A3.5 Optisk aktivitet og polarimeteret
Stoffet carvon findes i to udgaver. Den ene dufter af grøn mynte, den anden af kommen. De to molekyler er hinandens spejlbilleder. De har samme kogepunkt og samme densitet, og de reagerer ens i alle testene fra afsnit A3.4. Din næse kan kende forskel, men hvordan gør man det i laboratoriet? Svaret er lys.
Spejlbilledisomerer
Et carbonatom med fire forskellige grupper kaldes asymmetrisk. Et molekyle med ét asymmetrisk carbonatom findes i to former, som er hinandens spejlbilleder, og som ikke kan lægges oven i hinanden. De kaldes spejlbilledisomerer. Et molekyle, der ikke kan dække sit eget spejlbillede, kaldes kiralt. Det står i afsnit B3.4 og afsnit B8.2.
To spejlbilledisomerer har de samme bindinger og de samme funktionelle grupper. Derfor har de samme smeltepunkt, samme opløselighed og samme reaktioner med almindelige reagenser. Der er to undtagelser: de opfører sig forskelligt over for andre kirale molekyler, fx receptorerne i din næse, og de opfører sig forskelligt over for polariseret lys.
Planpolariseret lys
Lys er bølger, der svinger på tværs af den retning, lyset bevæger sig i. I almindeligt lys svinger bølgerne i alle retninger på tværs. Sendes lyset gennem et polarisationsfilter, slipper kun de bølger igennem, der svinger i én bestemt retning. Lyset er blevet planpolariseret. Polaroidsolbriller er sådan et filter.
Sætter man et filter mere efter det første, kommer lyset kun igennem, hvis de to filtre vender samme vej. Drejes det andet filter 90°, bliver der mørkt.
Polarimeteret
Et polarimeter måler, om et stof drejer det planpolariserede lys.
- En lyskilde sender lys gennem det første filter, polarisatoren. Lyset er nu planpolariseret.
- Lyset går gennem et rør med en opløsning af stoffet.
- Efter røret sidder et filter, der kan drejes. Det kaldes analysatoren.
- Analysatoren drejes, indtil der igen kommer mest muligt lys igennem. Den vinkel, den skal drejes, er den vinkel, prøven har drejet lyset. Den kaldes drejningen og har symbolet α.
Et stof, der drejer det planpolariserede lys, kaldes optisk aktivt. Kun stoffer med kirale molekyler er optisk aktive.
- Drejes lyset med uret, set mod lyskilden, er stoffet højredrejende. Drejningen skrives med plus, fx +13°.
- Drejes lyset mod uret, er stoffet venstredrejende. Drejningen skrives med minus, fx −13°.
Hver sin vej
To spejlbilledisomerer drejer lyset præcis lige meget, men i hver sin retning. Carvon fra kommen er højredrejende, og carvon fra grøn mynte er venstredrejende. Fortegnet står ofte i navnet: (+)-carvon og (−)-carvon.
En blanding med lige meget af de to former kaldes en racemisk blanding. Her ophæver de to drejninger hinanden, og drejningen er 0. En racemisk blanding er altså ikke optisk aktiv, selv om hvert enkelt molekyle er kiralt.
Man kan ikke se på en strukturformel, om et stof er højredrejende eller venstredrejende. Det skal måles.
Specifik drejning
Den målte drejning afhænger af, hvor mange molekyler lyset møder på vejen. Den vokser med rørets længde og med opløsningens koncentration. For at kunne sammenligne stoffer regner man om til den specifikke drejning, som skrives [α]:
\[ [\alpha] = \frac{\alpha}{l \cdot c} \]
| Symbol | Størrelse | Enhed |
|---|---|---|
| α | den målte drejning | ° |
| \(l\) | rørets længde | dm |
| c | massekoncentrationen | g/mL |
| [α] | den specifikke drejning | ° · mL/(g · dm) |
Læg mærke til enhederne. Rørets længde måles i decimeter, og koncentrationen er her en massekoncentration i gram pr. milliliter, ikke en stofmængdekoncentration.
Den specifikke drejning er en konstant for stoffet ved en bestemt temperatur og bølgelængde, ligesom smeltepunktet er det.
| Stof | [α] i ° · mL/(g · dm) |
|---|---|
| saccharose | +66,5 |
| glucose | +52,7 |
| fructose | −92,4 |
| (+)-carvon fra kommen | +61 |
| (−)-carvon fra grøn mynte | −61 |
| (−)-menthol fra pebermynte | −50 |
Polarimeteret som måleinstrument
Når den specifikke drejning er kendt, kan polarimeteret bruges til at måle en koncentration. Det er den måde, sukkerfabrikker måler sukkerindholdet i saften fra sukkerroer.
Polarimeteret kan også afsløre, hvilken spejlbilledisomer en prøve indeholder, og om den er ren:
| Den specifikke drejning er | Prøven indeholder |
|---|---|
| lig med tabelværdien | kun den ene spejlbilledisomer |
| lig med tabelværdien med modsat fortegn | kun den anden spejlbilledisomer |
| 0 | en racemisk blanding eller et stof, der ikke er kiralt |
| mellem 0 og tabelværdien | en blanding med mest af den ene form |
Det er vigtigt for lægemidler, hvor ofte kun den ene spejlbilledisomer virker, som du så i afsnit B8.2.
- Skal du forklare, at et stof er optisk aktivt, så peg på det asymmetriske carbonatom i strukturen, og skriv de fire forskellige grupper, der sidder på det.
- Skriv, at stoffet derfor findes som to spejlbilledisomerer, som drejer planpolariseret lys lige meget i hver sin retning.
- Husk enhederne i formlen: decimeter og gram pr. milliliter.
- Et stof uden asymmetriske carbonatomer er ikke optisk aktivt.
Prøv selv: Spejlbilledisomeri: find de asymmetriske carbonatomer.