酒石酸结晶的研究

酒石酸结晶的研究

在1848年的二月革命之后，巴黎的城市秩序还没有稳定下来的时候，在高等师范学院的一个房间里，有一个学生正在聚精会神地观察着一种晶体。说他是学生，实际是刚刚毕业后在巴拉教授领导下工作的青年巴斯德。看外表他是很安静的，但是当看到窗外的国家和社会动荡不安的局面时，就不能使他毫不关心。尤其是他的父亲过去是拿破仑的士兵，曾经远征西班牙，参加过凡登堡战役并立过战功。作为这样父亲的儿子，在他的血管里蕴藏着比别人加倍的爱国主义热情。现在他也参加了警备巴黎的民兵师。但是这些天里因为他发现了关于晶体的一个有兴趣的问题，所以终日专心地埋头在实验室里。

实验室中的巴斯德

酒石酸的晶体

所谓有兴趣的问题，实际上是指酒石酸的晶体。具体地说，就是在酒石酸结晶时，从外观上看，生成的正像右旋水晶或主旋水晶那样的晶体。这是不是结晶学里所说的半面形平面呢？这就是他所要研究的问题。一般书上的记载是不能生成这样的晶面的。米希尔里希也明确写过“不能生成”。如果发现真能够生成这样晶面的话，那就将成为这位青年的一个新的发现，还可以由此提出一个假说。

原来，所谓酒石酸是早在1769年当舍勒制造葡萄酒时从沉淀下来的酒石中发现的。后来，也就是在1822年，在阿尔萨斯的一家葡萄酒厂里，又从酒石中发现了一种稍有不同的酸。因为感到有些奇怪，曾邀请盖·吕萨克去该地进行过研究，并命名为葡萄酸。贝采里乌斯对此也进行过研究，并曾命名为对位酒石酸。当他把它同舍勒的酒石酸进行比较观察时，发现它们的组成是完全一致的。只是在晶形、有无结晶水和溶解度等性质上有些差别。物质的组成相同而性质不同的这个问题，本来贝采里乌斯认为是不可能存在的，曾经一直坚决反对过，但是到了今天，他自己却也碰到了这样的事实。实际上，这个事实就是一块打开有机化学理论大门的敲门砖。

1815年，在酒石酸和葡萄酸之间又发现了更为有趣的差别，也就是比奥（Jean Baptiste Biot，1774—1862年）发现了两者在光学性质上的不同。也就是当偏振光通过酒石酸或其盐类的水溶液时，偏振面发生某些旋转的性质。随着溶液的浓淡程度的变化而稍微向右旋转。但是对于葡萄酸来说，则不管是酸还是它的盐类都没有这样的性质。

比奥

偏振光是在不久之前的1808年马留斯发现的，偏振面能向左右方向旋转在前面也已做过介绍，马留斯不幸于37岁时夭折，其后，比奥和阿拉格又继续研究并取得了许多成就，例如发现石英晶体的晶片可使偏振面旋转，晶片的厚度和旋转角度成比例，石英晶体可使偏振面向右旋转，也可以向左旋转。其他如砂糖、樟脑和酒石酸等溶液以及松节油等液态物质，都具有能使偏振面发生旋转的性质。这些事实主要是比奥发现的。

此外，还由于晶体学家阿雨（RenéJ．Haüy，1743—1822年）和天文学家赫歇尔（John W．Herschel，1792—1871年）等人的努力，发现水晶体的半面晶形平面，有的在右方，有的在左方。这种所谓右旋水晶可使偏振面向右旋转，所谓左旋水晶可使其向左旋转，这就是说，在旋光作用和晶形之间可能存在着某种密切关系。这时，有两个人对这种有趣的事实抱有浓厚兴趣。一个是巴黎理科大学教授、老科学家比奥；另一个是在巴黎师范学院尚未毕业的学生路易·巴斯德。

巴斯德的重大发现

巴斯德认为由于水晶中含有右旋水晶和左旋水晶，也就是在右侧有半面晶形平面，其偏振面向右旋转，而在左侧的则向左旋转，所以，对于酒石酸溶液来说由于它能使偏振面向右旋转，因而也就是右旋活性物质；而葡萄酸则是非旋光性物质。假若是这样的话，那么在化学组成相同的两种酸里，是不是葡萄酸的晶体就不出现半面晶形平面，只有酒石酸才会出现，而且出现在晶体的右侧呢？对于这一设想在当时的书上是否定的。但是，如果真的发生这种现象应该怎样解释呢？这实在是个很有意思的问题。他计划先从酒石酸做些考察。为此，巴斯德就躲藏在研究室里，避开了社会上的干扰，不停地观察着显微镜。

有了！真有半面晶形平面！虽然很微小但一定就是它！以前，因为它过于微小，而使米希尔里希和普劳毕斯特两人都忽略了。于是巴斯德反复地制出了酒石酸的晶体用来进行研究，对酒石酸的盐类也制出许多种（19种），并且考察了它们的晶体状况，果然发现了一个令人振奋的事实：半面晶形平面确实出现在右上方。

确实很有趣，这回该研究葡萄酸了。他制出了葡萄酸盐后放在显微镜下进行观察。使他高兴的是，发现结晶完全是对称的（也就是未有出现半面晶形平面）。

歌德（1749－1832），德国伟大的诗人、小说家和剧作家

因为这项研究工作进行得过于顺利，反而使他感觉有些不太放心。所以巴斯德又重新做了一次。他决定重做是完全正确的，否则将失掉一个重大发现的机会。他把重制的葡萄酸盐的晶体又拿到显微镜下去观察时，只见他双眉紧皱，脸色有些暗淡了。原来葡萄酸盐也出现了半面晶形平面，并且所有的晶体都有这样的平面。

怎么搞的，真叫人泄气！巴斯德无可奈何地用舌头打了个响，又恋恋不舍地去观察一次显微镜。真是奇怪！脸色的表情由灰心变成了惊异，由惊异又显出了希望。原来，所有的晶体虽然都出现了半面晶形平面，但其出现的位置并不相同。有些晶体是向右的，有些晶体是向左的。出现这样现象一定是有什么原因。他发现出现在右面的是与普通的酒石酸盐相同的晶体。他耐心地把左右双方分开，把右方的晶体加水溶解后用旋光计进行了检查，发现它与酒石酸同样，其偏振面是向右方旋转的。然后，又把左方的晶体也加水溶解，也用旋光计做了检查。他认为这可能是迄今为止尚未发现的左旋活性的新酒石酸吧！偏振面若能向左旋转那可就太好了……一边抱着这样的希望，一边聚精会神地进行着观察，果然如愿以偿了！

巴斯德高兴地坐不住了。“伟大的发现！伟大的发现！”一边大声疾呼一边跑出暗室，揪着宿舍里的伙伴，把他一直拖到留库桑卜尔公园。使人回忆起来，正像阿基米德赤裸着身体从西拉克萨街跑出来的情景一样。一口气地向自己的伙伴讲完了伟大发现的整个经过，这时巴斯德才控制住了自己的兴奋。

寻找葡萄酸

在酒石酸和葡萄酸的微小晶体里蕴藏着想象不到的奥秘。尤其是在认识到葡萄酸是右旋和左旋两种酒石酸的等量混合物之后，这个新事实现已明确了。但是关于左旋酒石酸今后还有许多需要研究的问题。从葡萄酸来制取它也有不便之处。跟酒石酸不同，葡萄酸是一种很难得到的酸。从哪里能弄到手呢？这是当时使巴斯德最伤脑筋的难题。

在阿尔萨斯的但恩这个地方已经没有这种葡萄酸了。听说赞格森有这种东西，巴斯德立即出发前往。不管是赞格森还是哪里，只要能够找到葡萄酸，就是翻山越岭到天涯海角也要去，费时一年十年都不在话下。为了找到葡萄酸，于是巴斯德就凭着传闻而开始了长途旅行。

在赞格森，他找遍了莱比锡附近的所有葡萄酒厂，都没有发现葡萄酸。后来又听说奥地利的维也纳有葡萄酸，于是又立即跑到那里，但是也没有找到。又听说波希米亚的布拉格有，结果还是同样没有达到目的。正像古代的炼金家寻找“哲人石”那样终日奔波，也像圆桌骑士追求圣杯那样长年到处寻找，巴斯德由于一心想得到葡萄酸而走遍了东南西北。但是所到之处都是以失望而告终。这一次又一次的失望，把他出发时的热情逐渐冷却下来了。最后，不得不改变方向又回到斯特拉斯堡。他在斯特拉斯堡的大学里担任了化学教师。没料到在这里终于找到了过去费了九牛二虎之力也未找到的葡萄酸。巴斯德自己也很惊叹命运的不可思议。他在斯特拉斯堡自己的实验室里，也并不是使用了现成的葡萄酸，而是在配制酒石酸溶液时，对酒石酸进行了数小时的高温加热中不知何时酒石酸变成了葡萄酸。经过进一步证明后确是如此。这显然又是一个有机化学的新发现。这样一来，他也就不再担心研究时原料不足的问题了。

不仅如此，在加热酒石酸制取葡萄酸时还生成了一种物质。虽然它跟普通的酒石酸具有同样的组成和同样的性质，但是没有旋光作用。另外，这种物质不能分为右旋和左旋两种酒石酸。在这一点上也是跟葡萄酸不同的，这是在当时完全属于未知的第四种酒石酸。也就是现在所说的无旋光性酒石酸，又称为内消旋酒石酸。

关于巴斯德发现酒石酸一事至此也还尚未结束。

如前所述，葡萄酸能分为两种酒石酸。一种处理方法是像巴斯德所做过的那样，先制成晶体，然后观察其生成半面晶形平面的不同，并用于选择分开。但这时生成晶体（以钠铵盐为例）的温度一定要在27℃以下。如果在27℃以上则不能生成右旋和左旋的酒石酸，只能生成葡萄酸的晶体。由此可以看出，巴斯德最初研究葡萄酸晶体的温度似乎是高于27℃，后来重复实验时是低于27℃。就这样通过为数不多的实验，巴斯德陆续地发现了各方面的一些重要事实。

把葡萄酸分成为左右两种酒石酸还有一些方法。例如一种方法是向它的盐溶液加入一种营养物质，培养其中的细菌生长。还有一种方法是向葡萄酸的溶液里加入一种具有旋光能力的碱性物质（如右旋的马钱子碱等），使葡萄酸以盐的形式生成晶体。现在时常使用的一些方法，几乎都是巴斯德发现的。

酒石酸的奥秘

老年巴斯德

那么这里所说的酒石酸和葡萄酸究竟是什么样的物质呢？它们具有同样的化学组成，化学性质也相同，所以结构式也是同样的，只是对于偏光振动面的性质和晶体上的性质不同。这是少有的、不可思议的化合物。但是对葡萄酸本身还是了解的。它是由右旋酒石酸和左旋酒石酸两者等量结合而成的，其左、右的旋光作用恰好抵消了，所以不显旋光性。

那么，所说的右旋酒石酸和左旋酒石酸又是什么样的物质呢？还有所谓第四种的不旋性酒石酸又是什么样呢？开始认为左、右两者的关系跟左、右水晶的关系相似，但水晶只是在晶体时才有旋光作用，酒石酸则只有在溶液状态时才呈现旋光作用。也就是当分子处于分散状态时才发生这种现象。如果这样的话，是否可以说在水晶的右水晶和左水晶的晶体里，其分子的堆积状态是相反的，而酒石酸的分子中的原子排列也是正相反的呢？原子的排列究竟有什么不同呢？巴斯德对此抱有很大的疑问，但是他自己也说解决不了。他说：“不管怎么说，有一点是可以肯定的。那就是它的排列状态像右手和左手那样，或者又像向右旋转的螺旋式楼梯和向左旋转的螺旋式楼梯那样，只是在左右关系上有所不同。这是完全可以断言的。”

巴斯德找到了一个很好的比喻。巴斯德意料不到的是对于酒石酸的研究，成了探索蕴藏着物质分子结构奥秘的地下暗室的阶梯。虽然一步一步地摸索着下去也会有风险，但却是一个最近的途径。巴斯德虽然为探索这个奥秘所吸引，但是并未能沿着这个途径深入下去。因为还有许多其他方面的重要任务需要他去完成。

与其夸大胡说，不如宣布那个聪明的、智巧的、谦逊的警句︰﹃我不知道﹄。

——伽利略