Optische Aktivität

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Einleitung

Optische Aktivität, Bezeichnung für die Eigenschaft von chiralen Substanzen, die Ebene von linear polarisiertem Licht (siehe Optik) zu drehen.

Chirale Stoffe bestehen aus Molekülen (Stereoisomeren), die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten und deshalb nicht zur Deckung gebracht werden können. Sie besitzen ein oder mehrere Chiralitätszentren, wobei die beiden Stereoisomere auch Enantiomere genannt werden. Enantiomere unterscheiden sich überhaupt nicht in physikalischen Größen wie z. B. Bindungsabstände oder Energieinhalt. Der einzige Unterschied besteht in der verschiedenen Wechselwirkung mit linear polarisiertem Licht.

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Erzeugung von linear polarisiertem Licht

Gewöhnliches Licht lässt sich physikalisch als elektromagnetische Welle beschreiben, deren Feldvektoren senkrecht zur Ausbreitungsrichtung in alle Richtungen schwingen. Zur Bestimmung der optischen Aktivität einer Verbindung kommt üblicherweise monochromatisches Licht (mit nur einer bestimmten Wellenlänge) zur Anwendung. So sendet beispielsweise eine Natriumdampflampe nur Licht der Wellenlänge λ = 598 Nanometer aus. In diesem Licht weisen jedoch immer noch alle Feldvektoren in alle Richtungen. Um rein linear polarisiertes Licht zu erhalten, lässt man den Lichtstrahl ein Nicol’sches Prisma (auch Polarisationsprisma) passieren. Es besteht aus zwei oder mehreren Teilprismen und wird aus isländischem Kalkspat hergestellt, der die besondere Eigenschaft der Doppelbrechung zeigt: Ein einfallender Lichtstrahl wird beim Durchgang in zwei polarisierte Teilstrahlen zerlegt, deren Schwingungsebenen senkrecht aufeinander stehen. Diese Strahlen werden unterschiedlich gebrochen, wobei eine durch isländischen Kalkspat betrachtete Schrift doppelt erscheint (daher Doppelbrechung). Beide Teilprismen sind so miteinander verbunden, dass einer der polarisierten Strahlen zur Auslöschung (Totalreflexion) gebracht wird. Auf diese Weise verlässt nur der zweite polarisierte Strahl das Polarisationsprisma. In modernen Instrumenten kommen neben Nicol’schen Prismen auch Polarisationsfolien zum Einsatz, die nach dem gleichen Grundprinzip arbeiten.

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Messung der optischen Aktivität

Die optische Aktivität einer Verbindung lässt sich mit einem Polarimeter ermitteln. Es setzt sich im Prinzip aus einer Lichtquelle, einem Polarisationsprisma (Polarisator), einer Messzelle und einem zweiten Polarisationsprisma (Analysator) zusammen. Ohne Probe können eintreffende Lichtstrahlen bei einer bestimmten Stellung von Polarisator und Analysator beide ungehindert passieren. Dies ist dann der Fall, wenn die Schwingungsebenen der austretenden Strahlen aus Polarisator und Analysator parallel zueinander stehen. Stehen sie senkrecht zueinander, so erfolgt eine Auslöschung. Trifft nun das linear polarisierte Licht auf eine optisch aktive Probensubstanz in der Messzelle, so wird die Polarisationsebene des Lichtes gedreht. Der Grad dieser Drehung a (siehe unten) kann mit dem Analysator durch entsprechende Verstellung bestimmt werden. Die beobachtete optische Drehung lässt sich anhand einer Skala ablesen.

Der so genannte Drehwert hängt von einer Reihe von Parametern ab. So spielt die Konzentration der Substanz in der Messzelle eine Rolle. Eine höhere Konzentration erhöht auch den Drehwert. Natürlich ist die Eigenschaft, die Ebene linear polarisierten Lichtes zu drehen, je nach Verbindung verschieden. Sie ist eine spezifische Kenngröße einer Verbindung. Auch gerätespezifische Parameter wirken sich auf die Drehung aus. Die Länge der Messzelle und die verwendete Wellenlänge verändern die ermittelte Größe. Eine größere Messzelle und eine kurzwelligere Lichtquelle lassen eine stärkere Drehung des polarisierten Lichtes zu. Außerdem beeinflussen auch die Temperatur und das verwendete Lösungsmittel die optische Aktivität einer Substanz. Um eine vergleichbare Messgröße zu erhalten, wurde ein Standardwert eingeführt, bei dem alle Parameter eingehen, nämlich die spezifische Drehung [a]:

[a]θλ = a / l c.

In dieser Formel entspricht θ der Temperatur, λ der Wellenlänge, a der beobachteten optischen Drehung, l der Länge der Messzelle und c der Konzentration der Probe in der Messlösung. Die spezifische Drehung ist eine physikalische Konstante wie z. B. der Schmelzpunkt einer Verbindung.

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Optisch aktive Verbindungen

Zwei Enantiomere einer chiralen Verbindung drehen die Ebene linear polarisierten Lichtes genau in die entgegengesetzte Richtung, und zwar um denselben Betrag. So ist die spezifische Drehung des (-)-Enantiomers von 2-Brombutan 23,1 Grad gegen den Uhrzeigersinn und die von (+)-2-Brombutan 23,1 Grad im Uhrzeigersinn. Die optische Aktivität eines Racemats, bei dem die beiden Enantiomere im selben Verhältnis vorliegen, ist demnach gleich null. Ein reines Racemat ist immer optisch inaktiv. Durch Bestimmung der optischen Aktivität einer Verbindung lässt sich deshalb der Anteil an einer möglichen Verunreinigung mit dem anderen Enantiomer ermitteln. Dies hat große Bedeutung für chemische Synthesen, aber auch für die Medizin, wie man an dem Beispiel des Schlafmittels Contergan erkennen konnte. Wurde dieses Mittel während der Schwangerschaft eingenommen, so kam es zu Missbildungen an den Gliedmaßen und Wirbelsäulen der Embryos. Es stellte sich heraus, dass nur ein Enantiomer des Wirkstoffes die teratogene Eigenschaft besaß. Siehe auch Thalidomid

Optisch aktive Substanzen kommen in der Natur häufig vor. So sind viele biologisch wirksame Verbindungen, wie z. B. Proteine, aus chiralen Aminosäuren aufgebaut und optisch aktiv. Aber auch anorganische Stoffe zeigen optische Aktivität, so etwa einige Koordinationsverbindungen oder Kristalle wie Quarzkristalle.