В. Оптические изомеры

Другой вид стереоизомерии - оптическая стереоизомерия - обусловлен способностью некоторых молекул вращать плоскость поляризации поляризованного света. Такие молекулы называются оптическими изомерами. Впервые оптическая активность была открыта французским физиком Био в 1815 г. Он обнаружил, что растворы некоторых встречающихся в природе соединений оптически активны. После этого открытия химики обычно всегда исследовали оптическую активность новых соединений. Оказалось, что вещества, синтезированные в лабораторных условиях, оптически неактивны, однако многие соединения, встречающиеся в природе, обладают оптической активностью. Одни растворы вращали плоскость поляризации света вправо и были названы правовращающими (d-формы), а другие вращали плоскость поляризации влево и были названы левовращающими (l-формы).

Луи Пастер, работая с винной и виноградной кислотами, объяснил явление оптической активности. Его исследования сыграли важную роль в понимании химической структуры и свойств. Еще более замечательным является то, что работа Пастера предшествовала появлению идей Кекуле, Вант-Гоффа и Ле Беля о химической связи.

Пастер знал, что виноградная и винная кислоты отвечают одной эмпирической формуле С₄Н₆О₆. Было известно, что винная кислота является оптически активной; виноградная кислота, как известно, оптически неактивна и гораздо менее растворима, чем винная. В 1848 г. Пастер изучил формы кристаллов 19 солей винной кислоты. Он заметил то, на что не обращали внимания исследователи до него: кристаллы всех 19 солей оказались гемиэдрическими, т. е. все они обладали лишь полусимметрией, плоскость симметрии у них отсутствовала. Несимметричные кристаллы имели две гемиэдрические формы: правую и левую. Разные гемиэдрические кристаллы для несимметричных молекул являлись зеркальным изображением друг друга аналогично тому, как правая и левая рука человека являются зеркальным изображением друг друга.

Пастер заметил также, что все 19 солей винной кислоты были гемиэдрическими в одном направлении. Это не удивительно, поскольку растворы всех этих солей вращают плоскость поляризации в одном направлении (вправо).

Поскольку виноградная кислота оптической активностью не обладала, Пастер предположил, что кристаллы соли виноградной кислоты, натрийаммонийрацемата, будут симметричными. Однако, к своему удивлению, проведя кристаллизацию при температуре ниже 28°С, Пастер обнаружил гемиэдрические кристаллы. Некоторые из кристаллов были правогемиэдрическими, некоторые - левогемиэдрическими. Пастер сумел при помощи пинцета разделить оба типа кристаллов. Превратив правые кристаллы натрийаммонийрацемата в кислоту, он обнаружил, что получил винную кислоту. На основании этого Пастер пришел к заключению, что виноградная кислота представляет собой смесь право- и левовращающих винных кислот. Оптические изомеры, например d- и l-формы винной кислоты, называют энантиоморфными, энантиомерами или оптическими антиподами. Они обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами, за исключением направления вращения плоскости поляризации поляризованного света.

Как уже упоминалось выше, представление о структурных формулах тогда еще не было разработано. Тем не менее Пастер пришел к правильному заключению, что между молекулами d- и l-винных кислот должно быть различие в стереохимии. Он отмечал: "Нет сомнений в том, что существует асимметрическое расположение, приводящее к несовместимым изображениям. Не менее ясно, что атомы левовращающей кислоты обладают точно противоположным асимметрическим расположением (по сравнению с правовращающей кислотой)".

Впоследствии было показано, что винную кислоту можно изобразить следующей структурной формулой:

Мезовинная кислота оптически неактивна вследствие того, что между верхней и нижней половинами молекулы есть плоскость симметрии.

Виноградная кислота представляет собой рацемическое соединение d- и l-форм винной кислоты.