为什么这个实验被称为“化学史上最美的实验”?

栏目:行业资讯 发布时间:2024-02-26
在化学史上有许许多多精美绝伦的实验,美国的“化学与工程新知”组织在2003年,邀请全球的众多化学家和历史学家共同投票选出十大最美丽实验,排名第一的是19世纪中叶巴斯德在显微镜下手工分离手性酒石酸盐晶体。

最美化学实验

巴斯德的酒石酸盐旋光异构体分离实验



在化学史上有许许多多精美绝伦的实验,美国的“化学与工程新知”组织在2003年,邀请全球的众多化学家和历史学家共同投票选出十大最美丽实验,排名第一的是19世纪中叶巴斯德在显微镜下手工分离手性酒石酸盐晶体。

路易斯·巴斯德(Louis Pasteur,1822年-1895年),我们熟知的巴氏消毒发就是他发明的。他在科学上的首次重大成就是在光学领域,揭示了某些分子的立体异构现象,即分子的左旋和右旋形式。这项发现在化学领域被视为具有里程碑意义。接着,巴斯德将兴趣转向了微生物学,并提出了“细菌理论”,这彻底颠覆了当时普遍接受的自发生成说。之后他还研制了狂犬病疫苗。说到他手工分离酒石酸盐晶体,对化学研究而言,确实是“徒手”,他是在显微镜下用镊子一个一个挑的......





分离手性酒石酸盐(1848)


1847年,刚获得博士学位的路易斯·巴斯德成为巴黎高等师范学院的一名青年教师,他同时也在巴莱的实验室当助手,主要从事化学结晶体形态和结构的研究。


巴斯德喜欢酒,他注意到制酒时酒石酸的晶体会在发酵过程中沉积,于是选择酒石酸盐当研究题材。其实在发酵桶槽沉积的不只酒石酸,还有在当时被称为“类酒石酸”的物质。这时酒石酸和类酒石酸的分子式已被定出,成分是相同的。但酒石酸溶液和类酒石酸溶液特性大不相同,偏振光通过酒石酸溶液时会产生右旋光,通过类酒石酸溶液则什么事也不会发生。为什么分子式相同的化合物会有截然不同的光学特性?很多化学家都研究不出来,巴斯德想:其中一定有被大家忽略的地方。

三种酒石酸的分子结构

巴斯德决定运用他化学和物理的知识,来解决这个问题。他直觉认为它们结晶的结构有可能不同,然后用镊子慢慢挑出酒石酸盐类结晶。细心的观察结果发现:酒石酸盐类结晶有一面较长,不是完全对称的,也因此通过酒石酸溶液的极化光会产生右旋现象。


两种酒石酸晶体示意图

巴斯德接着假设:类酒石酸盐类晶体应该是对称的,也因此通过类酒石酸溶液的偏振光才不会改变。然而当他将类酒石酸盐类结晶挑出来观察,却吓了一大跳!类酒石酸盐类结晶和酒石酸盐类结晶一样,都有一个较长的、不对称的晶面。

原以为解开谜底的巴斯德再次陷入困惑之中。为什么酒石酸盐类结晶和类酒石酸盐类结晶都有不对称的晶面,但前者有光学活性,后者却没有?他想了想,只能更大胆地假设:某些结晶较长的晶面在左边,某些结晶较长的晶面在右边,只有这样,才可能解释为什么类酒石酸盐类结晶具有不对称的晶面,却没有光学活性。

巴斯德在挑选晶体示意图

想到这里,巴斯德兴奋地重新检视类酒石酸盐类结晶。果然!他发现类酒石酸盐类结晶有二种,其中有些晶体较长的晶面在左边,另外一些则在右边,就像左手和右手。当他把所有较长的晶面在左边的晶体挑出、溶解,然后将溶液通过偏振光,即产生左旋现象;而若将所有较长的晶面在右边的晶体挑出、溶解,然后将溶液通过偏振光后,即产生右旋现象。换句话说,类酒石酸溶液不具有光学活性,是因为它是两种晶体的混合物,它同时具有左旋和右旋的光学特性,互相消弭所致。




何为旋光性

有机物的旋光性是指某些有机分子能够旋转通过它们的平面偏振光的偏振面的性质。这种现象是由于分子内部的不对称性,也就是手性(chirality)。手性分子通常含有一个或多个手性中心,最典型的是碳原子,它连接四个不同的原子或基团。

当平面偏振光穿过含有手性中心的有机物溶液时,分子会将光的偏振面旋转至某一角度。这个角度的大小和方向取决于:

1. 分子的结构:具体的手性中心以及它们的配置(R或S)会影响旋光性的方向和程度。

2.光的波长:通常使用的是钠黄光(D线,波长约为589纳米),但不同波长的光可能会受到不同程度的旋转。

3. 溶液的浓度:分子浓度越高,旋光效应通常越明显。

4.溶液的路径长度:光线通过溶液的路径越长,旋光效应越显著。

5. 温度和溶剂的类型:这些因素也会影响旋光性。


旋光性的测量通常是通过旋光仪来进行,测定的是旋光角,即偏振光通过样品后旋转的角度。根据旋转的方向,有机物可以被分类为:

-右旋(d-或+):如果光的偏振面向观察者看到的是顺时针方向旋转。

-左旋(l-或-):如果光的偏振面向观察者看到的是逆时针方向旋转。


旋光性在化学中非常重要,特别是在制药和食品工业中,用来区分和鉴定不同的手性化合物。这些化合物的生物活性、味道和香气往往与它们的手性有关。




巴斯德的酒石酸盐实验为何能评选为最美实验?

关于巴斯德的酒石酸盐旋光异构体分离实验选为化学史上最美实验的原因,参与此次投票的一位名叫Carmen J. Giunta的教授是这样解释的:

1.巴斯德的光学异构体分离实验开拓了化学结构的新领域,这对于有机化学与生物化学尤为重要。

2.巴斯德的实验不仅概念简洁而且饱含幸运和决心,所以很有吸引力。单调乏味的手工分离手性晶体操作可以明显看出他的决心;幸运则体现在,事后发现适用于巴斯德分离策略的酒石酸盐晶体其实是极少的。



美国化学会的官方解释更加简练,就是“elegantly simple but significant”,即巴斯德的实验一方面优雅简洁,另一方面意义重大,这两点充分体现了科学的美学意义。