Этот правый, левый мир

Решетка некоторых известных в природе кристаллов обладает зеркальной симметрией, а решетка других кристаллов — нет. Кварц — наиболее распространенный минерал — имеет несимметричную решетку, которую нельзя совместить с зеркальным отражением. Химическое соединение, из которого состоит кварц, называется окисью кремния. Решетка его имеет спиральное строение и состоит из атомов кремния и вдвое большего числа атомов кислорода. Поскольку спираль эта может закручиваться вправо или влево, кварц встречается в двух энантиоморфных разновидностях. В природе кристаллы кварца принимают самые разнообразные формы, на которых, правда, асимметрия решетки отражается редко, но иногда встречаются и асимметричные кристаллы кварца (на рис. 29 показаны обе возможные формы: одна — зеркальное изображение другой).

Рис. 29. Правый и левый кристаллы кварца.

Рис. 30. Спиральная решетка киновари. Атомы ртути (черные кружки) чередуются с атомами серы (белые кружки).

При распространении луча света колебания происходят обычно во всевозможных плоскостях, проходящих через ось этого луча. Но есть кристаллы, у которых решетка ограничивает световые колебания в одной определенной плоскости; пример тому исландский шпат — прозрачная разновидность минерала кальцита. Световая волна, в которой колебания происходят в определенной плоскости, называется поляризованной. Когда поляризованный свет проходит через прозрачный кварц, асимметрия кристаллической решетки кварца вынуждает плоскость поляризации быстро вращаться по часовой стрелке или против. Отсюда вытекает простой метод обнаружения право-левой асимметрии кристаллической решетки. Киноварь (сульфид ртути) — рыжеватого цвета руда, служащая главным источником добычи ртути, — вращает плоскость поляризации света значительно сильнее, чем кварц. Ее асимметричная кристаллическая решетка состоит из спиральных цепей, образованных перемежающимися атомами серы и ртути. Эти цепи могут закручиваться вправо или влево, как показано на рис. 30. Мы спускаемся на третью ступеньку нашей лестницы и переходим к молекуле. Возникает вопрос: являются ли сами молекулы, рассматриваемые отдельно, вне любой кристаллической решетки, симметричными образованиями? Если да, то, где бы ни получалось химическое соединение — в природе или в лаборатории, — молекулы этого соединения при всех обстоятельствах будут одинаковыми и с одними и теми же свойствами. Но если некоторые молекулы представляют собой асимметричную конструкцию из атомов, то, может быть, можно найти или создать в лаборатории две совершенно различные формы одного и того же соединения. Одна форма будет содержать только «правые» молекулы, другая—только «левые». Два вещества будут одинаковыми во всех отношениях, кроме одного — их молекулы будут зеркальным отражением друг друга.

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.