Полутеневой поляриметр Корню

Поляриметр

Установление относительной конфигурации с помощью хироптических методов

Биохимические методы

Примеров применения биохимических методов можно привести достаточно много. Ограничимся простейшим случаем. В ряду одного класса соединений, например, аминокислот, определенный фермент атакует молекулы только одной конфигурации. Если какой-то фермент, скажем, атакует только (S)-аминокислоты, не трогая (R)-форму, и это экспериментально установлено на ряде примеров, то энантиомер другой аминокислоты, подвергающаяся действию того же фермента, должен принадлежать к (S)-ряду.

В принципе, для получения информации об относительной конфигурации молекул пригоден практически любой физический метод, применяемый в органической химии. Однако наиболее широко используют хироптические методы (ДОВ и КД) и спектроскопию ЯМР.

Хироптические методы, объединяют родственные оптические методы исследования оптически активных (хиральных) соединений: поляриметрию (ПМ), дисперсию оптического вращения (ДОВ) и круговой дихроизм (КД). Они основаны на взаимодействии поляризованного света с хиральными структурами, которые обладают естественной оптической активностью, т. е. вращают плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света.

Прибор для измерения угла вращения плоскости поляризации монохроматического света в оптически-активных веществах (дисперсию оптической активности измеряют спектрополяриметрами). В поляриметрах, построенных по схеме полутеневых приборов (см. рис.), измерение сводится к визуальному уравниванию яркостей двух половин поля зрения прибора и последующему считыванию показаний по шкале вращений, снабженной нониусом. Эту методику, несмотря на её принципиальную простоту, отличает достаточно высокая для многих целей точность измерений, что обусловило широкое применение полутеневых поляриметров. В настоящее время более распространены автоматические поляриметры с фотоэлектрической регистрацией, в которых та же задача сопоставления двух интенсивностей решается поляризационной модуляцией светового потока и выделением на выходе приёмника света сигнала основной частоты. Современные автоматические поляриметры имеют точность до 0.0002°.

Laurent Type Polarimeter c. 1900 Современный оптический поляриметр

Оптическую активность жидкостей принято характеризовать удельным вращением [α0]. В случае химически чистых жидкостей удельным вращением называют отношение постоянной вращения к плотности жидкости ρ, т. е. [α0] = α/ρ

Для растворов активного вещества (например, сахара) в неактивном растворителе (например, в воде) при определении удельного вращения [α] под ρ понимают концентрацию раствора C или плотность активного вещества, т.е. его массу в единице объема раствора. Тогда для угла вращения плоскости поляризации [α] получаем:

[α]=[α0]⋅С⋅d, где С=m/V,

m – масса вещества (г); V – объем раствора (см3); d – длина кюветы (обычно 10 см);

Удельное вращение показывает угол поворота плоскости поляризации, вызываемого индивидуальной жидкостью или раствором оптически активного вещества с концентрацией 1 г/см3, помещенного в поляризационную трубку длиной 1 дм при использовании D-линии натриевой лампы (длина волны 589.3 нм) при 20°С (например, для сахарозы [α0] = 6.65 град⋅см2/г или [α0] = 66.5 град⋅см3/дм⋅г)

Удельное вращение [ α] зависит от длины волны (в грубом приближении [α] ~ 1/λ2), температуры (зависимость незначительная, для большинства веществ [α] уменьшается примерно на одну тысячную своей величины при повышении температуры на один градус), растворителя, для многих веществ имеется сильная зависимость от концентрации.

Т.к. величина вращения в растворах зависит от их концентрации, то поляриметрия широко применяется для измерения концентрации оптически-активных веществ. Измерение вращательной дисперсии − изменения угла вращения при изменении длины волны света (т. н. спектрополяриметрия) − позволяет изучать строение веществ. Измерения производятся поляриметрами и спектрополяриметрами.

Дисперсия оптического вращения (спектрополяриметрии) – это метод, основанный на измерении зависимости вращения от длины волны в широком спектральном интервале. Для этого используются приборы, называемые спектрополяриметры. Полученные при спектрополяриметрических измерениях результаты выражают в виде кривых ДОВ (кривых дисперсии оптического вращения). Вещества, обладающие одинаковыми или сходными вращениями при d-линии Na, могут иметь совершенно различные кривые ДОВ. Характер кривых ДОВ зависит от конфигурации, конформации оптически активных веществ, природы имеющихся хромофоров и их положения относительно асимметрического центра. Во много случаях кривые ДОВ существенно зависит от растворителя и температуры. Все это делает спектрополяриметрию одним из важных современных физико-химических методов исследования органических веществ. Область его применения можно существенно расширить, вводя оптически активный радикал в соединения, не обладающие оптической активностью.

Наряду с измерением оптического вращения в широком спектральном интервале применяется также другой метод для получения информации о полосах поглощения оптически активных хромофоров, а именно метод кругового дихроизма (КД). На соответствующих приборах (дифрографах) получают кривые, характеризующие интенсивность двойного циркулярного поглощения, то есть разность коэффициентов поглощения для левого и правого циркулярного поляризованного света. Кривые кругового дихроизма дают, в общем, ту же информацию, что и кривые дисперсии оптического вращения. Однако первые часто удобнее для расшифровки и для теоретической расчетной обработки. Сигналы кругового дихроизма возникают в оптически активных полосах поглощения, которые в свою очередь являются результатом влияния асимметрического центра (в общем виде – любого хирального элемента) на характерное для определенного хромофора поглощение.

Плоскополяризованную световую волну можно представить как комбинацию левого и правого поляризованных по кругу лучей с соответствующими векторами Еl и Еr. Если взаимодействие левого и правого поляризованных по кругу лучей со средой одинаково (это характерно для изотропных сред), то векторы имеют одинаковые величины (рис. 1, а).

Когда поляризованный свет проходит через анизотропную (хиральную) среду, то один из этих лучей распространяется быстрее другого, в результате чего суммарный вектор оказывается повернутым на некоторый угол α, тем больший, чем больше разность скоростей распространения света в среде, т. е. показателей преломления nl и nr лучей, поляризованных по кругу влево и вправо. Это явление называют двойным круговым (циркулярным) лучепреломлением.

Рис.1. Схема возникновения оптической активности и эллиптичности: а - плоскополяризованный луч; б - плоскополяризованный луч после прохождения через оптически активное вещество (без КД); в - эллиптически поляризованный луч; г -эллиптически поляризованный луч после прохождения через оптически активное вещество (с КД).

Левый и правый поляризованные по кругу лучи по-разному поглощаются средой, т. е. εl ≠ εr, где εl и εr коэффициенты экстинкции для лучей с левой и правой круговой поляризацией. Суммирование соответствующих им векторов неравной величины El и Еr дает результирующий вектор, конец которого описывает эллипс (рис. 1, в), т. е. плоскополяризованный свет после прохождения через хиральную среду становится эллиптически поляризованным. Это явление называется круговым дихроизмом.

Техника измерения. Оптическое вращение измеряют с помощью поляриметра. Луч источника света (натриевой или ртутной лампы) при прохождении через поляризатор − призму Николя или пленки − поляризуется в плоскости. Поляризованный свет пропускается через кювету с веществом и попадает в анализатор (тоже призма Николя). Если плоскости поляризации обеих призм расположены друг относительно друга под прямым углом, то поляризованный свет в отсутствие оптически активного вещества через анализатор не проходит. Чтобы поляризованный свет не проходил через анализатор после помещения в прибор оптически активного вещества, анализатор необходимо повернуть на некоторый угол вправо или влево. Этот угол и представляет собой наблюдаемое оптическое вращение, которое затем пересчитывается в удельное [α]λ или молекулярное вращение [M]λ.

Для измерения ДОВ и КД используют спектрополяриметры и дихрографы. Они имеют устройство, аналогичное поляриметру, с тем отличием, что источник света (ксеноновая лампа) в них сочетается с монохроматором, позволяющим проводить измерения в области 1000−175 нм. В дихрографах имеется также устройство для определения дихроичного поглощения (измерение ∆ε) или устройство для преобразования плоскополяризованного света в эллиптически поляризованный (измерение ϕ).

Спектры ДОВ и КД. Хироптические явления по своей природе связаны с электронными переходами в хиральных молекулах. Для их интерпретации существенно, что появление индивидуальных полос в УФ спектрах обусловлено возбуждением электронов, принадлежащих соответствующим функциональным группам, называемым хромофорами. Для соединений без хромофоров в исследуемой области спектра [M]λ или [Θ]λ монотонно возрастает или падает с уменьшением длины волны. Такие кривые ДОВ называются соответственно плавными положительными или плавными отрицательными.

В области полосы поглощения наблюдается аномальный ход кривой ДОВ: оптическое вращение возрастает с уменьшением длины волны, проходит через максимум (пик), затем падает, пересекает ось нулевого вращения, достигает минимума (впадина) и снова возрастает (рис. 2). Такой S-образный ход кривой ДОВ наз. эффектом Коттона (открыт А. Коттоном в 1896). В спектрах КД эффект Коттона проявляется в виде полосы дихроичного поглощения, обычно в области полос поглощения, характерных для определенных хромофоров, которые называются оптически активными.

Эффект Коттона характеризуется: а) положением максимума в спектре КД (при длине волны λ0) и положением пика или впадины (соотв. λ1 и λ2) на кривой ДОВ, при этом максимум КД (или средняя точка на кривой ДОВ) в случае изолированного хромофора совпадает с максимумом в УФ спектре; б) знаком − эффект Коттона положителен, если в длинноволновой области спектра наблюдается пик, и отрицателен, если в длинноволновой области расположена впадина; в) эллиптичностью в спектре КД в точке максимума или амплитудой а, которая определяется как разность между величинами молекулярного вращений в точках пика и впадины, деленная на 100:

Рис. 2. Спектры ДОВ (кривые 1А, 1Б), КД (2А, 2Б) и УФ (3); кривые А - положительные, Б - отрицательные эффекты Коттона.

Эффект Коттона, связанный с одним и тем же электронным переходом, имеет одинаковый знак как для ДОВ, так и для КД. Энантиомеры дают зеркально-симметричные кривые ДОВ и КД. При наложении нескольких эффектов Коттона получаются сложные кривые ДОВ и КД. Информация о конфигурации и конформациях хиральных соединений, получаемая методами ДОВ и КД, и техника измерения в основном одинаковы. Однако спектры ДОВ более сложны по форме и поэтому труднее интерпретируются. На их измерение больше влияют такие факторы, как загрязнения, мутность раствора и др. Для количественных расчетов лучше использовать спектры КД. Но КД наблюдается только в области полос поглощения хромофоров. Поэтому для обнаружения оптической активности лучше применять ДОВ. Для измерения применяют растворители, не поглощающие в исследуемой области. Толщина кювет (слоя) меняется от 10 до 0.01 см. В коротковолновой области (λ < 250 нм) обычно используют концентрации растворов порядка 0.1%. Для избегания ошибок желательно, чтобы оптическая плотность измеряемого раствора не превышала 2.

Эффекты Коттона возникают благодаря присутствию хромофорных группировок в молекуле. Исходя из соображений симметрии, различают два типа хромофоров в оптически активных молекулах: 1) внутренне диссимметричные хромофоры, т. е. хромофоры, не имеющие в силу своей структуры центра или плоскости симметрии; 2) внутренне симметричные хромофоры, но диссимметрично возмущенные хиральным окружением в молекуле.

Хромофоры первого типа, как правило, дают интенсивные эффекты Коттона, знаки которых связаны с хиральностью самого хромофора. Примером внутренне диссимметричных хромофоров являются хромофоры, содержащие изолированные или сопряженные системы, скрученные вследствие наличия определенных структурных или конформационных требований, напр. соединение I, гелицены. В этих хромофорах электронная система связей сама по себе хиральна и обусловливает возможность проявления очень сильных эффектов Коттона (∆ε ~ 10−100). При этом правоспиральная конформация сопряженных диенов обнаруживает положит. эффект Коттона, а левоспиральная - отрицательный эффект Коттона. Природа заместителей при двойных связях значительно слабее влияет на характер ДОВ и КД, чем хиральность хромофорной системы.

В сочетании с электронными спектрами удается определить не только хиральность системы, но и углы поворота сопряженных групп, поскольку они заметно влияют на интенсивность поглощения. Описанные закономерности для хромофоров первого типа используют при анализе структур различных природных соединений, таких, как стероиды, терпены и др.

Эффекты Коттона, связанные с внутренне симметричными хромофорами второго типа, дают ценную информацию о расположении группировок, окружающих хромофор. В молекулах с такими хромофорами интенсивность и знак эффекта Коттона в спектрах ДОВ и КД сильно зависят от их ближайшего окружения. Примеры таких хромофоров - ненапряженные изолированные двойные связи, = СО, — О —, — COOR, — SCN.

Простейший путь использования хироптических методов для установления конфигурации заключается в сравнении параметров ДОВ и КД в сериях похожих соединений. В качестве иллюстрации приведем пример определения относительных конфигураций соединений A и B. Эксперимент показал, что знаки эффекта Коттона для этих двух соединений противоположны, но форма и интенсивность спектральных кривых одинакова. Другими словами, кривые ДОВ и КД зеркально-симметричны, и, следовательно, соединения A и B можно рассматривать как квазиэнантиомеры в хироптическом (но не в истинно структурном) смысле термина.

В приведенном примере Уф- поглощение обусловлено карбонильным хромофором, который ахирален. Тем не менее, наличие хирального окружения оказывает хиральное возмущающее действие на электронный переход группы С=О, позволяя установить относительные конфигурации.

Дата добавления: 2014-12-08