十大美麗化學實驗－－巴斯德（Pasteur）分離鏡像異構物（Enantiomers）

十大美麗化學實驗－－巴斯德（Pasteur）分離鏡像異構物（Enantiomers）
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895，圖一）分離酒石酸鹽的鏡像異構物（enantiomers）榮膺史上最美麗的化學實驗，不過他最著名的實驗其實是用封口與不封口的鵝頸瓶（swan-neck flask）進行細菌培養，證明物體如果能與外在隔絕、或經過高溫處理，便不會腐敗，也不會自然孳生出任何生物，因而推翻「自然發生說」，對生物起源的理論有著重量級的影響。他一生對化學與微生物學貢獻良多，票選第一名的實驗便是他年僅25歲時的傑作。

圖一：巴斯德與他的實驗室

圖二：畢歐發現將偏極光透過某些液狀的天然物或是天然物溶液會發生偏轉，例如檸檬油、樟腦、醣類，也可使偏極光偏轉，這種性質爾後被稱作光學活性。

首先來回顧知識背景：光是一種電磁波，當光在前進時會產生四面八方的電磁波動。17世紀末，惠更斯（Christiaan Huygens）觀察到當光透過方解石後，會產生只有單一方向波動的光，也就是偏極光（polarized light）。1812年，畢歐（Jean Baptiste Biot）發現將偏極光透過特定方向切割的石英晶體會發生偏轉，隨後他發現某些液狀的天然物或是天然物溶液，例如檸檬油、樟腦、醣類，也可使偏極光偏轉，這種性質爾後被稱作光學活性（optical activity，如圖二）。

而巴斯德研究的物質同樣是天然物－－酒石酸（tartaric acid）的鹽類，酒石酸的發現可追溯到希臘、羅馬時代，因存在於葡萄酒沉積物中而得此名。在巴斯德之前便有許多科學家對酒石酸鹽類進行了解，包括製備、分析、鑑定晶體形狀，特別的是，畢歐發現天然的酒石酸具有光學活性，不過人工合成的酒石酸則無光學活性，此兩者其他的物理性質與化學性質均完全相同。

巴斯德獨到之處在於他找到一個前人研究遺漏的小地方：他發現酒石酸與酒石酸鹽類的晶體都是半面晶型（hemihedral），半面晶是晶體學的專有名詞，指只展現出晶型對稱性所需一半的面(簡單的說就是很特別的一種晶體類型啦)。合成的酒石酸有著兩種半面晶型，但天然的酒石酸只有一種。賀歇爾（John F. W. Herschel)在1820年提出石英的光學活性是來自於半面晶型，酒石酸是否也會有相同的結果呢？巴斯德仔細地從人工合成的酒石酸銨鈉晶體中挑選分類（見圖三），發現兩種晶型的結晶溶於水後各可以造成相反的偏極光偏轉方向，取等量混合後又回到無光學活性的型式！巴斯德興奮之餘，立刻發電報給年歲已高的畢歐；等到巴斯德在畢歐面前親自操作這個實驗時，畢歐顫抖的說：「孩子，我一生太愛好科學了，這發現使我心臟都激烈的跳動起來！」

圖三：巴斯德從人工合成的酒石酸銨鈉晶體中挑選分類，發現兩種晶型的結晶溶於水後各可以造成相反的偏極光偏轉方向，取等量混合後又回到無光學活性的型式！

巴斯德對自己的實驗下了結論：「從原本完全混合的酒石酸中分離出兩種晶形對稱的原子基團。（原文為”…had separated two symmetrically isomorphous atomic groups which are intimately united in paratartaric acid”）」很拗口不是嗎？這並非巴斯德的語言程度不好，也不是我翻譯得爛（好啦，也許有點爛)，而是在當時還沒有鏡像異構物的確切解釋。直到1874年，凡特何夫（Jacobus Henricus van’t Hoff）和勒貝爾（Joseph Achille Le Bel ）才確立光學活性的來源：「若有四種不同的原子或基團排列在四面體的頂點，將會形成兩種異構物，而兩者互為鏡像關係。（如圖四）」

圖四：1874年，凡特何夫和勒貝爾確立光學活性的來源：「若有四種不同的原子或基團排列在四面體的頂點，將會形成兩種異構物，而兩者互為鏡像關係。

鏡像異構物好比左手與右手，因為他們除了光學活性外，其他化學與物理性質都一樣，所以不能用一般的方法來分離，現今實驗上分離的方法有很多種，但萬變不離其宗，核心概念都是使用另外一種光學異構物來與其作用，此時原先的鏡像異構物混合物便會產生差異。好比朋友伸出左手跟你握手，因為用右手會很彆扭，你也會自然伸出左手，如此一來左右手便有了分別。像酒石酸銨鈉這樣不需另一種光學異構物來作用，即可分別產生晶體的案例相當罕見。

巴斯德的成功確實有著運氣成分在裡頭，由於這個實驗是經典中的經典，歷年來化學家不斷重複巴斯德的實驗，以找出影響這實驗的每個細節。巴斯德到底有多好運呢？在酒石酸的鹽類中，酒石酸銨鈉是唯一可形成肉眼即可分離的晶體，而酒石酸鈉、酒石酸鉀、酒石酸銻鉀都只會形成單一種晶體；再者，巴斯德是在寒冷的巴黎進行這項實驗，若環境溫度超過攝氏26度，同樣也只會形成單一種晶體。

在許多教科書上提及巴斯德利用攝子配合放大鏡（或顯微鏡）來挑選晶體，但巴斯德的記錄並未明確記載實驗方式，酒石酸晶體的差異真有大到憑肉眼即可分辨嗎？日本中崎教授重複檢驗這個實驗，發現控制良好的晶體成長環境，甚至可長出不用放大鏡也可分辨的晶體。不過中崎教授表示需要相當多次的嚐試之後才能再現巴斯德的成果。這說明巴斯德的實驗縱然有部分來自機運，但他豐富的知識與嚴謹的態度才是引領至成功的關鍵，巴斯德往後在微生物學界的卓越貢獻，也證實他的發現絕對不只是偶然。

參考文獻：
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原著，梁偉權節譯，“多才科學家－－巴士特”，科學月刊1970年10月份
http://dss.ccivs.cyc.edu.tw/science/con … 0/0016.htm