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十大美丽化学实验--巴斯德(Pasteur)分离镜像异构物(

2020-06-20 130浏览量

十大美丽化学实验--巴斯德(Pasteur)分离镜像异构物(Enantiomers)
国立台湾大学化学系李俊毅/国立台湾大学化学系林雅凡博士责任编辑

巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895,图一)分离酒石酸盐的镜像异构物(enantiomers)荣膺史上最美丽的化学实验,不过他最着名的实验其实是用封口与不封口的鹅颈瓶(swan-neck flask)进行细菌培养,证明物体如果能与外在隔绝、或经过高温处理,便不会腐败,也不会自然孳生出任何生物,因而推翻「自然发生说」,对生物起源的理论有着重量级的影响。他一生对化学与微生物学贡献良多,票选第一名的实验便是他年仅25岁时的杰作。

 

十大美丽化学实验--巴斯德(Pasteur)分离镜像异构物(

图一:巴斯德与他的实验室

十大美丽化学实验--巴斯德(Pasteur)分离镜像异构物(

图二:毕欧发现将偏极光透过某些液状的天然物或是天然物溶液会发生偏转,例如柠檬油、樟脑、醣类,也可使偏极光偏转,这种性质尔后被称作光学活性。

首先来回顾知识背景:光是一种电磁波,当光在前进时会产生四面八方的电磁波动。17世纪末,惠更斯(Christiaan Huygens)观察到当光透过方解石后,会产生只有单一方向波动的光,也就是偏极光(polarized light)。1812年,毕欧(Jean Baptiste Biot)发现将偏极光透过特定方向切割的石英晶体会发生偏转,随后他发现某些液状的天然物或是天然物溶液,例如柠檬油、樟脑、醣类,也可使偏极光偏转,这种性质尔后被称作光学活性(optical activity,如图二)。

而巴斯德研究的物质同样是天然物--酒石酸(tartaric acid)的盐类,酒石酸的发现可追溯到希腊、罗马时代,因存在于葡萄酒沉积物中而得此名。在巴斯德之前便有许多科学家对酒石酸盐类进行了解,包括製备、分析、鉴定晶体形状,特别的是,毕欧发现天然的酒石酸具有光学活性,不过人工合成的酒石酸则无光学活性,此两者其他的物理性质与化学性质均完全相同。

巴斯德独到之处在于他找到一个前人研究遗漏的小地方:他发现酒石酸与酒石酸盐类的晶体都是半面晶型(hemihedral),半面晶是晶体学的专有名词,指只展现出晶型对称性所需一半的面(简单的说就是很特别的一种晶体类型啦)。合成的酒石酸有着两种半面晶型,但天然的酒石酸只有一种。贺歇尔(John F. W. Herschel)在1820年提出石英的光学活性是来自于半面晶型,酒石酸是否也会有相同的结果呢?巴斯德仔细地从人工合成的酒石酸铵钠晶体中挑选分类(见图三),发现两种晶型的结晶溶于水后各可以造成相反的偏极光偏转方向,取等量混合后又回到无光学活性的型式!巴斯德兴奋之余,立刻发电报给年岁已高的毕欧;等到巴斯德在毕欧面前亲自操作这个实验时,毕欧颤抖的说:「孩子,我一生太爱好科学了,这发现使我心脏都激烈的跳动起来!」

十大美丽化学实验--巴斯德(Pasteur)分离镜像异构物(

图三:巴斯德从人工合成的酒石酸铵钠晶体中挑选分类,发现两种晶型的结晶溶于水后各可以造成相反的偏极光偏转方向,取等量混合后又回到无光学活性的型式!

巴斯德对自己的实验下了结论:「从原本完全混合的酒石酸中分离出两种晶形对称的原子基团。(原文为”…had separated two symmetrically isomorphous atomic groups which are intimately united in paratartaric acid”)」很拗口不是吗?这并非巴斯德的语言程度不好,也不是我翻译得烂(好啦,也许有点烂),而是在当时还没有镜像异构物的确切解释。直到1874年,凡特何夫(Jacobus Henricus van’t Hoff)和勒贝尔(Joseph Achille Le Bel )才确立光学活性的来源:「若有四种不同的原子或基团排列在四面体的顶点,将会形成两种异构物,而两者互为镜像关係。(如图四)」

十大美丽化学实验--巴斯德(Pasteur)分离镜像异构物(

图四:1874年,凡特何夫和勒贝尔确立光学活性的来源:「若有四种不同的原子或基团排列在四面体的顶点,将会形成两种异构物,而两者互为镜像关係。

镜像异构物好比左手与右手,因为他们除了光学活性外,其他化学与物理性质都一样,所以不能用一般的方法来分离,现今实验上分离的方法有很多种,但万变不离其宗,核心概念都是使用另外一种光学异构物来与其作用,此时原先的镜像异构物混合物便会产生差异。好比朋友伸出左手跟你握手,因为用右手会很彆扭,你也会自然伸出左手,如此一来左右手便有了分别。像酒石酸铵钠这样不需另一种光学异构物来作用,即可分别产生晶体的案例相当罕见。

巴斯德的成功确实有着运气成分在里头,由于这个实验是经典中的经典,历年来化学家不断重複巴斯德的实验,以找出影响这实验的每个细节。巴斯德到底有多好运呢?在酒石酸的盐类中,酒石酸铵钠是唯一可形成肉眼即可分离的晶体,而酒石酸钠、酒石酸钾、酒石酸锑钾都只会形成单一种晶体;再者,巴斯德是在寒冷的巴黎进行这项实验,若环境温度超过摄氏26度,同样也只会形成单一种晶体。

在许多教科书上提及巴斯德利用摄子配合放大镜(或显微镜)来挑选晶体,但巴斯德的记录并未明确记载实验方式,酒石酸晶体的差异真有大到凭肉眼即可分辨吗?日本中崎教授重複检验这个实验,发现控制良好的晶体成长环境,甚至可长出不用放大镜也可分辨的晶体。不过中崎教授表示需要相当多次的嚐试之后才能再现巴斯德的成果。这说明巴斯德的实验纵然有部分来自机运,但他丰富的知识与严谨的态度才是引领至成功的关键,巴斯德往后在微生物学界的卓越贡献,也证实他的发现绝对不只是偶然。

 

参考文献:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Louis_Pasteur
2. G. B. Kauffman and R. D. Myers, “The Resolution of Racemic Acid” J. Chem. Educ., 1975, 52, 777
3. Yoshito Tobe, “The reexamination of Pasteur’s experiment in Japan” Mendeleev Commun., 2003, 13, 93–94
4. Richard Koch原着,梁伟权节译,“多才科学家--巴士特”,科学月刊1970年10月份
http://dss.ccivs.cyc.edu.tw/science/con … 0/0016.htm

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