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

Жизнь в кислотных облаках Жизнь в кислотных облаках

Как могла бы выглядеть венерианская жизнь?

Наука и жизнь
32 вопроса, которые стоит задать бабушке с дедушкой 32 вопроса, которые стоит задать бабушке с дедушкой

Насколько хорошо вы на самом деле знаете своих дедушек и бабушек?

Psychologies
«Кровавая» работа природы и врачей «Кровавая» работа природы и врачей

Как можно избежать осложнений при переливании крови

Наука и жизнь
«Есенин нового времени»: как 22-летний пианист из Самары покорил зумеров, подружился с Моргенштерном и объявил войну Sony «Есенин нового времени»: как 22-летний пианист из Самары покорил зумеров, подружился с Моргенштерном и объявил войну Sony

Новый кумир зумеров — Эдуард Шарлот

Forbes
Тайна завитка под буквой «Д» Тайна завитка под буквой «Д»

История раскрытия, изложенная в двух частях с предисловием

Наука и жизнь
Уна Харт: Дикая охота Уна Харт: Дикая охота

Отрывок из нового нуар-детектива Уны Харт

СНОБ
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Самоорганизация неупорядоченных цепочек внутри стекла сделала его твердым Самоорганизация неупорядоченных цепочек внутри стекла сделала его твердым

Физики показали, как и почему стекло становится твердым при охлаждении

N+1
Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
Как действует музыка Как действует музыка

Рождение гармонии из конфликта обстоятельств и творчества

kiozk originals
Распад СССР: только факты Распад СССР: только факты

Распад СССР — историческая случайность или неизбежная катастрофа?

Дилетант
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
Харакири по всем правилам Харакири по всем правилам

6 марта 1929 года произошло событие, которое взбудоражило всю Москву

Дилетант
Объяснить необъяснимое: кто подпадает под действие британского закона о неочевидных источниках благосостояния Объяснить необъяснимое: кто подпадает под действие британского закона о неочевидных источниках благосостояния

Как доказать британским властям юридическую чистоту источника денежных средств

Forbes
Судьба телескопа Судьба телескопа

Зонд Hubble проработал на орбите 30 славных лет – но что ждет его дальше?

Популярная механика
Дышите глубжe Дышите глубжe

Как сказал Будда: «Медитация устраняет страдания, причиняемые неукрощенным умом»

Vogue
Отмойте это немедленно: что в вашем доме гораздо грязнее унитаза Отмойте это немедленно: что в вашем доме гораздо грязнее унитаза

Самые грязные места вашего дома — готовьте санитайзеры

Популярная механика
Чтение выходного дня: отрывок из резонансного романа «Американская грязь» о жизни мигрантов в эпоху Дональда Трампа Чтение выходного дня: отрывок из резонансного романа «Американская грязь» о жизни мигрантов в эпоху Дональда Трампа

Отрывок из книги о мигрантах, заставившей спорить всю Америку

Esquire
Якутское Якутское

В кино произошел разворот в сторону то ли большой России, то ли подлинного наива

Esquire
15 деталей, которые ты, скорее всего, пропустил в фильме «Рокки» 15 деталей, которые ты, скорее всего, пропустил в фильме «Рокки»

Знал ли ты, что Рокки Бальбоа на самом деле победил Аполло Крида в первом бою?

Maxim
Дети, посуда и розетки. Как сексизм пронизывает нашу повседневность и почему старые нормы неизбежно отмирают Дети, посуда и розетки. Как сексизм пронизывает нашу повседневность и почему старые нормы неизбежно отмирают

Отрывок из книги о новой этике «Так вышло. 29 вопросов новой этики и морали»

Forbes
Почему хочется спать, когда нужно работать: биологические часы человека Почему хочется спать, когда нужно работать: биологические часы человека

Когда лучше есть, когда спать, а когда заниматься спортом?

Cosmopolitan
10 причин, почему инопланетяне не будут похожи на нас 10 причин, почему инопланетяне не будут похожи на нас

Выглядеть наши братья по разуму будут совсем иначе, чем люди

Популярная механика
Алгоритм распознал одиноких пожилых людей по речи Алгоритм распознал одиноких пожилых людей по речи

Алгоритм помог выделить гендерные различия в выражении чувства

N+1
«Определитесь, что для вас важнее – качество жизни или булочка» «Определитесь, что для вас важнее – качество жизни или булочка»

Не только похудеть, но и отточить фигуру до совершенства по силам каждому

Худеем правильно
10 человек с самым высоким IQ 10 человек с самым высоким IQ

Ученый, шахматист, стриптизер и вышибала — люди с самым высоким IQ

Maxim
Правила жизни двоечников Правила жизни двоечников

Двоечники нужны, чтобы отличникам жилось лучше и учителя не путались

Esquire
Чистая работа Чистая работа

Чем опасны новообразования на коже и как от них избавиться?

Лиза
Гайд для тех, кто хочет научиться играть на гитаре: ответы на 9 частых вопросов новичков Гайд для тех, кто хочет научиться играть на гитаре: ответы на 9 частых вопросов новичков

Сборник ответов на самые популярные вопросы, возникающие у начинающих гитаристов

Playboy
Краски лета Краски лета

Яркий интерьер для путешественников

SALON-Interior
Открыть в приложении