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

Цой жив Цой жив

Виктор Цой погиб в автокатастрофе в Юрмале 15 августа 1990 года

Esquire
5 книг, которые изменят ваш взгляд на успех. Рекомендации ученых и предпринимателей 5 книг, которые изменят ваш взгляд на успех. Рекомендации ученых и предпринимателей

Проверенный нон-фикшн от героев Reminder

Reminder
«Солнечный» витамин «Солнечный» витамин

Нужно ли принимать витамин D для профилактики?

Наука и жизнь
13 способов утешить подругу, которая рассталась с партнером 13 способов утешить подругу, которая рассталась с партнером

Порядок правильных действий хорошей подруги

Cosmopolitan
Микроулитки на страже экологии Микроулитки на страже экологии

Биологическое разнообразие Арктики изучено крайне неравномерно

Наука и жизнь
Как научиться водить машину с нуля Как научиться водить машину с нуля

Стереотипы о женщинах за рулём отправляем на свалку. Как легко научиться водить

Cosmopolitan
Эра человечности Эра человечности

Пандемия и удаленка меняют отношения между сотрудниками

Forbes
Размер лягушачьих глаз связали со средой обитания и суточной активностью Размер лягушачьих глаз связали со средой обитания и суточной активностью

Вывод сделан на основе сравнения 220 видов бесхвостых амфибий

N+1
Великий комбинатор Великий комбинатор

Знаменитый аферист времен великой депрессии Виктор Люстиг

Вокруг света
Пока играет Вальц Пока играет Вальц

«У жизни есть одна гарантия – она всегда может стать еще хуже»

Esquire
Стрельба втемную Стрельба втемную

Эта история российского стрелка Влада Лобаева началась с ролика на Youtube

Популярная механика
Пчелиный яд разрушил клетки агрессивного рака молочной железы Пчелиный яд разрушил клетки агрессивного рака молочной железы

Компонент пчелиного яда мелиттин разрушает опухоли

N+1
Австралийцы покорившие Голливуд: как им это удалось – сложности, провалы и успех Австралийцы покорившие Голливуд: как им это удалось – сложности, провалы и успех

11 парней с Зеленого континента, покоривших Америку

Cosmopolitan
Каждая восьмая смерть в ЕС связана с загрязнением воздуха Каждая восьмая смерть в ЕС связана с загрязнением воздуха

Каждый восьмой из общего числа умерших в мире – из-за загрязнения воздуха

National Geographic
Одна вокруг света. Золотой треугольник, где сходятся границы трех стран — Мьянмы, Тайланда и Лаоса Одна вокруг света. Золотой треугольник, где сходятся границы трех стран — Мьянмы, Тайланда и Лаоса

87-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Чем вреден айкос? Чем вреден айкос?

Сравниваем устройство для курения без дыма с обычными сигаретами

Reminder
Светлана Тихановская — РБК: «Против России мы абсолютно ничего не имеем» Светлана Тихановская — РБК: «Против России мы абсолютно ничего не имеем»

Светлана Тихановская объяснила свое отношение к российско-белорусским отношениям

РБК
Ракушки помогут хирургам: из биоотходов создали материал для операций Ракушки помогут хирургам: из биоотходов создали материал для операций

Из ракушек синей мидии получен материал для восстановительной хирургии

National Geographic
Правила жизни Гвинет Пэлтроу Правила жизни Гвинет Пэлтроу

Правила жизни актрисы Гвинет Пэлтроу

Esquire
Почему одни страны богатые, а другие бедные Почему одни страны богатые, а другие бедные

Происхождение власти, процветания и нищеты

kiozk originals
Заразительный Заразительный

Психология сарафанного радио. Как продукты и идеи становятся популярными

kiozk originals
Духовные скрепы Октавиана Духовные скрепы Октавиана

Октавиан Август строил храмы, но сам не мог служить образцом строгой морали

Дилетант
Поле чудес Поле чудес

Как сберечь свои деньги?

Лиза
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
Зачем нам замуж? Алина Фаркаш считает, что брак женщине не так уж и нужен Зачем нам замуж? Алина Фаркаш считает, что брак женщине не так уж и нужен

Зачем выходить замуж в России – мне сложно понять

Cosmopolitan
Правила жизни Томми Ли Джонса Правила жизни Томми Ли Джонса

Правила жизни американского актера и режиссера Томми Ли Джонса

Esquire
«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
Любовь или просто работа? Жизнь знаменитых кинопар за кадром Любовь или просто работа? Жизнь знаменитых кинопар за кадром

Казавшиеся сказкой кинороманы в жизни сходят на «нет» или перерастают в дружбу

Cosmopolitan
Марина Полканова Марина Полканова

Украинская модель Марина Полканова не тратит ни секунды даром

Elle
Как Этель Розенберг стала символом всего Как Этель Розенберг стала символом всего

Что в Этель Розенберг видели феминистки, гей-активисты и хиппи

Weekend
Открыть в приложении