Оптически активное вещество

Оптически активно в Оптически активно

любом агрегатном только в кристаллическом

состоянии состоянии

асимметричные асимметричное

молекулы строение

кристалла

левовращающий левовращающий правовращающий

Рис.2.4

Кристаллы оптически активных веществ всегда существуют в двух формах – правой и левой, при этом решетка правого кристалла зеркально симметрична решетке левого и никакими поворотами и вращениями не может быть пространственно совмещена с нею. Оптическая активность правой и левой форм веществ второго типа имеет разные знаки (и одинакова по абсолютной величине), поэтому их называют оптическими антиподами.

Молекулы правого и левого оптически активных веществ первого типа являются оптическими изомерами; они сами (а не образованные из них кристаллы) представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как молекулы оптических антиподов (веществ второго типа) просто неразличимы.

Интересно отметить, что физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы, если нет какого-либо асимметричного вещества, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт химической реакции без участия такого вещества – всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, такая смесь называется рацематом. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны (например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера). Во многих биологических процессах действие правого и левого оптического изомера различно. До настоящего времени нет удовлетворительного объяснения тому, что живая природа строит белки из левых оптических изомеров аминокислот – 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. Белки, синтезированные искусственно из правых аминокислот, не усваиваются организмом; бактерии подвергают брожению лишь один из изомеров, не затрагивая другой; левый никотин в несколько раз ядовитее правого никотина.

Явление вращения плоскости поляризации – более тонкий метод исследования, чем другие явления, зависящие от различий в показателях преломления. Если интерференционные методы позволяют обнаружить различие в показателе преломления порядка 10^-6, то сахариметрический метод позволяет обнаружить различие порядка 10^-10.

Экспериментальная часть

Приборы и принадлежности

1) круговой поляриметр СМ – 3;

2) набор кювет с исследуемыми растворами.

Описание установки

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать, поместив оптически активное вещество между поляризатором и анализатором. Если их главные плоскости взаимно перпендикулярны, то поляризованный свет, вышедший из поляризатора, в отсутствие оптически активного вещества будет целиком задержан анализатором и поле зрения будет темным. Введение оптически активного вещества приводит к повороту плоскости поляризации, в результате чего поле зрения просветлеет. Повернув анализатор так, чтобы поле зрения стало опять темным, можно тем самым найти угол поворота плоскости поляризации в исследуемом веществе. Однако определение угла поворота таким способом сопряжено со значительными погрешностям, ибо визуально трудно найти с достаточной точностью положение анализатора, соответствующее максимальному значению поля зрения. Поэтому при изменениях обычно применяют полутеневой метод, в котором установка производится не на темноту поля зрения, а на равную яркость полей сравнения.

Суть метода в следующем. Пусть поляризатор Прис. 3.1 состоит из двух поляроидов (1 и 2), главные плоскости которых образуют между собой угол b. Тогда свет, прошедший через поляризатор, расчленится на два одинаковых по интенсивности плоско поляризованных пучка, плоскости поляризации которых повернуты относительно друг друга на тот же угол b.

При прохождении через анализатор А интенсивности обоих пучков будут зависеть от положения главной плоскости анализатора относительно направлений колебания светового вектора в этих пучках.

На рис. 3.2, а) а₁ и а₂ – световые векторы обоих пучков; А – главная плоскость анализатора. Амплитуды колебания света в пучках, прошедших через анализатор, равны проекциям векторов `а<sub>1</sub> и `а₂ на направление А. В общем случае эти проекции различны, поэтому и интенсивности обоих пучков будут отличаться друг от друга. Для уравнивания интенсивности пучков, а, следовательно, и яркостей полей сравнения анализатор А достаточно повернуть в положение, при котором его главная плоскость совпадает с биссектрисой угла b.

При введении между поляризатором и анализатором оптически активного вещества плоскости поляризации обоих пучков повернутся на некоторый угол j, и яркости полей сравнения изменятся. Угол j легко определить: он равен углу, на который следует повернуть анализатор, чтобы опять уравнять яркости обоих полей. Из рис. 3.2, б) видно, что уравнение интенсивностей пучков (яркости полей) можно осуществить при двух взаимно перпендикулярных положениях анализатора (А_І и А_ІІ). Причем, если угол b достаточно мал, то чувствительность установки обоих полей на одинаковую яркость в положении А_І (светлое поле) будет значительно меньше, чем в положении А_ІІ (полутемное поле). Поворот анализатора из положения на одинаковый малый угол dj в случае полутемного поля приводит к значительно большему относительному изменению амплитуд колебаний обоих пучков, чем в случае светлого поля.

Относительное изменение интенсивностей обоих пучков при повороте анализатора на угол dj вблизи положения А_ІІ равно:

D I/I = 4·ctgb / 2·dj . (3.1)

Отсюда видно, что при заданной ошибке в оценке равенства интенсивностей D I/I ошибка в установке dj тем меньше, чем меньше угол b. Поэтому угол b делают небольшим (несколько градусов), и измерения проводят в полутемном поле (отсюда и название метода полутеневой).

В данной работе для определения угла поворота плоскости поляризации используется круговой поляриметр СМ – 3, внешний вид которого показан на рис. 3.3.

Основой поляриметра служит корпус 1, к которому прикреплен осветитель 2 с натриевой лампой и головка анализатора с с линейным поляризатором 3. Натриевую лампу включают тумблером 4. Кюветное отделение 5 закрывается крышкой 6. Окуляр 7 имеет вращающуюся втулку 8, с помощью которой можно установить резкое изображение линии раздела полей сравнения. Справа и слева от окуляра имеются окна нониусов отсчетных устройств, расположенные диаметрально. Каждый нониус имеет 25 делений. Величина отсчета по нониусу 0,02°. Ручка 9 служит для вращения анализатора. Шкалы отсчетных устройств наблюдаются через линзы, установленные в держателе 10. Значение градусов считывается с основной шкалы против нулевой риски шкалы нониуса, значение минут – со шкалы нониуса против деления, совпадающего с делением основной шкалы. Приведенное на рис. 3.4 значение соответствует углу 10°42¢.

Оптическая схема прибора показана на рис. 3.5.

Свет от натриевой лампы 1 (l = 589 нм), проходя через конденсатор 2 и поляризатор 3, одной частью пучка проходит через хроматическую фазовую пластинку 4, кювету 5, анализатор 6, а другой частью пучка только через кювету 5 и анализатор 6. Затем оба пучка направляются через систему линз 7 в окуляр 8. Плоскости поляризации поляризатора и анализатора при равенстве минимальных яркостей полей сравнения составляют угол 86,5° (угол g на рис. 3.2,б). Уравнивание яркостей полей сравнения производят путем вращения анализатора. При введении кюветы с оптически активным веществом равенство яркостей полей сравнения нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором. Следовательно, угол вращения плоскости поляризации данным раствором определится как разность двух отсчётов, соответствующих равенству яркостей полей сравнения с оптически активным раствором и без него.

При изменении на поляриметре угла вращения плоскости поляризации правовращающими оптически активными растворами по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 0° до 360°.

При изменении угла вращения плоскости поляризации левовращающими оптически активными растворами отсчёты по шкале первого отсчетного устройства и лимбу будут от 360° до 0°, величина угла вращения определяется: отсчет по шкале первого отсчётного устройства и лимбу минус 360°.