Mit diesem linear polarisierten Licht gehen Enantiomere derselben Verbindung unterschiedliche Wechselwirkungen ein. Die Schwingungsebenen des einfallenden polarisierten Lichtstrahls werden je nach Enantiomer um einen bestimmten Betrag im oder entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Diese Drehung kann man experimentell beobachten. Deshalb bezeichnet man chirale Moleküle (Substanzen) auch als optische aktive Substanzen. Das Maß der zu beobachtenden Drehung hängt von der Stärke und der Asymmetrie des elektrischen Feldes ab, welches durch das chirale Molekül erzeugt wird. Die Größe, um die das linear polarisierte Licht verdreht wird bezeichnet man als optische Drehung oder spezifische Rotation. Die Meßmethode wird als Polarimetrie bezeichnet, das Messgerät heißt Polarimeter . Show
 Chiralität heißt „Händigkeit“. Der Begriff erklärt sich dadurch, dass die rechte und die linke Hand Spiegelbildisomere sind. Der optische Drehwert gibt an, wie polarisiertes Licht beim Durchstrahlen der Probe aus der Ebene gedreht wird. Grundlegender Aufbau eines PolarimetersMan benötigt eine monochromatische Lichtquelle. In den meisten Fällen wird dazu eine Natriumdampflampe verwendet und hier durch einen Filter nur Licht der Wellenlänge 589 nm durchgelassen. Nach der Lichtquelle ist ein feststehender Polarisator montiert. Dieser lässt nur Licht in einer Polarisationsebene passieren. Die Substanz befindet sich gelöst in einem Probenraum (der Küvette), durch den das linear polarisierte Licht strahlt. Befindet sich in dem Probenraum eine chirale Substanz wird die Polarisationsebene des Lichtes verändert. Am Ausgang des Probenraums befindet sich wieder ein Polarisator, der aber beweglich ist. Diesen Polarisator muss durch die manuelle Drehung so verändern werden, dass er das Licht mit der veränderten Polarisationsebene passieren lässt. Auf einer Skala kann nun abgelesen werden, um wie viel Grad das Licht nach dem ersten Polarisator aus der Ebene gedreht wurde. Diesen Wert bezeichnet man als gemessene Drehung α. Befindet sich eine chirale Substanz im Probenraum liegt dieser Wert im Intervall ± 0°<α < ± 179,9°. α = [α]Tλ · c · d[α]Tλ spezifische Drehung bei der angegebenen Wellenlängeλdes polarisierten Lichtes und der TemperaturTcKonzentration des Stoffes im Probenraum in g/100ml LösungsmitteldDicke des Probenraumes in dm Aufbau eines Polarimeters rechts- oder linksdrehend, D- oder LMutarotationLöst man reine α– D – (+) – Glucose oder reine β– D – (+) – Glucose in Wasser, wird ein man feststellen, dass sich der optische Drehwert in Abhängigkeit der Zeit verändert. Den Vorgang nennt man Mutarotation . Mutarotation setzt sich aus den lateinischen Wörtern mutare = verändern und rotare = sich drehen zusammen. Glucose ist eine Aldohexose und kann in einer offenkettigen sowie zwei ringförmigen Strukturen auftreten. Die optische Aktivität ist eine Eigenschaft mancher durchsichtiger Materialien, die Polarisationsrichtung des Lichts zu drehen. Beim Durchgang von linear polarisiertem Licht durch ein optisch aktives Medium wird die Polarisationsebene des Lichts an jedem Molekül ein wenig gedreht. Bei chiralen Molekülen mittelt sich dieser an jedem Einzelmolekül auftretende Effekt nicht mit statistischer Sicherheit wieder zu Null heraus, so dass sich die Einzeldrehungen akkumulieren können. Es resultiert nach Durchgang des Lichts durch den gesamten Substanzkörper ein großer messbarer Netto-Drehbetrag. Man unterscheidet zwischen rechtsdrehenden (die Polarisationsebene vom Beobachter aus nach rechts drehend) und linksdrehenden Substanzen sowie dem Racemat, in dem stets gleiche Konzentrationen der beiden rechts- und linksdrehenden Substanzen (Enantiomere) vorliegen und das somit optisch inaktiv ist. Chemisch-Physikalische UrsachenPolarisiertes LichtLicht ist eine elektromagnetische Welle. Bei einer solchen schwingt ein elektrisches Feld – d. h. der Feldvektor, der die Feldstärke und -richtung beschreibt – senkrecht zum Wellenvektor (Ausbreitungsrichtung) der Welle. Durch die Schwingung des Vektors und die Ausbreitungsrichtung ist also im Raum eine ganz bestimmte Ebene ausgezeichnet. Wenn man, anschaulich gesagt, dem Strahl entgegen schaut, sieht man nur die "Kante" dieser Ebene, die eben in einem bestimmten Winkel geneigt ist. Normales Licht enthält Strahlen, die in jeder beliebigen Richtung schwingen, linear polarisiertes Licht schwingt nur in einer Ebene. In optisch aktiven Substanzen wird die Neigung dieser Ebene verändert. Somit wird auch normales Licht von optisch aktiven Stoffen gedreht, nur fällt es nicht auf, weil vorher wie nachher alle Richtungen vertreten sind. Im Gegensatz dazu ist bei polarisiertem Licht die Änderung des Winkels direkt messbar. Drehung der PolarisationsrichtungUm das Phänomen der optischen Aktivität zu verstehen, muss man sich zunächst klar machen, warum die meisten Stoffe nicht optisch aktiv sind. Denn jedes Molekül jeder Verbindung enthält Ladungsschwerpunkte und somit ein elektrisches Feld, das mit der Welle in Wechselwirkung tritt und die Schwingungsebene leicht drehen kann. Der Grad dieser Drehung hängt entscheidend von der räumlichen Orientierung des Moleküls zur Welle ab. Durch das exakte Spiegelbild eines Moleküls (das Enantiomer) wird eine erfolgte Drehung genau wieder rückgängig gemacht. In einer Lösung sind die Moleküle durch die thermische Bewegung in jede mögliche Lage statistisch verteilt. Man kann also sagen, ein durch ein Molekül gedrehter Strahl wird auf ein Molekül treffen, das so gedreht ist, dass es genau dem Spiegelbild des ersten entspricht und die Drehung rückgängig macht. Im Allgemeinen sind Substanzen also nicht optisch aktiv. Wenn Enantiomere in gleicher Menge vorhanden sind und sich somit die Drehung des polarisierten Lichts wieder aufhebt, spricht man von einem Racemat. Genau bei der Spiegelbild-Vorstellung liegt nun der Grund für die optische Aktivität chiraler Substanzen: Nach Definition lassen sie sich nicht durch Spiegelung an einer Molekülebene in Deckung bringen, wodurch beim reinen Enantiomer keine Spiegelbilder vorliegen und die Drehung also nicht genau rückgängig gemacht werden kann. Daraus resultiert tatsächlich eine makroskopische Drehung der Polarisation. Es gibt keine Korrelation zwischen der (R)- bzw. (S)-Konfiguration (und ebenso der D- bzw. L-Konfiguration) von Enantiomeren und der Drehrichtung des linear-polarisierten Lichts. Überlagern sich zwei gegensinnig zirkular polarisierte Wellen gleicher Frequenz, so entsteht eine linear polarisierte Welle. Bei der optischen Aktivität erfolgt das Gegenteil: eine linear polarisierte Welle wird in zwei zirkular polarisierte Wellen aufgeteilt, eine links und eine rechtsdrehende. Optisch aktive Stoffe haben nun die Eigenschaft, dass eine dieser beiden Wellen eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit hat. Am Ende des Kristalls hat sich also eine Welle nicht so weit gedreht wie die andere, die Überlagerung beider Wellen ergibt wieder eine linear polarisierte Welle (die Frequenz wird im Medium nicht verändert), deren elektrischer Feldvektor allerdings um einen Winkel Alpha gedreht ist. Spezifischer Drehwinkel→ Hauptartikel: Drehwert Der makroskopische Drehwinkel, den man beim Durchgang von linear polarisiertem Licht durch eine optisch aktive Substanz findet, hängt zunächst von der Substanz selbst ab, verschiedene Moleküle beeinflussen das Licht unterschiedlich. Aber auch bei gegebener Substanz hängt der Drehwinkel von weiteren Faktoren ab:
Wenn die Wellenlänge des Lichts und die Temperatur gegeben sind, kann man den sogenannten spezifischen Drehwinkel einer Substanz (für diese Wellenlänge und diese Temperatur) bestimmen. Es sei die Wellenlänge λ und die Temperatur T gegeben. Misst man bei einer Lösung mit der Massenkonzentration $ \beta $ und der durchstrahlten Dicke d den Drehwinkel α, dann gilt für den spezifischen Drehwinkel a (auch Drehwert): $ \left[a\right]_{\lambda }^{T}={\frac {\alpha }{\beta \cdot d}} $.Literaturwerte beziehen sich auf die sonst eher unüblichen Einheiten $ \beta $ = 1 (entspricht 1 g Substanz pro 100 cm³ Lösung) und d = 1 dm. Normalerweise ist der Winkel für gelbes Natriumlicht (λ = 589 nm, bzw. "D" für die Natrium-D-Linie) und eine Temperatur von 20 °C oder 25 °C angegeben: [α]D20. Der Drehwinkel hängt dabei reziprok vom Quadrat der Wellenlänge ab: $ [a]={\frac {k}{\lambda ^{2}}} $.Andere UrsachenEinige Kristalle, u. a. Quarz, Zinnober und Natriumchlorat, drehen auch das Licht. Bei ihnen liegt die Asymmetrie in der Kristallstruktur. In Anwesenheit eines statischen magnetischen Feldes sind alle Moleküle optisch aktiv. Dieser Faraday-Effekt war eine der ersten Entdeckungen, die einen Zusammenhang zwischen Licht und Elektromagnetismus zeigten. DrehwinkelDer Drehwinkel $ \alpha $, um den die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht der Wellenlänge $ \lambda $ nach Durchlaufen der Strecke d gedreht wurde, ist: $ \alpha ={\frac {\pi d}{\lambda }}(n_{\mathrm {l} }-n_{\mathrm {r} })\ , $wobei $ n_{\mathrm {l} } $ der Brechungsindex für linksdrehendes Licht und $ n_{\mathrm {r} } $ derjenige für rechtsdrehes Licht ist. Praktische BedeutungMessbar ist die optische Aktivität mittels eines Polarimeters. Mit der Kenntnis des Drehwinkels, einem solchen Polarimeter und obiger Formel lässt sich die Konzentration einer Lösung errechnen, was besonders in der Zuckerverarbeitung Anwendung findet. Einige historische Bezeichnungen sind auf diese praktische Anwendung zurückzuführen: So ist Dextrose (lat. dexter, rechts) ein historischer Name der Glucose, die rechtsdrehend ist, während Laevulose (Fructose, lat. laevus, links) linksdreht. Wird Saccharose gespalten und so in ein Gemisch aus beiden umgewandelt (Invertzucker), invertiert sich die Drehrichtung von rechts nach links, der neue Drehwinkel ist die Summe der Drehwinkel der in gleicher Konzentration vorliegenden Glucose und Fructose. Naturstoffe besitzen häufig eine Vielzahl von chiralen Zentren mit eindeutiger Konfiguration. Enantiomere drehen die Ebene des polarisierten Lichtes um den gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtungen. Gewöhnlich besitzen Enantiomere eine unterschiedliche physiologische Wirkung in lebenden Organismen. Deshalb ist die Messung der „optischen Reinheit“ mit einem Polarimeter ein wichtiges Qualitätskriterium für chirale Arzneistoffe. Siehe auch
Abgerufen von „https://www.chemie-schule.de/chemie_137/index.php?title=Optische_Aktivität&oldid=2765“ Was versteht man unter optischer Aktivität?Beim Durchgang von linear polarisiertem Licht durch Substanzen mit chiralen Molekülen wird die Polarisationsebene des Lichts gedreht. Man spricht dann von optischer Aktivität und sagt, die Substanz ist optisch aktiv.
Was ist die Grundvoraussetzung für optische Aktivität?Die Chiralität ist die Voraussetzung für das Auftreten von optischer Aktivität. Verbindungen, welche die Ebene des polarisierten Lichtes drehen, bezeichnet man als optisch aktiv. Die beiden Moleküle - Bild und Spiegelbild - heißen Enantiomere und unterscheiden sich nur in ihrer optischen Aktivität.
Welche Verbindungen sind optisch aktiv?Weist eine Substanz eine spezifische Drehung auf (Drehwert), wird sie als optisch aktiv bezeichnet. Spezielle Enantiomere einer Verbindung (z.B. der Milchsäure) sind optisch aktiv. Sind sie in Lösungen vorhanden, drehen sie die Ebene des polarisierten Lichts um denselben Betrag, jedoch in unterschiedliche Richtungen.
Warum ist Glucose optisch aktiv?Anmerkung: Optisch aktive Kohlenstoffatome haben 4 verschiedene Substituenten. Das C6 bei der Glucose ist optisch inaktiv, da es zwei gleiche Substituenten (die beiden Wasserstoffatome) hat.
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Welche grundsätzliche bedeutung hat die optische aktivität von molekülen
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