Физико – химическое исследование оптически активных веществ
Измерение вращения плоскости поляризации света оптически активных веществ осуществляется благодаря методу физико – химического исследования – поляриметрии.
Измерения осуществляют с помощью оптических приборов - поляриметров, в которых через систему двух поляризующих призм последовательно проходит луч света.
Так как между концентрацией оптически активного вещества и углом вращения существует пропорциональная зависимость, поляриметрические измерения можно использовать для количественного определения оптически активного вещества.
Оптическое вращение, найденное при помощи поляриметрии, пересчитывают в молекулярное или удельное вращение.
По результатам определения знака и величины вращения плоскости поляризации можно предположить и доказать строение, пространственную конфигурацию вещества, сделать выводы о механизме реакции и др.
Хиральные соединения по разному действуют на плоскополяризованный свет. Энантиомеры хирального вещества оказывают действие на поляризованный свет, поэтому являются оптическими изомерами.
Если раствор содержит два энантиомера с равными концентрациями, то он не вызывает вращения плоскости поляризации света и его называют рацемической смесью.
Поляриметрия широко применяется:
- В производстве антибиотиков (определение пенициллина и энзима пенициллиназы при их совместном присутствии). Пенициллин разрушается энзимом пенициллиназы. Так как продукты разрушения пеницилина не обладают оптической активностью, то оптическая активность раствора уменьшается. Изменение вращения плоскости поляризации позволяет определить изменение содержания пенициллина во времени.
- В фармацевтическом производстве для идентификации лекарственных средств.
- Для анализа алкалоидов, эфирных масел и др.
Например: Выделенная из камфорного базилика камфора дает правовращающийся раствор в спирте, при этом удельное вращение плоскости поляризации составляет +8,6º, а выделенная из полыни – дает левовращающийся раствор с удельным вращением плоскости поляризации равным -8,6º. Синтетическая камфора не вращает плоскость поляризации.
Факторы, влияющие на угол вращения
Удельное вращение $[\alpha]$ можно выразить через соотношение
$φ=[\alpha]\cdot l \cdot C.$
Тогда для каждого энантиомера величина вращения зависит от:
- длины волны света;
- толщины образца;
- концентрации оптически активного вещества;
- природы растворителя;
- температуры;
- давления (для газов).
При определении изучении оптической активности вещества учитывают температуру и длину волны ${{\rm [}\alpha {\rm ]}}^t_{\lambda }$. Если вращение измерено при длине волны, которая соответствует $D$-линии натриевой лампы (при 589 нм - желтый цвет), то удельное вращение имеет вид [$\alpha $]D.
Величина молярного вращения ${{\rm [М]}}^t_{\lambda }$ соответствует выражению:
\[{{\rm [М]}}^t_{\lambda }=\frac{{{\rm [}\alpha {\rm ]}}^t_{\lambda }\cdot М}{100},\]где $M$ – молекулярный вес.
При изменении длины волны, концентрации и растворителя, знак вращения может меняться.
Удельное вращение увеличивается при повышении температуры, а при увеличении длины волны – уменьшается.
Для растворов веществ, чья оптическая активность предопределена молекулярным строением, удельное вращение плоскости поляризации будет зависеть от концентрации раствора и эту зависимость выражают в виде степенного ряда.
Ддля сахарозы
\[{\alpha }^{20}_D=66,56+8\cdot {10}^{-4}с-2\cdot {10}^{-4}с^2.\]Если удельное вращение плоскости поляризации $\alpha $ для вещества является величиной постоянной, то определяют угол вращения $\beta $, а потом по формуле
\[C=\frac{\beta }{b\alpha }\]вычисляют концентрацию раствора.
На практике возможны отклонения от линейной зависимости $[\alpha]$ от концентрации за счет диссоциации, ассоциации и взаимодействия между растворенным веществом и растворителем.
Карбоновые кислоты, обладающие хиральностью, могут менять величину и знак вращения в зависимости от кислотности и основности растворителя, так как недиссоциированная кислота и ее анион характеризуются разной величиной вращения.
Метод поляриметрии применяют для изучения гидролиза сахарозы под влиянием кислоты. В результате реакции образуются $D$-глюкоза и $D$-фруктоза
$C_{12}H_{22}O_{11} → C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6$
Удельное вращение сахарозы - +65,5º, D-глюкоза - +52,5º, D-фруктоза - -93,0º.
В процессе гидролиза удельное вращение плоскости поляризации изменяется от +65,5 до -20,2º((+52,5-93,0)/2). Это позволяет по изменению α исследуемого раствора находить содержание сахарозы.
Электронные спектры хиральных молекул
Кривые кругового дихроизма (КД) и дисперсии оптического вращения (ДОВ) тесно связаны с электронными спектрами хиральных молекул:
При индивидуальном электронном переходе максимумы на УФ- и КД-кривых и точка, в которой кривая ДОВ меняет знак, почти совпадают.
На схеме изображен положительный эффект Коттона. В случае, когда максимум кривой КД и длинноволновой экстремум кривой ДОВ отрицательны (направлены вниз), эффект Коттона является отрицательным. При этом энантиомеры дают зеркально – симметричные кривые ДОВ и КД.
В случаях, когда есть несколько максимумов в УФ-спектре, эффект Коттона может быть сложным.
