Что такое оптическая активность в химии

Хиральность и оптическая активность

Молекулы, в которых имеется хотя бы один атом углерода, соединенный с четырьмя различными заместителями, называются асимметрическими или хиральными. Другими словами, это молекулы, не имеющие ни центра, ни плоскости симметрии.

Хиральность (др.-греч. χειρ — рука) — свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве.

Теперь нам необходимо познакомиться с представлением о поляри­зованном свете, поскольку это явление используется для изучения и опи­сания хиральных молекул. Свет становится плоскополяризованным в ре­зультате прохождения обычного света через поляризатор.

Если пропускать плоскополяризованный свет через раствор хирального вещества, плоскость, в которой происходят колебания, начинает вращаться. Вещества, которые вызывают такое вращение, называются оптически активными. Угол вращения измеряют прибором, который на­зывается поляриметр (или анализатор).

Способность какого-либо вещества вращать плоскость поляризации света характеризуют удельным вращением. Удельное вращение определя­ют как угол вращения плоскости поляризации раствором, содержащим в 1 мл 1 г оптически активного вещества при длине трубки 0,1 м. Наблю­даемый угол вращения зависит от длины трубки (чем больше длина, тем больше вращение) и от концентрации (обычно чем ниже концентрация, тем меньше вращение).

Если плоскость поляризации вращается вправо (по часовой стрелке) от наблюдателя, соединение называют правовращающим, а удельное вра­щение записывают со знаком (+). При вращении влево (против часовой стрелки) соединение называют левовращающим, а удельное вращение за­писывают со знаком (-).

Посмотрим, как связана оптическая активность с молекулярным строением вещества. Ниже приведено пространственное изображение хиральной молекулы и ее зеркального отражения:

Оптические изомеры (энантиомеры)

На первый взгляд может показаться, что это одна и та же молекула, изображенная по-разному. Однако, если Вы соберете модели обеих форм и попытаетесь совместить их так, чтобы все атомы совпали друге другом, Вы быстро убедитесь, что это невозможно, т. е. оказывается, что молеку­ла несовместима со своим зеркальным отражением.

Таким образом, две хиральные молекулы, относящиеся друг к дру­гу как предмет и его зеркальное изображение, не тождественны. Эти мо­лекулы (вещества) являются изомерами, получившими название энантиомеров или оптических изомеров. Большинство химических и физических свойств пары энантиомеров идентичны. Это относится к температурам кипения и плавления, плотности, поверхностному натяжению, растворимости, устойчивости и реакционной способности по отношению к большинству реагентов.

Энантиомеры, однако, отличаются друг от друга в двух отношениях.

1) Они по-разному действуют на плоскополяризованный свет. Один энантиомер вращает плоскость поляризации света в одном направлении на определенную величину. Другой энантиомер будет вращать плоскость поляризации на точно такую же ве­личину, но в противоположном направлении.

2) Энантиомеры по-разному реагируют с другими хиральными моле­кулами, в частности с веществами природного происхождения, образую­щимися в биологических объектах. Например, если один из энантиомеров токсичен, то другой может и не обладать этим свойством. Если один из энантиомеров представляет собой витамин, то второй такими свойствами не обладает. Эти различия в биохимических свойствах энантиомеров связа­ны с тем, что биохимические процессы в живом организме катализируются ферментами (энзимами). Ферменты представляют собой хиральные соеди­нения белковой природы. Для того чтобы соединение было биологически активным, его геометрия должна соответствовать строению определенно­го участка фермента.
Итак, подведем итоги:
Молекулы, не имеющие элементов симметрии, называются хиральными. Эти молекулы обладают необычным свойством — спо­собностью вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света.
Изомеры, молекулы которых хиральны и являют­ся зеркальными изображениями друг друга, называются энантиомерами.
Энантиомеры имеют идентичные физические и хими­ческие свойства и различаются только направлением вращения плоскости поляризации света и характером взаимодействия с другими хиральными веществами, например ферментами.

Источник

Оптически активные вещества

Оптически активные вещества — среды, обладающие естественной оптической активностью. Оптическая активность — это способность среды (кристаллов, растворов, паров вещества) вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Метод исследования оптической активности — поляриметрия.

Содержание

Типы оптически активных веществ

Оптически активные вещества подразделяются на 2 типа:

Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке).

Кристаллы оптически активных веществ всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально-симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы). Оптической активности правой и левой форм оптически активных веществ 2-го типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы оптически активных веществ 1-го типа).

Молекулы правого и левого оптически активных веществ 1-го типа являются оптическими изомерами (см. Изомерия, Стереохимия), то есть по своему строению представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как частицы оптических антиподов (оптически активные вещества 2-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы в отсутствие какого-либо асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт химической реакции без участия такого агента — всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, т. н. рацемат. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны. Например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором энантиоморфных кристаллов, либо в химической реакции с участием асимметричного агента — чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически. Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биологических процессах и связано со специфическим и пока не нашедшим удовлетворительного объяснения свойством живой природы строить белки из левых оптических изомеров аминокислот — 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. (Применительно к Оптически активным веществам 1-го типа термины «левый» и «правый» — L и D — условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов — l и d — для Оптически активных веществ 2-го типа или терминов «левовращающий» и «правовращающий».)

Влияние на организм

Физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Например, белки, синтезированные искусственным путём из D-аминокислот, не усваиваются организмом; бактерии сбраживают лишь один из изомеров, не затрагивая другой; L-никотин в несколько раз ядовитее D-никотина. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.

Источник

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, способность в-ва- твердого, жидкого или газа-вращать плоскость поляризации проходящего через него света. Такие в-ва наз. оптически активными. Поворот происходит либо вправо (по часовой стрелке), либо влево (против часовой стрелки), если смотреть навстречу ходу лучей света. Оптической активностью обладают энантиомеры (см. Изомерия), а также энантиоморфные формы кристаллов (см. Энантиоморфизм)ахиральных в-в при хиральном расположении их молекул в кристаллич. решетке (напр., кварц, мочевина). От этой естественной оптической активности хиральных сред отличают наведенную оптическая активность ахиральных в-в, к-рая появляется в них в магн. поле (Фарадея эффект)или при контакте с хиральными молекулами (эффект Пфейфера).

Мера оптической активности-оптич. вращение a, к-рое измеряют при помощи поляриметров, спектрополяриметров и дихрогра-фов. Уд. вращение для жидкости вычисляют по ф-ле , где — угол поворота плоскости поляризации луча (в град) в кювете длиной l (в дм), d

плотн. в-ва (в г/см 3 ), и t означают длину волны света и т-ру р-ра, они влияют на величину . Для р-ра линейно зависит от толщины слоя р-ра и концентрации оптически активного в-ва (закон Б и о) и ф-ла имеет вид , где с-концентрация в-ва (г в 100 см 3 р-ра). Уд. вращение зависит, кроме того, от типа р-рителя. и его также необходимо указывать. Напр., для 20% р-ра правовращающей винной к-ты в воде для D-линии натрия (= 589 нм) и 20 °С записывают: + 11,98° (вода, с 20). Часто вместо уд. вращения указывают молярное вращение , где М-мол. масса оптически активного в-ва. Совр. поляриметры позволяют измерять оптическая активность с высокой точностью (до 0,001°).

Дж. Брюстер разработал схемы расчета знака и величины молярного вращения соед. с асимметрич. атомом углерода на основе сравнения поляризуемости заместителей при этом атоме и вкладов скошенных конформац. звеньев. Эти схемы применяются для предсказания абс. конфигурации и конформации хиралъных молекул. С этой же целью успешно применяют правило октантов, связывающее структуру молекулы с характером зависимости ее оптической активности от длины волны (с дисперсией оптич. вращения, знаком эффекта Коттона; см. Хироптические методы).

О птическая активность впервые обнаружена Д.Ф. Араго в 1811 (кварц) и Ж. Б. Био в 1815 (природные орг. в-ва).

Лит.: Потапов В. М., Стереохимия, 2 изд., М., 1988, с. 186-99.

Источник

Оптическая активность

Вы будете перенаправлены на Автор24

Поляриметрия

Под оптической активностью понимают способность растворов, паров веществ, кристаллов вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через данную среду оптического излучения.

Оптически активные вещества делят на правовращающие (вращающие положительно) и левовращающие (вращающие отрицательно) виды. Разновидность зависит от поворота плоскости поляризации (по или против часовой стрелки, если смотреть навстречу ходу лучей света).

Вращающая способность вещества зависит от длины волны излучения и от температуры. При определении оптической активности вещества используют монохроматическое излучение при постоянной температуре.

Величина, зависящая от угла φ, определенного на поляриметре, длины l (в дециметрах) пропускающего слоя вещества, называют удельным вращением [α].

Удельное вращение представляет собой угол, на который 1 г вещества в 1 мл жидкости отклоняет плоскость поляризации света при длине пропускающего слоя, равной 1 дм.

Часто удельное вращение изменяется с природой растворителя.

В одном и том же растворителе удельное вращение не всегда меняется пропорционально концентрации в результате явлений сольватации, ассоциации, ионизации.

Принцип свободного вращения

Два атома, связанные между собой простой связью, согласно классической стереохимии, свободно вращаются вместе с заместителями вокруг общей связи.

Готовые работы на аналогичную тему

Принцип свободного вращения подходит не для всех соединений. Известны вещества, в которых свободное вращение относительно общей связи заторможено, что приводит к возникновению оптически активных изомеров.

Существуют соединения, в которых в определенных положениях вращение затруднено, то есть является ограниченным вращением.

Молекулярная асимметрия – условие оптической активности

Еще Пастер установил, что только вещества, обладающие асимметрическим строением, будут оптически активными. Молекула является асимметричной, если при любом вращении она не совпадает со своим зеркальным отражением.

Молекула является асимметричной, если не обладает плоскостью и центром симметрии. Оптические изомеры отличаются расположением атомов и групп атомов в трехмерном пространстве.

В молекуле, содержащей два асимметричных атома углерода, каждый атом сохраняет свою индивидуальность. В таком случае наблюдаемый эффект является суммой действия каждого атома.

Например: В алкалоиде эфедрине оба асимметричных атома могут быть поочередно правовращающими или левовращающими. Следовательно, возможны конфигурации:

В случае 1,2, когда оба симметричных атома правовращающие или левовращающие, их действие суммируется. В первом случае молекула будет правовращающей, во втором – левовращающей. Если же атомы имеют разные направления вращения, то оптичекая активность будет разностью активностей этих двух атомов.

Следовательно, молекула с двумя асимметричными атомами может обладать четырьмя оптически активными формами. Существуют две рацемические смеси с разными физическими свойствами.

Формы 1 и 2 не будут оптическими антиподамидля форм 3 и 4, они не относятся друг к другу как предметы к своему зеркальному отражению. Изомеры 1 и 2 являются диастереоизомерами форм 3 и 4.

Число оптических изомеров молекул, которые содержат n асимметричных атомов, равно 2n.

Например: Молекула, имеющая три асимметричных атома будет обладать 23=8 изомерами (четыре пары антиподов), молекула с четырьмя асимметричнымиатомами – 16 изомерами или 8 парами антиподов и т.д.

Внутримолекулярная компенсация

Иногда, оба асимметричных атома в молекуле обладают тождественным строением, то есть каждый из асимметричных атомов замещен одинаковыми группами.

Неактивные вследствие внутримолекулярной компенсации изомеры отличаются от неактивных рацемических форм тем, что их нельзя расщепить на оптические антиподы.

Для изображения винных кислот и аналогичных соединений пользуются:

Конфигурационные формулы (+), (-) винных кислот не имеют плоскости симметрии. Так как они в пространстве несовместимы ни при каких вращениях, то представляют собой два оптических антипода.

Молекула мезовинной кислоты обладает плоскостью симметрии, а при определенном положении тетраэдров относительно друг друга, и центром симметрии. Поэтому данное соединение оптически неактивное.

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 05 06 2021

Источник

Оптическая активность

Оптически активные вещества — среды, обладающие естественной оптической активностью. Оптическая активность — это способность среды (кристаллов, растворов, паров вещества) вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Метод исследования оптической активности — поляриметрия. Оптически активные вещества подразделяются на 2 типа.

Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке).

Кристаллы оптически активных веществ всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально-симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы). Оптической активности правой и левой форм оптически активных веществ 2-го типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы оптически активных веществ 1-го типа).

Молекулы правого и левого оптически активных веществ 1-го типа являются оптическими изомерами (см. Изомерия, Стереохимия), то есть по своему строению представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как частицы оптических антиподов (Оптически активные вещества 2-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы в отсутствии какого-либо асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт химической реакции без участия такого агента — всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, т. н. рацемат. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны. Например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором энантиоморфных кристаллов, либо в химической реакции с участием асимметричного агента — чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически. Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биологических процессах и связано со специфическим и пока не нашедшим удовлетворительного объяснения свойством живой природы строить белки из левых оптических изомеров аминокислот — 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. (Применительно к Оптически активным веществам 1-го типа термины «левый» и «правый» — L и D — условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов — l и d — для Оптически активных веществ 2-го типа или терминов «левовращающий» и «правовращающий».)

Физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Например, белки, синтезированные искусств, путём из D-аминокислот, не усваиваются организмом; бактерии сбраживают лишь один из изомеров, не затрагивая другой; L-никотин в несколько раз ядовитее D-никотина. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.

См. также

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Оптическая активность» в других словарях:

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ — способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Впервые обнаружена в 1811 франц. учёным Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 франц. учёный Ж. Б. Био открыл О. а. чистых жидкостей (скипидара) … Физическая энциклопедия

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ — свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Оптически активные вещества бывают двух типов. У веществ первого типа (сахар, камфора, винная кислота) оптическая активность не … Большой Энциклопедический словарь

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ — ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё света. Впервые обнаружена французским учёным Д. Араго в кварце в 1811; в 1815 французский физик Ж.Б. Био открыл оптическую активность в чистой… … Современная энциклопедия

Оптическая активность — ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё света. Впервые обнаружена французским учёным Д. Араго в кварце в 1811; в 1815 французский физик Ж.Б. Био открыл оптическую активность в чистой… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ — ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, свойство некоторых химических соединений в растворах, а также некоторых кристаллов и прозрачных веществ, под действием сильного магнитного поля, вызывать вращение ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА. Оптически активные… … Научно-технический энциклопедический словарь

оптическая активность — Свойство среды, заключающееся в различии показателей преломления для оптического излучения с правой и левой круговой поляризацией при распространении их в этой среде. [ГОСТ 23778 79] Тематики оптика, оптические приборы и измерения EN optical… … Справочник технического переводчика

оптическая активность — свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. Оптически активные вещества бывают двух типов. У веществ первого типа (сахара, камфара, винная кислота) оптическая активность не … Энциклопедический словарь

Оптическая активность — способность среды вызывать Вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света). Впервые обнаружена в 1811 Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 Ж. Б. Био открыл О. а. чистых жидкостей… … Большая советская энциклопедия

оптическая активность — optinis aktyvumas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Medžiagos savybė sukti šviesos poliarizacijos plokštumą. atitikmenys: angl. optical activity vok. optische Aktivität, f rus. оптическая активность, f pranc. activité… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

оптическая активность — optinis aktyvumas statusas T sritis chemija apibrėžtis Medžiagos savybė sukti šviesos poliarizacijos plokštumą. atitikmenys: angl. optical activity rus. оптическая активность … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник