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

Безотходная пшеница для космического огорода Безотходная пшеница для космического огорода

Как работают биолого-технические замкнутые системы жизнеобеспечения человека

Наука и жизнь
Искусственный интеллект написал статью о безопасности ИИ Искусственный интеллект написал статью о безопасности ИИ

Может ли искусственный интеллект писать тексты

Популярная механика
Дядька императора Дядька императора

В Российской империи воспитание царских отпрысков было делом политическим

Дилетант
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
На пиковых перекрёстках Гороховой улицы На пиковых перекрёстках Гороховой улицы

Магическое притяжение Гороховой улицы в Санкт-Петербурге

Наука и жизнь
Синдром бумеранга Синдром бумеранга

Стоит ли давать отношениям второй шанс?

Лиза
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Можно ли оружием из видеоигр убивать настоящих людей? Можно ли оружием из видеоигр убивать настоящих людей?

9 прототипов самого смертоносного оружия из классических игр

Maxim
Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
Живая лаборатория Европы. Как устроен город, у которого есть план до 2070 года Живая лаборатория Европы. Как устроен город, у которого есть план до 2070 года

Как Копенгагену удается строить идеальную экосистему

Forbes
Наука и жизнь сто лет назад Наука и жизнь сто лет назад

О литофагии, аэросанях и драгоценных камнях

Наука и жизнь
В одной черной-черной стране В одной черной-черной стране

Каждый год в результате аварий в России разливаются сотни тысяч тонн сырой нефти

GQ
Строки, оборванные пулей Строки, оборванные пулей

О судьбе архива поэта рассказывает Любовь Сумм, внучка Павла Когана

Дилетант
Богиня Голливуда и пакистанский принц: история любви Риты Хейворт и Али Хана Богиня Голливуда и пакистанский принц: история любви Риты Хейворт и Али Хана

Их роман в конце 40-х годов наделал немало шума и на Востоке, и на Западе

Cosmopolitan
Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия» Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия»

Мраморный бюст, который поступил в Государственный Русский музей в 1927 году

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

Что такое хилиазм и чем он отличается от докетизма

Weekend
6 вопросов о финансах, которые вам следует обсудить с партнером 6 вопросов о финансах, которые вам следует обсудить с партнером

Во время пандемии как никогда важно говорить о деньгах

GQ
Мег Уэйт Клейтон: Последний поезд на Лондон Мег Уэйт Клейтон: Последний поезд на Лондон

Отрывок из нового романа Мег Уэйт Клейтон об отправке первого киндертранспорта

СНОБ
Марта Кетро о том, как справляться с чужими страхами, которые тебе навязывают Марта Кетро о том, как справляться с чужими страхами, которые тебе навязывают

Что делать, если тебя запугивают окружающие?

Cosmopolitan
Лучшие приключенческие книги: 8 романов, от которых захватывает дух Лучшие приключенческие книги: 8 романов, от которых захватывает дух

Подборка современных и классических книг о приключениях в горах, лесах и на море

Playboy
7 аргументов в пользу детских аудиокниг 7 аргументов в пользу детских аудиокниг

Насколько полезны или вредны аудиокниги для развивающейся детской психики

Psychologies
Эйнштейн гуляет по Луне Эйнштейн гуляет по Луне

Наука и искусство запоминания

kiozk originals
Маленькие дети использовали оба полушария для понимания речи Маленькие дети использовали оба полушария для понимания речи

Для понимания речи здоровые дети используют оба полушария мозга

N+1
«Комплекс плохой жены или матери». Топ-менеджеры рассказали, как высокий заработок женщины влияет на отношения в семье «Комплекс плохой жены или матери». Топ-менеджеры рассказали, как высокий заработок женщины влияет на отношения в семье

Каждая пятая пара распадается из-за того, что доход женщины выше чем у партнера

Forbes
По понятиям. Словарик эмпатичного мужчины По понятиям. Словарик эмпатичного мужчины

Развиваем эмоциональный интеллект вместе с экспертом-психологом

Playboy
Поставить атлант на место: кому это надо и зачем? Поставить атлант на место: кому это надо и зачем?

Сейчас многие клиники наперебой предлагают «поставить атлант на место»

Psychologies
«Ты сможешь»: 6 шагов, чтобы стать таким, каким мечтаешь «Ты сможешь»: 6 шагов, чтобы стать таким, каким мечтаешь

Как укрепить веру в собственные силы?

Psychologies
10 лучших кинофильмов по книгам Агаты Кристи 10 лучших кинофильмов по книгам Агаты Кристи

Эти экранизации романов Агаты Кристи ты точно должен увидеть

Maxim
Блюда из грибов: нереально вкусные и простые в приготовлении рецепты Блюда из грибов: нереально вкусные и простые в приготовлении рецепты

Грибные блюда на любой вкус, которые сможет приготовить даже новичок

Playboy
Что происходит с твоим телом после родов: рассказывает невролог Что происходит с твоим телом после родов: рассказывает невролог

Невролог рассказывает, что нужно знать о материнстве в ключе его профиля

Cosmopolitan
Открыть в приложении