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為什么這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為“化學(xué)史上最美的實(shí)驗(yàn)”?

欄目:行業(yè)資訊 發(fā)布時(shí)間:2024-02-26
在化學(xué)史上有許許多多精美絕倫的實(shí)驗(yàn),美國的“化學(xué)與工程新知”組織在2003年,邀請(qǐng)全球的眾多化學(xué)家和歷史學(xué)家共同投票選出十大最美麗實(shí)驗(yàn),排名第一的是19世紀(jì)中葉巴斯德在顯微鏡下手工分離手性酒石酸鹽晶體。

最美化學(xué)實(shí)驗(yàn)

巴斯德的酒石酸鹽旋光異構(gòu)體分離實(shí)驗(yàn)



在化學(xué)史上有許許多多精美絕倫的實(shí)驗(yàn),美國的“化學(xué)與工程新知”組織在2003年,邀請(qǐng)全球的眾多化學(xué)家和歷史學(xué)家共同投票選出十大最美麗實(shí)驗(yàn),排名第一的是19世紀(jì)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(xué)上的首次重大成就是在光學(xué)領(lǐng)域,揭示了某些分子的立體異構(gòu)現(xiàn)象,即分子的左旋和右旋形式。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在化學(xué)領(lǐng)域被視為具有里程碑意義。接著,巴斯德將興趣轉(zhuǎn)向了微生物學(xué),并提出了“細(xì)菌理論”,這徹底顛覆了當(dāng)時(shí)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(duì)化學(xué)研究而言,確實(shí)是“徒手”,他是在顯微鏡下用鑷子一個(gè)一個(gè)挑的......





分離手性酒石酸鹽(1848)


1847年,剛獲得博士學(xué)位的路易斯·巴斯德成為巴黎高等師范學(xué)院的一名青年教師,他同時(shí)也在巴萊的實(shí)驗(yàn)室當(dāng)助手,主要從事化學(xué)結(jié)晶體形態(tài)和結(jié)構(gòu)的研究。


巴斯德喜歡酒,他注意到制酒時(shí)酒石酸的晶體會(huì)在發(fā)酵過程中沉積,于是選擇酒石酸鹽當(dāng)研究題材。其實(shí)在發(fā)酵桶槽沉積的不只酒石酸,還有在當(dāng)時(shí)被稱為“類酒石酸”的物質(zhì)。這時(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生右旋光,通過類酒石酸溶液則什么事也不會(huì)發(fā)生。為什么分子式相同的化合物會(huì)有截然不同的光學(xué)特性?很多化學(xué)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(jié)構(gòu)

巴斯德決定運(yùn)用他化學(xué)和物理的知識(shí),來解決這個(gè)問題。他直覺認(rèn)為它們結(jié)晶的結(jié)構(gòu)有可能不同,然后用鑷子慢慢挑出酒石酸鹽類結(jié)晶。細(xì)心的觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn):酒石酸鹽類結(jié)晶有一面較長,不是完全對(duì)稱的,也因此通過酒石酸溶液的極化光會(huì)產(chǎn)生右旋現(xiàn)象。


兩種酒石酸晶體示意圖

巴斯德接著假設(shè):類酒石酸鹽類晶體應(yīng)該是對(duì)稱的,也因此通過類酒石酸溶液的偏振光才不會(huì)改變。然而當(dāng)他將類酒石酸鹽類結(jié)晶挑出來觀察,卻嚇了一大跳!類酒石酸鹽類結(jié)晶和酒石酸鹽類結(jié)晶一樣,都有一個(gè)較長的、不對(duì)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(jié)晶和類酒石酸鹽類結(jié)晶都有不對(duì)稱的晶面,但前者有光學(xué)活性,后者卻沒有?他想了想,只能更大膽地假設(shè):某些結(jié)晶較長的晶面在左邊,某些結(jié)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(jié)晶具有不對(duì)稱的晶面,卻沒有光學(xué)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(jié)晶。果然!他發(fā)現(xiàn)類酒石酸鹽類結(jié)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(dāng)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(chǎn)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(chǎn)生右旋現(xiàn)象。換句話說,類酒石酸溶液不具有光學(xué)活性,是因?yàn)樗莾煞N晶體的混合物,它同時(shí)具有左旋和右旋的光學(xué)特性,互相消弭所致。




何為旋光性

有機(jī)物的旋光性是指某些有機(jī)分子能夠旋轉(zhuǎn)通過它們的平面偏振光的偏振面的性質(zhì)。這種現(xiàn)象是由于分子內(nèi)部的不對(duì)稱性,也就是手性(chirality)。手性分子通常含有一個(gè)或多個(gè)手性中心,最典型的是碳原子,它連接四個(gè)不同的原子或基團(tuán)。

當(dāng)平面偏振光穿過含有手性中心的有機(jī)物溶液時(shí),分子會(huì)將光的偏振面旋轉(zhuǎn)至某一角度。這個(gè)角度的大小和方向取決于:

1. 分子的結(jié)構(gòu):具體的手性中心以及它們的配置(R或S)會(huì)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(huì)受到不同程度的旋轉(zhuǎn)。

3. 溶液的濃度:分子濃度越高,旋光效應(yīng)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(yīng)越顯著。

5. 溫度和溶劑的類型:這些因素也會(huì)影響旋光性。


旋光性的測(cè)量通常是通過旋光儀來進(jìn)行,測(cè)定的是旋光角,即偏振光通過樣品后旋轉(zhuǎn)的角度。根據(jù)旋轉(zhuǎn)的方向,有機(jī)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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

-左旋(l-或-):如果光的偏振面向觀察者看到的是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。


旋光性在化學(xué)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(guān)。




巴斯德的酒石酸鹽實(shí)驗(yàn)為何能評(píng)選為最美實(shí)驗(yàn)?

關(guān)于巴斯德的酒石酸鹽旋光異構(gòu)體分離實(shí)驗(yàn)選為化學(xué)史上最美實(shí)驗(yàn)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(xué)異構(gòu)體分離實(shí)驗(yàn)開拓了化學(xué)結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域,這對(duì)于有機(jī)化學(xué)與生物化學(xué)尤為重要。

2.巴斯德的實(shí)驗(yàn)不僅概念簡潔而且飽含幸運(yùn)和決心,所以很有吸引力。單調(diào)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(yùn)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(shí)是極少的。



美國化學(xué)會(huì)的官方解釋更加簡練,就是“elegantly simple but significant”,即巴斯德的實(shí)驗(yàn)一方面優(yōu)雅簡潔,另一方面意義重大,這兩點(diǎn)充分體現(xiàn)了科學(xué)的美學(xué)意義。


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