Занимательная химия для детей и взрослых

Подобных примеров становилось все больше, и требовалась теория, объясняющая, чем же отличаются друг от друга молекулы антиподов. Такую теорию создал молодой голландский ученый Якоб Вант Гофф. Согласно этой теории, молекулы, как и кристаллы, могут быть правыми и левыми, являясь зеркальным отражением друг друга. Простейший пример был такой. Атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, четыре химические связи направлены от него под равными углами к вершинам тетраэдра. Если все атомы или группы атомов, находящиеся в вершинах тетраэдра и связанные с центральным атомом углерода, будут разными, то возможны две разные структуры, которые не совмещаются друг с другом вращением в пространстве. Если же хотя бы два атома из четырех будут одинаковыми, молекулы будут полностью идентичными (это легко проверить с помощью модели из четырех спичек и цветного пластилина). Подобные структуры, которые отличаются друг от друга как правая рука от левой, получили название хиральных (от греч. heir – «рука»).

Если в веществе поровну правых и левых молекул, оно будет оптически неактивным. Это и есть рацемат. Именно такие вещества получаются в колбе в результате обычного химического синтеза. И только в живых организмах при участии несимметричных агентов (например, ферментов) образуются несимметричные соединения. Конечно, тут же возник вопрос о том, как же появились на Земле первые оптически активные химические соединения, например та же природная правовращающая винная кислота или «асимметричные» микроорганизмы, питающиеся только одним из энантиомеров. Ведь в отсутствие человека некому было осуществлять направленный синтез оптически активных веществ, некому было разделять кристаллы на правые и левые! Однако подобные вопросы оказались настолько сложными, что ответа на них нет и поныне. Например, никто не знает, почему почти все природные аминокислоты, из которых построены белки, относятся к L-ряду (S-конфигурация), а их антиподы только изредка встречаются у некоторых антибиотиков.

Теория Вант Гоффа далеко не сразу завоевала признание. Об этом может свидетельствовать отзыв на его статью выдающегося немецкого химика-экспериментатора Адольфа Кольбе, именем которого названы несколько органических реакций. В язвительной до неприличия статье, опубликованной в мае 1877 г., он писал: «Побежденная пятьдесят лет тому назад, натурфилософия снова выпущена псевдоестествоиспытателями из чулана, предназначенного для хранения отбросов человеческого ума. Нарядив эту кокотку в модные одежды и покрыв лицо ее белилами и румянами, они хотят провести ее в порядочное общество, в котором для нее нет места. Кому эти опасения покажутся преувеличенными, пусть прочтет недавно вышедшие фантастические сочинения Вант Гоффа о расположении атомов в пространстве… Некоему доктору Вант Гоффу, занимающему должность в Утрехтском ветеринарном училище, очевидно, не по вкусу точные химические исследования. Он счел более приятным сесть на Пегаса (вероятно, взятого напрокат из ветеринарного училища) и поведать в своей „Химии в пространстве“ о том, как представляются ему, взобравшемуся благодаря смелому полету на химический Парнас, атомы, расположенные во Вселенной».

К счастью, Кольбе оказался в явном меньшинстве, и теория Вант Гоффа, заложившая основы современной стереохимии, завоевала общее признание, а ее создатель в 1901 г. стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии.

Хиральные лекарства

Химики часто относятся к энантиомерам, как к одному соединению, поскольку их химические свойства идентичны. Однако их биологическая активность может быть совершенно различной. Это стало очевидным после трагической истории с талидомидом – лекарственным средством, которое широко назначалось в 1960-х гг. беременным женщинам как эффективное снотворное и успокаивающее. Однако со временем проявилось его ужасное побочное тератогенное действие (от греч. teratos – «чудовище» и genes – «рождающийся»): на свет стало появляться все больше младенцев с врожденными уродствами, в том числе без рук и ног. Лишь в конце 1980-х гг. выяснилась, что причиной несчастий был только один из энантиомеров талидомида – его правовращающая форма. К сожалению, такое различие в действии лекарственных форм раньше не было известно, и продававшийся талидомид был неразделенной рацемической смесью обоих антиподов.