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旋光性
十九世紀Pasteur發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象
定義
旋光性
定義：當光通過含有某物質的溶液時，使經(jīng)過此物質的偏振光平面發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。可通過存在鏡像形式的物質顯示出來，這是由于物質內存在不對稱碳原子或整個分子不對稱的結果。由于這種不對稱性，物質對偏振光平面有不同的折射率，因此表現(xiàn)出向左或向右的旋光性。利用旋光性可以對物質(如某些糖類)進行定性或定量分析。
又稱“光活性”。分子的旋光性最早由十九世紀的Pasteur發(fā)現(xiàn)。簡稱偏振光。偏振光的振動面化學上習慣稱為偏振面。當平面偏振光通過手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉了一個角度。這種能使偏振面旋轉的性能稱為旋光性(opticalactivity)。手性化合物都具有旋光性。
測定
旋光性
旋轉方向區(qū)別
19世紀后半葉，化學家們發(fā)現(xiàn)了一種特別奇妙的同分異構現(xiàn)象，后來證明，這種現(xiàn)象在生命化學中是極其重要的。這一發(fā)現(xiàn)是，某些有機化合物對通過它們的光束具有一種奇異的不對稱效應。旋光性
發(fā)現(xiàn)與發(fā)展
平面偏振光
旋光性
旋轉方向
1844年，巴斯德（當時他只有22歲）被這個有趣的問題給迷住了。他研究了兩種物質：酒石酸和外消旋酸。二者雖然具有相同的化學成分，但酒石酸能使偏振光的振動平面轉動，而外消旋酸卻不能。巴斯德猜想，或許能夠證明，酒石酸鹽的晶體是不對稱的，而外消旋酸鹽的晶體是對稱的。出乎他的意料，通過在顯微鏡下觀察這兩組鹽的晶體，他卻發(fā)現(xiàn)二者都是不對稱的。不過，外消旋酸鹽晶體具有兩種形式的不對稱性：一半晶體與酒石酸鹽晶體的形狀相同，而另一半則為鏡像。也就說，外消旋酸鹽的晶體，有一半是左旋的，一半是右旋的。
旋轉性的證實
巴斯德煞費苦心地將左旋的和右旋的外消旋酸鹽晶體分開，然后分別制成溶液，并讓光束通過每一種溶液。果然，與酒石酸晶體有著相同不對稱性的晶體，其溶液像酒石酸鹽那樣使偏振光的振動面發(fā)生轉動，而轉動角度也相同。這些晶體就是酒石酸鹽。另一組晶體的溶液則使偏振光的振動面向相反方向轉動，轉動角度相同。由此可見，原外消旋酸鹽之所以沒有顯示出旋光性，是因為這兩種對立的傾向互相抵消了。
接著，巴斯德又在這兩種溶液中加入氫離子，使這兩類外消旋酸鹽再變?yōu)橥庀帷＃槺阏f一句，鹽是酸分子中1個或數(shù)個氫離子被鉀或鈉這類帶正電的離子取代后生成的化合物）。他發(fā)現(xiàn)，這兩類外消旋酸都具有旋光性，其中一類使偏振光轉動的方向與酒石酸相同（因為它就是酒石酸），而另一類使偏振光轉動的方向則與之相反。
對映體
液體性狀定律
直到1874年，即畢奧死后的第12年，才最后找到答案。兩位年輕的化學家——一位是名叫范托夫的22歲的荷蘭人，另一位是名叫勒貝爾的27歲的法國人——各自獨立地提出了關于碳的價鍵的新理論，從而解答了鏡像分子的構成問題。（自此以后，范托夫畢生從事溶液中的物質性狀的研究，并證明了支配液體性狀的定律類似于支配氣體性狀的定律。由于這項成就，他于1901年成為第一個獲得諾貝爾化學獎的人。）
凱庫勒把碳原子的4個價鍵統(tǒng)統(tǒng)畫在同一個平面內，這并不一定是因為碳鍵確實是這樣排列的，而只是因為把它們畫在一張平展的紙上比較簡便而已。范托夫和勒貝爾則提出了一個三維模型。在這個模型中，他們將4個價鍵分配在兩個互相垂直的平面內，每個平面各有兩個價鍵。描繪這一模型的最好辦法，是設想4個價鍵中的任意3個價鍵作為腿支撐著碳原子，而第4個價鍵則指向正上方。如果假定碳原子位于正四面體（4個面都是正三角形的幾何圖形）的中心，那么，這4個價鍵就指向該正四面體的4個頂點。因此，這個模型被稱之為碳原子的正四面體模型。
現(xiàn)在讓我們把2個氫原子、1個氯原子和1個溴原子連接在這4個價鍵上。不論我們把哪個原子與哪個價鍵連接，總是得到同樣的排列。讀者不妨親自動手試試看。首先，將4根牙簽以適當?shù)慕嵌炔迦胍粔K軟糖（代表碳原子）中，這樣就有了4個價鍵，然后將2顆黑橄欖（代表氫原子）、1顆綠橄欖（代表氯原子）和1顆櫻桃（代表溴原子）任意插在牙簽的另一端。如果你讓這個結構的3條腿站立在桌面上，而上方所指的是一顆黑橄欖，那么，3條腿上的東西按順時針方向依次是黑橄欖、綠橄欖和櫻桃。現(xiàn)在你可以將綠橄欖和櫻桃的位置交換一下，那么順序就變?yōu)楹陂蠙臁烟液途G橄欖了。如果你想恢復到原來的順序，你只需將這個結構翻轉一下，即使原來作腿的那顆黑橄欖指向空中，而使原來指向空中的黑橄欖立于桌面。這樣，3條腿的順序就又是黑橄欖、綠橄欖和櫻桃了。
然而，當連接在碳鍵上的4個原子（或原子團）都不相同時，情況就會發(fā)生變化。這時就能夠有兩種不同的排列方式——一個是另一個的鏡像。例如，如果你在朝上的腿上插一顆櫻桃，在3條立著的腿上分別插上黑橄欖、綠橄欖和洋蔥片。如果你將黑橄欖和綠橄欖調換一下位置，那么按順時針方向的順序則依次為綠橄欖、黑橄欖和洋蔥片。在這種情形下，無論怎樣旋轉這個結構，都不能使恢復到調換前的順序，即黑橄欖、綠橄欖和洋蔥片。可見，當碳鍵所連接的4個原子（或原子團）都不相同時，總是得到兩種不同的、互為鏡像的結構。讀者不妨試試看。
不對稱性
范托夫和勒貝爾就這樣揭開了旋光性物質不對稱性的秘密。原來使光向相反方向轉動的鏡像物質的碳原子，其價鍵連接著4個不同的原子或原子團。這4個原子或原子團有兩種可能的排列方式，一種使偏振光右旋，另一種使偏振光左旋。越來越多的證據(jù)有力地支持了范托夫和勒貝爾的碳原子正四面體模型。到1885年，他們的理論已得到普遍承認（這要部分歸功于維斯利采努斯的熱情支持）。
三維結構的概念還被應用于碳原子以外的其他原子。德國化學家邁爾成功地將這一概念應用于氮原子，而英國化學家波普則將其應用于硫、硒和錫原子。德國血統(tǒng)的瑞士化學家韋爾納將其應用到更多的元素。他還于19世紀90年代著手創(chuàng)立一種坐標理論，即通過認真研究某一中心原子周圍的原子和原子團的分布，來解釋復雜的無機物的結構。由于這項成就，韋爾納獲得了1913年的諾貝爾化學獎。巴斯德將分離的兩種外消旋酸分別命名為d酒石酸（右旋的）和l酒石酸（左旋的），并且為它們寫出了鏡像結構式。然而，哪一個是真正的右旋化合物，哪一個是左旋化合物，當時尚沒有辦進分清。
為了向化學家們提供用以區(qū)分右旋物質和左旋物質的參照物或對比標準，德國化學家E．費歇爾選擇了食糖的近親，即稱之為甘油醛的簡單化合物。它是當時研究得最為透徹的旋光性化合物之一。他任意地將它的一種形態(tài)規(guī)定為是左旋的，稱之為L甘油醛，而將它的鏡像化合物規(guī)定為是右旋的，稱之為D甘油醛。
任何一種化合物，只要能用適當?shù)幕瘜W方法證明（這是一項相當細致的工作）它具有與L甘油醛類似的結構，那么，不管它對偏振光的作用是左旋的還是右旋的，都被認為屬于L系列，并在它的名稱前冠以L。后來發(fā)現(xiàn)，過去認為是左旋形態(tài)的酒石酸原來屬于D系列，而不屬于L系列。現(xiàn)在，凡在結構上屬于D系列而使光向左轉動的化合物，我們就在它的名稱前面冠以D（－）；同樣，有些化合物則要冠以D（＋）、L（＋）和L（－）。
方向區(qū)別
偏振面被旋轉的方向有右旋(順時針)和左旋(逆時針)的區(qū)別。用符號(+)表示右旋，(-)表示左旋。例如：(+)-2-丁醇 表示右旋；(-)-2-丁醇表示左旋。所有旋光性化合物不是右旋，就是左旋。
有些裝置，如蘇格蘭物理學家尼科爾于1829年發(fā)明的尼科爾棱鏡，只允許光在一個平面通過。這種棱鏡在大多數(shù)場合已由其他材料，如偏振片（一組鑲在硝化纖維中的、晶軸平行排列的硫酸奎寧與碘的復合物晶體）所代替。第一個偏振片是蘭德于1932年制作的。
重要意義
現(xiàn)在看來，潛心研究旋光性的細節(jié)具有重要意義，決不是在好奇心的驅使下所做的徒勞無益的工作。說來也巧，活機體中幾乎所有的化合物都含有不對稱的碳原子。而且，活機體總是只利用化合物的兩種鏡像形態(tài)中的一種。另外，類似的化合物一般屬于同一種系列。例如，在活組織中發(fā)現(xiàn)的所有單糖實際上都屬于D系列，而所有的氨基酸（組成蛋白質的基本單位）屬于L系列。
1955年，荷蘭化學家比杰沃特終于確定了什么樣的結構會使偏振光左旋，什么樣的結構會使偏振光右旋。人們這才知道，在左旋形態(tài)和右旋形態(tài)的命名上,E·費歇爾只不過是碰巧猜對了而已。
菲涅爾假設
基本概念綜述
偏振光
普通光中各種波長的光在垂直于前進方向的各個平面內振動，振動平面和光波前進方向構成的平面叫振動面。光的振動面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光，簡稱偏振光（polarized light）。
旋光度
當平面偏振光通過盛有旋光性化合物的旋光管后，只有檢偏鏡也旋轉(向右或向左)相同的角度，旋轉了的平面偏振光才能完全通過。觀察檢偏鏡上攜帶的刻度盤所旋轉的角度，即為該旋光性物質的旋光度。偏振面被旋光性物質所旋轉的角度叫旋光度。用表示。
比旋光度
樣品管的長度、溶劑的種類、溶液的濃度、溫度及所用光的波長等因素對特定物質的旋光度的數(shù)值都有影響。為了使其旋光度成為特征物理常數(shù)，通常用1dm長的旋光管，待測物質的濃度為1g/ml，用波長為589nm的鈉光(D線)條件下，所測得的旋光度，稱為比旋光度。
旋光性
上式中，
t:測定時的溫度(℃)
D:鈉光D-線波長589nm
α:實驗觀察的旋光值(°)
l:旋光管的長度(dm)
C:溶液濃度(g/ml),
(純液體用密度g/cm3)
對映異構體
一對對映體的等量混合物稱為外消旋體(racemic mixture 或 racemate)。通常用(±)或dl表示。外消旋體是混合物。
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