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

Время Кассиопеи. Осеннее небо Время Кассиопеи. Осеннее небо

Что можно наблюдать на звездном небе осенью

Наука и жизнь
Как выбрать подушку для здорового сна. Инструкция Как выбрать подушку для здорового сна. Инструкция

Перьевые, анатомические, латексные, с наполнением из гречневой шелухи: что лучше

РБК
Почему у дятла не болит голова? Почему у дятла не болит голова?

Как дятлы долбят по дереву со скоростью 7 метров в секунду без травм

Наука и жизнь
Сумерки кумиров: как приговор Михаилу Ефремову разрушил миф о сакральности культуры Сумерки кумиров: как приговор Михаилу Ефремову разрушил миф о сакральности культуры

О том, как это резонансное дело может привести к десакрализации культуры

Forbes
Микроулитки на страже экологии Микроулитки на страже экологии

Биологическое разнообразие Арктики изучено крайне неравномерно

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
Безотходная пшеница для космического огорода Безотходная пшеница для космического огорода

Как работают биолого-технические замкнутые системы жизнеобеспечения человека

Наука и жизнь
Дорогу молодым Дорогу молодым

Популярные способы омолаживания кожи лица

Лиза
Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
На всех парах На всех парах

О создании первой самоходной машины на паровом двигателе

Наука и жизнь
Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности Разгадка истории Венеры кроется в её поверхности

Активны ли венерианские вулканы сегодня?

Наука и жизнь
Пострадавшая от режима Саддама земляная крыса вернулась в иракские болота Пострадавшая от режима Саддама земляная крыса вернулась в иракские болота

Иракскую земляную крысу не видели живой с 1977 года

N+1
Жажда правды Жажда правды

Журналистское расследование, открывшее миру голодомор

Дилетант
Эльф из Санкт-Петербурга Эльф из Санкт-Петербурга

Как Роман Любимцев из Санкт-Петербурга перевернул мир кайтбординга

Популярная механика
Тактика обмана Тактика обмана

Оптические иллюзии. Как мы понимаем, на что смотрим

Вокруг света
Перинатальные андрогены спасли самцов мышей от аллергии Перинатальные андрогены спасли самцов мышей от аллергии

Мужчины оказались устойчивее к анафилаксии

N+1
Без паники! Почему несовершенства снова в моде Без паники! Почему несовершенства снова в моде

Почему чрезмерный перфекционизм вреден

Cosmopolitan
Что эффективнее: работать быстрее или дольше? Что эффективнее: работать быстрее или дольше?

Вопрос тайм-менеджмента при нашей активной жизни всегда актуален

Psychologies
Выскочки Выскочки

Как Uber, Airbnb и компании-убийцы из новой Кремниевой долины меняют мир

kiozk originals
Антигруппировку фотонов связали с некогерентным излучением Антигруппировку фотонов связали с некогерентным излучением

Для этого физики изучали спектры излучения источника одиночных фотонов

N+1
«Я верю, что мое от меня не уйдет» «Я верю, что мое от меня не уйдет»

Марьяна Спивак — о востребованности в профессии, материнстве и знаках судьбы

OK!
«Секс-игрушка из Парижа»: вибратор стал секретным талисманом принцессы Дианы «Секс-игрушка из Парижа»: вибратор стал секретным талисманом принцессы Дианы

Принцесса Диана брала в заграничные поездки гаджет из секс-шопа

Cosmopolitan
Стоит ли соглашаться на повышение? Как принять сложное карьерное решение Стоит ли соглашаться на повышение? Как принять сложное карьерное решение

Как принять решение о повышении, если вы не уверены, что справитесь со стрессом

Forbes
Аллергикам противопоказано: 7 неожиданных фактов о натуральной косметике Аллергикам противопоказано: 7 неожиданных фактов о натуральной косметике

Некоторым девушкам натуральная косметика и вовсе не нужна – мы расскажем почему

Cosmopolitan
Империя иллюзий Империя иллюзий

Конец образованности и триумф шоу

kiozk originals
Как русские семь лет подслушивали американцев в посольстве США с помощью «подарка» Как русские семь лет подслушивали американцев в посольстве США с помощью «подарка»

Эндовибратор — устройства для прослушки, не требующего источника питания

Maxim
«Взрослые забывают, что сами были детьми» «Взрослые забывают, что сами были детьми»

Дмитрий Шепелев — о воспитании сына, и о том, от чего хочет его предостеречь

OK!
Австралийцы предложили перерабатывать окурки в кирпичи Австралийцы предложили перерабатывать окурки в кирпичи

Ученые создали кирпичи с добавлением окурков

N+1
Суперкомпьютеры для обучения нейросетей заменили сетью распределенных вычислений Суперкомпьютеры для обучения нейросетей заменили сетью распределенных вычислений

Программисты разработали платформу для обучения больших нейросетей

N+1
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
Открыть в приложении