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

Низкие температуры Низкие температуры

Что такое температура и что происходит с телом, когда его нагревают

Наука и жизнь
(Нео)сознанное (Нео)сознанное

Как бессознательный ум управляет нашим поведением

kiozk originals
Маленькая Трота Маленькая Трота

Существовала ли героическая дама Тротула на самом деле?

Дилетант
«Гнездо» – настоящий фильм ужасов о том, как амбиции и ложь разрушают семью «Гнездо» – настоящий фильм ужасов о том, как амбиции и ложь разрушают семью

Чтобы заставить зрителя испугаться и переосмыслить ценности, не нужны привидения

GQ
Кто вы, мистер Освальд? Кто вы, мистер Освальд?

В биографии Ли Харви Освальда всё ещё очень много белых пятен и мифов

Дилетант
Таможня отбирает добро: 12 провалов контрабандистов Таможня отбирает добро: 12 провалов контрабандистов

Опытный таможенник даже тюбик зубной пасты открывает с большой осторожностью

Maxim
Сельская новь Сельская новь

Дом в старинном подмосковном поселке

AD
Не ПП, а ППП! 5 «толстых» привычек и 4 «стройных» лайфхака, чтобы их преодолеть Не ПП, а ППП! 5 «толстых» привычек и 4 «стройных» лайфхака, чтобы их преодолеть

Избавляемся от «лишних» пищевых привычек и лишнего веса

Cosmopolitan
Кризис в красной зоне Кризис в красной зоне

История о самой смертоносной вспышке Эболы

kiozk originals
Дорогое удовольствие! Сколько стоит быть модным блогером — мы посчитали Дорогое удовольствие! Сколько стоит быть модным блогером — мы посчитали

Завидуешь fashion-блогерам?

Cosmopolitan
Ошибка «толстых пальцев»: как случайные продажи акций в Китае стали трендом Ошибка «толстых пальцев»: как случайные продажи акций в Китае стали трендом

Как происходят случайные распродажи акций

Forbes
Пять лайфаков, которые облегчат работу с Windows Пять лайфаков, которые облегчат работу с Windows

Мы собрали хитрости, которые помогут сделать работу с Windows более комфортной

Популярная механика
Краткая история злых клоунов Краткая история злых клоунов

Хочешь историческую справку, Джорджи?

Maxim
Свердловчане не сдаются Свердловчане не сдаются

Сергей Светлаков давно пустился в самостоятельное плавание

OK!
7 способов отличить реальную новость от фейка 7 способов отличить реальную новость от фейка

Количество фейков в Интернете достигло критической массы

Maxim
Хочу или должна: 5 честных вопросов себе Хочу или должна: 5 честных вопросов себе

Не потеряла ли ты себя среди бесконечных «надо» и «должна»?

Psychologies
12 фильмов о художниках и скульпторах, которые вдохновляют 12 фильмов о художниках и скульпторах, которые вдохновляют

Вдруг в вашей жизни не хватает искусства

GQ
5 легендарных мечей, которые до сих пор целы 5 легендарных мечей, которые до сих пор целы

Эти легендарные мечи можно увидеть собственными глазами!

Maxim
Всем нужен отдых: 7 способов снять усталость глаз после компьютера Всем нужен отдых: 7 способов снять усталость глаз после компьютера

Несколько очень простых способов, как снять усталость с глаз после экрана

Cosmopolitan
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 похудеть при ходьбе? 5 правил, которые работают Как похудеть при ходьбе? 5 правил, которые работают

Как гулять «с умом» и, заодно, сбросить лишний вес

Playboy
Паста по правилам Паста по правилам

Паста – не гарнир, а полноценное блюдо. Как его приготовить полезным и вкусным?

Худеем правильно
Остаться при своих Остаться при своих

Когда надо начинать волноваться из-за выпадения волос? Объясняют специалисты

Glamour
Пять компьютерных розыгрышей: как безобидно насолить другу Пять компьютерных розыгрышей: как безобидно насолить другу

Способы избавиться от офисной скуки

Популярная механика
Вечные ценности Вечные ценности

На какие деньги живут города-музеи

Forbes
«И удача, и поражение не вечны. Футбол хорошо этому учит». Как футболистка из Новой Зеландии стала вице-президентом adidas «И удача, и поражение не вечны. Футбол хорошо этому учит». Как футболистка из Новой Зеландии стала вице-президентом adidas

Сколько получают футболистки и почему бренды готовы вкладывать в женский футбол

Forbes
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
Управляемый таракан, «сидячий» дрон и геккон со сменными ногами: что умеют роботы, которые копируют строение животных Управляемый таракан, «сидячий» дрон и геккон со сменными ногами: что умеют роботы, которые копируют строение животных

Как применяются природные структуры в робототехнике

VC.RU
Почему люди верят в плоскую Землю Почему люди верят в плоскую Землю

Реальная причина, по которой люди думают, что Земля плоская, может вас удивить

Популярная механика
Костюм как вторая кожа Костюм как вторая кожа

Почему женщины должны заимствовать этот мужской секрет

Robb Report
Открыть в приложении