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

Микроулитки на страже экологии Микроулитки на страже экологии

Биологическое разнообразие Арктики изучено крайне неравномерно

Наука и жизнь
Прощение Германии Прощение Германии

Что предшествовало объединению Германии?

Огонёк
Жизнь в кислотных облаках Жизнь в кислотных облаках

Как могла бы выглядеть венерианская жизнь?

Наука и жизнь
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
Тайна завитка под буквой «Д» Тайна завитка под буквой «Д»

История раскрытия, изложенная в двух частях с предисловием

Наука и жизнь
А напоследок я намстю: 8 историй про мстительных уволенных работников А напоследок я намстю: 8 историй про мстительных уволенных работников

Порой уволенные кадры очень изощренно мстят

Maxim
Жуки-навозники: 70 миллионов лет эволюции Жуки-навозники: 70 миллионов лет эволюции

Деятельность жуков-навозников имеет воистину планетарное значение

Наука и жизнь
Мне бы в небо: 10 фактов о работе стюардессы Мне бы в небо: 10 фактов о работе стюардессы

Наверное, каждая девочка мечтала стать стюардессой

Cosmopolitan
Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
Основательницы магазинов винтажа — о критериях отбора, ценах и уходе Основательницы магазинов винтажа — о критериях отбора, ценах и уходе

По каким критериям выбирать вещи прошлых лет выпуска?

РБК
Анна Плетнева Анна Плетнева

Певица уверяет, что она заколдованная и выигрывает всегда у всех мужчин!

Playboy
Попутный ветер Попутный ветер

Прогулка на яхте обернулась для хозяев парижского особняка реставрацией

AD
Великий комбинатор Великий комбинатор

Знаменитый аферист времен великой депрессии Виктор Люстиг

Вокруг света

Что чувствуют актеры во время любовных сцен?

Cosmopolitan
Шлиссельбургская каторжная тюрьма Шлиссельбургская каторжная тюрьма

История Шлиссельбургской крепости — краткий конспект истории России

Дилетант
7 аргументов в пользу детских аудиокниг 7 аргументов в пользу детских аудиокниг

Насколько полезны или вредны аудиокниги для развивающейся детской психики

Psychologies
Начало бесконечности Начало бесконечности

Объяснения, которые меняют мир

kiozk originals
Ух, я готов на подлости! Как знаки зодиака могут подставить ближнего Ух, я готов на подлости! Как знаки зодиака могут подставить ближнего

Каких подстав можно ждать от каждого знака зодиака?

Cosmopolitan
Возрождение одной отрасли Возрождение одной отрасли

Как из «мешка обрезков» выросла одна из крупнейших нефтяных компаний мира

Эксперт
«Wildberries выбрал свою «Барселону»: зачем интернет-ретейлеру партнерство с одним из лидеров российского футбола «Wildberries выбрал свою «Барселону»: зачем интернет-ретейлеру партнерство с одним из лидеров российского футбола

Wildberries начал спонсировать большой спортивный клуб — футбольный ЦСКА

Forbes
«По умолчанию человек — это мужчина»: почему из-за дискриминации женщины чаще умирают от инфаркта и гибнут в авариях «По умолчанию человек — это мужчина»: почему из-за дискриминации женщины чаще умирают от инфаркта и гибнут в авариях

Интервью с автором бестселлера «Невидимые женщины» Кэролайн Криадо Перес

Forbes
Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы Двадцать лет в аду. История трех сестер, сумевших выжить в доме матери-убийцы

Сестры Кнотек жили в страхе почти 20 лет

Forbes
Сломанные цветы: как мы возвращаемся к природе Сломанные цветы: как мы возвращаемся к природе

С чем связан новый тренд возвращения к природе

РБК
Отрывок из книги Дэниела Киза «Войны Миллигана» Отрывок из книги Дэниела Киза «Войны Миллигана»

Отрывок из долгожданного продолжения романа Дэниела Киза о Билли Миллигане

СНОБ
Правила жизни Марион Котийяр Правила жизни Марион Котийяр

Актриса, Париж, 45 лет

Esquire
Азиатская модель управления Азиатская модель управления

Удачи и провалы самого динамичного региона в мире

kiozk originals
Как укротить гнев и не срываться на близких Как укротить гнев и не срываться на близких

Как перестать срываться на самых близких

РБК
Яблочная диета Яблочная диета

Яблочный рацион – отличный способ похудеть и запастись витаминами

Лиза
Пограничное состояние: 7 маршрутов, куда Родина-мать зовет Пограничное состояние: 7 маршрутов, куда Родина-мать зовет

Наверстаем пробелы в курсе отечественной географии

Playboy
Ближе к природе Ближе к природе

Респектабельный минимализм с космическими мотивами в апартаментах

SALON-Interior
Открыть в приложении