История химии с древнейших времен до конца XX века. В 2 т. Т. 1

Со временем были обнаружены вещества, которые отличаются друг от друга только оптическими свойствами. Одно из них вращает плоскость поляризации поляризованного света по часовой стрелке, а другое — против.

Обычно имеется еще и третья модификация соединения, которая вообще оптически неактивна. Примером изомерных веществ, различающихся по оптической активности, могут служить открытые Берцелиусом виноградная и винная кислоты. Виноградная кислота оптически неактивна, а винная кислота обладает в растворе правым вращением. Позднее была открыта винная кислота, обладающая в растворе при тех же условиях равным по величине, но противоположным по направлению левым вращением.

Луи Пастер (1822–1895)

Первый шаг в понимании причин оптической изомерии был сделан французским биохимиком Луи Пастером. При кристаллизации из раствора винограднокислого натрий-аммония, он обнаружил две формы асимметричных кристаллов. Пастер сумел разделить оба типа кристаллов, однако свойства их растворов оказались идентичными, за исключением оптической активности — растворы обладали противоположным вращением. Превратив кристаллы, обладающие в растворе правым вращением, в кислоту, Пастер обнаружил, что получил известную ранее природную правовращающую винную кислоту. Из кристаллов другого типа удалось получить ранее не известную левовращающую винную кислоту. На основании этих экспериментов Луи Пастер пришел к заключению, что в виноградной кислоте содержится примерно равное количество молекул лево- и правовращающих винных кислот, вследствие чего сама виноградная кислота оптически неактивна. Соединения, подобные виноградной кислоте, стали называть рацемическими (от латинского названия виноградной кислоты).

Результаты проведенных исследований убедительно доказывали, что оптическая активность связана с асимметрией. В большинстве случаев асимметрию привыкли связывать с кристаллическим состоянием вещества. Как свидетельствовали экспериментальные факты, многие органические соединения проявляли оптическую активность не только в виде кристаллов, но и в растворенном состоянии. Значит, у веществ, оптически активных в растворенном состоянии, асимметричной должна быть структура самих молекул. Однако используемые в то время структурные формулы органических соединений являлись двумерными: они позволяли получить только плоскостное изображение строения молекулы. Использование таких формул не объясняло причин оптической активности органических молекул. 

9.9.2. Стереохимическая модель Вант-Гоффа-Ле Белля

Важной вехой на этапе зарождения стереохимии явились работы немецкого химика Йоханнеса Вислиценуса, посвященные изучению изомерии молочной кислоты. В 1969 г. немецкий ученый установил, что существуют две молочных кислоты одного и того же состава C₃H₆O₃. Одна из них была обнаружена в кислом молоке, а другая (парамолочная кислота) появлялась при работе живой мышцы. Химические свойства обеих кислот были одинаковыми, однако молочная кислота брожения была оптически неактивной, а парамолочная кислота представляла собой правовращающий изомер. В 1873 г. Й. Вислиценус показал глубокую связь зарождающихся стереохимических представлений с учением А.М. Бутлерова. Немецкий ученый писал, что у обеих кислот «порядок взаимной связи составляющих атомов выражается формулой СН₃–СНОН–СООН…. Причина различия заключается только в различном пространственном расположении при остающемся неизменным порядке связи атомов»^{365}.

Переход от плоскостного изображения химического строения соединений к пространственному был поистине революционным шагом на пути дальнейшего развития учения о химической структуре вещества. Сделать этот шаг было непросто, ведь во второй половине XIX в. понятие атома еще оставалось в большой степени абстрактным: экспериментальные методы еще не позволяли наблюдать их воочию.

Чтобы решиться представить пространственное расположение в молекуле атомов (которые, возможно, и не существуют), нужно было иметь научную смелость, широту творческого полета и, конечно, мужество, дабы выдержать критику консервативно мыслящих оппонентов. История показала, что набором таких качеств обладал молодой голландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф. В своих воспоминаниях Вант-Гофф говорил, что именно работы И. Вислиценуса послужили для него толчком к размышлениям, которые в конечном итоге и привели к созданию стереохимической гипотезы.

Использование тетраэдрической модели для объяснения строения и свойств оптических изомеров:

а — зеркальное расположение связей; б — геометрические изомеры соединений с двойной связью