Кіріспе
Сызықтық поляризацияланған жарық жазықтығының айналуы, хиральды материал арқылы өтегенде. Оптикалық айналу, сондай-ақ поляризациялық айналу немесе дөңгелектік екіжақтылық деп те аталады, – бұл сызықтық поляризацияланған жарықтың оптикалық осінің шамасы белгілі бір материалдар арқылы өтегенде поляризация жазықтығының бағытының өзгеруі. Дөңгелектік екіжақтылық және дөңгелектік дихроизм – оптикалық белсенділіктің көріністері. Оптикалық белсенділік тек хиральды материалдарда ғана болады, яғни микроскопиялық айна симметриясы жоқ материалдарда. Сәуленің поляризациялық күйін өзгертетін басқа екіжақтылық көздерінен өзгеше, оптикалық белсенділікті сұйықтықтарда байқауға болады. Бұл қант сияқты хиральды молекулалардың газдары немесе ерітінділері, кейбір ақуыздар сияқты спиральді екінші құрылымы бар молекулалар, сондай-ақ хиральды сұйық кристалдарды қамтиды. Ол сондай-ақ, кварц сияқты, жанындағы кристалл жазықтықтары арасында айналуы бар белгілі бір кристалдар немесе метаматериалдар сияқты хиральды қатты денелерде де байқалуы мүмкін. Жарық көзіне қарағанда, поляризация жазықтығының айналуы оңға (декстроротациялық немесе декстроротациялық – d айналу, (+) символымен белгіленеді, сағат тілі бойынша) немесе солға (леворотациялық немесе леворотациялық – l айналу, (-) символымен белгіленеді, сағат тіліне қарсы) қарай болуы мүмкін, бұл қай стереоизомер басымдығына байланысты. Мысалы, сахароза мен камфора d айналуға ие, ал холестерин l айналуға ие. Белгілі бір зат үшін, жарықтың белгілі бір толқын ұзындығының поляризациясының айналу бұрышы материал арқылы өтілген жол ұзындығына пропорционалды және (ерітінді үшін) оның концентрациясына пропорционалды. Оптикалық белсенділік поляризацияланған жарық көзі мен поляриметрді пайдалану арқылы өлшенеді. Бұл құрал қант өнеркәсібінде сироптың қант концентрациясын өлшеу үшін, сондай-ақ химияда ерітіндідегі хиральды молекулалардың концентрациясын немесе энантиомерлік қатынасын өлшеу үшін кеңінен қолданылады. Екі жазық поляризаторы арасында қарастырылған сұйық кристалдың оптикалық белсенділігін модуляциялау – сұйық кристалды дисплейлердің жұмыс принципі (қазіргі заманғы көптеген теледидарлар мен компьютер мониторларында қолданылады).
Optical rotation, also known as polarization rotation or circular birefringence, is the rotation of the orientation of the plane of polarization about the optical axis of linearly polarized light as it travels through certain materials. Circular birefringence and circular dichroism are the manifestations of optical activity. Optical activity occurs only in chiral materials, those lacking microscopic mirror symmetry. Unlike other sources of birefringence which alter a beam's state of polarization, optical activity can be observed in fluids. This can include gases or solutions of chiral molecules such as sugars, molecules with helical secondary structure such as some proteins, and also chiral liquid crystals. It can also be observed in chiral solids such as certain crystals with a rotation between adjacent crystal planes (such as quartz) or metamaterials. When looking at the source of light, the rotation of the plane of polarization may be either to the right (dextrorotatory or dextrorotary — d rotary, represented by (+), clockwise), or to the left (levorotatory or levorotary — l rotary, represented by (−), counter clockwise) depending on which stereoisomer is dominant. For instance, sucrose and camphor are d rotary whereas cholesterol is l rotary. For a given substance, the angle by which the polarization of light of a specified wavelength is rotated is proportional to the path length through the material and (for a solution) proportional to its concentration. Optical activity is measured using a polarized source and polarimeter. This is a tool particularly used in the sugar industry to measure the sugar concentration of syrup, and generally in chemistry to measure the concentration or enantiomeric ratio of chiral molecules in solution. Modulation of a liquid crystal's optical activity, viewed between two sheet polarizers, is the principle of operation of liquid crystal displays (used in most modern televisions and computer monitors).
Нысандар
Декстроротация және леворотация (сонымен қатар леворотация деп те жазылады) химия мен физикада жазықтық поляризацияланған жарықтың оптикалық айналуын білдіреді. Бақылаушының тұрғысынан, декстроротация сағат тілі бойынша немесе оң жаққа бұрылуды, ал леворотация сағат тіліне қарсы немесе сол жаққа бұрылуды көрсетеді. Декстроротацияны тудыратын химиялық қосылыс декстроротаторлық немесе декстроротатор деп аталады, ал леворотацияны тудыратын қосылыс леворотаторлық немесе леворотатор деп аталады. Мұндай қасиеттері бар қосылыстар хиральды молекулалардан тұрады және оптикалық активті деп есептеледі. Егер хиральды молекула декстроротаторлық болса, оның энантиомері (геометриялық көрінісі) леворотаторлық болады, және керісінше. Энантиомерлер жазықтық поляризацияланған жарықты бірдей градусқа, бірақ қарама-қарсы бағытта айналдырады.
Хиралдылық префикстері
Бір қосылысты "(+) " немесе "d" префиксін қолдану арқылы оң айналмалы деп белгілеуге болады. Сол сияқты, сол айналмалы қосылысты "(−) " немесе "l" префиксімен таңбалауға болады. Кіші әріптермен жазылған "d" және "l" префикстері қолданыстан шығып, үлкен әріптермен жазылған "D" және "L" префикстерінен ерекшеленеді. "D" және "L" префикстері биохимияда хиральды органикалық қосылыстардың энантиомерін көрсету үшін қолданылады және (+) глицеральдегидке қатысты қосылыстың абсолютті конфигурациясына негізделген, ол анықтама бойынша D формасы болып табылады. Абсолютті конфигурацияны көрсетуге арналған префикс, сол молекуладағы оптикалық айналуды көрсетуге арналған (+) немесе (-) префиксімен тікелей байланысты емес. Мысалы, ақуыздарда табиғи түрде кездесетін он тоғыз L аминқышқылының тоғызы, L префиксіне қарамастан, шын мәнінде оң айналмалы болып келеді (589 нм толқын ұзындығында), ал D фруктоза кейде "лаэвулоза" деп аталады, себебі ол сол айналмалы. D және L префикстері молекуланы тұтастай сипаттайды, сондай-ақ (+) және (-) префикстері оптикалық айналуды сипаттайды. Керісінше, Кан-Ингольд-Прелог басымдық ережелерінен алынған (R) және (S) префикстері, молекуланың жалпы қасиетіне қарағанда, молекуладағы әрбір нақты хиральды стереоорталықтың абсолютті конфигурациясын сипаттайды. Бір хиральды стереоорталығы бар молекула (әдетте асимметриялық көміртек атомы) (R) немесе (S) деп белгіленуі мүмкін, бірақ бірнеше стереоорталығы бар молекулаға бірнеше белгі қажет. Мысалы, L-треонин аминқышқылының құрамында екі хиральды стереоорталық бар және ол (2S,3S) треонин деп жазылады. R/S, D/L және (+) / (–) белгілемелері арасында қатаң байланыс жоқ, бірақ кейбір корреляциялар бар. Мысалы, табиғи түрде кездесетін аминқышқылдарының барлығы L, ал көпшілігі (S) болып табылады. Кейбір молекулалар үшін (R) энантиомері оң айналмалы (+) энантиомері, ал басқа жағдайларда сол айналмалы (–) энантиомері болып табылады. Бұл қатынас әр жағдайда жеке-жеке эксперименттік өлшемдер немесе егжей-тегжейлі компьютерлік модельдеу арқылы анықталуы тиіс.
Тарих
Сызықтық поляризацияланған жарықтың жарық бағытының айналуын алғаш рет 1811 жылы француз физигі Франсуа Араго кварцта байқаған. 1820 жылы ағылшын астрономы сэр Джон Ф. В. Гершель әртүрлі жеке кварц кристалдары, олардың кристалдық құрылымдары бір-бірінің кері бейнелері (суретті қараңыз), сызықтық поляризацияны тең мөлшерде, бірақ қарама-қарсы бағытта айналдыратынын анықтады. Жан Батист Биот сондай-ақ терпентин сияқты кейбір сұйықтықтар мен органикалық заттардың буларында поляризация осінің айналуын байқады. 1822 жылы Огюстен Жан Френель оптикалық айналуды екіұштылықтың бір түрі ретінде түсіндіруге болатынын тапты: бұрын белгілі болған екіұштылық жағдайлары екі перпендикуляр жазықтықта поляризацияланған жарықтың әртүрлі жылдамдықтарымен байланысты болса, оптикалық айналу оң және сол қолды дөңгелек поляризацияланған жарықтың әртүрлі жылдамдықтарымен байланысты болды. Осы уақыттан бері қарапайым поляриметрлер қарапайым қанттардың, мысалы глюкозаның ерітіндіштегі концентрациясын өлшеу үшін қолданылып келеді. Шын мәнінде, D-глюкозаның (биологиялық изомердің) бір атауы – декстроза, себебі ол сызықтық поляризацияланған жарықтың оңға немесе оң жаққа айналуына себеп болады. Сол сияқты, левулоза, көбінесе фруктоза деп аталатын, поляризация жазықтығын солға бұрады. Фруктоза глюкозаға қарағанда декстроротациялық әсеріне ие. Сахароза сиробын гидролиз арқылы құрамында қарапайым қанттар, фруктоза және глюкоза бар қоспаға айналдыру арқылы алынатын инвертті қант сиробы айналу бағытының оңнан солға "керілуіне" байланысты осылай аталады. 1849 жылы Луи Пастер шарап қышқылының табиғатына қатысты мәселені шешті. Бұл қосылыстың тірі организмдерден (нақтырақ айтқанда, шарап шөбінен) алынған ерітіндісі арқылы өтетін жарықтың поляризация жазықтығын айналдырады, бірақ химиялық синтез арқылы алынған шарап қышқылының мұндай әсері жоқ, тіпті оның реакциялары бірдей және элементтік құрамы да сол болса да. Пастер кристалдардың бір-бірінің кері бейнесі болып табылатын екі асимметриялық түрі бар екенін байқады. Кристалдарды қолмен сұрыптау арқылы қосылыстың екі түрі алынды: бірінің ерітіндісі поляризацияланған жарықты сағат тілімен, ал екіншісі – сағат тіліне қарсы айналдырады. Екі түрінің тең қоспасы жарыққа поляризациялық әсер етпейді. Пастер бұл молекуланың асимметриялық екенін және сол және оң қолғап сияқты екі түрлі формада болуы мүмкін екенін, ал қосылыстың органикалық түрі тек бір типтен ғана тұратынын тұжырымдады. 1874 жылы Якобс Хенрикус ван’т Хофф және Жозеф Ахилл Ле Бел бұл оптикалық белсенділік құбылысын көміртек атомдары мен олардың көршілері арасындағы 4 қаныққан химиялық байланыстардың тұрақты тетраэдрдің төбелеріне бағытталған деп болжау арқылы түсіндіруге болатынын ұсынды. Егер 4 көршісі әртүрлі болса, тетраэдрдің айналасындағы көршілердің екі мүмкін орналасуы болады, олар бір-бірінің кері бейнесі болады. Бұл молекулалардың үш өлшемді табиғатын жақсырақ түсінуге көмектесті. 1945 жылы Чарльз Уильям Банн толқынның таралу бағыты мен ахиральдық құрылымның эксперименттік орналасуы одан әлгі кері бейнесінен өзгеше болса, ахиральдық құрылымдардың оптикалық белсенділігі болатынын болжады. Мұндай сыртқы хиральностьтан туындаған оптикалық белсенділік 1960 жылдары сұйық кристалдарда байқалды. 1950 жылы Сергей Вавилов жарықтың қарқындылығына байланысты оптикалық белсенділік болатынын болжады, ал сызықтық емес оптикалық белсенділіктің әсері 1979 жылы литий йодаты кристалдарында байқалды. Оптикалық белсенділік әдетте берілген жарық үшін байқалады. Алайда 1988 жылы М. П. Сильверман поляризациялық айналудың хиральдық заттардан шағылысқан жарық үшін де болуы мүмкін екенін анықтады. Көп ұзамай хиральды орталар сол және оң қолды дөңгелек поляризацияланған толқындарды әртүрлі тиімділікпен шағылыстыра алатыны байқалды. Бұл құбылыстар – айналық дөңгелек біртұтастық және айналық дөңгелек дихроизм – бірлесіп айналық оптикалық белсенділік деп аталады. Айналық оптикалық белсенділік табиғи материалдарда өте әлсіз. 1898 жылы Джагадиш Чандра Боз бұрылған жасанды құрылымдардың микротолқындардың поляризациясын айналдыру қабілетін сипаттады. XXI ғасырдың басынан бері жасанды материалдарды дамыту спектрдің оптикалық бөлігінде табиғи орталардан оптикалық белсенділігі артық хиральды метаматериалдарды болжауға және жасауға әкелді. Екі есе айналу симметриясы жоқ метабеттерге көлденең жарық түсіру сызықтық оптикалық белсенділікті беру және шағылысу арқылы сызықтық емес оптикалық белсенділікті литий йодатынан 30 миллион есе артық қамтамасыз ететіні байқалды.
Қолданбалар
Ерітіндідегі таза зат үшін, егер түсі мен оптикалық жолы тұрақты болса және нақты айналу мәні белгілі болса, байқалған айналуды пайдаланып концентрацияны есептеуге болады. Осы мүмкіндік поляриметрді көлемді қант сироптарымен сауда жасайтындарға немесе оларды қолданатындарға аса қажетті құралға айналдырады.
Фарадей эффектімен салыстыру
Жарықтың поляризация жазықтығының айналуы статикалық магнит өрісіне байланысты Фарадей эффектісі арқылы да жүзеге асуы мүмкін. Дегенмен, бұл "оптикалық белсенділік" деп жіктелмейтін ерекше құбылыс. Оптикалық белсенділік өзара байланысты, яғни оптикалық белсенді орта арқылы толқын таралу бағытының өзгеруіне қарамастан бірдей болады, мысалы, бақылаушының тұрғысынан қарағанда сағат тілімен поляризацияның айналуы. Оптикалық белсенді изотропты ортада айналу толқын таралу бағытының кез келгені үшін бірдей шамада болады. Ал Фарадей эффектісі керісінше, өзара байланыссыз болып табылады, яғни Фарадей ортасы арқылы толқын таралу бағытының өзгеруі бақылаушының тұрғысынан қарағанда сағат тілімен және сағат тіліне қарсы поляризацияның айналуына әкеледі. Фарадей айналуы қолданылған магнит өрісіне қатысты таралу бағытына тәуелді. Барлық заттар, егер магнит өрісінің (компоненті) жарық таралу бағытына бағытталған болса, қолданылған магнит өрісінің әсерінен поляризацияның айналуын көрсете алады. Фарадей эффектісі – жарық пен электромагниттік құбылыстар арасындағы байланыстың алғашқы ашылуларының бірі.