最美化學實驗
巴斯德的酒石酸鹽旋光異構體分離實驗
在化學史上有許許多多精美絕倫的實驗,美國的“化學與工程新知”組織在2003年,邀請全球的眾多化學家和歷史學家共同投票選出十大最美麗實驗,排名第一的是19世紀中葉巴斯德在顯微鏡下手工分離手性酒石酸鹽晶體。
路易斯·巴斯德(Louis Pasteur,1822年-1895年),我們熟知的巴氏消毒發(fā)就是他發(fā)明的。他在科學上的首次重大成就是在光學領域,揭示了某些分子的立體異構現(xiàn)象,即分子的左旋和右旋形式。這項發(fā)現(xiàn)在化學領域被視為具有里程碑意義。接著,巴斯德將興趣轉向了微生物學,并提出了“細菌理論”,這徹底顛覆了當時普遍接受的自發(fā)生成說。之后他還研制了狂犬病疫苗。說到他手工分離酒石酸鹽晶體,對化學研究而言,確實是“徒手”,他是在顯微鏡下用鑷子一個一個挑的......
分離手性酒石酸鹽(1848)
1847年,剛獲得博士學位的路易斯·巴斯德成為巴黎高等師范學院的一名青年教師,他同時也在巴萊的實驗室當助手,主要從事化學結晶體形態(tài)和結構的研究。
巴斯德喜歡酒,他注意到制酒時酒石酸的晶體會在發(fā)酵過程中沉積,于是選擇酒石酸鹽當研究題材。其實在發(fā)酵桶槽沉積的不只酒石酸,還有在當時被稱為“類酒石酸”的物質。這時酒石酸和類酒石酸的分子式已被定出,成分是相同的。但酒石酸溶液和類酒石酸溶液特性大不相同,偏振光通過酒石酸溶液時會產生右旋光,通過類酒石酸溶液則什么事也不會發(fā)生。為什么分子式相同的化合物會有截然不同的光學特性?很多化學家都研究不出來,巴斯德想:其中一定有被大家忽略的地方。
三種酒石酸的分子結構
巴斯德決定運用他化學和物理的知識,來解決這個問題。他直覺認為它們結晶的結構有可能不同,然后用鑷子慢慢挑出酒石酸鹽類結晶。細心的觀察結果發(fā)現(xiàn):酒石酸鹽類結晶有一面較長,不是完全對稱的,也因此通過酒石酸溶液的極化光會產生右旋現(xiàn)象。
兩種酒石酸晶體示意圖
巴斯德接著假設:類酒石酸鹽類晶體應該是對稱的,也因此通過類酒石酸溶液的偏振光才不會改變。然而當他將類酒石酸鹽類結晶挑出來觀察,卻嚇了一大跳!類酒石酸鹽類結晶和酒石酸鹽類結晶一樣,都有一個較長的、不對稱的晶面。
原以為解開謎底的巴斯德再次陷入困惑之中。為什么酒石酸鹽類結晶和類酒石酸鹽類結晶都有不對稱的晶面,但前者有光學活性,后者卻沒有?他想了想,只能更大膽地假設:某些結晶較長的晶面在左邊,某些結晶較長的晶面在右邊,只有這樣,才可能解釋為什么類酒石酸鹽類結晶具有不對稱的晶面,卻沒有光學活性。
巴斯德在挑選晶體示意圖
想到這里,巴斯德興奮地重新檢視類酒石酸鹽類結晶。果然!他發(fā)現(xiàn)類酒石酸鹽類結晶有二種,其中有些晶體較長的晶面在左邊,另外一些則在右邊,就像左手和右手。當他把所有較長的晶面在左邊的晶體挑出、溶解,然后將溶液通過偏振光,即產生左旋現(xiàn)象;而若將所有較長的晶面在右邊的晶體挑出、溶解,然后將溶液通過偏振光后,即產生右旋現(xiàn)象。換句話說,類酒石酸溶液不具有光學活性,是因為它是兩種晶體的混合物,它同時具有左旋和右旋的光學特性,互相消弭所致。
何為旋光性
有機物的旋光性是指某些有機分子能夠旋轉通過它們的平面偏振光的偏振面的性質。這種現(xiàn)象是由于分子內部的不對稱性,也就是手性(chirality)。手性分子通常含有一個或多個手性中心,最典型的是碳原子,它連接四個不同的原子或基團。
當平面偏振光穿過含有手性中心的有機物溶液時,分子會將光的偏振面旋轉至某一角度。這個角度的大小和方向取決于:
1. 分子的結構:具體的手性中心以及它們的配置(R或S)會影響旋光性的方向和程度。
2.光的波長:通常使用的是鈉黃光(D線,波長約為589納米),但不同波長的光可能會受到不同程度的旋轉。
3. 溶液的濃度:分子濃度越高,旋光效應通常越明顯。
4.溶液的路徑長度:光線通過溶液的路徑越長,旋光效應越顯著。
5. 溫度和溶劑的類型:這些因素也會影響旋光性。
旋光性的測量通常是通過旋光儀來進行,測定的是旋光角,即偏振光通過樣品后旋轉的角度。根據旋轉的方向,有機物可以被分類為:
-右旋(d-或+):如果光的偏振面向觀察者看到的是順時針方向旋轉。
-左旋(l-或-):如果光的偏振面向觀察者看到的是逆時針方向旋轉。
旋光性在化學中非常重要,特別是在制藥和食品工業(yè)中,用來區(qū)分和鑒定不同的手性化合物。這些化合物的生物活性、味道和香氣往往與它們的手性有關。
巴斯德的酒石酸鹽實驗為何能評選為最美實驗?
關于巴斯德的酒石酸鹽旋光異構體分離實驗選為化學史上最美實驗的原因,參與此次投票的一位名叫Carmen J. Giunta的教授是這樣解釋的:
1.巴斯德的光學異構體分離實驗開拓了化學結構的新領域,這對于有機化學與生物化學尤為重要。
2.巴斯德的實驗不僅概念簡潔而且飽含幸運和決心,所以很有吸引力。單調乏味的手工分離手性晶體操作可以明顯看出他的決心;幸運則體現(xiàn)在,事后發(fā)現(xiàn)適用于巴斯德分離策略的酒石酸鹽晶體其實是極少的。
美國化學會的官方解釋更加簡練,就是“elegantly simple but significant”,即巴斯德的實驗一方面優(yōu)雅簡潔,另一方面意義重大,這兩點充分體現(xiàn)了科學的美學意義。