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

На всех парах На всех парах

О создании первой самоходной машины на паровом двигателе

Наука и жизнь
Выбирай, не выбирая: как нам запрещают заботиться о своей безопасности Выбирай, не выбирая: как нам запрещают заботиться о своей безопасности

Как женщинам сначала запрещают заботиться о своей безопасности

Cosmopolitan
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Взрослые в доме Взрослые в доме

Неравная борьба с европейским «глубинным государством»

kiozk originals
Престо, модерато, адажио Престо, модерато, адажио

Фантастическая повесть Игоря Вереснева

Наука и жизнь
Истории вуду Истории вуду

Роль теории заговора в современной истории

kiozk originals
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
«Дворец Путина», скалы и корабли, выброшенные на берег – гид по Геленджику «Дворец Путина», скалы и корабли, выброшенные на берег – гид по Геленджику

Бархатный сезон открыт

GQ
Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
Деньги. Мастер игры Деньги. Мастер игры

7 простых шагов к финансовой свободе

kiozk originals
В трёх действиях В трёх действиях

Почему Московские процессы 1936–1938 годов сравнивались с игрой кошки с мышью?

Дилетант
Тест-драйв Porsche Panamera GTS Sport Turismo Тест-драйв Porsche Panamera GTS Sport Turismo

Этот автомобиль — фактически первый «универсал» от Porsche

СНОБ
Женщина-фольклор Женщина-фольклор

Среди кремлёвских женщин Екатерина Фурцева — исключение

Дилетант
Религия для диктатора. В чем состоит кредо Лукашенко Религия для диктатора. В чем состоит кредо Лукашенко

Символ веры, общий для несменяемых властителей на постсоветском пространстве

СНОБ
Миссия подводного робота Миссия подводного робота

Беспилотник опускается на дно Марианской впадины

Популярная механика
Миф о красоте Миф о красоте

Стереотипы против женщин

kiozk originals
15 плохих фильмов от хороших режиссеров 15 плохих фильмов от хороших режиссеров

Гении имеют право на ошибку

Maxim
Диета Дюкана: научные факты о рисках и пользе Диета Дюкана: научные факты о рисках и пользе

Что такое «правильный» вес и почему питание по Дюкану может быть опасно

РБК
Как ходить на свидания, когда тебе стукнуло 30: самые важные нюансы Как ходить на свидания, когда тебе стукнуло 30: самые важные нюансы

Свидания в 30 лет немного отличаются от свиданий в 20

Playboy
Дорогое удовольствие! Сколько стоит быть модным блогером — мы посчитали Дорогое удовольствие! Сколько стоит быть модным блогером — мы посчитали

Завидуешь fashion-блогерам?

Cosmopolitan
Из-за отравления Навального может сорваться «Северный поток-2». Что это значит? Из-за отравления Навального может сорваться «Северный поток-2». Что это значит?

У «Газпрома» достаточно мощностей для перекачки газа и без «Северного потока-2»

Forbes
5 ошибок в интерьере детской комнаты 5 ошибок в интерьере детской комнаты

Не воспроизводим собственные детские мечты и создаем пространство для ребенка

Psychologies

Используй имеющуюся косметику необычным способом

Cosmopolitan
Louis Vuitton Louis Vuitton

FW 2020/21

Weekend
Вернитесь в зону комфорта Вернитесь в зону комфорта

«Сделано в Италии» — очаровательная история и личный проект Лиама Нисона

СНОБ
Без обгоревшего носа: 5 процедур, которые сделают тебя богиней пляжа Без обгоревшего носа: 5 процедур, которые сделают тебя богиней пляжа

Сделай перед отпуском несколько процедур – и оставайся королевой 2 недели!

Cosmopolitan
5 важных вопросов, которые надо задать партнеру до начала отношений 5 важных вопросов, которые надо задать партнеру до начала отношений

Что выяснить у партнера в начале отношений, чтобы у них не было трагичного конца

Psychologies
Как укротить гнев и не срываться на близких Как укротить гнев и не срываться на близких

Как перестать срываться на самых близких

РБК
«Это просто мой долг и работа»: как врачи помогают пассажирам в полете «Это просто мой долг и работа»: как врачи помогают пассажирам в полете

Рассказы медиков, которым приходилось оказывать помощь на высоте 10 000 метров

Esquire
Царь всех болезней Царь всех болезней

Биография рака

kiozk originals
Открыть в приложении