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

На всех парах На всех парах

О создании первой самоходной машины на паровом двигателе

Наука и жизнь
Борец с незаконной торговлей рассказал о нападениях, поджоге машины и возвращении 90-х Борец с незаконной торговлей рассказал о нападениях, поджоге машины и возвращении 90-х

Интервью с активистом Александром Виноградовым

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

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

Наука и жизнь
Плоская металинза дала эффект рыбьего глаза Плоская металинза дала эффект рыбьего глаза

Угол обзора мегалинзы превышает 170 градусов

N+1
Жизнь в кислотных облаках Жизнь в кислотных облаках

Как могла бы выглядеть венерианская жизнь?

Наука и жизнь
Израильский Гуантанамо: тайная тюрьма, стертая со всех карт и аэрофотосъемок Израильский Гуантанамо: тайная тюрьма, стертая со всех карт и аэрофотосъемок

Секретная тюрьма «лагерь 1391» в Северном Израиле была обнаружена случайно

Maxim
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Эффект кино Эффект кино

Замок в современном прочтении

SALON-Interior
Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
«21 урок для XXI века» «21 урок для XXI века»

Как человеку и человечеству выжить в современном мире тревоги?

kiozk originals
Подпоручик, маршал, палач, жертва Подпоручик, маршал, палач, жертва

Как самонадеянность привела Тухачевского к гибели

Дилетант
Жрун вместо кормильца: как выгоды семейной жизни превращаются в потери Жрун вместо кормильца: как выгоды семейной жизни превращаются в потери

Почему жизнь с мужчиной может оказаться далеко не такой удобной, как нам обещают

Cosmopolitan
Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Судьбы главных красавиц: что стало с победительницами конкурса Судьбы главных красавиц: что стало с победительницами конкурса

Корона "Мисс России" не гарантирует счастья и успеха

Cosmopolitan
Беспокойная ночь Беспокойная ночь

Как мексиканцы отмечают День мертвых

Вокруг света
В прошлом крупный девелопер Александр Сенаторов решил делать держатели для смартфонов. Сможет ли он построить успешный бизнес? В прошлом крупный девелопер Александр Сенаторов решил делать держатели для смартфонов. Сможет ли он построить успешный бизнес?

О силе конкурентов и слабости алюминия

Inc.
Как улучшить память: что делать, чтобы ничего не забывать Как улучшить память: что делать, чтобы ничего не забывать

Не слишком уверена в своей памяти? Это поправимо!

Cosmopolitan
Семь очень древних звуков, которые удалось воссоздать ученым Семь очень древних звуков, которые удалось воссоздать ученым

Как «заговорили» тираннозавры, египетские мумии и кое-кто еще!

Maxim
Крым, БАМ и ЦКАД: на какие проекты правительство не жалеет денег в период пандемии Крым, БАМ и ЦКАД: на какие проекты правительство не жалеет денег в период пандемии

Во время кризиса финансирование некоторых проектов сильно выросло

Forbes
«Гнездо» перевернутых ролей: фильм, где Джуд Лоу живет на содержании у жены, притворяясь миллионером «Гнездо» перевернутых ролей: фильм, где Джуд Лоу живет на содержании у жены, притворяясь миллионером

«Гнездо» — индидрама про смену традиционных гендерных ролей

Forbes
История героического советского пловца Шаварша Карапетяна, который вытащил 46 человек из утонувшего троллейбуса История героического советского пловца Шаварша Карапетяна, который вытащил 46 человек из утонувшего троллейбуса

Пловец Шаварш Карапетян пожертвовал собственной карьерой ради спасения людей

Maxim
Как поймать идеальный момент для продажи доли в компании: сценарии и риски Как поймать идеальный момент для продажи доли в компании: сценарии и риски

Как помочь команде кратно вырасти и в какой момент ее оставить

Forbes
«Бесцветный» «Бесцветный»

История комика Тревора Ноя: ужасы, которые пережил «бесцветный» ребенок в ЮАР

kiozk originals
Вызывая улыбку: какие тренды преобладают в косметической стоматологии Вызывая улыбку: какие тренды преобладают в косметической стоматологии

Что такое эстетическая стоматология и какие процедуры вам необходимы

Forbes
Мне бы в небо: 10 фактов о работе стюардессы Мне бы в небо: 10 фактов о работе стюардессы

Наверное, каждая девочка мечтала стать стюардессой

Cosmopolitan
6 опасностей психотерапии «Инстаграме» 6 опасностей психотерапии «Инстаграме»

Может ли социальная сеть заменить полноценную психотерапию?

Psychologies
Радио против видео Радио против видео

Автоматическая посадка крылатого летательного аппарата давно уже не фантастика

Популярная механика
Нейросеть заставили «развидеть» самолёты Нейросеть заставили «развидеть» самолёты

Обнаружен способ ввести нейросеть в заблуждение путём замены камуфляжа

Популярная механика
Илья Ильф Илья Ильф

Правила жизни писателя Ильи Ильфа

Esquire
«Голодная степь: Голод, насилие и создание Советского Казахстана» «Голодная степь: Голод, насилие и создание Советского Казахстана»

Что мешало казахам перейти к оседлой жизни?

N+1
Открыть в приложении