Хиральность на потоке

Алиса, вернувшись из своего путешествия, говорила: «Я расскажу тебе про дом в Зазеркалье, в котором есть комната – совсем такая же, как наша гостиная, – только все там наоборот!» Так математик, автор «Алисы», описал явление зеркального отражения, волновавшее уже в его время всю просвещенную часть общества. Достаточно вспомнить, что в процесс был вовлечен даже английский физик лорд У.Кельвин (1824–1907), определивший понятие «хиральность» (от греч. – рука).
Кельвин писал в 1893 г.: «Я называю геометрическую фигуру хиральной, если ее отражение в зеркале не совпадает с нею при наложении (подобно рукам человека)». Мы знаем много слов с корнем «хир»: хирург, что дословно означает «рукодей», хиромантия, т.е. гадание по руке, хироптеры (chiroptera) – рукокрылые, к которым относятся всем известные летучие мыши, у них кожистые летательные перепонки натянуты на удлиненные фаланги пальцев кистей. Сама буква «х» составлена как бы из растопыренных пальцев рук (недаром у римлян (одна рука) V – это 5).
Теперь о пространственном совмещении. Мы не можем в одной системе координат совместить в пространстве кисти наших рук, поскольку большие пальцы будут направлены в разные стороны. По этой же причине невозможно правильно надеть правую перчатку на левую руку или правый ботинок на левую ногу. Наши конечности, а также внутренние органы хиральны: сердце – слева, а печень в норме – справа (бывает и наоборот, но крайне редко).
В свое время общество было взволновано сообщениями из Парижа, где хиральностъ – оптическая изомерия, активность и т.д. – привлекла внимание Луи Пастера, установившего, что микробы «выедают» кристаллы винной кислоты только одной формы и не трогают их оптические изомеры. Потом немецкий химик Э.Г.Фишер, получивший за исследования белков одну из первых нобелевских премий по химии, доказал, что в состав наших протеинов входят только левовращающие аминокислоты. Позже было показано, что нуклеиновые кислоты включают только «правые» (правовращающие) сахара. Таким образом, хиральным является все живое, вернее, его важнейшие биополимеры.
Пастер соотносил хиральность с космосом. Но предположить не значит объяснить. Понадобилось рождение атомной и квантовой физики для хотя бы частичного понимания причин хиральности (в прилетающих метеоритах большинство аминокислот тоже «левые»).
Два физика-теоретика из США – Ч.Ли и Ч.Янг – выдвинули в 1956 г. предположение о несохранении в слабых процессах так называемой «четности» и предположили проверить его экспериментально на примере знаменитого -распада радиоактивных ядер атомов.
Тщательно поставленные опыты показали, что в сильном магнитном поле поток -электронов, вылетающих из ядер (в результате чего нейтроны становятся протонами), разделился на два неравночисленных пучка.

Так было установлено несохранение пространственной четности – нарушение право-левой симметрии – в нашем материальном мире, что, надо сказать, сильно потрясло научный мир в середине прошлого века. Недаром Ли и Янгу сразу же (1957) была присуждена Нобелевская премия. Обнаружение впоследствии несоблюдения зарядового сопряжения при -распаде было воспринято уже намного спокойнее.
Логически все эти потрясения можно было бы предвидеть, исходя из открытия Пастера. Но до понимания того, что хиральность имеет физическую основу, даже спустя почти век после открытия великого француза было еще очень далеко.
Механизм нарушения четности до сих пор остается загадкой. Если принять, что преобладание «левозакрученных» -электронов над «правозакрученными» отражает, как уверяют современные теория и практика, так называемое слабое взаимодействие, проявляющееся в -распаде, то Пастер был прав. Он считал, что причина земной хиральности кроется в космосе. А ведь электрослабое взаимодействие, т.е. объединение слабого и электромагнитного взаимодействий, является фундаментальным наряду с сильным и гравитационным взаимодействиями для устройства всей нашей Вселенной.
Химики давно мечтали наладить хиральные синтезы, т.е. создать нечто подобное нашим ферментам, которые легко справляются с задачей обеспечения «хиральной чистоты» при синтезе всех веществ наших клеток. В итоге были разработаны хиральные катализаторы, обеспечивающие подобную чистоту, за что была вручена Нобелевская премия по химии в юбилейном для нобелевских премий 2001 году (столетие с начала присуждения).
Но в обычном химическом синтезе получается смесь энантиомеров – право- и левовращающих. Такую смесь принято называть «рацемат». Разделение рацемата на хирально чистые компоненты проводят сейчас с помощью хроматографических колонок, что дорого и требует много времени.
И вот голландские ученые из Гронингенского университета предложили решать задачу разделения рацемата гораздо быстрее и дешевле. Для этого они смешивают рацемическую смесь с жидкими кристаллами, с которыми мы постоянно сталкиваемся на экранах дисплеев мобильных телефонов, телевизоров, видеокамер и компьютеров.
В общем-то даже непонятно, почему эта идея никому раньше не приходила в голову. Ведь относительно давно известно, что в различных химических системах легко формируются спиральные образования. Голландские ученые предложили эксплуатировать это свойство упомянутых жидкокристаллических систем, способных разделять рацемическую смесь, соединяясь с различными «хиралами» в спиральные структуры, закрученные по часовой стрелки и против нее (см. рис. на с. 47).
Мало того, различные жидкокристаллические спирали имеют разный цвет: те, которые закручены по часовой стрелке, окрашены в фиолетовый цвет, а те, что против нее, – в красный. Рацемат же имеет промежуточную окраску. Статья голландских ученых, описывающая результаты интересного научного исследования, появилась в журнале «Chemical Communications».

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(New Scientist, 2002, № 2329, р. 19)