Vader van de stereochemie

Auteurs: H. van Bekkum en J. Reedijk

Van 't Hoff kreeg een Nobelprijs. 
Hij verdiende er nog een
.

standbeeldvantHoff.gifWie door Rotterdam per auto komend uit het noorden de Maastunnelroute kiest, ziet aan de linkerkant, op de 's Gravendijkwal, Jacobus Henricus Van 't Hoff. Gezeten op een stoel laat de Nobelprijswinnaar zijn gedachten gaan over het drukke verkeer. Links en rechts beneden hem mijmeren twee jonge vrouwen, Scientia (rede) en Phantasia (verbeeldingskracht), met hem mee.

Op de sokkel van het standbeeld staan als 'belangrijke werken' vermeld:

  • De brochure Voorstel tot uitbreiding der tegenwoordig in de Scheikunde gebruikte structuurformules in de ruimte (1874),
  • De rede uitgesproken te Amsterdam bij de aanvaarding van zijn professoraat met de magische titel: De verbeeldingskracht in de wetenschap (1878),
  • Het boek Etudes de Dynamique Chimique (1884) over chemische reactiesnelheden en evenwichten,
  • De theorie van de osmotische druk (1885).

Na de HBS bezocht Van 't Hoff de toenmalige Polytechnische School in Delft om in recordtempo (twee jaar in plaats van drie) en tot verbazing van zijn docenten het diploma van technoloog te behalen. Scheikundig ingenieur of chemisch technoloog zou dat nu heten. Uit die periode dient vermeld zijn contacten met de suikerindustrie. Suiker (uit riet of biet) draait het polarisatievlak van licht sterk naar rechts. Bij hydrolyse van suiker wordt het tot glucose (rechtsdraaiend) en fructose (sterk linksdraaiend) omgezet. Het mengsel draait naar links en draagt de naam invertsuiker.

Misschien ligt hier het begin van Van 't Hoffs theorie over de ruimtelijke structuur van organische moleculen met daaraan gekoppeld het verschillend gedrag van spiegelbeeld-isomeren (enantiomeren) bij doorvallend gepolariseerd licht. Het bracht hem in elk geval tot een geliefd onderwerp: moleculaire structuur en eigenschappen.

portretVantHoff.gifDestijds vereiste toelating tot de universiteit een gymnasiumdiploma. HBS plus Delft was echter ook toegestaan en zo ging hij naar Leiden. Na een jaar en met een kandidaats op zak, ging hij in 1872 naar Bonn om een jaar te gaan werken bij August Kekulé (de ontdekker van de benzeenstructuur).

Terug in Nederland trok Van 't Hoff zich enkele maanden terug om - nu in Utrecht - het doctoraal te halen (december 1873). Daarna ging hij op aanraden van Kekulé, naar Parijs om bij Wurtz, een andere organisch-chemische grootheid uit die tijd, te werken. Dit illustreert de wens van de jonge Van 't Hoff om via contacten met Europese coryfeeën zijn kennis van en inzicht in de chemie uit te breiden. Met beroemde wetenschappers als Arrhenius en Ostwald onderhield hij diepgaande correspondentie.

Na Parijs keerde Van 't Hoff terug naar Utrecht en promoveerde een aantal maanden later (december 1974) op een snel gefabriceerd proefschrift, met als titel Bijdrage tot de kennis van het cyaanazijnzuur en het malonzuur. Dit proefschrift is niet erg opwindend, zijn stellingen daarentegen trekken wel de aandacht, zeker voor die tijd. Twee voorbeelden: 
Stelling IV: De dubbelbindingen in Kekulé's benzolkern zijn van anderen aard dan die in de vetzurenreeks. 
Stelling XI: Er bestaat een verband tussen physische oplosbaarheid en chemische constitutie. Tweemaal een dik uitroepteken.

Ondertussen had Van 't Hoff andere dingen aan zijn hoofd dan organische synthese. Drie maanden voor zijn promotie verscheen de brochure over de ruimtelijke structuur van organische verbindingen, die hem onvergankelijke roem zou bezorgen. 
Voor het zover was had hij wel een paar problemen op te lossen, zoals het vinden van een baan, getuige de advertentie uit 1875, waarin hij zich aanbiedt als ingenieur.

De later beroemd geworden brochure telde twaalf pagina's tekst en een bladzijde tekeningen. Van 't Hoff rekent af met de toen veronderstelde vlakke structuren door te stellen dat men dan van structuren van het type CH2R1)2 twee isomeren zou verwachten, hetgeen niet het geval is. Van 't Hoff komt met de doorbraak dat de bindingen van een koolstofatoom naar de hoekpunten van een tetraëder zijn gericht, met koolstof zelf als middelpunt. Dit leidt tot ongelijke spiegelbeeldisomeren voor verbindingen van het type CHR1R2R3 en CR1R2R3R4. Van 't Hoff werkte met papieren tetraëdertjes.

Tetraëder_modellen_van_VanHoff.gif
Tetraëdermodellen van Van 't Hoff

Van 't Hoff noemt een met vier verschillende groepen of atomen verbonden koolstof een 'asymmetrisch koolstofatoom' (tegenwoordig chiraal centrum genoemd) en poneert een verband tussen de asymmetrie en de optische activiteit. Uit de bovengenoemde suikerindustrie en uit andere bron kende Van't Hoff het vermogen tot draaiing van het polarisatievlak van doorvallend licht.

In de brochure bespreekt Van 't Hoff ook de ruimtelijke situatie bij verbindingen van het type R1R2C=C1R2 met een dubbele binding. Hiermee was direct de cis-trans-isomerie van fumaarzuur en maleïnezuur verklaard. Met reuzenstappen zette hier een 22-jarige de organische stereochemie op de kaart. Door bemiddeling van Buys Ballot verschijnt een Franse vertaling van zijn brochure en ook publiceert hij in 1875 de verhandeling La Chimie dans l' Espace, met uitbreiding naar meerdere asymmetrische koolstofatomen.

Ook systemen met gelijkwaardige asymmetrische koolstofatomen als de wijnsteenzuren doet Van 't Hoff uit de doeken. Met de wijnsteenzuren legt hij een verbinding met eerder werk van Pasteur. Alles wat Van 't Hoff voorzag, zou uitkomen, inclusief (60 jaar later) de voorspelling van de spiegelbeeldisomerie van alleenderivaten.

Via zijn Franstalige publicatie kwam Van 't Hoff er achter dat de Fransman LeBel, die hij bij Wurtz in Parijs had ontmoet, enkele maanden na hem, soortgelijke stereochemische ideeën gelanceerd had. Tekenend voor Van't Hoff: hij nam terstond contact op en zou nooit verzuimen Le Bels werk te memoreren in woord en geschrift.

De internationale gemeenschap omarmde de voorstellen van Van't Hoff bepaald niet meteen. Kolbe, een der groten in de organische chemie, schreef in 1878 nog, naar aanleiding van de Duitse vertaling van La Chimie dans l' espace, een artikel waarin hij zegt:

Anderen zoals Emil Fischer hadden wel grote waardering voor de concepten van Van 't Hoff . Fischer kon op basis van Van 't Hoffs werk bij suikerverbindingen het aantal isomeren voorspellen (1891). Dit succes droeg bij aan de acceptatie van de ideeën van Van 't Hoff. Terzijde: Fischer kreeg in 1902 als tweede een Nobelprijs chemie.

In 1876 wordt Van 't Hoff benoemd als assistent bij de veeartsenijschool (tegenwoordig de faculteit diergeneeskunde) te Utrecht. Hier begint hij te schrijven aan een boek in twee delen (Ansichten über die organische chemie). Dat werd geen succes, in tegenstelling tot zijn in 1884 verschijnende boek Etudes de dynamique chimique.

Van 't Hoffs ster stijgt snel. In 1877 wordt hij benoemd tot lector aan de Uuniversiteit van Amsterdam en een jaar later tot hoogleraar. De titels van zijn openbare les (Over de theorie in de wetenschap, 1877) en oratie (De verbeeldingskracht in de wetenschap, 1878) spreken voor zichzelf. In Amsterdam begon de glorietijd. Van 't Hoff creëerde doorbraken op diverse gebieden van de fysische chemie, zoals de chemische kinetiek, de leer van de chemische evenwichten, de theorie van verdunde oplossingen en de osmotische druk. Tegelijkertijd groeide zijn twijfel of een begenadigd onderzoeker wel met zoveel onderwijsbesognes opgezadeld mag worden.

Zijn eerste huisvesting was op de Groenburgwal 44. Nu is daar de gemeentelijke dienst voor infectieziekten gevestigd. In 1891 verhuisde Van 't Hoff naar een fraai lab aan de Nieuwe Prinsengracht. De bouw daarvan begon in 1887 toen Van 't Hoff een aanbod van de universiteit Leipzig voor hoogleraar fysische chemie afwees. Dit nieuwe lab, waar Van 't Hoff zetelde tot hij in 1896 naar Berlijn vertrok, is in 1987 roemloos aan een einde gekomen door sloop van het gebouw, na een kleine brand op de zolderverdieping.

Werkend aan de UvA was Van 't Hoff een der eersten die nauwkeurige kinetische metingen aan organische reacties deed. Hij onderscheidde uni- en bimoleculaire reacties en stelde snelheidsvergelijkingen op. Veel hiervan is opgenomen in zijn boek Etudes de dynamique chimique, waarvan veel invloed uitging op zijn tijdgenoten. Dit boek was in feite het eerste boek over de fysische chemie.

Van 't Hoffs naam is verbonden aan diverse door hem te Amsterdam onderzochte fenomenen. Ten eerste de Van 't Hoff-vergelijking voor chemische evenwichten. Hij ging hierbij uit van het chemisch evenwicht als resultaat van twee tegengestelde reacties. Van 't Hoff geeft overigens Pfaundler de eer deze opvatting als eerste te hebben ontwikkeld.

In de tweede plaats het principe van Van 't Hoff: het evenwicht verplaatst zich bij temperatuurdaling naar de kant van het systeem dat wordt gevormd onder vrijkomen van warmte. Le Chatelier gaf de invloed van de druk op de evenwichtligging aan. Tezamen wordt een en ander het principe van Van 't Hoff en Le Chatelier genoemd. Van 't Hoff spreekt van het beweeglijke evenwicht. Hij introduceerde de bekende evenwichtspijlen in zulke systemen (H2O + CO ---> H2 + CO2)

Van 't Hoff verrichtte ook pionierswerk aan verdunde oplossingen. De relaties voor kookpuntsverhoging, dampspanningsverlaging, vriespuntsdaling en hun afleidingen zijn aan hem te danken, zonder dat zijn naam er expliciet aan verbonden is. Hij ontdekte en formuleerde de analogie tussen gassen en verdunde oplossingen.

Vervolgens is er de wet van Van 't Hoff: de osmotische druk is gelijk aan de gasdruk die de opgeloste stof zou uitoefenen wanneer hij in dezelfde ruimte als ideaal gas aanwezig was.

Ten slotte is er voor dissociërende oplossende verbindingen zoals zouten de Van 't Hoff-factor die de verhouding aangeeft tussen het effectieve aantal deeltjes (ionen) en het aantal ingebrachte moleculen. Voor geheel gedissocieerde NaCl is deze factor 2, voor calciumdichloride 3. Op dit gebied werkte Van 't Hoff nauw samen met Arrhenius die ook enige tijd gasthoogleraar in Amsterdam was.

Het was de botanicus Hugo de Vries die Van 't Hoff attendeerde op het verschijnsel osmotische druk. Experimenteel werd gewerkt met een halfdoorlaatbare wand, waar watermoleculen wel door kunnen en suikermoleculen niet. Hier duikt dus weer de suiker op in het onderzoek van Van 't Hoff, waarbij hij samenwerkt met de plantenfysioloog Pfeffer.

Met Ostwald is Van 't Hoff de grondlegger van de fysische chemie; samen richtten zij in 1887 het Zeitschrift für Physikalische Chemie op. Via dit tijdschrift werd veel van Van 't Hoff 's werk aan de theorie van verdunde oplossingen wereldkundig gemaakt.

Hoewel Van 't Hoff succesvol was en hij vanaf 1891 kon beschikken over een mooi laboratorium, besloot hij eind 1895 Amsterdam de rug toe te keren om zich in de positie van lid de Pruisische Academie van Wetenschappen en Honorar Professor aan de Universiteit van Berlijn geheel aan onderzoek te wijden. Verwijzend naar een uitspraak van Napoleon had Van 't Hoff kort tevoren hartstochtelijk gepleit voor de instelling van researchprofessoren. In Berlijn werkt hij met zijn assistent Meyerhoffer (meegekomen uit Amsterdam) aan oceanische zoutafzettingen, ook beschreven in een boek. En later nog aan reacties in levende cellen. De resultaten spreken echter veel minder tot de verbeelding dan die uit zijn Amsterdamse periode.

Samenvattend kan gesteld worden dat Van 't Hoff schitterde op niet minder dan drie gebieden: het tetraedrisch concept, de theorie van verdunde oplossingen en de osmotisch druk, de chemische kinetiek en evenwichten. In het in 1997 door de Amerikaanse Chemical Heritage Foundation uitgegeven boek Chemical Achivers wordt Van 't Hoff gerekend bij de tachtig grondleggers van de chemie.

Het is niet verwonderlijk dat Van 't Hoff veel eerbewijzen ten deel vielen. In 1885 werd hij gekozen tot lid van de Koninklijke Akademie van Wetenschappen. Eerdere pogingen om hem al in 1880 en 1881 te benoemen, faalden, naar verluid omdat zijn experimenteerkunst niet voldoende zou zijn. In 1892 werd hij benoemd tot lid van de academie te Göttingen. In 1893 ontving hij de Davy medal van de Engelse Royal Society en in 1894 werd hij benoemd in Frankrijk tot Chevalier de la légion d'honneur.

Hij ontving eredoctoraten uit de Verenigde Staten van Harvard en Yale, van de Universiteit Utrecht en de TU Delft. In 1901 kreeg hij de prijs der prijzen: de Nobelprijs voor scheikunde, juist ingesteld en mogelijk gemaakt door de Zweedse scheikundige en industrieel Alfred Nobel (1833-1896), die het grootste deel van zijn vermogen vermaakte aan de Nobelstichting. Zoals bekend reikt deze stichting jaarlijks prijzen uit op de gebieden: Scheikunde, Natuurkunde, Geneeskunde, Letteren, Vrede en Economie.

Nu de archieven van de Nobelstichting tot 1944 zijn geopend, kan iets gezegd worden over de genomineerden en over wie hen voorstelden. Van 't Hoff werd genomineerd door elf wetenschappers. Zijn concurrenten waren E. Fischer (4 nominaties) en S. Arrhenius (3 nominaties), die de prijs in respectievelijk 1902 en 1903 zouden krijgen.

De Zweedse Post gaf op 9 december 1961 drie nieuwe postzegels uit met de Nobelprijswinnaars van 1901

Van 't Hoff kreeg de Nobelprijs for the discovery of the laws of chemical dynamics and osmotic pressure in solution. Dus niet voor de tetraëdrisch omringde koolstof; een ontdekking die op zich een Nobelprijs waard was. Naast Van 't Hoff ontvingen in 1901 de Nobelprijs: W.C. Röntgen (Natuurkunde), E,A. von Behring (geneeskunde) en R.F.A. Prudhomme (Letteren).

grafVantHoff.gifDe mens Van 't Hoff wordt door velen beschreven als minzaam en vredelievend; om de tegenstanders van zijn theorie kon hij glimlachen. Als men 'om' was, zei hij langs zijn neus weg, 'die en die is bekeerd'. Hij was gastvrij, velen werden welkom geheten in zijn laboratorium om onderzoek te verrichten. Zo werkte J.F. Eykman (broer van Nobelprijswinnaar C. Eykman) meerdere jaren bij Van 't Hoff, na een hoogleraarschap te Tokyo. Met jonge mensen kon Van 't Hoff bijzonder goed opschieten en ze enthousiasmeren. Het verhaal gaat dat J.J. van Laar die graag scheikunde wilde studeren, maar door zijn familie voor de grote vaart bestemd was, van Van 't Hoff een drietal boeken mee kreeg om die eerst op reis maar eens te bestuderen. Van Laar zou later bij Van 't Hoff gaan studeren en grote bekendheid genieten.

Van 't Hoff hield van natuur en poëzie (met Byron als favoriet). In 1878 trouwde hij met Johanna Francina Mees; ze kregen twee dochters en twee zonen. Van 't Hoff overleed op 1 maart 1911, en werd begraven op het kerkhof te Berlijn-Dahlem.

Aanbevolen literatuur

  • E. Cohen, Jacobus Henricus Van 't Hoff, sein Leben und Wirken, Berlin, 1912, 638pp
  • Chemisch Weekblad 48 (1952), 621-661; reeks artikelen t.g.v. 100e geboortedag.
  • J.W. van Spronsen, Chemisch Weekblad, 8-10-1992; 19-10-1996; 17-01-1998.
  • Biografie Van 't Hoff (website Nobelprijzen in Zweden)