In 1919 begon J.M. Bijvoet (1892-1980) zijn carrière in Amsterdam door de structuur te bepalen van kristallen van eenvoudige anorganische verbindingen met behulp van röntgenanalyse. Een voor dit type werk gebruikt diffractiepatroon van afgebogen röntgenbundels is afgebeeld in onderstaande figuur. Röntgenstraling (aanvankelijk X-straling genoemd) was al in 1895 door W.C. Röntgen ontdekt en in 1912 eerst door M. von Laue en daarna door W.L. Bragg voor kristalstructuurbepaling gebruikt. Tegelijk met Van ’t Hoff ontving Röntgen in 1901 de Nobelprijs (voor natuurkunde) voor zijn ontdekking.
Diffractiepatroon van afgebogen röntgenbundels. Bron: Archief Natuur & Techniek
Toen Bijvoet van 1939 tot 1962 hoogleraar in Utrecht was (aldaar tot 1952 werkend in het Van ’t Hoff-laboratorium) was de röntgenanalyse zo ver ontwikkeld, dat de methode kon worden toegepast voor gecompliceerde organische moleculen. Veelal werden deze moleculen daartoe voorzien van zware atomen, die de straling sterk verstrooien. Deze atomen fungeren dan als een soort uitkijktorens van waaruit men de kristalstructuur kan overzien.
Bij dit alles hield men vast aan het idee, dat voor kristallen van beeld en spiegelbeeld de verstrooide bundels tegengestelde fase, maar gelijke intensiteit bezitten. Aangezien de fasen niet worden gemeten, zijn in deze visie spiegelbeeldmoleculen niet van elkaar te onderscheiden. Om dit te bereiken was een ommezwaai in het denken van de chemische kristallografen nodig.
Spiegelbeeldmoleculen
Alice vroeg zich af of de melk die zij in de spiegel van Wonderland zag wel goed drinkbaar was. Ze veronderstelde terecht dat beeld en spiegelbeeld van bepaalde moleculen zich mogelijkerwijs geheel verschillend gedragen.
In de scheikunde spreekt men over spiegelbeeldisomeren of enantiomeren: moleculen die dezelfde structuurformule hebben maar elkaars spiegelbeelden zijn. De centrale koolstof van melkzuur wordt chiraal centrum genoemd. De twee spiegelbeeldige isomeren van melkzuur zijn hier weergegeven. Rechts het isomeer dat voorkomt in yoghurt. Moleculen als melkzuur noemt men ook wel chiraal.
Ommezwaai
Genoemde omslag kwam toen Bijvoet – gestimuleerd door een door D. Coster en medewerkers in 1930 uitgevoerd röntgenexperiment aan zinksulfide – plotseling besefte dat het model voor röntgenverstrooiing onvolledig was. Hij realiseerde zich dat onder bepaalde omstandigheden zware atomen de invallende straling met een extra fasesprong verstrooien. Daardoor krijgen röntgenbundels, die zonder invloed van de fasesprong dezelfde intensiteit en tegengestelde fase zouden hebben, een van elkaar verschillende intensiteit. Voor beelden spiegelbeeld-isomeer zijn de intensiteiten nu verschillend, zodat ze van elkaar kunnen worden onderscheiden.
In 1950 toonde Bijvoet dit alles aan met een zout van natuurlijk wijnsteenzuur (waarbij rubidium als fasesprong-atoom fungeerde). Wijnsteenzuur heeft 2 chirale centra. Natuurlijk wijnsteen heeft een spiegelbeeld- isomeer en er is nog een derde stereo-isomeer
De absolute configuratie van het natriumrubidium- zout van natuurlijk wijnsteenzuur.
Stereo structuren
Gegeven een reeds bestaand netwerk van organisch-chemische omzettingen betekende de vaststelling van de absolute configuratie van de wijnsteenzuren ook het met één klap bekend worden van de stereostructuren van talrijke andere chirale moleculen, zoals melkzuur. Omdat ons lichaam heel veel chirale systemen bevat, is de werking van de spiegelbeeld isomeren van een chiraal geneesmiddel in het algemeen verschillend. Evenzo de smaak van 2 spiegelbeeldige smaakstoffen.
Gezien de grote betekenis van zijn vinding verwachtten velen dat Bijvoet de Nobelprijs zou krijgen. Dat is evenwel niet gelukt.
J.M. Bijvoet. Bron: Aafje Looijenga-Vos
Literatuur
Aafje Looijenga-Vos & Jan Kroon, J.M. Bijvoet’s discovery: a landmark in the structure elucidation of natural products. Proceedings Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen 100/3-4 (1995), p. 45-56. A.F. Peerdeman, A.J. van Bommel, J.M. Bijvoet, Determination of absolute configuration of optical active compounds by means of X-rays. Proceedings Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen 59 (1951), pp. 16-19.
KNAW
Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).