Herbert S. Gutowsky

Herbert Sander Gutowsky (8 Kasım 1919 - 13 Ocak 2000), University of Illinois at Urbana-Champaign'de kimya profesörü olan Amerikan kimyager. Gutowsky nükleer manyetik rezonans (NMR) yöntemlerini kimya alanında uygulayan ilk kişidir. Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi kullanarak moleküllerin yapısını belirledi. Öncü çalışmaları NMR'nin bilimsel bir araç olarak kullanılması için deneysel kontrolünü sağladı, deneysel gözlemlerle teorik modelleri birleştirdi ve NMR'yi kimya ve tıbbı araştırma alanlarında sıvıların, katıların ve gazların moleküler ve dinamik yapılarını incelemek için en etkili analitik araçlardan biri haline getirdi. Çalışmalarının etkisiyle kimya, biyokimya ve malzeme bilimi alanlarındaki bazı sorunlar çözüldü ve NMR spektroskopisinin kullanıldığı pek çok alt alanı da etkiledi.

Herbert Sander Gutowsky 8 Kasım 1919'da Bridgman, Michiganlı Otto ve Hattie Meyer Gutowsky çiftinin yedi çocuğundan biri olarak dünyaya geldi. Çocukluğunun bir çiftlikte geçmesinin ona çok çalışmanın önemini gösterdiğini söyler. Annesinin Büyük Buhran sırasında ölmesinin ardından aile Hammond, Indiana'ya taşındı. Gutowsky Hammond Lisesine gitti ve ailesine destek olmak için gazete sattı.

Gutowsky lisans öğrencisiyken üç yıl boyunca Frank K. Edmondson'un asistanı olarak çalıştığı Indiana Üniversitesine gitti. Gutowsky lisans derecesini 1940'ta tamamladı. Askeri hizmetten sonra Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'e gitti. 1946'da Kenneth Pitzer danışmanlığında yüksek lisans derecesini bitirdi. Gutowsky, Pitzer ile orbitallerini doldurması beklenenden daha az valans elektronu olan bağlara sahip molekülleri inceledi. Gutowsky ve Pitzer alkali alüminyumları inceleyerek iki eş molekülün birleşerek tek bir molekül oluşturduğu dimerizasyonu tanımladı.

Gutowsky yüksek lisanstan sonra Harvard Üniversitesine gitti. Burada George Kistiakowsky ile çalıştı ve fiziksel kimya alanında doktor unvanını 1949'da kazandı. Çalışmalarının çoğu kızılötesi spektrometri üstüne olsa da NMR'yle de çalışmaya başladı. NMR nükleer fizik alanında nükleer manyetik moment hesaplanmasında kullanılıyordu. Gutowsky, George Pake ile çalıştı ve bu çalışmaların sonucunda katılarda moleküler yapı ve hareketin incelenmesi için NMR'nin kullanılması üstüne önemli makaleler yazdılar.

Gutowsky University of Illinois at Urbana-Champaign'de 1948'de öğretim görevlisi, 1951'de doktor öğretim üyesi, 1955'te doçent profesör ve 1956'da profesör oldu. Moleküler ve katı hâl yapıların kızılötesi ve radyo frekansı spektroskopisi kullanılarak incelenmesinde çalıştı. Nükleer manyetik rezonans ve ferromanyetik rezonans üstüne öncü çalışmaları oldu.

1956'dan 1962'ye kadar Fiziksel Kimya Kürsü Başkanı olarak çalıştı. 1967-1970 arasında Kimya Bölüm Başkanı oldu. Kimya ve kimya mühendisliği bölümlerini içeren Kimyasal Bilimler Okulu'nun kuruluşunda çalıştı. 1970-1983 arasında okulun kurucu müdürü olarak çalıştı. Amerikan Fizik Topluluğu üyesi olarak 1974-1975 arasında Kimyasal Fizik Bölümü başkalığını yaptı.

Gutowsky Ilinois Üniversitesi İleri Araştırmalar Merkezi'nde Kimya Araştırmları Profesörü olarak aktif bir şekilde 1983'ten 2000'e kadar ders verdi ve araştırmalar yaptı. Araştırma kariyerinin bu aşamasında Fourier dönüşümü spektroskopisi kullanarak küçük, zayıf bağlı moleküllerin gaz fazındaki aktivitelerini inceledi.

1952 Nobel Kimya Ödülü Felix Bloch ve Edward Mills Purcell arasında birbirlerinden bağımsız bir şekilde nükleer manyetik rezonansı keşfettikleri için bölüşüldü. Nükleer manyetik rezonans spektroskopisinde incelenen malzeme manyetik bir alan içinde kontrollü bir şekilde elektromanyetik radyasyona maruz bırakılır. Malzemenin kimyasal yapısına göre belli radyasyon dalga boyları emilir. Malzemenin emme spektrumu emilen dalga boylarını gösterir. Böylece araştırmacılar incelenen malzemenin moleküler yapısını çıkarabilir.

Gutowsky'nin çalışmaları NMR'nin bilimsel bir araç olarak kullanılması ve kapasitesinin anlaşılması ve kimyanın temel konseptlerine bağlanması açısından temel teşkil eder. NMR'nin anlaşılması ve kullanılması kimya, fizik ve elektronik alanlarında deneyim gerektirir. Gutowsky çeşitli yöntemler kullanarak NMR ile elde edilen sonuçların düzgün bir şekilde yazılması, anlaşılması ve teorik olarak açıklanmasını sağladı. Titiz hesaplama, yakınsama, kalibrasyon, deneysel karakterizasyon ve kimyasal konseptlerin bağıntıları sonucunda NMR'yi bilimsel bir araç olarak geliştirdi ve "kimyasal fizikçiler tarafından elde edilmiş sonuçları organik kimyacıların konseptleri ve ihtiyaçlarına bağladı." Yüksek seviye tekrarlanabilirlik ve gözlenen anomalilerin dikkatlice incelenmesi Gutowsky'nin bu yeni, beklenmedik ve ilginç alandaki başarısının anahtarıdır. Gutowsky'nin söylediği gibi "hatalar bazen bir deneyin sonucu için beklentiler ve önyargılardan daha önemli olabilir."

Nisan 1950'de Gutowsky ve Charles J. Hoffman organik ve inorganik numuneler kullanarak flor çekirdeği içeren bileşiklerde proton rezonans kaymalarını gözlemleyebildi. Gutowsky kovalent bağlı bir molekülün çekirdeğinde rezonans kaymaları olduğunu bildirdi. Başkaları bu etkiyi iyonik bağlı azot bileşiklerinde gözlemlemişti. Pek çok numuneden gelen sonuçları karşılaştıran Gutowsky ve ekibi aletlerinin doğruluğunu özenli prosedürler, aletlerin kontrolü, testlerin tekrarı, diğer aletler ve tekniklerin çapraz kontrolü ve yabancı data ile karşılaştırma ile iyileştirdi. Eylül'de ekip PF3'te ön görülmemiş bir rezonans gözlemleyince bunun kirlilik veya tamamlanmamış reaksiyon hazırlığından kaynaklandığını düşündü. Ancak sıkı testler sonucunda gözlemleri değişmedi ve bağımsız diğer araştırmacılar benzer sonuçlar bildirdi: Walter D. Knight (Brookhaven Ulusal Laboratuvarı), William C. Dickinson (MIT) ve Warren Proctor ve Fu Chun Yu (Stanford). Gutowsky "kimyasal kayma" olarak tanınacak durumu açıklamak için moleküler yapı ve teoriyi inceledi."Kimyagerler bileşiklerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinde periyodik yapı aramayı çok erken bir zamanda öğrenir, yoksa çok uzun süre kimya alanında kalamazlar.. elektronik bir fenomen olduğu için kimyasal kaymanın bir şekilde kimyasal bağların doğası ile ilgili olması gerektiğini düşündüm. Buna göre bu birbirine bağlanan atomların doğasına bağlıydı."Gutowsky ve ekibi basit ikili floridlerden başlayarak organik florid'lerin kapsamlı testlerine başladı. Gutowsky'nin bulduğu yeni fenomenin var olan teorilerle tam olarak açıklanamayacağı kabul edildi. 1953'te Lee Meyer, Apollo Saika ve Guowsky protonların kimyasal kaymasını moleküllerin içindeki fonksiyonel gruplarla ilişkilendirdi. 220 organik bileşiğin incelenmesi sonucunda protonun kimyasal kaymasını bir grup atomla ilişkilendiren bir tablo hazırladılar. Bu çalışma ile NMR'nin organik kimya alanında yapısal araştırmaya uygun bir araç olduğu gösterildi. Ek olarak Apollo Saika ve Illinoisli fizikçi Charles Pence Slichter flora bağlı atomların elektronegativitesi ve ekibin flor araştırmalarındaki kimyasal kayma verilerini ilişkilendirerek Harvardlı kuantum fizikçisi Norman Ramsey'in kimyasal kayma için kurduğu formülü basitleştirdi.

Bu sırada Gutowsky, McCall ve Slichter'in 1951 tarihli makalesi "Moleküllerin Nükleer Manyetik Dipolleri arasında Eşleşme" sıvılarda ilk defa spin-spin eşleşmesinin gözlendiğini bildirdi. Gutowsky ve ekibib önce 1950'deki çift rezonans hatları gözlemlerinin hatalı olduğunu varsaymıştı ancak Stanford'dan Proctor ve Yu da aynı anomalileri gözlemleyince çalışmalarını yeniden incelediler. Mart 1951'de Gutowsky'nin ekibi saflığı bilinen flor-klow bileşikleri inceliyordu ve rezonans hatlarının oluşumunu ön görüyordu: örneğin POCl3 tek bir rezonans hattı oluştururken POCL2F çift oluşturuyordu. Gutowsky, McCall ve Slichter hatların yoğunluğunu kendi binominal katsayılarına bağladı. Gözlemin böyle eşleşmeler için doğru açıklama olduğunu öne sürdüler ve basit bir öngörü kuralının ileri yapısal araştırmaların temeli olmasını tavsiye ettiler. İlk yorumlarını eleştiren ve geliştiren makaleler hızla çıktı. Çalışmaların bazıları Stanford'dan Erwin Hahn ve iş arkadaşları ile yakın iş birliği ile yapılmıştı. Eşleşme mekanizmasının teorik ayrıntılarını Ramsey ve Purcell sundu. Çalışmalar Gutowsky'nin deneysel çalışmalarıyla desteklendi.

Çalışmaları sonucunda şu açığa kavuştu: "Kimyasal kayma, aynı izotopik türlerin iki veya daha fazla çekirdeği farklı bir ortama sahip olduğunda gözlenir, genellikle her farklı grup için gruptaki çekirdek sayısıyla orantılı bir yoğunlukta rezonans emilimi gözlenir. Çekirdek manyetik olarak farklı olabilir çünkü ya kimyasal olarak farklı gruplardır ya da farklı çevresel doğaları vardır."

Gutowski'nin anomalilere dikkatle ilgilenmesi ve açıklanmasındaki ısrarı başka bir mekanizmanın bulunmasını sağladı, moleküler grupların değişimi, kimyasal değişim olarak adlandırıldı. Asit içeren su bazlı solüsyonlarda gözlenen mulitpletlerin artan değişim oranlarından dolayı tek bir çizgiye daralabileceğini erkenden belirtti. Ancak değişim oranın kesin olarak gözlemlenebileceği herhangi bir moleküler sistem bulmak zordu. Gutowsky, McCall ve Slichter oran denklemleri (1951) Gutowsky ve Saika tarafından su bazlı elektrolit solüsyonlarında proton değişimini incelemek için kullanıldı. Teoriyi birden fazla alanda uygulayabildiler ve multiplet yapsının değişim oranın azalmasıyla öngörülen daralmasını hesapladılar. Ancak daralmanın gerçekleştiği olaylar göstermeyi başaramadılar. Gutowsky ve Charles H. Holm amitlerin moleküller arası dönüş oranları üstüne çalıştılar. Moleküler yapılar arasında enerji bariyerleri bulunduğunu kanıtladılar. Sıcaklığın artması sonucunda moleküllerin durumlar arasında "atladığını" gösterdiler. Yeterli enerji verildiğinde tüm molekül formları en üst duruma atlayabilir ve manyetik rezonans sinyalindeki herhangi bir multiplet buna yakınsayacaktır. Bu çalışma NMR'nin moleküllerin dinamiğinin incelemek için kullanıldığı yeni bir araştırma alanı açtı. Kimyasal değişimler sonucu NMR spektrumunun değiştiğini fark etmek araştırmacıların değişim oranları ölçmesini ve değişim işlemini daha önce olmadığı gibi incelemelerini sağladı. Gutowsky ve Adam Allerhand sonrasında kimyasal değişimi incelemek için kullanılan deneysel yöntemlerin titizliğini iyileştirmeye çalıştı.

Gutowsky sessiz, kibar ve düşünceli bir şekilde bilime odaklandı ve tüm araştırma arkadaşlarıyla yakından çalıştı. Öğrencilerin birin hakkında şöyle konuştu: "Herb her zaman bizimleydi ve bize her zaman destek olurdu. En iyi fikirlere sahip olduğumuzu düşünmemizi sağlardı ama fikirlerin nereden geldiğini bilmemiz gerekirdi."

1970'lerde Gutowsky idari işlerle gittikçe daha fazla ilgilenmeye başladı ve araştırmaya daha az vakit ayırdı. Yine de Eric Oldfield ile membranlarda protein-lipid etkileşimi üstüne çalışarak NMR'nin karmaşık biyolojik sistemlerde kullanımını keşfetmeye devam etti. 1976-1986 arasında biyofizik alanında fotosentez üstüne çalışan Govindjee ve ekibiyle de çalıştı. NMR, floresans ve darbeli ışık/oksijen kullanarak biyomembranların evrimi üstüne çalıştı ve fotosentezin fiziksel-kimyasal mekanizmasını inceledi.

Arkadaşı Willis H. Flygare'in 1981'de ölmesi üstüne Gutowsky ikinci araştırma kariyerine başladı ve Flygare'in çalışmalarını Fourier dönüşümü spektroskopisi kullanarak genişletti. Gutowsky'nin ekibi zayıf bağlı moleküllerin gaz halindeki rotasyonel spektrumunu inceledi ve bu yöntem trimer, tetramer ve pentamerlerde ilk defa uygulandı. Silikon-karbon çift bağının uzunluğunu ve benzen dimerin rotasyonel spektrumunu belirledi.

Ömrü boyunca aldığı ödüllerin yanı sıra Gutowsky'nin katkıları ölümünden sonra da ödüllendirildi. Arkadaşlarıyla birlikte çalıştığı laboratuvar Amerikan Kimya Derneği tarafından 2002'de Ulusal Tarihi Kimyasal Anıt ilan edildi. Gutowsky'nin 1951 tarihli "Moleküllerder Nükleer Manyetik Dipoller arası Eşlenme" başlıklı makalesi spin-spin eşlenmelerinin sıvılardaki ilk gözlemiydi ve bu NMR spektroskopisinin kimya biliminin en güçlü araçlardan birine dönüşmesindeki önemli bir adımdı. Bu yayının önemi Amerikan Kimya Derneği'nin Kimya Tarihi Bölümü'nün verdiği Kimyasal Atılım Ödülü ile gösterildi. Ödül Illinois Üniversitesi'ne 2016'da verildi.

Gutowsky gençliğinde hırslı bir bisikletçi ve kuş gözlemcisiydi. Yaşlandıkça bahçesinde gül yetiştirmekle ilgilenmeye başladı. İki defa evlendi. İlk evliliğini 1949'da Barbara Stuart ile yaptı ve çiftin üç oğlu oldu. İkinci evliliğini Virginia Warner ile 1982'de yaptı. Diyabet ve Parkinson hastasıydı. Gutowsky 13 Ocak 2000'de Urbana, Illinois'de öldü.