Поляриметрия - это оптический метод исследования, основанный на способности оптически активных соединений вращать плоскость колебания линейно поляризованного света (см. Изомерия).
Атомы и молекулы светящихся тел излучают электромагнитные волны. При полной неупорядоченности в расположении этих частиц тела испускают так называемый естественный свет, в котором колебание векторов напряженности электрического (или магнитного) поля происходит во всех плоскостях, проходящих через направление распространения световой волны. Упорядоченность в направлении колебаний полей называется поляризацией света. Такой свет, в котором колебания напряженности электрических (магнитных) полей происходят в одной плоскости, называется плоско поляризованным светом, а плоскость, в которой колеблется напряженность магнитного поля световых лучей,- плоскостью поляризации. Поляризованный свет можно получить, пропуская естественный свет через поляризующие призмы, изготовляемые из особых кристаллов. К таким кристаллам относятся кристаллы исландского шпата, из которых обычно и готовят поляризующие призмы (призмы Николя). При прохождении поляризованного света через раствор оптически активного вещества происходит вращение плоскости поляризации, но обнаружить его можно только при помощи второй такой же поляризующей призмы (анализатора). Исследование вращения плоскости поляризации используют для изучения строения оптически активных соединений, а также для количественного их определения. Оптическая активность характеризуется величиной удельного вращения [α], т. е. углом поворота плоскости поляризации раствором, содержащим в 1 мл 1 г оптически активного соединения при толщине слоя жидкости в 1 дм.
Удельное вращение рассчитывают по величине вращения раствора данного соединения с известной процентной концентрацией:
[α] = α100/l·C
где α - угол вращения в градусах, C - концентрация в %, l - толщина слоя раствора в дм. Удельное вращение меняется с изменением температуры и длины волны света. Поэтому определение проводят в монохроматическом свете прb определенной температуре. Длина волны и температура помечаются при значениях [а]. Зная из справочных таблиц удельное вращение данного соединения и определив угол вращения раствора этого соединения, легко рассчитать концентрацию:
C = α100/[α]l
Раствор не должен содержать других оптически активных соединений.
Для определения вращения плоскости поляризации применяют оптические приборы-поляриметры. Поляриметр (рис. 1) состоит из двух поляризующих призм: неподвижной - поляризатора и вращаемой - анализатора и трубки с исследуемым раствором. Угол поворота можно определить, устанавливая анализатор на равную освещенность всего поля зрения сначала без раствора, а затем с раствором оптически активного соединения. При этом анализатор надо повернуть на угол, равный углу вращения плоскости поляризации исследуемого раствора. Угол вращения отсчитывают по кругу с делениями (лимбу). Если после установки трубки с раствором а анализатор вращают по часовой стрелке, то говорят о правом (+), если против часовой стрелки - о левом (-) вращении. Для повышения точности поляриметры снабжены дополнительными деталями из кварца. В некоторых поляриметрах выравнивание освещенности после установки раствора и отсчет концентрации оптически активного вещества производится посредством линейного перемещения кварцевого клина. Точность обычных поляриметров 0,05°. Для получения монохроматического света обычно пользуются светофильтрами. Метод поляриметрии широко используется в лабораториях; в клинических лабораториях и лабораториях пищевой промышленности методом поляриметрии пользуются для определения содержания сахаров. Поляриметры, применяемые для определения содержания тростникового сахара, называются сахариметрами (рис. 2).
Рис. 1. Схемы поляриметров различных типов: а - система с двумя пластинками из бикварца; б - полутеневая с николем; в - полутеневая с двумя николями. 1 - поляризатор; 1" и 1" - николи; 2 - пластинка бикварца; 3 - трубка с раствором; 4 - анализатор (справа - схемы освещенности полей поляриметров).
Рис. 2. Клиновой поляриметр-сахариметр СОК (схема): 1 - осветитель; 2 - светофильтр; 3 - диафрагма; 4 - линза; 5 - николь; 6-трубка для исследуемого раствора; 7 - неподвижный кварцевый клин; 8 - подвижный кварцевый клин; 9 - анализатор; 10-окуляр; 11 - крышка; 12 - винт; 13 - лупа.
Конфигурация этого вещества может быть скоррелирована с конфигурациями винной кислоты и далее с глицериновым альдегидом.
Вращение плоскости поляризации
Явление вращения плоскости поляризации световой волны на некоторый угол при прохождении света сквозь кристаллические тела и некоторые изотропные жидкости, называется вращением плоскости поляризации или оптической активностью.
Если вещество не находится во внешнем магнитном поле, то оптическая активность будет естественной.
Естественная оптическая активность была открыта в 1811 г. Д. Араго на пластинках кварца, которые вырезаны перпендикулярно оптическим осям.
Пусть взгляд наблюдателя направлен навстречу падающему лучу. Вращения называют правым (положительным), если плоскость поляризации поворачивается вправо (по часовой стрелке) для наблюдателя, и левым (отрицательным), если она поворачивается влево.
В природе существует два типа кристаллов кварца, которые являются зеркальным отражением друг друга. Первые обращают плоскость поляризации вправо, другие - влево и видповидно называются право- и левовращающий кварцем. Угол вращения плоскости поляризации пропорционален толщине слоя оптически активного вещества:
Рисунок 2.
где $l$ - длина пути луча в оптически активной среде; $α$ - коэффициент пропорциональности, который называют вращательной способностью, или удельным вращением. Он зависит от природы вещества, температуры и длины волны .
Удельное вращение равно величине угла, на который возвращается плоскость поляризации монохроматического света при прохождении слоя толщиной $l$.
Далеко от полос поглощения свет вещества зависимость от удовлетворяет закон Био:.
Рисунок 3.
Для оптически активных жидкостей и растворов Ж. Био установил, что угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине слоя $l$ и концентрации $C$ оптически активного вещества, то есть,
Рисунок 4.
где $[α]$ - коэффициент пропорциональности, который называется удельным вращением раствора. Коэффициент зависит от природы оптически активного вещества и растворителя, температуры и длины волны света.
Свойства оптической активности растворов позволяют определить их концентрации. Приборы, с помощью которых проводят такие измерения, называются поляриметром. Поскольку для раствора сахара удельное вращение значительное, то поляриметры получили широкое применение в сахариметрии.
Теорию вращения плоскости поляризации оптически активными веществами разработал А. Френель. Он считал, что это явление обусловлено особым видом двойного преломления лучей, при котором скорость распространения света в активной среде различна для лучей, имеющих правую и левую круговые поляризации. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется соотношением между скоростями распространения лучей правой циркуляционной поляризации и левой циркуляционной поляризации. Для оптически активную среду будет положительным, а для будет отрицательным.
На входе в оптически активное вещество линейно поляризованный монохроматический свет разлагается на две волны той же частоты, но поляризованные по кругу во взаимно противоположных направлениях:
Рисунок 5.
Векторы и этих волн симметричны относительно плоскости $p - p$ колебаний падающего света.
При выходе из оптически активной среды с толщиной слоя $l$ электрический вектор правоциркуляцийнои волны будет возвращен на больший угол, чем для ливоциркуляцийнои волны. В результате плоскость, относительно которой электрические векторы этих волн размещены симметрично, будет повернута вправо на угол относительно плоскости поляризации падающей волны.
Углы поворота электрического вектора правой и левой волн зависят от времени распространения волны $t$ и длины их пути в оптически активной среде.
В 1845 г. М. Фарадей обнаружил, что при распространении линейно поляризованного света в оптически неактивных веществах в направлении магнитного поля, то происходит поворот плоскости поляризации на некоторый угол. Если наблюдатель смотрит в направлении магнитного поля, то поворот направо считается положительным, слева - отрицательным.
Использование вращения плоскости поляризации
Величину удельного вращения определяют для подтверждения чистоты и тождества оптически активного вещества. Поскольку удельное вращение зависит от концентрации и природы растворителя, условия его определения приводятся в соответствующих монографиях на лекарственные средства.
В интервале концентраций, при которых удельное вращение - постоянная величина, с помощью угла вращения можно рассчитать концентрацию вещества в растворе:
Замечание 1
Таким образом, можно сделать вывод о том, что поляриметрия, как метод анализа используется в как в качественном, так и в количественном фармацевтическом анализе.
Определение степени чистоты глюкозы и аскорбиновой кислоты
Определение по величинам удельного оптического вращения основывается на измерении угла поворота $(α)$ растворов глюкозы и аскорбиновой кислоты и расчета удельного оптического вращения. Для 10% водного раствора глюкозы величина удельного оптического вращения составляет от + 51,3 ° до + 53,0 °; для 20% раствора аскорбинок кислоты от + 22 ° до + 24 °.
Полученные значения сравнивают с табличными данными и делают выводы о соответствии исследуемых веществ стандартам качества.
Идентификация право- и левовращающий камфоры
Данное определение основывается на измерении угла вращения плоскости поляризации спиртовых растворов камфоры. Камфора, полученная из камфорного дерева - право вращающаяся, с масла пихты - левовращающий изомер, синтетическая камфора - оптически неактивное вещество. Удельное оптическое вращение 10% раствора камфоры в 95% спирте для правой вращающейся камфоры составляет от + 41 ° до + 44 °, для лево вращающейся от -39 ° до -44 °.
Заполняют поляриметрические трубку жидкостью или раствором с известной концентрацией твердого вещества, повторяют вышеприведенные операции и определяют угол вращения по шкале прибора. Определение угла вращения повторяют не менее 5 раз и рассчитывают его среднее значение. Угол вращения является алгебраической разностью между полученным значением и нулевой точкой. Измеряют угол вращения приготовленных растворов с право- и лево вращающейся камфорой и делают выводы об идентификации исследуемого вещества.
Показателем качества препаратов углеводов является удельное вращение растворов, характеризующее оптическую активность. Для установления удельного вращения глюкозу предварительно сушат при 100 - 105°С до постоянной массы. Измерение угла вращения глюкозы и сахара молочного производят с помощью поляриметра после предварительного прибавления к испытуемому раствору двух капель раствора аммиака. При этом ускоряется процесс мутаротации. Он связан с установлением равновесия в образовании двух эпимеров. Это создает усредненное значение удельного вращения раствора глюкозы.
2. Аналогично осуществляют процесс эпимеризации сахара молочного.Под действием кислоты или фермента инвертазы сахароза гидролизуется. Образующуюся смесь D-глюкозы и D-фруктозы называют инвертным сахаром. Эта смесь является левовращающей, так как оптические свойства ее складываются за счет удельного вращения глюкозы (+52,5°) и левовращающей фруктозы (-93°).
Глюкоза - удельное вращение от + 52 до + 53° (10%-ный водный раствор).
Сахар молочный - удельное вращение от + 52 до + 53,5° (5%-ный водный раствор).
Сахароза - удельное вращение от + 66,5 до + 66,8° (10%-ный водный раствор).
3. Подлинность глюкозы и лактозы устанавливают, нагревая до кипения растворы препаратов с реактивом Фелинга. При этом глюкоза образует кирпично-красный осадок оксида меди (I). Лактоза в тех же условиях дает желтый осадок, переходящий в буровато-красный. Сахароза в отличие от глюкозы и лактозы не восстанавливает реактив Фелинга.
4. При действии на глюкозу и лактозу аммиачным раствором нитрата серебра выделяется черный осадок серебра.
Сахароза не дает положительной реакции с фенилгидразином.
7. Под воздействием минеральныхкислотили щавелевой кислоты моно- и дисахариды превращаются при нагревании в пробирке на пламени горелки в фурфурол или его производные (дисахариды вначале гидролизуются в моносахариды). Из гексоз (глюкоза) образуется оксиметилфурфурол, а из пентоз (фруктоза) - фурфурол:
Фурфурол или оксиметилфурфурол, являясь летучими соединениями, взаимодействуют с анилином или новокаином, нанесенным на фильтровальную бумагу, которой накрывают пробирку. Вначале образуются основания Шиффа, имеющие светло-желтую окраску, а затем фурановый цикл раскрывается и получается полиметиновый краситель - производное оксиглютаконового альдегида (малиново-фиолетовое окрашивание):
9. Присутствие гидроксильных групп можно также доказать реакцией ацетилирования.
10. Определение подлинности крахмала проводят: при вливании в 100 мл кипящей воды при постоянном перемешивании смеси крахмала с водой (1:5) и последующем кипячении в течение 2-3 минут образуется мало прозрачный клейстер беловатого цвета с голубоватым оттенком нейтральной или слабокислой реакции.
От прибавления к остывшему крахмальному клейстеру 1 капли 0,5%-ного раствора иода появляется синее окрашивание.
Крахмальный клейстер применяют в качестве индикатора при иодометрическом титровании.
Удельное вращение плоскости поляризации оптически активным веществом определяется как угол вращения, отнесенный к единице толщины просвечиваемого материала:
Если угол вращения измеряется в угловых градусах, а толщина слоя l - в мм, то размерность удельного вращения составит [град/мм].
Соответственно удельное вращение оптически активной жидкости (не раствора) с плотностью с [г/см 3 ] определяется выражением
Так как оптическая активность жидкостей намного меньше оптической активности твердых тел, а толщина слоя жидкости измеряется в дециметрах , то удельное вращение жидкостей имеет размерность [град·см- 3 /(дм·г)].
Удельное вращение раствора оптически активного вещества в оптически неактивном растворителе с концентрацией С (г/100 мл) раствора определяется по формуле
В органической химии как разновидность удельного вращения используется также величина молярного вращения.
Определение концентрации растворенных оптически активных веществ по результатам измерения угла вращения б [град] при данной толщине слоя l [дм] для определенной длины волны [нм] производится по уравнению Био (1831 г.):
Закон Био практически всегда выполняется в области низких концентраций, в то время как при высоких концентрациях имеют место существенные отклонения
Мешающие факторы при поляриметрических измерениях
При каждом преломлении и отражении от поверхности, не перпендикулярной направлению света, происходит изменение состояния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности и пузырей в исследуемом веществе вследствие множества поверхностей сильно снижает поляризацию, и чувствительность измерения может снизиться ниже допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах кювет и на защитных стеклах источника света.
Термические и механические напряжения в защитных стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к эллиптической поляризации, которая накладывается на результат измерения в виде кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы и не постоянны во времени, следует тщательно следить, чтобы механические напряжения в оптических элементах не появились.
Сильная зависимость оптической активности от длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы составляет 0,3%/нм в области видимого света, заставляет использовать в поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обычно требуется лишь в интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения 1/10000), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки высокого давления, которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны для поляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения. Применение более широких спектральных полос возможно лишь для приборов, в которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фарадея. В приборах с кварцевым клином возможности компенсации при измерении сахарозы ограничены. При компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала вращательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь универсальности использованных способов не удается.
При измерении с конечной шириной спектральной полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорбции возникает смещение эффективного центра тяжести распределения длин волн, искажающее результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.
При контроле быстротекущих непрерывных потоков растворов возникающая вследствие двойного преломления света потоком эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить лишь тщательным формированием потока, например, обеспечением ламинарного параллельного потока в кюветах и снижением его скорости. поляризация свет вращение оптический
Оптической активностью, способностью вращать плоскость поляризации поляризованного луча света, обладают оптически активные вещества. Оптическая активность соединений обусловлена хиральностью их молекул и отсутствием элементов симметрии.
В зависимости от природы оптически активного соединения вращение плоскости поляризации может быть различным по направлению и углу вращения. Если плоскость поляризации вращается по часовой стрелке, направление вращения обозначают знаком «+», если против часовой стрелки - знаком «-». В первом случае вещество называют правовращающим, а во втором - ле-вовращающим. Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой а.
Угол вращения зависит от природы и толщины оптически активного вещества, температуры, природы растворителя и длины волны света.
Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации света вычисляют удельное вращение [a]D>. .УЭеяьное вращение - это константа оптически активного вещества, вращение плоскости поляризации монохроматического света, вызванное слоем оптически активного вещества толщиной 1 дм при пересчете на содержание 1 г вещества в 1 мл объема:
где а - измеряемый угол вращения, град; D - длина волны монохроматического света; t - температура, при которой проводилось измерение; / - толщина слоя, дм; С -концентрация раствора, выраженная в граммах вещества на 100 мл раствора.
Обычно определение удельного вращения проводят при 20 °С и длине волны, соответствующей D-линии натрия (À, = 589,3 нм).
Для жидких веществ удельное вращение
где d - плотность жидкого вещества, г/мл.
Часто вместо удельного вращения рассчитывают молярное ера-ù^Hèe (по следующей формуле:
к 100 " где M - молекулярная масса.
Измерение угла вращения производят с помощью иоляримеяг-рое (рис. 1.101), которые позволяют получать результаты с точностью ±0,02°.
Принцип работы поляриметра заключается в следующем: испускаемый от источника - натриевой лампы 1 - луч рассеянного света проходит через поляризатор 3 (призмы Николя) и превращается в плоскополяризованный. Этот луч отличается от естественного тем, что колебания векторов электромагнитного поля происходят в одной плоскости, называемой плоскостью поляри
Рис. 1.101. Поляриметр:
1 - источник света; 2 - дихроматический фильтр; 3 - поляризующие призмы Николя (поляризатор); 4 - кювета с раствором вещества; 5 - анализирующая призма Николя (анализатор); 6 - шкала; 7 - окуляр; 8 - рукоятка управления анализатором
зации. На пути поляризованного луча помещают кювету с оптически активным веществом 4, способным вращать плоскость поляризации влево или вправо на определенный угол. Для того чтобы измерить угол поворота а, вмонтирована еще одна призма Николя - анализатор 5. Путем вращения его вправо или влево добиваются полного гашения проходящего луча света. Угол, на который был при этом повернут анализатор, представляет собой наблюдаемое оптическое вращение. Значение угла фиксируют по шкале 6.
Методика измерения. Сначала устанавливают нулевое положение призм. Для этого в прибор помещают пустую кювету 4, если исследуют чистое жидкое вещество, или трубку, наполненную растворителем. Перед прибором устанавливают электрическую лампочку 1, если прибор имеет вмонтированный желтый светофильтр. Затем приводят призмы анализатора в положение, при котором оба поля зрения имеют равное освещение. Повторяют это три раза и из полученных показаний берут среднее значение, которое и принимают за нулевое положение призм. После этого помещают трубку с исследуемым раствором или жидкостью и, как было указано выше, снимают показания поляриметра.
Приготовление раствора. Тщательно взвешенный образец массой 0,1-0,5 г растворяют в мерной колбе в 25 мл растворителя. Обычно в качестве растворителей используют воду, этанол, хлороформ. Раствор должен быть прозрачным, не содержать нерастворимых взвешенных частичек и, по возможности, бесцветным. Если получен непрозрачный раствор, его следует обязательно профильтровать через бумажный фильтр, первую порцию фильтрата отбросить, а второй заполнить поляриметрическую трубку и приступить к определению.
Заполнение поляриметрической трубки. Один конец поляриметрической кюветы 4 (рис. 1.101) завинчивают с помощью насадки. Трубку ставят вертикально и заполняют раствором до тех пор, пока над верхним концом трубки не образуется круглый мениск. На конец трубки надвигают стеклянную пластинку так, чтобы в трубке не оставалось пузырьков воздуха, а затем навинчивают латунную насадку.
внимание/ Между стеклянной иластинкой и латунной насадкой кладут резиновую ирокладку. & нельзя иомецать между концом стеклянной трубки и стеклянной ирокладкой, иоскольку будет нарушен контакт «стекло-стекло».
Заполненную раствором поляриметрическую трубку помещают в поляриметр и измеряют вращение, считывая показания шкалы. Проводят не менее трех измерений и полученные данные усредняют. Наблюдаемое вращение вычисляют как разность между полученным и нулевым значениями. Этот результат используют для расчета удельного вращения по одной из приведенных формул. Рассчитанные значения [а]^ сравнивают с литературными данными.
ПРАКТИКУМ
Задание. Определите удельное вращение в воде при 20 °С следующих веществ: глюкозы, Х)-рибозы, Х-аскорбиновой кислоты, арбутина, мальтозы, сахарозы, гликогена, ^-аскорбиновой кислоты.