ПРИРОДА, №10-12, 1925 год. К 50-летию стереохимии.

"Природа", №10-12, 1925 год, стр. 95-102

К 50-летию стереохимии.

Проф. М. А. Блох.

Известно изречение Кекуле, что в определенные времена некоторые идеи как будто носятся в воздухе. Если один их не выскажет, то это сделает вскоре другой. 50 лет тому назад два молодых ученых, оба скромные адепта химической науки, работали в одной лаборатории Вюрца в Париже, и без всякого взаимного духовного контакта оба занялись проблемой оптической активности органических соединений в зависимости от их строения, и, независимо друг от друга, исходя из различных основных точек зрения, они оба находят решение этой проблемы. 22-хлетний Вант-Гофф исходит из учения Кекуле и работ Вислиценуса и публикует свою небольшую брошюру 5.IX.1874 г. в Утрехте; 27-летний Лебель исходит из классических работ Пастера и опубликовывает свои идеи 4.XI.1874 г. в Париже, и благодарное потомство чтит обоих, как основателей новой большой области современной химии — стереохимии.

Оба они имеют многих предшественников, химиков-философов: Wenzel’я, (1777), Wollasston'a (1803), Berzelius’a (1831), Dumas (1814), Gaudin’a (1833), Laurent’a (1837), Gmelin’a (1848), Gerardt’a (1854), Pasteur’a (1860), Frankland’a (1852), Cooper’a (1852), Бутлерова (1862), Кekule (1863), Blomstrand’a, Wislicenus'a, Paterno, Rosenstiehl'я (1869)1).

Невольно вспоминаются слова великого Галилея: "Книга природы лежит раскрытая перед нами, но она написана другими буквами, чем наш алфавит, в ней буквы называются — треугольники, четыреугольники, круги, шары." И заслуга Вант-Гоффа и Лебеля заключается в том, что они впервые охватили фундаментальное значение этих букв для объяснения химических процессов и состояний и развили стройное систематическое учение. Более 120 лет тому назад Дальтон ввел атом, как последнюю единицу вещества-элемента в науку. Он снабдил их весом (массой), и Берцелиус учил экспериментально определять относительные атомные веса. На основании результатов анализа химики выводили эмпирические формулы химических соединений; постепенно эти формулы развились в формулы строения, причем атомы молекул в виде точек координировались на плоскости. Затем кинетическая теория газов научила измерять диаметры, определять пространственное расширение атомов и молекул. Одновременно химическое исследование ознакомилось с такими явлениями, которые не могли быть объяснены расположением химических молекул на плоскости. Число действительно изолированных изомеров превысило число допускаемых теорией, и среди этих изомеров были такие, которые влияли на поляризованные лучи света. Вант-Гофф и Лебель произвели революцию в химической мысли, введя представление о пространственном расположении атомов и молекул. Две проблемы надо было решить: во-первых, какую форму можно придать пространственным атомам, и второе — какие физические и химические свойства атома можно привести в логическую связь с этой формой. Как известно, Вант-Гофф нашел такую форму для атома углерода в правильном тетраэдре и в асимметричном, т. е. в связанном с 4-мя разными атомами или радикалами атоме углерода видел причину оптической активности углеродных соединений 2). Если сейчас еще прочитать охватывающие несколько страниц первые работы Вант-Гоффа и Лебеля, то нельзя не удивляться их простоте и тому художественному наслаждению, которое дает чтение этих работ. Лебель исходил из гениальных исследований Пастера над молекулярной асимметрией (1860); он не применял никаких понятий валентности, структурных изображений пространств, тетраэдра для углеродного атома, — он исходит из чисто геометрического опыта, из рассмотрения равновесия симметрии, из фактического существования изомеров и приходит к заключению, что соединение углерода не может лежать в плоскости, а должно образовать асимметрическую молекулу; тогда для такого соединения в растворе можно предсказать оптическую активность. При тождестве двух групп в соединении типа С (xxyz) оптическая активность исчезает, при типе с двойной углеродной связью

возможна асимметрия и оптическая активность. Лебель распространяет свои суждения и на ароматические соединения и находит, что бензол с двойным или тройным замещением одного водорода тремя различными радикалами должен привести к активному телу. В виде доказательства он приводит активный цимол и камфорные кислоты. Работа его содержит всего 10½, страннц. Первая работа Вант-Гоффа охватывает всего 11 страниц, и невольно вспоминаются слова великого физика Кирхгоффа: "Каждая новая научная истина должна быть такова, чтобы ее можно было обычным способом изложить на листе четвертного формата". Мы не можем не отметить тут своеобразие, часто встречающееся в истории науки, если так можно сказать, факта "пар" ученых, разрабатывающих и создающих ту или другую идею. Напомним открытие кислорода Пристлеем и Шееле и работы Дальтона и Волластона, Авогадро и Ампера, Менделеева и Лотара Мейера. 30 лет спустя Вант-Гофф при открытии новой лаборатории Утрехтского университета, носящей его ими, вспоминая свое открытие, так объяснил его студентам: "Я хочу дать вам рецепт, как делаются открытия. Когда я в свое время изучал работу Вислиценуса над молочными кислотами, я прервал работу на полпути, чтобы совершить прогулку, и во время этой прогулки под влиянием свежего воздуха у меня возникла мысль об асимметричном атоме углерода". Конечно, теперь мы можем прибавить, что для этого необходима была мысль гения. Еще А. Гофман заметил, что жизнь ученого часто представляет историю его учения. И слова Гёте: "Wer den Dichter will verstehen, muss in Dichters Lande gehen" несомненно справедливы и по отношению к ученым. (Ср. М. А. Блох. Жизнь и творчество Вант-Гоффа. НХТИ. 1923).

С точки зрения биологии творчества, "пара" Вант-Гофф — Лебель представляет особый интерес. Оба в раннем возрасте столкнулись с химико-техническими проблемами, но у обоих была тяга к чистому знанию.

Jоsерh Achille Le Вel родился в 1847 г. в Bechelbronn'e (Pechelbronn) в Эльзасе, где его родители владели нефтяными источниками. 18-ти лет он поступает в Ecole polytechnique (1865—1867); несколько лет спустя техническую школу в Дельфте посещает 17-тилетний Вант-Гофф (1852—1911), родившийся в Роттердаме и предназначавшийся родителями для практической деятельности. Лебель, племянник великого естествоиспытателя I. В. Вonssiпgault, наследовал его интерес к естествознанию и самостоятельность мышления, и, подобно ему, Вант-Гофф увлекается бабочками и насекомыми. Лорд Байрон и философ Кант — любимое чтение Вант-Гоффа, Бальзак и Рихард Вагнер — духовные спутники Лебеля. В молодости и тот, и другой писали стихи, и еще гораздо позднее престарелый Лебель пишет стихи в прозе. В 1874 г. они оба попадают в одну и ту же лабораторию к Вюрцу, Лебель от Балара, а Вант-Гофф от Кекуле. И тот, и другой, создав фундамент научной теории, детальную разработку ее предоставили другим. В 1889 г. Лебель продает свои нефтяные источники и остается лишь частным ученым. И ныне 78-летний старик в полной духовной свежести говорит о себе, что его всегда интересовали: "toutes les aberrations de l’esprit humain у compris celles de l'amour".

В истории химии они представляют редкий пример полного отсутствия соревнования, и никогда между ними не возникал спор о приоритете. В качестве внешнего признания Вант-Гофф посвятил Лебелю второе французское издание своей брошюры, вышедшей в 1887 г. под заглавием "Dix années dans l'histoire d’une théorie". Если в основных положениях заслуги обоих должны быть признаны одинаковыми, то нужно указать, что Вант-Гофф гораздо глубже конкретизировал представление об асимметричном углероде. Пользуясь своею схемою и допуская свободное вращение около общей оси двух тетраэдров, связанных между собою одиночной связью, он строит схемы для соединений с некоторыми асимметричными углами, определяя число возможных изомеров. Эти схемы легли впоследствии в основу работ Э. Фишера над сахаристыми веществами. 3) Можно сказать, что научное развитие органической химии в течение последних 50 лет было тесно связано с двумя теориями: с бензольной теорией Кекуле (1865) и стереохимической теорией Вант-Гоффа и Лебеля (1874). Но в то время как бензольная теория почти исключительно касается, так называемых, ароматических соединений, стереохимия охватывает сначала алифатические соединения, затем циклические и, наконец, наряду с соединениями углерода и соединения азота (A. Hantzsch и A. Werner. Е. Widekind) и других элементов (cepa, селен, олово, кремний, фосфор)4), подчиняя себе не только органическую химию, но и неорганические комплексные соединения металлов (Вернер, Чугаев, Пфейффер и мн. др.), а в последнее время мы видим попытки перебросить мост между проблемой структуры кристаллов и стереохимией: так она подчиняет себе и аморфные, и растворенные, и кристаллические вещества (Пфейффер).

Мы не имеем возможности в небольшой статье отметить все те многообразные теоретические проблемы, которые охватывает стереохимия, расширяя область теоретической химии и обогащая опытный материал ее 5). Стереохимические идеи потому и оказали громадное влияние на развитие органической химии и биохимии, что обе в XX веке преимущественно изучают природные продукты, б. ч. оптически-активные. Напомним только некоторые группы этих тел: терпены, камфору, алкалоиды, белки и полипептиды, дубильные вещества, депсиды, катехины, сахара, углеводы, полиамилозы и др., целлюлозу, хлорофилл и т. д.

Любопытно отметить, что стереохимия сначала весьма медленно распространялась в России. Хотя она представляет дальнейшее развитие структурной химии, но как Бутлеров и Бейльштейн, так и Зайцев, и Меншуткин холодно встретили ее. Особенно поразительно это со стороны Бутлерова, за 11 лет до Вант-Гоффа и Лебеля, писавшего (в статье "О различных способах объяснения некототорых случаев изомерии”)... "но если атомы действительно существуют, тогда я не понимаю, почему все попытки определения их группировки в пространстве — как это полагает Кольбе — должны быть тщетными, почему будущее нас не научит произвести такие определения". В дальнейшем Рига (Вальден, Бишоф, Ведекинд, Фрелих) и Одесса (Зелинский) стали центрами стереохимических исследований русских химиков.

Весьма важными оказались взаимоотношения, создавшиеся между стереохимией и физическою химиею вообще и осмотическими методами опреления молекулярного веса. Определение последнего играет в настоящее время решающую роль в важных исследованиях полиамилоз (Н. Pringsheim), целлюлозы (K. Frеudenberg), фотоизомеризации и фотополимеризации ненасыщенных соединений. Вопросы о связи между химическим строением и физико-химическими свойствами привели к многочисленным опытным исследованиям, касающимся точек плавления и кипения, плотности и растворимости, электропроводности и константы диссоциации, теплоты сгорания, преломления света и дисперсии, цвета и т. п.; наконец, сюда же относится столь исключительно важная проблема, как оптическая вращательная способность (в то время, как I издание классического труда Ландольта 1898 г. охватывало 634 стр., новое издание, охватывающее только вращательную способность, рассчитано на 100 стр.)6). Мы должны также упомянуть явление биротации, оптической суперпозиции, вопрос о значении массы и конститутивных моментов на величину вращения 7) и, так называемое, Вальденовское обращение, перегруппировку, до сих пор стоящую совершенно особняком в стереохимии, позволяющую нам при помощи простых химических реакций замещения при действии неорганических реактивов непосредственно перейти к противоположному антиподу и вновь вернуться к исходному, без первоначального рацемизирования и последующего расщепления 8).

Но стереохимия имеет не одно теоретическое значение, и мы хотели бы хотя бы в нескольких словах показать, как велико ее практическое значение. Мы видели выше то чисто практическое применение, которое она нашла в синтетической химии. Характерное свойство природных и симметрично построенных соединений нашло самое широкое применение и в технике. Ряд технических производств ставит себе задачей получение и превращение этих веществ (тростниковый сахар, крахмал, виноградный сахар, мальтоза и т. д.)9). Сахариметрическне и поляризационные аппараты находят применение в химии масел и жиров.

То значение, которое косвенно оказала стереохимия на метод определения физико-химических свойств элементов, указано было выше. Если вспомнить, что оптически-активные формы под влиянием частью физических, частью химических факторов превращаются в инактивные (рацемические), то станет ясно, насколько может оказаться вредным при техническом приготовлении оптически-активных форм — образование рацемических форм. История химии повествует нам о следующем факте. 100 лет тому назад Кеstner в Thann’e в Вогезах получает винную кислоту в больших количествах при переработке винного калия. В 1826 г. Гей-Люссак указывает, что она изомерна с винной кислотою, однако, оптически неактивна (Митчерлих 1842), в то время как винная кислота вращает вправо. Когда в Thann'e усовершенствовали производство и стали выпаривать винную кислоту не над открытым огнем, а в вакууме, то, к удивлению, больше не получили винной кислоты. Это превращение казалось таким непонятным, что в 1853 г. Пастер предпринял специальную поездку в Германию и Австрию для ознакомления с заводами винной кислоты. В 1756 г. Dessaignes показал, что фактически правая винная кислота при кипячении с соляной кислотой или водой переходит в виноградную. Явление рацемирования для различных оптически-активных веществ различно и зависит от температуры, природы растворителя и катализаторов. Открытое В. Мейером замедление химической реакции пространственными факторами (stereische Hindrungen) также играет роль в синтезах; в технике химических волокнистых и дубильных веществ стереохимия только начинает оказывать услуги. Текстильные волокна, состоящие из оптически-активных веществ, и оптически активные дубильные вещества, смотря по своей стереохимической конфигурации, будут различно связываться с волокном. Весьма интересные работы произведены в 1923 г. Porter’oм и Ihrig’ом; они исходили из d и l-m аминоминдальной кислоты, которая при помощи диацетирования и соединения с β-нафтолом давала чистое красящее вещество в виде правой и левой форм. Шерсть принимает оба антипода с различной скоростью: правую форму скорее левой. Если применялась рацемическая форма (d-l), то в растворе оставалась почти вся левая форма при достаточном промежутке времени. Таким образом, расщепление рацемического (оптически инактивного d-l) красящего вещества на его оба оптически-активных компонента производится асимметрически построенной (оптически-активной) шерстью, а практически количественно. П. Вальден указывает на предстоящую стереохимии роль в химии питательных веществ. Дело в том, что, напр., синтетически получаемый виноградный сахар и некоторые аминокислоты в первичной форме оптнчески-инактивны, тогда как создаваемые природой асимметричны.

Несомненно также ее значение дпя медицины и биологии. Нервы, ферменты и энзимы дают богатый стереохимический материал. Действия различных оптических изомеров одного и того же соединения на организм, например, изомерных сахаров, алкалоидов, камфоры и т.д., различны. Тесная связь между стереохимией и биохимией существует уже издавна. Внешне, сказанное нашло свое признание в избрании Вант-Гоффа почетным доктором медицины факультета Грейфсвальдского университета (1906) голландскими медиками (1904). "Стереохимия", — говорится в их мотивировке, — "заняла прочное место в мышлении химиков... плодотворные гипотезы Эрлиха о строении тех веществ, при помощи которых организм может бороться с ядами, служат примером этого". Приведем несколько примеров фармакологического различного действия отдельных оптических модификаций на одно и то же асимметричное соединение. Gottlieb в 1923 г. произвел исследование анестезирующего действия на нервы стереоизомеров кокаина. G. Willstatter доказал, что сила анестезирующего действия на нервы обусловливается пространственным расположением групп в молекуле кокаина. П. И. Вальден указывает на возможность культивирования лекарственных растений таким образом, чтобы они давали преимущественно стереоизомерную форму, наиболее пригодную для терапевтических целей.

Различная вкусовая реакция оптических изомеров известна давно. Правый аспарагин сладок, левый имеет неприятно охлаждающий вкус. (A. Pintty 1886). A. Skitа в 1923 г. показал, что цис-транс-метил-циклогексиламины имеют различный запах: цис-формы — пронизывающий запах аммиака, транс-формы обладают запахом кониина. Уже давно было отмечено, что появление оптически-деятельных соединений в естественных условиях тесно связано с процессами жизни. Мы чтим работы Пастера, нашедшего в живых организмах некоторых микроорганизмов весьма чувствительные реактивы, разделяющие недеятельные соединения на оптические антиподы.

Э. Фишер нашел закономерную связь между ферментом и стереохимическою природою сахаров и глюкозидов, на которые этот фермент действует, и дал этому взаимодействию образное сравнение с замком и ключом, его отпирающим. И он же развил (1909) представление о, так наз., асимметричном синтезе, т. е. о таком синтезе, который совершился при помощи деятельных реагентов и приводит к образованию оптически-активных же продуктов 10).

Марквальду, Мэк-Кензи, Бредигу, Фаянсу, Розенталеру (1908) удалось начать осуществление таких синтезов в лаборатории.

Уже Пастер обратил внимание на то, что многие вещества, образуемые растениями, оптически-активны, полученные же синтетически — инактивны. Ему это различие казалось настолько существенным, что он рассматривал образование оптически-активных веществ, как следствие космических сил, как преимущество органической материи, как результат жизненной силы (1860, 1874). К таким космическим силам Пастер относит солнечный свет и сильное магнитное поле. Вальден указывает, что 30-летние исследования не подтвердили правильности идеи "абсолютно асимметричного синтеза" и ставит совершенно обратный вопрос. Действительно ли природа производит только простые асимметричные вещества без их антиподов? Мы в настоящее время знаем, что природа готовит как d-, так и l-а спарагин, как d-, так и l-пинен. Однако, она же синтезирует и активный лимонен и инактивный дипентен, активный и инактивный кониин. И, далее, создает ли природа свои оптически-активные продукции действительно без применения уже имеющихся оптически-активных тел или стереохимических катализаторов? Так как каждая клетка содержит комплекс различных белков, ферментов и т. п., то весьма вероятно, что они оказывают влияние на образование в организмах асимметричных (оптически-активных) химических соединений. Мы видим, как далеко учение Вант-Гоффа и Лебеля распространяет свой свет за пределы химии, как эти работы, глубоко заманчивые по своим перспективам, переносят нас в область биологии, и условия синтеза в живых организмах, таким образом, выступают в новом освещении.

В 1877 г. Кольбе назвал идеи Вант-Гоффа галлюцинацией. В первых десятилетиях XX века открытия I.аue, обоих Bragg’oв, Debye, работы Sоmmerfеld’а, Воhr'а, Astbury привели к вящему триумфу изучения Пастера, Вант-Гоффа, Лебеля. Рентгено-фотограмма углерода указывает (Дебуе), что существует тетраэдная решетка алмаза — прообраза всех алифатических соединений — и шестиугольная решетка графита — прообраза всех ароматических соединений углерода. Таким образом, старое химическое представление о тетраэдных валентностях алмаза нашло свое полное подтверждение. Точно также исследования Astbury в 1923 г. исторических типов винной и виноградной кислот в существенных чертах подтвердили теорию Вант-Гоффа и Лебеля. Стереохимическое учение дало не только идею о возможности определения пространственного расположения атомов в молекуле, его обоснованные оптическую и геометрическую изомерии, но указало новый путь к открытию тайны молекулы органических и неорганических продуктов, внушая уверенность в том, что органический мир — живая природа синтезирует свои асимметричные продукты с помощью тех же сил, с помощью которых создаются химиками неорганические асимметричные соединения.

Когда в школе 17-летнего Вант-Гоффа спросили, как далеко простирается возможность химического синтеза, он смело ответил: "Вплоть до клетки". Однако, и ныне, по прошествии полустолетия, мы на вопрос о происхождении этой живой клетки имеем все еще лишь один старый ответ: не знаем.

Будем же надеяться, что как ни долог еще этот путь, стереохимии в союзе с биохимией удастся снять покров таинственности с живой природы.

1) Литература:

P. Wа1dеп. 25 Jahre stereochemischer Forschung. Ruckblicke und Ausblicke. Naturw. Rundschau, 1900, № 12—16, перев М. А. Блох. "Наука и Жизнь". Н.X.Т.И. 1921. Ber. d. D. chem. Ges. 1925. Heft 2, 237—265. Vergangenheit u. Gegenwart der Stereochemie — "Chem. Weeckblad". 1925, — № 4, 34—61 "Die Naturwissenschaften", 1925, Heft 25. — Stereochemie und Technik. Z. f. angew. Chemie. 1925, 429—239, 381. Русский перев. под ред. М. А. Блох. Изд. Н.X.Т.И. — Optische Umkehrungserscheinungen. 1919.

П. Вальден. Материалы к изучению оптической изомерии. 1898.

Е. Cohen. Funfzig Jahre aus d. Geschichte einer Theorie. Ihre Grundlage z. Naturwiss. 1825, Heft 14, 284—288.

А. Вуk. Zur Synthese der molekularen Asymetrie. "Die Naturwissenschaften", 1925, H. 2, 17+21.

A. E. Успенский. Пятьдесят лет стереохимии. Журнал Химической промышленности. Сентябрь, 1925. № 1/7.

М. А. Блох. Жизнь и творчество Вант-Гоффа. Н.X.Т.И. 1923. — "К пятидесятилетию стереохимии". ТЭВ, 1925, № 8—9. (стр. 95.)

2) Что возможна оптическая активность без асимметрического атома С, если только соединение показывает "молекулярную асимметрию", предполагал уже Вант-Гофф. (стр. 96.)

3) Разница во взглядах обоих ученых была в дальнейшем во взгляде на природу изомерии с этиленной связью. (стр. 98.)

4) Пространственная изомерия изучена для следующих элементов:

  Группа период.  
системы		   Название  
элемента		   Род изомерии  
III B оптическая
IV С, Si, Sn оптич., геометр.
V N, Р оптич. геометр.
(3-атомн.)
VI S, Sc, Fe оптич.
геометр. (?)
(стр. 98.)

5) Интересующимся попытками реформирования классической теории стереохимии рекомендуем: Е. Кnоеvеnagеl. Entwickelung der Stereochemie zu einer Motochemie. 1907. A. v. Weinberg. Kinetische Stereochemie der Kohlenstoffverbindungen. 1914 — A. Schleicher. Formale Stereochemie. 1917. J. pr. Ch. 107. 225, 1924. (стр. 98.)

6) Ср. Обзор П. Вальдена в Ber. d. D. Chem. Ges. 38, 345 (1905).

Н. Rupe. Journ. chim. phys. 20, 87 (1923).

Ср. также F. M. J’agerr. Bull, de la soc. chim. 33, 85 (1923), отклоняющего учение об асимметричном атоме и предлагающего девиз: "retournons a Pasteur!"

П. И. Вальден в цитированных выше работах детально доказывает неправильность этих идей. (стр. 99.)

7) Напомним известный в истории химии спор между Croon Brown'oм и Рh. A. Guye. с одной стороны, и Frankland’oм и Вальденом, — с другой, доказавших, что не только масса групп, но и природа их или элементов обусловливает знак и величину вращения. (стр. 99.)

8) P. Walden. Optische Umkehrungserscheinungen, 1919. После 20 попыток объяснения этого феномена "с несомненностью ясно лишь то, что когда у асимметричного атома происходит реакция замещения, мы не можем предсказать, сохранится ли знак вращения при замещении, или нет, и вызовет ли изменение направления вращения также изменение конфигурации; и вновь обнаруживается недостаточность наших современных познаний в области оптически вращательной способности". (стр. 99-100.)

9) П. И. Вальден (l. c.) указывает на историческую роль тростникового сахара.

В 1815—16 г.г. Вiоt, изучая его растворы, открыл оптическое вращение и простые законы удельного вращения, в 1850 г. — Wilhelmi изучает законы скорости реакций — инверсии растворенного тростникового сахара, в 1877 г. — Wilh. Рfеffer определяет осмотическое давление его, в 1884—87 г.г. с помощью его данных Вант-Гофф обосновывает осмотическую теорию растворов. (стр. 100.)

10) G. Bredig (также К. Fajans, Пастаногов и др.) считает, что, например, оптически-активные основания могут служить, по сходству стереохимических действий с энзимами, химической моделью для последних. Так как для катализаторов во многих случаях вероятно образование промежуточных соединений катализатора с субстратом, то и действие фермента может протекать аналогично с образованием промежуточных соединений, и, таким образом, создается отличный от представлений Э. Фишера чисто физико-химический метод действия энзим. (стр. 101.)