Такие молекулы существуют. Они называются стереоизомерами, и о драматической истории их открытия мы расскажем в следующей главе.
Глава 12. Молекулы
История открытия «правых» и «левых» молекул берет свое начало во Франции. В первой половине XIX столетия Жан Батист Био, всемирно известный французский физик и химик, обнаружил, что кристаллы кварца обладают способностью вращать плоскость поляризации света. Вещества, обладающие такой способностью, называются оптически активными. Как мы узнали из предыдущей главы, большие кристаллы кварца встречаются иногда в природе в асимметричной форме. Био легко удалось выяснить, что если такой кристалл вращает плоскость поляризации по часовой стрелке, то его зеркальный двойник вращает ее против часовой стрелки. Кроме того, он обнаружил, что если растворить кристалл кварца в жидкости, то раствор не вращает плоскость поляризации. Молекула оказывается оптически не активной. Как это объяснить? Очень просто. Вращающая способность кварца должна определяться не асимметрией внутреннего строения молекул, а тем, что асимметричными являются более крупные конструкции, образуемые молекулами кварца в процессе его кристаллизации. Такой конструкцией является, конечно, асимметричная решетка кварцевого кристалла.
Био сделал и другое открытие, которое было уже не так легко понять. Он обнаружил, что растворы некоторых органических соединений вроде сахара и винной кислоты, которые являются продуктами живой природы, также являются оптически активными! Почему восклицательный знак? Непосвященному может показаться, что в этом нет ничего удивительного, но дело в том, что в таких растворах нет кристаллической решетки, которая вращала бы плоскость поляризации света. Следовательно, вращение это должно обусловливаться каким-то типом асимметрии в строении каждой отдельной молекулы. У Био не было способа доказать это предположение, вернее предчувствие, но оно казалось вполне разумным.
Работы Био по оптической активности органических веществ и сделанные им предположения вдохновили французского химика Луи Пастера. Много лет спустя он прославился на весь мир своими работами по медицине, но в то время это был молодой человек двадцати с небольшим лет, находившийся в самом начале своей карьеры.
Пастер знал, что винная кислота, получаемая из винограда и некоторых других фруктов, всегда вращает плоскость поляризации в определенном направлении. Он также знал, что существует другая разновидность оптически неактивной винной кислоты, называемой рацемической кислотой. Химики выяснили, что эти два вещества абсолютно идентичны по всем своим химическим свойствам, за исключением одного — способности вращать плоскость поляризации света. Винная кислота вращает плоскость поляризации, а рацемическая — нет. Как могут два вещества быть одинаковы во всем, а свет пропускать по-разному? Пастер руководствовался лишь одним соображением: Био прав, предполагая, что разница между левым и правым зависит от структуры самих молекул.
Исходя из этого предположения, Пастер начал интенсивное исследование кристаллических форм винной и рацемической кислот. Он обнаружил, что кристаллы винной кислоты, если внимательно рассмотреть их под микроскопом, оказываются асимметричными; больше того, все они асимметричны в одном и том же смысле, «знак асимметрии» у всех кристалликов одинаков. А кристаллы рацемической кислоты оказались смесью правой и левой форм в равной пропорции! Половина кристаллов идентична с кристаллами винной кислоты, а вторая половина — их энантиоморфы (рис. 31)![29]
Нетрудно догадаться, что Пастер сделал дальше. С огромной осторожностью и терпением, используя тончайшие инструменты, он отделил видимые только в микроскоп «правые» кристаллы от «левых». Приготовив раствор из кристаллов одного типа, он нашел, что этот раствор во всех отношениях совпадает с винной кислотой, добываемой из винограда. Он вращал плоскость поляризации света в том же направлении, что и натуральная винная кислота. Приготовив раствор из кристаллов другого типа, он снова получил оптически активную винную, кислоту, но с одной существенной разницей. Она вращала плоскость поляризации в противоположном направлении.
29
Не совсем точно. Рацемическая кислота это не просто смесь левой и правой кислот, а молекулярное соединение. При кристаллизации рацемическая кислота частично разделяется на активные компоненты. Обычно температура плавления рацемической кислоты (206°С) выше, чем для правой и левой форм (170°С).