Ученые, которые первыми дали верное объяснение оптической изомерии

Наука и жизньИстория

Стереохимические фантазии Вант-Гоффа

Доктор химических наук Александр Рулёв, Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского СО РАН, доктор физико-математических наук Вадим Ерёмин, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Двадцатитрёхлетний Луи Пастер (1822—1895) в годы обучения в École Normale. В числе его достижений — открытие оптических изомеров.

Собрать и по-новому взглянуть на накопленную массу знаний, увидеть порядок там, где до этого его никто не видел, объяснить на первый взгляд необъяснимый факт или явление — всё это по праву вызывает неописуемый восторг естествоиспытателя и рассматривается как великое научное открытие. Именно такое открытие почти полтора столетия назад совершили голландец Якоб Вант-Гофф и француз Жозеф Ашиль Ле Бель. Они первыми дали верное объяснение оптической изомерии — явлению, которое имеет непосредственное отношение к появлению жизни на Земле и широко используется сегодня, в том числе при создании новых лекарств.

Это открытие во многом удивительно. Во-первых, оно было сделано тогда, когда теория строения органических соединений только зарождалась и даже сомнения в реальном существовании самих атомов и молекул не были окончательно развеяны. Во-вторых, это редкий случай, когда два исследователя, пусть и хорошо знавшие друг друга, одновременно и независимо пришли к одному и тому же результату. Наконец, нельзя не упомянуть о возрасте первооткрывателей: Ле Белю было 27, а Вант-Гоффу только-только исполнилось 22 года, когда о них заговорило мировое химическое сообщество.

Расплывчатые представления о частицах материи, располагающихся определённым образом в пространстве, встречаются ещё в трудах древних философов. Но только в XIX веке после накопления знаний о строении вещества они начинают приобретать отчётливую форму. Во второй половине XIX столетия Фридрих Август Кекуле в Германии и Арчибальд Скотт Купер в Шотландии высказали основополагающую идею, согласно которой атом углерода во всех органических молекулах четырёхвалентен (то есть образует ровно 4 химические связи). Причём его атомы могут соединяться с другими атомами углерода посредством одинарных, двойных или тройных связей. Чуть позже профессор Казанского университета Александр Михайлович Бутлеров предложил «изображать атом углерода в виде тетраэдра, каждая из четырёх граней которого способна образовывать связь с атомом водорода». Новая теория строения органических соединений (в некоторых школьных учебниках её называют «теорией Бутлерова», что не совсем справедливо) позволяла составлять их структурные формулы. Она показала также, что свойства вещества определяются не только его составом, но и порядком соединения атомов в молекуле.

Конечно, язык органической химии в то время был очень далёк от современного. Например, первооткрыватель структуры бензола Кекуле сначала обозначал атомы углерода в виде вытянутых полосок, похожих на сосиски, но позже перешёл к моделям, близким к используемым сегодня. Глядя на изображения, принятые в XIX веке, не всегда легко догадаться, что за ними «прячутся» формулы, например, самого обыкновенного бензола или этанола!

Новая структурная теория с необычайной лёгкостью объяснила строение сложных молекул и оказалась необходимой для понимания изомерии органических соединений. Однако вскоре выяснилось, что даже на её основе не удаётся интерпретировать ряд экспериментальных фактов. В 1815 году француз Жан-Батист Био и немец Томас Иоганн Зеебек обнаружили, что некоторые органические вещества (например, сахар, камфора, скипидар) и их растворы при прохождении через них поляризованного света способны вращать плоскость поляризации. Причина такой оптической активности оставалась тайной, раскрыть которую пытались многие, в том числе знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер.

Изучая тартраты — соли винной кислоты, он обратил внимание на две их кристаллические формы, представляющие собой зеркальное отображение друг друга. Вооружившись пинцетом и микроскопом, Пастер вручную разделил кристаллы обоих типов и обнаружил, что водные растворы каждой фракции вращают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в противоположных направлениях. Легенда утверждает, что двадцатишестилетний учёный выскочил из лаборатории, радостно восклицая: «Я только что сделал великое открытие!» Позже он пояснял: «Получаемая химиками винная кислота, неактивная в отношении вращения плоскости поляризации, состоит из двух кислот, вращения которых взаимно нейтрализуют друг друга, поскольку одна вращает вправо, а другая влево в той же самой степени». Такие две формы соединений получили название антиподов, или энантиомеров (от греч. ἐνάντιος — противоположный и μέρος — часть), а их эквимолярная смесь — рацемической (от лат. acidum racemicum — виноградная кислота: именно так издавна называлась известная смесь равных количеств двух энантиомеров винной кислоты, не проявляющая оптической активности). Однако Пастер не высказал никакой гипотезы о строении молекул изучаемых солей, ограничившись лишь макроскопическим описанием асимметрических форм кристаллов.

Виноградная кислота (эквимолярная смесь винной кислоты)

Предположим, вам завязали глаза и попросили разделить кипу из 100 перчаток на две стопки, одна из которых должна состоять только из перчаток на правую, а другая только на левую руку. Как вы можете сделать это, если перчатки не различаются ни по весу, ни по запаху, ни по каким-либо другим свойствам? То есть они абсолютно одинаковые за исключением того, что половина из них на правую, а половина на левую руку (выражаясь химическим языком, смесь перчаток — это «рацемат»). Очевидно, один из способов решить проблему — перемерить все перчатки. В этом случае ваша рука будет выступать в роли энантиомерно чистого реагента. Надетая на правую руку «праворукая» перчатка будет сидеть как влитая, тогда как «леворукая» создаст ощущение дискомфорта.

Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852—1911). Фото 1904 года. В 1874 году молодой, никому неизвестный учёный не побоялся выдвинуть революционную гипотезу «Предложение о расширении в пространстве структурных формул...».

Несколько лет спустя после экспериментов Пастера немецкий химик-органик Иоганн Вислиценус установил существование трёх изомерных молочных кислот, две из которых, выделенные из природных объектов, были оптически активными, а третья, синтезированная в его лаборатории, такой активности не проявляла. В отличие от Пастера Вислиценус предпринял попытку (небезуспешную!) объяснить полученные результаты. В опубликованной в 1873 году статье он писал: «Поскольку структурные формулы показывают лишь то, как атомы связаны друг с другом, мы должны признать, что, если два вещества имеют одну и ту же структурную формулу, различия в их свойствах следует искать в различном расположении атомов в пространстве»

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
Отрывок из книги Эрика-Эмманюэля Шмитта «Дневник утраченной любви» Отрывок из книги Эрика-Эмманюэля Шмитта «Дневник утраченной любви»

Некоторые главы романа «Дневник утраченной любви» Эрика-Эмманюэля Шмитта

СНОБ
О чём тот дуб молчит красноречиво… О чём тот дуб молчит красноречиво…

Ириновский дуб — памятник живой природы

Наука и жизнь
Тайна завитка под буквой «Д» Тайна завитка под буквой «Д»

История раскрытия, изложенная в двух частях с предисловием

Наука и жизнь
Сайгачьи будни Сайгачьи будни

В России можно наблюдать весь цикл жизни степной антилопы

Наука и жизнь
Тест-драйв Porsche Panamera GTS Sport Turismo Тест-драйв Porsche Panamera GTS Sport Turismo

Этот автомобиль — фактически первый «универсал» от Porsche

СНОБ
Заповедники: «Умный дом» для природы Заповедники: «Умный дом» для природы

Уйдут ли заповедники в прошлое или, наоборот, станут более востребованными?

Наука и жизнь
Потребность острова Потребность острова

«Остров Утопия» Куба в документальном фильме «Эпицентр» Хуберта Саупера

Weekend
Микроулитки на страже экологии Микроулитки на страже экологии

Биологическое разнообразие Арктики изучено крайне неравномерно

Наука и жизнь
Хилиазм: хеппи-энд истории Хилиазм: хеппи-энд истории

Что такое хилиазм и чем он отличается от докетизма

Weekend
Музыка на полюсе Музыка на полюсе

Рэпер L’One поделился самыми яркими моментами посещения Южного полушария

Вокруг света
Цивилизация Цивилизация

Чем Запад отличается от остального мира

kiozk originals
Этикет чтения в деталях Этикет чтения в деталях

Книжные цепи, ножи и другие приспособления, которые облегчали жизнь книге

Наука и жизнь
Косметика от всех грехов: монахи, ставшие бьюти-гуру, — реальные истории Косметика от всех грехов: монахи, ставшие бьюти-гуру, — реальные истории

Намоленная косметика? Нет, мы не шутим!

Cosmopolitan
Семейские ценности Семейские ценности

Потомки старообрядцев, оказавшихся в Забайкалье в XVIII веке, сохранили веру

Вокруг света
Солнце — в бутылку! Солнце — в бутылку!

Как люди пытаются освоить термоядерный синтез

N+1
Век Феллини Век Феллини

Феллини. Материал, который интересно читать и по сей день

Playboy
Состояние почтового ящика может многое рассказать о личности человека, уверены психологи Состояние почтового ящика может многое рассказать о личности человека, уверены психологи

Три основных стиля ведения электронной почты с точки зрения психологов

Inc.
Симптомы будущей жены Симптомы будущей жены

Какими качествами должна обладать твоя будущая жена?

Maxim
Тутта Ларсен: «Единственный диетолог, который может тебе помочь, – ты сам» Тутта Ларсен: «Единственный диетолог, который может тебе помочь, – ты сам»

Популярная телеведущая, жена и мама делится собственным опытом похудения

Худеем правильно
Время футбола: каким получился фильм «Стрельцов» Время футбола: каким получился фильм «Стрельцов»

Осталось ли в фильме «Стрельцов» что-то от настоящего Эдуарда Стрельцова

РБК
Топ-7 сочетаний с трикотажным жилетом — учимся носить главный тренд осени-2020 Топ-7 сочетаний с трикотажным жилетом — учимся носить главный тренд осени-2020

Список главных трендов осени пополнили школьные трикотажные жилеты

Cosmopolitan
Эти гениальные птицы Эти гениальные птицы

Лабораторные и полевые исследования когнитивных способностей птиц

kiozk originals
Земля. Тайная история красок Земля. Тайная история красок

Почему мир вокруг нас раскрашен в такие яркие цвета

kiozk originals
Великий и оболганный: необычные факты о гениальном “Трабанте” Великий и оболганный: необычные факты о гениальном “Трабанте”

Рассказываем все самое интересное о прекрасном “Траби”

Популярная механика
Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать Вакцинация: как работают прививки и почему их надо делать

Прививки — большое зло или наше спасение?

Популярная механика
Вошли в моду Вошли в моду

Можно ли начать карьеру в фешен-бизнесе с нуля?

Cosmopolitan
Таинственные звезды и что они производят Таинственные звезды и что они производят

Элементы, которые появляются в результате смерти звезд

Популярная механика
Поместится всё! Поместится всё!

Как не ошибиться с размером шкафа для маленькой квартиры

Лиза
Как не раствориться в партнере и сохранить личные границы Как не раствориться в партнере и сохранить личные границы

Какие риски несет такое представление о гармонии в отношениях

Psychologies
Открыть в приложении