творчески применив опубликованную в 1874 году теорию Вант-Гоффа и Ле Беля. Фишер понял, что глюкоза, фруктоза и манноза являются пространственными изомерами и их можно различить, применяя теорию тетраэдрического атома углерода. Известные изомеры представляли только 4 из 16 возможных вариантов, предсказанных теорией Вант-Гоффа. Взаимный синтез различных гексоз путем изомеризации, а затем пентоз, гексоз и гептоз в результате реакции деградации и синтеза доказали ценность установленной им систематики. Его наибольшим успехом стало получение из глицерина глюкозы, фруктозы и маннозы в 1890 году.
Это монументальное исследование сахаров, проведенное между 1884 и 1894 годами, было расширено другими изысканиями, наиболее важное из которых касается глюкозидов.
Изучение ферментов и белков
В 1892 г. в основном благодаря обширным исследованиям сахаров и пуринов, Фишер сменил Хофмана на посту профессора Берлинского университета, который в то время являлся крупнейшим и самым престижным химическим институтом Германии. Его стараниями Берлин стал одним из передовых мировых научных центров. Фишер руководил работой сотен учеников и коллег из Европы, Северной Америки и Японии.
Там же немецкий химик приступил к изучению ферментов и белков. Глубокое исследование сахаров включало процесс их преобразования дрожжами, и он обнаружил, что из известных стереоизомеров глюкозы только некоторые могут расщепляться ферментами. Поскольку эти изомеры отличались только их пространственными свойствами, Фишер пришел к выводу, что фермент в дрожжах для взаимодействия с молекулой сахара также должен иметь определенную пространственную ориентацию. Молекулярная асимметрия имеет важное значение, поскольку она влияет на трансформации в организме.
Продолжая изучать углеводы, с 1908 года Фишер исследовал танины, галлиевую кислоту, производные сахаров. В 1912 г. он показал, что танины не являются глюкозидами, а сложными эфирами и синтезируют пентадигаллоилглюкозу, которая обладает свойствами танина. В 1918 году он установил состав китайского танина в виде пентаметадигаллоилглюкозы. Он также синтезировал гептатрибензоилгаллоил-p-йодфенилмальтосазон. Эта производная мальтозы имела молекулярную массу 4021, намного превышавшую характеристику любого синтетического продукта.
В 1899–1908 гг. химик Эмиль Фишер внес огромный вклад в знание о белках. Он стремился к анализу эффективных методов разделения и идентификации отдельных аминокислот, обнаружения их новых типов, циклических аминокислот пролина и оксипролина. Фишер также изучал синтез белков, получая различные аминокислоты в оптически активной форме и соединяя их. Он смог установить тип связи, который соединял бы их в цепи, а именно пептидную связь, и с помощью этого получил дипептиды, а затем трипептиды и полипептиды.
В 1901 г. в сотрудничестве с Фурно Эмиль Фишер открыл синтез дипептида, глицил-глицина, и в том же году опубликовал свою работу по гидролизу казеина. В лабораторных условиях он получал аминокислоты, встречающиеся в природе, и открывал новые. Его синтез олигопептидов завершился октодекапептидом, который обладал многими характеристиками природных белков. Это и последующие работы привели к лучшему пониманию белков и заложили основы для дальнейшего их изучения.
Таким образом, Фишер участвовал в определении химической структуры ферментов и белков. Ему было известно, что белки состоят из аминокислот, но немецкий ученый предположил, что аминокислоты в белках связаны между собой амидными связями, названными им пептидными. Он установил присутствие этого класса молекул в белках, разработав синтетические методы создания длинных цепочек аминокислот. Они удерживались пептидными связями и образовывали вещества, похожие на белок. В 1907 году он создал полипептид с 18 аминокислотами и показал, что его можно разрушить ферментами так же, как и природный белок.
В дополнение к этому Фишер изучал ферменты и химические вещества в лишайниках, которые он находил во время своих частых походов в Шварцвальд, а также вещества, используемые в дублении, а в последние годы жизни и жиры.
Фишер признавал сложность белков. Даже его простые пептиды имели множество изомеров, и было чрезвычайно сложно установить строение и структуру любого белка. К 1905 году он дифференцировал 29 полипептидов и проверил их взаимодействие с различными ферментами. Фишер характеризовал белки по количеству, виду и расположению аминокислот. В 1916 г. он обобщил свою работу по синтезу около 100 полипептидов и предупредил, что они представляют собой лишь небольшую часть возможных комбинаций, которые могут быть найдены в природных белках.
Награды
Химик-органик Герман Эмиль Фишер получил титул прусского гехаймрата и почетные звания университетов Христиании, Кембриджа, Манчестера и Брюсселя. Он также был награжден прусским орденом «За заслуги» и баварским орденом Максимилиана «За достижения в искусстве и науке». Нобелевскую премию Эмиль Фишер получил за работу по синтезу сахара и пурина в 1902 г.
Причина смерти
В возрасте 18 лет, еще до поступления в Боннский университет, Фишер страдал от гастрита, который обострился к концу его пребывания в Эрлангене и вынудил его отказаться от заманчивого предложения следовать за Виктором Мейером в Технический университет Цюриха и уйти в академический отпуск, прежде чем он отправился в 1888 году в Вюрцбург. Возможно, это заболевание вызвало рак, из-за которого он покончил жизнь самоубийством 15 июля 1919 г. в Берлине, приняв большую дозу фенилгидразина.
Личные качества
На протяжении всей жизни Фишера ему хорошо служила его память, которая позволяла ему, не очень искусному оратору, запоминать написанные им лекции.
Особенно немецкий химик был доволен Вюрцбургом, где он наслаждался прогулками среди холмов и часто бывал в Шварцвальде. В административной работе, особенно после переезда в Берлин, Фишер проявил себя как борец за создание научных основ не только в химии, но и в других областях. Его острое понимание проблем науки, интуиция и любовь к истине и настойчивость в экспериментальном доказательстве гипотез сделали его одним из величайших ученых всех времен.
Личная жизнь
В 1888 г. Герман Эмиль Фишер женился на Агнес Герлах, дочери Йозефа фон Герлаха, преподавателя анатомии в Эрлангене. К несчастью, его жена умерла через 7 лет после брака. У них было 3 сына, один из которых погиб в Первой мировой войне, а другой покончил жизнь самоубийством в возрасте 25 лет во время прохождения обязательной военной подготовки. Третий сын, Отто Лоренц (ум. в 1960 г.), стал профессором биохимии Калифорнийского университета в Беркли.
В 1922 г. была издана биография Германа Эмиля Фишера, которую он написал за год до смерти в 1918 г.
Наследие
После смерти лауреата Нобелевской премии Германа Эмиля Фишера в 1919 г. Немецкое химическое общество в его честь учредило памятную медаль. Его именем назван ряд реакций и концепций.
Проекция Фишера – метод изображения проекции молекулы, при котором удаляются вертикальные связи. Немецкий химик создал ее, работая над сахарами. Формула проекции Фишера отображает трехмерную молекулярную структуру на двумерной поверхности (например, бумаге). Благодаря этому стало возможным различать право и левоориентированные D- и L-изомеры.
Реакция Фишера – способ синтеза индолов из альдегидов или кетонов и арилгидразинов.
