對映異構(gòu)是立體異構(gòu)中的一類,表現(xiàn)在各個對映異構(gòu)體對平面偏振光的作用不同。
一、平面偏振光和物質(zhì)的旋光性
(一)偏振光和偏振光的振動面
光波是電磁波,是橫波。其特點之一是光的振動方向垂直于其傳播方向。普通光源所產(chǎn)生的光線是由多種波長的光波組成,它們都在垂直于其傳播方向的各個不同的平面上振動。圖17-1(左)表示普通的單色光束朝我們的眼睛直射過來時的橫截面。光波的振動平面可以有無數(shù),但都與其前進方向相垂直。
圖17-1 平面偏振光的形成
圖17-2 兩個尼科耳棱晶平行放置(上)或重直放置(下)時的情況
當(dāng)一束單色光通過尼科目棱晶(由方解石晶體加工制成,圖17-1中)時,由于尼科耳棱晶只能使與其晶軸相平行的平面內(nèi)振動的光線通過,因而通過尼科耳棱晶的光線,就只在一個平面上振動。這種光線叫做平面偏振光,簡稱偏振光(圖17-1右)。偏振光的振動方向與其傳播方向所構(gòu)成的平面,叫做偏振光的振動面。
當(dāng)普通光線通過尼科耳棱晶成為偏振光后,再使偏振光通過另一個尼科耳棱晶時,則在第二個尼科耳棱晶后面可以觀察到:如果兩個尼科耳棱晶平行放置(晶體相互平行)時,光線的亮度最大(圖17-2上);如兩個棱晶成其他角度時,則光線的亮度發(fā)生不同程度的減弱,接近90°時較暗,接近0°時較明亮。
。ǘ)旋光性物質(zhì)和物質(zhì)的旋光性
自然界中有許多物質(zhì)對偏振光的振動面不發(fā)生影響,例如水、乙醇、丙酮、甘油及氯化鈉等;還有另外一些物質(zhì)卻能使偏振光的振動面發(fā)生偏轉(zhuǎn),如某種乳酸及葡萄糖的溶液。能使偏振光的振動面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的物質(zhì)具旋光性,叫做旋光性物質(zhì);不能使偏振光的振動面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫做非旋光性物質(zhì),它們沒有旋光性。
當(dāng)偏振光通過旋光性物質(zhì)的溶液時,可以觀察到有些物質(zhì)能使偏振光的振動面向左旋轉(zhuǎn)(逆時針方向)一定的角度(圖17-3),這種物質(zhì)叫做左旋體,具有左旋性,以“-”表示;另一些物質(zhì)則使偏振光的振動面向右旋轉(zhuǎn)(順時針方向)一定的角度,叫做右旋體,它們具有右旋性,以“+”表示。以前也曾用“l(fā)、d”表示左右旋。
圖17-3 左旋體使偏振光的振動面向左旋轉(zhuǎn)
(三)旋光度和比旋光度
如將兩個尼科耳棱晶平行放置,并在兩個棱晶之間放一種溶液(圖17-4),在第一個棱晶(起偏振器)前放置單色可見光源,并在第二個棱晶(檢偏振器)后進行觀察?梢园l(fā)現(xiàn),如在管中放置水、乙醇或丙醇時,并不影響光的亮度。但如果把葡萄糖或某種乳酸的溶液放于管內(nèi),則光的亮度就減弱以至變暗。這是由于水、乙醇等是非旋光性物質(zhì),不影響偏振光的振動面;而葡萄糖等是旋光性物質(zhì),它們能使偏振光的振動面向右或左偏轉(zhuǎn)一定的角度。要達到最大的亮度,必須把檢測振器向右或向左轉(zhuǎn)動同一角度。旋光性物質(zhì)的溶液使偏振光的振動面旋轉(zhuǎn) 的角度,叫做旋光度,以α表示。
圖17-4 旋光性測定示意圖
一種物質(zhì)的旋光性,主要決定于該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。但在測定物質(zhì)的旋光度時,還受到測定條件的明顯的影響。影響旋光度的因素包括溶液濃度、液層厚度(即盛液管的長度)、所用光線(單色光)的波長、溫度以及溶劑等。因此,同一種旋光性物質(zhì)在不同條件下測定α值時,所得的結(jié)果也不一樣。但如固定實驗條件,則測得的物質(zhì)的旋光度即為常數(shù),它能反映該旋光性物質(zhì)的本性,叫做比旋光度,以[α]表示。比旋光度與測得的旋光度(α)有以下的關(guān)系:
式中:λ——測定時所用單色光的波長,通常用鈉光的D線(λ=589nm)
c——溶液濃度(g·ml-1)
l——盛液管的長度(dm)
當(dāng)c和l都等于1時,則[α]= α。因此,物質(zhì)的比旋光度就是濃度為1g·ml-1的溶液,放在1dm長的管中測得的旋光度。所用溶劑須寫在比旋光度值后面的括號中。因為即使在其他條件都相同時,改變?nèi)軇┮矔筟α]值發(fā)生變化。
比旋光度是旋光性物質(zhì)的一種物理常數(shù)。如像每種物質(zhì)都有一定的熔點、沸點、折射率、密度一樣,各種旋光性物質(zhì)都有其比旋光度。