ハーバート・S・ガトウスキー

ハーバート・サンダー・グトウスキー（ Herbert Sander Gutowsky、1919年11月8日 - 2000年1月13日）は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の化学教授であったアメリカの化学者。グトウスキーは、核磁気共鳴（NMR）法を化学の分野に初めて応用した人物である。^{[1] [2]}彼は、核磁気共鳴分光法を用いて分子の構造を決定した。彼の先駆的な研究は、科学機器としてのNMRの実験的制御を開発し、実験的観察と理論モデルを結び付け、NMRを、化学研究や医学研究で使用される、液体、固体、気体の分子構造とダイナミクスを分析するための最も効果的な分析ツールの1つにした。 ^{[3] : 24  [4] [2]}彼の研究は、化学、生化学、材料科学の問題解決に関連しており、最近のNMR分光法の多くのサブフィールドに影響を与えている。^{[5] [6] [3] [7] [8]}

ハーバート・サンダー・グトウスキーは、1919年11月8日、ミシガン州ブリッジマンのオットーとハッティー・マイヤー・グトウスキー夫妻の7人兄弟の1人として生まれた。彼は、農産物農場で育った幼少期に勤勉の大切さを学んだと語った。^{[9] [5]}大恐慌で母親が亡くなった後、家族はインディアナ州ハモンドに引っ越した。グトウスキーはハモンド高校に通い、家計を助けるために新聞を売った。^[5]

グトウスキーはインディアナ大学ブルーミントン校に通い、そこで3年間、天文学者フランク・K・エドモンドソンの学部生助手として働いた。^{[3] : 31}グトウスキーは1940年に学士号を取得した。卒業後はアメリカ陸軍に従軍し、大尉となった。その後、カリフォルニア大学バークレー校に進学した。^{[9] 1946年に}ケネス・ピッツァーのもとで修士号を取得した。^[5]ピッツァーとともに、グトウスキーは結合した電子の数が軌道を満たすのに予想される数よりも少ない分子を研究した。アルミニウムアルキルを研究して、グトウスキーとピッツァーは2つの同一分子が結合して1つになる二量化を説明した。^[10]

その後、グトウスキーはハーバード大学に進学し、ジョージ・キスティアコウスキーとともに研究し、1949年に物理化学の博士号を取得した。 ^{[9] [11]彼の研究の多くは}赤外分光法に関するものであったが、核磁気モーメントの測定に原子物理学で使用されていたNMRにも精通した。グトウスキーはジョージ・パケと共同研究を行い、固体中の分子構造と運動を研究するためのNMRの使用に関する重要な論文をいくつか発表した。^{[5] [10]}

グトウスキーは1948年にイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校で化学の講師となり、^{[11] [12]} 1951年に助教授、1955年に准教授、^[5] 1956年に教授となった^。[9] 彼は、赤外線(IR)と無線周波数分光法を用いて分子と固体の構造を研究し、核磁気共鳴と電子常磁性共鳴の先駆的な研究を行った。^[9]

彼は1956年から1962年まで物理化学部門の責任者を務め、^[11] 1967年から1970年まで化学科の責任者となった。彼は化学学部と化学工学部の両部門を含む化学科学学校の創設を監督し、1970年から1983年までその初代学部長を務めた。^{[9] [5]}アメリカ物理学会の会員で、1974年から1975年まで化学物理学部門の部長を務めた。^[13]

イリノイ大学高等研究センターの化学研究教授として、グトウスキーは1983年から2000年まで研究者および教師として活躍しました。^[11]研究者としてのキャリアのこの段階で、彼はフーリエ変換マイクロ波分光法を使用して、気相中の小さく弱く結合した分子の活動を研究しました。^[9]

1952年のノーベル物理学賞は 、核磁気共鳴の独立発見により物理学者フェリックス・ブロックとエドワード・ミルズ・パーセルが共同受賞した。 ^[14]核磁気共鳴分光法では、分析対象の物質を磁場内の制御された条件下で電磁放射線にさらす。物質の化学組成に応じて、選択された波長の放射線が物質に吸収される。物質の吸収スペクトルは吸収された波長を示し、研究者は物質の分子構造を判定することができる。^[15]

グトウスキーは、化学の分野にNMRを応用した最初の人物でした。^{[3] : 24  [1] [2]}イリノイ大学での最初の年に、彼は資金を獲得し、独自のNMR分光計を構築しました。^{[3] : 34–45} グトウスキーの初期の研究には、NMRの開発と使用にとって重要な多くの分野の調査が含まれていました。 (1) グトウスキーは、NMRを使用して固体の構造と運動を研究し、実験的観察と理論モデルを結び付けて、分子構造の理解における重要なブレークスルーにつながりました^{[3] : 61} (2) グトウスキーは、化学シフト の起源を決定しました。^{[5] [2]} (3) グトウスキーは、分子液体におけるスピン-スピン結合を発見し^[5]、それが分子構造の研究に与える影響を理解しました^[2] (4) グトウスキーは、分子の化学交換と構造変化のメカニズムを研究するためにNMRを使用しました。^{[5] [16]}

グトウスキーの研究は、科学機器としての NMR の挙動と機能を理解し、それを化学の中核概念に関連付ける上で不可欠でした。NMR を理解して適用するには、化学、物理、電子の専門知識が必要でした。グトウスキーは、彼と他の人が NMR で得た観察結果が一貫して記述され、理解され、理論的に説明されるように、さまざまな戦略を採用しました。厳密な計算、収束、較正、実験的特性評価、化学概念との相関関係を通じて、彼は科学機器としての NMR の実験的制御を開発し、^{[3] : 80–81}「化学物理学で得られた結果を有機化学者の概念とニーズに結び付けました。」^{[3] : 24} 高いレベルの精度を要求し、観察された異常を注意深く調べることが、グトウスキーが新しいもの、予想外のもの、興味深いものを探すことに成功した鍵でした。^{[3] : 32–33}グトウスキーが指摘したように、「特定の実験で何が得られるかという先入観よりも、「エラー」の方が重要な場合があります」。^{[3] : 71}

1950年4月までに、グトウスキー博士とチャールズ・J・ホフマン博士は、無機および有機サンプルの両方を使用して、フッ素原子核を含む化合物の陽子共鳴シフトを観察することができました。グトウスキー博士は、共有結合した分子内の原子核の共鳴シフトを発見したと報告しました。これは、他の人たちがイオン結合した窒素化合物で観察した効果です。さまざまなサンプルの結果を比較しながら、グトウスキー博士と彼のグループは、慎重な手順、機器のチェック、繰り返しのテスト、他の機器や技術を使用したクロスチェック、外部データとの比較を通じて、機器の精度を改善しました。9月に、彼のグループのメンバーがPF ₃で予測されていなかった二重共鳴を観察したとき、最初はそれが不純物または準備中の不完全な反応の結果であると考えられました。しかし、彼らの観察結果は厳密なテストにも耐え、^{[3] : 45–53}他の研究者も独立して関連する結果を報告していました。ウォルター・D・ナイト(ブルックヘブン国立研究所)、ウィリアム・C・ディキンソン (マサチューセッツ工科大学)、ウォーレン・プロクターとフー・チュン・ユー (スタンフォード大学) です。^[10]グトウスキーは、後に「化学シフト」として知られるようになった現象の説明として、分子構造と理論に注目しました。^{[3] : 45–53}

「化学者は、化合物の化学的および物理的特性における周期性を探すことを非常に早い段階で学びます。そうしないと、化学の世界に長く留まりません...電子現象としての化学シフトは、化学結合の性質と何らかの形で関連しているように私には思えました。これは、結合している原子の性質に依存します。」^{[3] : 61  [5]}

グトウスキーと彼のグループは、単純な二成分フッ化物から始めて、有機フッ化物の包括的なテストを開始しました。^{[3] : 62} グトウスキーは、以前の理論では完全に説明できない新しい現象が関係していることを認識したとされています。^{[16] : 144} 1953年までに、リー・マイヤー、アポロ・サイカ、グトウスキーは、分子内の官能基と陽子の化学シフトを関連付けることができました。220の有機化合物の研究に基づいて、彼らは陽子の化学シフトと原子団を関連付けるチャートを提示しました。この研究により、NMRは有機化学の構造研究に適したツールとして位置付けられました。^{[3] : 66–69  [17]} さらに、アポロ・サイカとイリノイ大学の物理学者チャールズ・ペンス・スリヒターは、フッ素に結合した原子の電気陰性度とグループのフッ素研究からの化学シフトデータとの相関関係を利用して、ハーバード大学の量子物理学者ノーマン・ラムゼイが最初に提案した化学シフトの式を簡素化しました。^{[10] [18] [19] [16] : 125–158}

一方、グトウスキー、マッコール、スリヒターの1951年の論文「分子内の核磁気双極子間の結合」は、液体におけるスピン-スピン結合の初めての観測を報告した。^[20] グトウスキーと彼のグループは、1950年代の二重共鳴線の観測は偶然であると当初想定していたが、スタンフォード大学のプロクターとユーも異常を報告した後、研究を再検討した。1951年3月までに、グトウスキーのグループは純度がわかっているフルオロクロロ化合物を調べ、共鳴線の発生を予測していた。たとえば、POCl _3は単一の共鳴線を示し、POCl ₂ Fは二重線を示した。^{[3] : 71–74  [16] : 134–140} グトウスキー、マッコール、スリヒターは、線の強度をその二項係数と関連づけ、このようなカップリングの正しい説明となるものを提案し、さらなる構造研究の基礎となった単純な予測ルールを示唆した。^{[3] : 74  [16] : 134–140}その後すぐに他の論文が発表され、彼らは最初の解釈を批判し、拡張した。一部の研究はスタンフォード大学のエルウィン・ハーンら と緊密に協力して行われ、カップリングメカニズムの理論的詳細化はラムゼーとパーセルによって提案され、グトウスキーの実験研究によってサポートされた。^{[3] : 74–77  [21] [22] [23]}

彼らの研究の結果、「化学シフトは、同じ同位体種の2つ以上の核が異なる環境にあるときに観測され、通常、グループ内の核の数に比例した強度で、異なるグループごとに別々の共鳴吸収が観測される。核が磁気的に異なるのは、化学的に異なるグループにあるか、異なる空間環境にあるためである可能性がある」ことが明らかになった。^[24]

グトウスキーは異常現象に細心の注意を払い、その説明を主張したことで、分子グループの交換という新たなメカニズムを発見し、化学交換と名付けた。^{[3] : 74  [25]} 彼は早くから、水溶液中の酸で観察される多重線は、交換速度の増加の結果として一本の線に崩壊する可能性があると仮定した。しかし、これを観察できるほど正確に交換速度を監視できる分子系を見つけることは困難だった。グトウスキー、マッコール、スリヒター (1951) の速度式は、グトウスキーとサイカによって、電解質水溶液中の陽子交換を調べるために使用された。彼らは、この理論を2つ以上のサイトに適用し、交換速度の増加に伴う多重線構造の崩壊の予測を計算することができた。しかし、実際の崩壊が観察できるケースを提示することはできなかった。^[25] グトウスキーとチャールズ・H・ホルムは、アミドの分子内回転速度を研究し、分子の立体配座間にエネルギー障壁が存在することを明らかにした。^{[10] [26]}彼らは、温度の上昇により分子が状態間を「ジャンプ」することを実証することができた。十分なエネルギーがあれば、分子のあらゆる形態は可能な限り最高の状態にジャンプすることができ、磁気共鳴信号の多重項は収束する。^[27] この研究は、分子のダイナミクスを研究するためにNMRを使用するという新しい研究分野を開始した。^[10] NMRスペクトルが化学交換の結果として変化することを認識することで、研究者は交換率を測定し、以前は不可能だった方法で交換プロセスを研究することができた。^{[5] [16]}グトウスキーとアダム・アラーハンドは後に、化学交換を研究するための方法の実験的厳密さを改善しようとした。^{[10] [28]}

静かで優しく思慮深いグトウスキーは科学に集中し、研究仲間全員と非常に緊密に協力した。^[29]彼の大学院生の一人は後に「ハーブは24時間私たちと一緒にいて、いつもサポートしてくれました。彼は私たちに最高のアイデアのいくつかを持っていると思わせてくれましたが、よく考えてみると、それがどこから来たのかがわかりました。」とコメントした。^[5]

1970年代、グトウスキーは事務作業にますます携わるようになり、研究に費やす時間は減っていった。^{[10]それでも、彼は}エリック・オールドフィールドと共同で膜中のタンパク質-脂質相互作用について研究し、 複雑な生物系におけるNMRの利用を模索した。 ^[5] また、1976年から1986年にかけては、生物物理学におけるゴビンジーと彼の光合成研究グループと共同研究し、 ^{[5] [30]} NMR、蛍光、パルス光/酸素を使用して生体膜の進化を研究し、光合成の物理化学的メカニズムを調査した。^{[31] [32] [33]}

1981年に友人のウィリス・H・フライガレが若くして亡くなった後、グトウスキーはフライガレの研究をフーリエ変換分光法にまで広げ、第二の研究キャリアを確立した。グトウスキーのグループは気相中の弱く結合した分子の回転スペクトルを調べ、この方法を用いて三量体、四量体、五量体を研究した最初の研究グループとなった。^{[34] [9]} 彼はケイ素–炭素二重結合の長さ^{[34] [35] [36]と}ベンゼン 二量体 の回転スペクトルを確立した。^{[37] [34] [38]}

ハーバート・グトウスキーは、1983/84年に「化学における核磁気共鳴分光法の開発と応用における先駆的な研究」によりウルフ化学賞を受賞しました。 ^[1]具体的には、賞の審査委員会は、次のように彼の真に傑出した物理化学研究の成果を明示的に引用しました。

「ハーバート・S・グトウスキー教授は、核磁気共鳴法を化学研究に初めて応用した人物です。化学シフト効果と分子構造との関係に関する彼の実験的および理論的研究は、溶液中の分子の配座と分子相互作用を研究するための実用的なツールを化学者に提供しました。スピン-スピン結合効果に関するグトウスキーの先駆的な研究は、この現象を有機化合物の識別と特性評価のための「指紋」法に発展させました。彼はまた、高解像度の核磁気共鳴スペクトルの線形に対する動的プロセスの影響を観察した最初の人物であり、それを分子の妨害回転の研究に利用しました。同時に、彼は他の研究者とともに、常磁性イオンの溶液中の不対電子とのスカラーおよび双極子-双極子相互作用の影響を発見しました。」^[1]

グトウスキーの受賞歴と栄誉には以下のものがあります。

• 1960年、米国科学アカデミー会員^[39]
• 1966年、アメリカ化学会化学物理学部門アーヴィング・ラングミュア賞^[40]
• 1969年、アメリカ芸術科学アカデミー会員^[41]
• 1974年、国際磁気共鳴学会メダル^[12]
• 1976年、アメリカ国家科学賞^[15]
• 1982年、アメリカ哲学協会会員^[42]
• 1984年、ウルフ化学賞^[1]
• 1991年、アメリカ化学協会化学パイオニア賞^[43]
• 1992年、ピッツバーグ分光賞、ピッツバーグ分光協会、ピッツバーグ分析化学および応用分光会議^[44]
• 2002年、グトウスキーらが研究していたイリノイ大学のノイエス研究所が、アメリカ化学会によって国定歴史化学建造物に指定された。 ^[2]
• 2016年、アメリカ化学会化学史部門化学ブレークスルー賞受賞^{[45] [46] [20]}

グトウスキーの貢献は生前に受けた賞に加え、死後にも認められている。彼と他の研究者が働いていた研究室は、2002年にアメリカ化学会によって国家歴史化学ランドマークに認定された。 ^[2]グトウスキーが1951年に発表した「分子内の核磁気双極子間の結合」と題する論文は、液体中のスピン-スピン結合を初めて観察したもので、NMR分光法を化学科学で最も強力なツールの1つに変える重要なステップとなった。この論文の重要性は、アメリカ化学会化学史部門から2016年にイリノイ大学に贈られた化学ブレークスルー賞で認められた。^{[45] [46] [20]}

ガトウスキーは若い頃は熱心な自転車愛好家で、野鳥観察者でもあった。後に自宅の庭でバラを育てることに非常に興味を持つようになった。^[29] 彼は2度結婚しており、1949年にバーバラ・スチュアートと結婚して3人の息子をもうけ、1982年にはバージニア・ワーナーと結婚した。^[5] 彼は糖尿病とパーキンソン病を患っていた。^[34] ガトウスキーは2000年1月13日にイリノイ州アーバナで亡くなった。^{[4] [34]}

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