Optická aktivita

Na obrázku můžeme vidět dva enantiomery, nalevo je (R)-karvon, napravo (S)-karvon. Obě tyto látky mají totožný bod tání, bod varu a mají stejné hustoty. Nicméně jsou mezi nimi důležité rozdíly. (R)-karvon je hlavní složkou mátového oleje, tudíž je cítit po mátě. (S)-karvon se zase vyskytuje v kmínu, voní tedy jako kmín. Je tedy úžasné, že naše nosy jsou schopné od sebe tyto dva enantiomery odlišit. Mechanismy, které se skrývají za vnímáním pachů jsou skutečně fascinující. Dalším důležitým rozdílem mezi nimi je jejich optická aktivita. Jsou-li vystaveny polarizovanému světlu, každý z nich vykazuje jiné chování. Pojďme si teď říct, co to přesně znamená. Mějme zdroj nepolarizovaného světla, běžně je tímto zdrojem sodíková lampa. Vyzařované světlo má vlnovou délku 589 nm a hovoříme o něm jako o sodíkové čáře D. Posviťme nyní tímto světlem na polarizační filtr. Pokud se na ten filtr pozorně podíváme, všimneme si, že má vertikální štěrbiny. Projde jím jen určitá část našeho nepolarizovaného světla. Vertikálním filtrem může projít jen část světla, která je vertikálně polarizovaná. Nyní je naše světlo polarizované. Toto polarizované světlo bude dále pokračovat do kyvety polarimetru. Tomuto zařízení se tedy říká polarimetr. Pojďme si to napsat. Takže toto je kyveta. V naší kyvetě máme roztok obsahující opticky aktivní látku. Namalujeme si tu trošku naší opticky aktivní látky. Představme si tedy roztok, naše látka je v něčem rozpuštěná. Rovina polarizace našeho světla se stočí, když přijde do kontaktu s látkou. Představme si tedy tuto rovinu, která má na počátku vertikální orientaci. Začne se stáčet. Čím víc molekul s ní přijde do kontaktu, tím víc se rovina stočí. Ve chvíli, kdy světlo opustí kyvetu, má jeho rovina polarizace jinou orientaci než na vstupu do kyvety. Další částí polarimetru je analyzátor. Toto je náš analyzátor. Představme si, že se odtud koukáme na analyzátor. Řekněme, že jeho počáteční orientace bude se štěrbinami otočenými vertikálně. Stejně, jako u filtru na počátku. Tato orientace analyzátoru ale neumožní průchod žádného světla z kyvety. Musíme tedy analyzátorem otočit, aby světlo mohlo projít skrz. Stejně tak, jak je to zde na schématu. Štěrbiny jsou nyní v té správné orientaci, aby světlo mohlo projít skrz. Analyzátorem jsme museli otočit doprava, aby světlo mohlo projít. Úhel, o který jsme otočili analyzátor, označíme α. Veličině α se říká celková otáčivost. V tomto případě bylo potřeba otočit analyzátorem doprava. Takže, začali jsme s vertikální orientací. Rovina polarizace se stočila doprava, když přišla do kontaktu se vzorkem. Z čehož vyplývá, že jsme analyzátor otočili doprava. Formálně je tedy celková optická otáčivost kladná. Kladná rotace znamená otáčení po směru hodinových ručiček. Pro tento případ říkáme, že je látka pravotočivá. Pojdme si to tu napsat. Toto je pravotočivé. Co kdyby tomu bylo naopak a rovina polarizace by se stočila doleva? Takže začněme zase vertikální orientací. A naše světlo bude tentokrát stočené na druhou stranu. Analyzátor tedy musíme otočit doleva. Daná rotace je pak chápána jako záporná, proti směru hodinových ručiček. Pro tento případ by byla látka levotočivá. Napišme si to. Toto je levotočivé. Celková otáčivost α závisí na počtu molekul, do kterých světlo narazilo. Pojďme nyní zvýšit koncentraci. Namalujme si tu trochu víc teček, abychom si naznačili vyšší koncentraci naší látky. To znamená, že naše světlo se bude stáčet ještě víc. Takže, začněme zase vertikálně. Světlo nyní narazí do více molekul. Stočení bude tím pádem větší a světlo opustí kyvetu pod jiným úhlem. Celková optická otáčivost bude tedy jiná. Pokud koncentraci dvojnásobíme, zdvojnásobí se otáčivost. Hodnotu otáčivosti můžeme také změnit tím, že změníme délku dráhy, již světlo urazí. To znamená, že můžeme měnit délku kyvety. Označíme si tuto délku písmenem L. Pokud se budeme držet konstatní koncentrace a dvojnásobíme délku kyvety, zdvojnásobíme celkovou otáčivost. Je to proto, že ve větší kyvetě světlo narazí do většího množství molekul. Pojďme si nyní tyto poznatky shrnout do rovnice. Vezměme tedy celkovou otáčivost α, která se vyjadřuje v úhlových stupních. Ve stupních, protože sledujeme úhel rotace. Vydělíme-li celkovou otáčivost koncentrací látky, která je v kyvetě, tuto koncentraci budeme uvažovat v jednotkách gram na mililitr, a pak to všechno vydělíme délkou kyvety v decimetrech, dostaneme něco, čemu se říká specifická otáčivost. Označme si tuto veličinu jako [α]. Toto je specifická otáčivost. Na specifické otáčivosti je hezké to, že je to konstanta. Celková otáčivost se může změnit v závislosti na koncentraci nebo na délce kyvety. Vezmeme-li celkovou otáčivost, vydělíme ji součinem koncentrace a délky kyvety, dostaneme specifickou otáčivost. Skutečnost, že je specifická otáčivost konstanta, se hodí, protože se pak dá tabelovat pro konkrétní látky. Můžeme si například vyhledat specifickou otáčivost pro již zmíněný (S)-karvon. Specifická rotace ovšem závisí na teplotě a vlnové délce použitého světla. Pro danou hodnotu [α] je tedy nutné uvést teplotu a použitou vlnovou délku. Pro (S)-karvon za 20 °C a za použití sodíkové lampy (sodíková čára D) je specifická otáčivost rovna 61. Takže to je specifická otáčivost pro (S)-karvon. Specifická otáčivost je bezrozměrná veličina, tedy nemá jednotku. Navzdory tomu se často uvádí ve stupních. My to tak ale dělat nebudeme. Stupně si přenecháme pouze pro celkovou otáčivost. Takže takto lze vypočítat specifickou otáčivost. Právě jsem si ukázali, že (S)-karvon má specifickou otáčivost 61. Je tedy pravotočivý, díky kladné hodnotě otáčivosti. Na druhou stranu enantiomer (R)-karvon má specifickou otáčivost −61. Je tedy levotočivý, jak značí záporné znaménko. Všimněme si rozdílu mezi specifickými otáčivostmi pro naši dvojici enantiomerů. Enantiomery mají specifickou otáčivost o stejné velikosti, totiž 61, ale lišící se znaménkem. Jeden ji má kladnou a druhý zápornou. Louis Pasteur byl prvním, kdo si tuto skutečnost uvědomil. Je skutečně úžasné, že byl schopný na něco takového ve své době přijít. Je potřeba zmínit, že to, jestli je molekula R nebo S, nemá nic společného se znaménkem specifické otáčivost. Takže to, že toto je (S)-karvon, nemá nic co dočinění s tím, že jeho [α] je kladná. Symboly R a S pouze značí konfiguraci na chirálním centru. To, jestli je [α] kladná nebo záporná, je nutné stanovit experimentálně. Platí, že látky s chirálním centrem jsou opticky aktivní. Látky bez chirálního centra opticky aktivní nejsou.