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

Даниил Галицкий, изворотливый король Даниил Галицкий, изворотливый король

В Галицко-Волынском княжестве монголы впервые не смогли взять одну из крепостей

Дилетант
«Кислотные» стикеры сделали самолеты невидимыми для нейросетей «Кислотные» стикеры сделали самолеты невидимыми для нейросетей

Причина в фундаментальном недостатке нейросетей

N+1
О суммах квадратов и кубов О суммах квадратов и кубов

История начинается с теоремы Пифагора, а заканчивается математическим открытием

Наука и жизнь
Как к 30 годам заработать под миллион долларов на фитнес-инстаграме Как к 30 годам заработать под миллион долларов на фитнес-инстаграме

Как фитнес-блогер Софья Солдатова монетизирует миллион подписчиков в Instagram

Forbes
На пиковых перекрёстках Гороховой улицы На пиковых перекрёстках Гороховой улицы

Магическое притяжение Гороховой улицы в Санкт-Петербурге

Наука и жизнь
Необитаемая Земля Необитаемая Земля

Жизнь после глобального потепления

kiozk originals
Вместо соли Вместо соли

В последнее время ценность соли в глазах человечества сильно упала

Наука и жизнь
Ешь, двигайся, спи Ешь, двигайся, спи

Как повседневные решения влияют на здоровье и долголетие

kiozk originals
Микроулитки на страже экологии Микроулитки на страже экологии

Биологическое разнообразие Арктики изучено крайне неравномерно

Наука и жизнь
10 самых нелепых теорий заговоров: мир под властью рептилоидов 10 самых нелепых теорий заговоров: мир под властью рептилоидов

Подборка самых нелепых и уморительных теорий конспирологов по всему миру

Популярная механика
Убийство императора Коммода Убийство императора Коммода

Картина «Убийство императора Коммода» Фернана Пелеса

Дилетант
Надоел блонд? Как вернуться к своему натуральному цвету волос — мнение эксперта Надоел блонд? Как вернуться к своему натуральному цвету волос — мнение эксперта

Покрасилась, а через пару месяцев поняла, что цвет надоел — знакомая история?

Cosmopolitan
Как будущий американский самолет может доминировать в воздухе Как будущий американский самолет может доминировать в воздухе

Технологии стелс у российских Су-57, китайских J-20 и американских NGAD

Популярная механика
Двери сознания Двери сознания

Где прячется человеческое «я»

Вокруг света
Поимка «тихого убийцы» Поимка «тихого убийцы»

Нобелевская премия 2020 года присуждена за открытие вируса гепатита C

Наука и жизнь
Тогда, сейчас и в «Инстаграме»: как поменялись голливудские звезды Тогда, сейчас и в «Инстаграме»: как поменялись голливудские звезды

Сравниваем фото звезд в разное время с их фотографиями в «Инстаграме»

Cosmopolitan
Открыт новый тип организации нуклеиновых кислот в нашем теле Открыт новый тип организации нуклеиновых кислот в нашем теле

Исследователи изучают новый тип пространственной организации нуклеиновых кислот

Популярная механика
Белорусский политолог Александр Класковский: Москва вновь подыгрывает Лукашенко Белорусский политолог Александр Класковский: Москва вновь подыгрывает Лукашенко

Политолог о расколе в оппозиции и возможной сделке Лукашенко с Кремлем

СНОБ
«Мы знаем, что люди хотят слушать здесь и сейчас» «Мы знаем, что люди хотят слушать здесь и сейчас»

О развитии «Яндекс.Музыки» и будущем подкастов в России

Inc.
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
Пройдите на просвечивание Пройдите на просвечивание

Что мультиволновая астрономия видит в недрах звезд и галактик

N+1
Манипуляторы настроением: как разработчики заставляют пользователей ставить приложениям для Apple максимальный рейтинг Манипуляторы настроением: как разработчики заставляют пользователей ставить приложениям для Apple максимальный рейтинг

Разработчики приложений используют хорошее настроение владельцев iPhone

Forbes
Магия утра Магия утра

Как первый час дня определяет ваш успех

kiozk originals
Правила жизни Джонни Кэша Правила жизни Джонни Кэша

Правила жизни американского музыканта Джонни Кэша

Esquire
«Кадиш.com» — комический роман финалиста Пулитцера Натана Ингландера об отношениях отцов и детей. Публикуем его фрагмент «Кадиш.com» — комический роман финалиста Пулитцера Натана Ингландера об отношениях отцов и детей. Публикуем его фрагмент

Фрагмент из комического романа Натана Ингландера «Кадиш.com»

Esquire
7 главных героев фильмов, которые (скорее всего) умерли, а ты и не заметил 7 главных героев фильмов, которые (скорее всего) умерли, а ты и не заметил

Требуем вернуть наши деньги, заплаченные за хэппи энд!

Maxim
Искусственный интеллект Искусственный интеллект

Этапы. Угрозы. Стратегии

kiozk originals
10 мудрых цитат о жизни от тех, кому мы доверяем 10 мудрых цитат о жизни от тех, кому мы доверяем

Про счастье и ложь, оптимизм и страх, смех, отчаяние и место в жизни

Playboy
Секс на первом свидании Секс на первом свидании

Секс на первом свидании или только после долгих ухаживаний?

СНОБ
История одной песни: американский шансон «Tie a Yellow Ribbon…», 1973 История одной песни: американский шансон «Tie a Yellow Ribbon…», 1973

Песня Тони Орландо для американцев звучала как блатняк

Maxim
Открыть в приложении