Введение

Оптическое вращение, также известное как вращение плоскости поляризации или круговой двойной лучепреломление, представляет собой вращение ориентации плоскости поляризации вокруг оптической оси линейно поляризованного света при прохождении через определенные материалы. Круговой двойной лучепреломление и круговой дихроизм являются проявлениями оптической активности. Оптическая активность возникает только в хиральных материалах, лишенных микроскопической зеркальной симметрии. В отличие от других источников двойного лучепреломления, изменяющих состояние поляризации луча, оптическую активность можно наблюдать в жидкостях, включая газы или растворы хиральных молекул, таких как сахара, молекулы с геликоидальной вторичной структурой, например некоторые белки, а также хиральные жидкие кристаллы. Она также может наблюдаться в хиральных твердых телах, таких как определенные кристаллы с вращением между соседними кристаллическими плоскостями (например, кварц) или метаматериалах. При наблюдении источника света вращение плоскости поляризации может быть вправо (декстроротационное или декстроротарное – d-вращательное, обозначается (+), по часовой стрелке) или влево (леворотационное или леворотарное – l-вращательное, обозначается (−), против часовой стрелки) в зависимости от того, какой стереоизомер преобладает. Например, сахароза и камфора являются d-вращающими, в то время как холестерин – l-вращающим. Для данного вещества угол, на который вращается поляризация света заданной длины волны, пропорционален длине пути через материал и (для раствора) пропорционален его концентрации. Оптическая активность измеряется с помощью поляризованного источника света и поляриметра. Это инструмент, особенно используемый в сахарной промышленности для измерения концентрации сахара в сиропе и, в целом, в химии для измерения концентрации или энантиомерного соотношения хиральных молекул в растворе. Модуляция оптической активности жидкого кристалла, наблюдаемая между двумя плоскополяризационными фильтрами, является принципом работы жидкокристаллических дисплеев (используемых в большинстве современных телевизоров и компьютерных мониторов).

Формы

Декстроротация и леворотация (также называемая леворотацией) в химии и физике – это оптическое вращение плоскополяризованного света. С точки зрения наблюдателя, декстроротация относится к вращению по часовой стрелке или вправо, а леворотация – к вращению против часовой стрелки или влево. Химическое соединение, вызывающее декстроротацию, называется декстроротационным, а соединение, вызывающее леворотацию, – леворотационным. Соединения, обладающие этими свойствами, состоят из хиральных молекул и проявляют оптическую активность. Если хиральная молекула декстроротационна, то её энантиомер (геометрическое зеркальное отражение) будет леворотационным, и наоборот. Энантиомеры вращают плоскополяризованный свет на одинаковый угол, но в противоположных направлениях.

Префиксы хиральности

Соединение может быть обозначено как декстроротационное, используя префикс "(+) " или "d ". Аналогичным образом, левовращающееся соединение может быть обозначено с помощью префикса "(−) " или "l ". Строчные префиксы "d " и "l " устарели и отличаются от прописных префиксов "D " и "L ". Префиксы "D " и "L " используются для обозначения энантиомеров хиральных органических соединений в биохимии и основаны на абсолютной конфигурации соединения относительно (+) глицеральдегида, который по определению является D-формой. Префикс, используемый для обозначения абсолютной конфигурации, не имеет прямого отношения к префиксу (+) или (−), используемому для обозначения оптического вращения в той же молекуле. Например, девять из девятнадцати L-аминокислот, встречающихся в белках, несмотря на префикс L, на самом деле являются декстроротационными (при длине волны 589 нм), а D-фруктозу иногда называют "лаэвулозой", поскольку она левовращающаяся. Префиксы D и L описывают молекулу в целом, как и префиксы (+) и (−) для оптического вращения. В отличие от этого, префиксы (R) и (S) из правил приоритета Кан-Ингольда-Прелога характеризуют абсолютную конфигурацию каждого конкретного хирального стереоцентра в молекуле, а не свойство молекулы в целом. Молекула, имеющая ровно один хиральный стереоцентр (обычно асимметричный атом углерода), может быть обозначена (R) или (S), но молекула, имеющая несколько стереоцентров, требует более одного обозначения. Например, незаменимая аминокислота L-треонин содержит два хиральных стереоцентра и записывается как (2S,3S)-треонин. Строгой связи между обозначениями R/S, D/L и (+)/(−) нет, хотя некоторые корреляции существуют. Например, из встречающихся в природе аминокислот все являются L, а большинство – (S). Для некоторых молекул (R)-энантиомер является декстроротационным (+) энантиомером, а в других случаях – левовращающим (−) энантиомером. Связь должна определяться в каждом конкретном случае с помощью экспериментальных измерений или детального компьютерного моделирования.

История

В 1811 году французский физик Франсуа Араго впервые наблюдал вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света в кварце. В 1820 году английский астроном сэр Джон Ф. У. Гершель обнаружил, что различные отдельные кристаллы кварца, чьи кристаллические структуры являются зеркальными отражениями друг друга (см. иллюстрацию), вращают плоскость поляризации в равной степени, но в противоположных направлениях. Жан Батист Био также наблюдал вращение оси поляризации в определенных жидкостях и парах органических веществ, таких как терпентин. В 1822 году Огюстен Жан Френель обнаружил, что оптическое вращение можно объяснить как разновидность двойного лучепреломления: в то время как ранее известные случаи двойного лучепреломления были вызваны различными скоростями света, поляризованного в двух перпендикулярных плоскостях, оптическое вращение было вызвано различными скоростями право- и левовращающегося циркулярно поляризованного света. С тех пор простые поляриметры используются для измерения концентрации простых сахаров, таких как глюкоза, в растворе. Фактически, одно из названий D-глюкозы (биологического изомера) – декстроза, что отражает ее способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света вправо, или к декстру. Аналогичным образом, левулоза, более известная как фруктоза, вызывает вращение плоскости поляризации влево. Фруктоза обладает даже большей левовращающей способностью, чем глюкоза – декстровращающей. Инвертный сахарный сироп, получаемый в промышленных масштабах путем гидролиза сахарозы до смеси составляющих простых сахаров – фруктозы и глюкозы, получил свое название от того, что в процессе преобразования направление вращения "инвертируется" с правого на левое. В 1849 году Луи Пастер решил проблему, касающуюся природы винной кислоты. Раствор этого соединения, полученный из живых организмов (в частности, из виноградной дробины), вращает плоскость поляризации света, проходящего через него, в то время как винная кислота, полученная химическим синтезом, не оказывает такого эффекта, хотя ее реакции идентичны и элементарный состав одинаков. Пастер заметил, что кристаллы существуют в двух асимметричных формах, являющихся зеркальными отражениями друг друга. Разделение кристаллов вручную позволило получить два вида соединения: растворы одной формы вращают поляризованный свет по часовой стрелке, а другой – против часовой стрелки. Равное смешение этих двух форм не оказывает поляризующего действия на свет. Пастер пришел к выводу, что рассматриваемая молекула асимметрична и может существовать в двух различных формах, аналогичных левой и правой перчатке, и что органическая форма соединения состоит исключительно из одного типа. В 1874 году Якобс Хенрик ван ’т Гофф и Жозеф Ахилл Лебель независимо друг от друга предположили, что это явление оптической активности в углеродных соединениях можно объяснить, предположив, что четыре насыщенные химические связи между атомами углерода и их соседями направлены к вершинам правильного тетраэдра. Если все четыре соседа различны, то существует два возможных расположения соседей вокруг тетраэдра, которые будут зеркальными отражениями друг друга. Это привело к лучшему пониманию трехмерной природы молекул. В 1945 году Чарльз Уильям Банн предсказал оптическую активность ахиральных структур, если направление распространения волны и ахиральная структура образуют экспериментальную конфигурацию, отличную от ее зеркального отражения. Такая оптическая активность, обусловленная внешней хиральностью, была обнаружена в 1960-х годах в жидких кристаллах. В 1950 году Сергей Вавилов предсказал оптическую активность, зависящую от интенсивности света, а эффект нелинейной оптической активности был обнаружен в 1979 году в кристаллах йодата лития. Обычно оптическая активность наблюдается для прошедшего света. Однако в 1988 году М. П. Сильверман обнаружил, что вращение плоскости поляризации может происходить и для света, отраженного хиральными веществами. Вскоре после этого было установлено, что хиральные среды также могут отражать право- и левовращающиеся циркулярно поляризованные волны с разной эффективностью. Эти явления спекулярного кругового двойного лучепреломления и спекулярного кругового дихроизма в совокупности известны как спекулярная оптическая активность. Спекулярная оптическая активность очень слаба в природных материалах. В 1898 году Джагадиш Чандра Боз описал способность скрученных искусственных структур вращать плоскость поляризации микроволн. С начала XXI века развитие искусственных материалов привело к предсказанию и созданию хиральных метаматериалов с оптической активностью, превосходящей оптическую активность природных сред в несколько порядков величины в оптическом диапазоне спектра. Внешняя хиральность, связанная с косым освещением метаповерхностей, не обладающих двукратной симметрией вращения, была обнаружена как причина высокой линейной оптической активности при прохождении и отражении света, а также нелинейной оптической активности, в 30 миллионов раз превышающей активность йодата лития.

Приложения

Для чистого вещества в растворе, если цвет и длина оптического пути фиксированы и известно удельное вращение, наблюдаемое вращение можно использовать для расчета концентрации. Это делает поляриметр важным инструментом для тех, кто занимается оптовой торговлей сахарными сиропами или использует их в больших объемах.

Сравнение с эффектом Фарадея

Ротация плоскости поляризации света также может происходить благодаря эффекту Фарадея, который включает в себя статическое магнитное поле. Однако это отдельное явление, не классифицируемое как "оптическая активность". Оптическая активность является взаимной, то есть она одинакова для противоположных направлений распространения волны в оптически активной среде, например, вращение поляризации по часовой стрелке с точки зрения наблюдателя. В случае оптически активных изотропных сред вращение одинаково для любого направления распространения волны. В отличие от этого, эффект Фарадея является не взаимным, то есть противоположные направления распространения волны в среде Фарадея приводят к вращению поляризации по часовой стрелке и против часовой стрелки с точки зрения наблюдателя. Вращение Фарадея зависит от направления распространения волны относительно направления приложенного магнитного поля. Любые соединения могут проявлять вращение плоскости поляризации в присутствии приложенного магнитного поля, при условии, что (компонент) магнитного поля ориентирован в направлении распространения света. Эффект Фарадея – одно из первых открытий, демонстрирующих связь между светом и электромагнитными явлениями.