Удельное вращение плоскости поляризации оптически активным веществом определяется как угол вращения, отнесенный к единице толщины просвечиваемого материала:
Если угол вращения измеряется в угловых градусах, а толщина слоя l - в мм, то размерность удельного вращения составит [град/мм].
Соответственно удельное вращение оптически активной жидкости (не раствора) с плотностью с [г/см 3 ] определяется выражением
Так как оптическая активность жидкостей намного меньше оптической активности твердых тел, а толщина слоя жидкости измеряется в дециметрах , то удельное вращение жидкостей имеет размерность [град·см- 3 /(дм·г)].
Удельное вращение раствора оптически активного вещества в оптически неактивном растворителе с концентрацией С (г/100 мл) раствора определяется по формуле
В органической химии как разновидность удельного вращения используется также величина молярного вращения.
Определение концентрации растворенных оптически активных веществ по результатам измерения угла вращения б [град] при данной толщине слоя l [дм] для определенной длины волны [нм] производится по уравнению Био (1831 г.):
Закон Био практически всегда выполняется в области низких концентраций, в то время как при высоких концентрациях имеют место существенные отклонения
Мешающие факторы при поляриметрических измерениях
При каждом преломлении и отражении от поверхности, не перпендикулярной направлению света, происходит изменение состояния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности и пузырей в исследуемом веществе вследствие множества поверхностей сильно снижает поляризацию, и чувствительность измерения может снизиться ниже допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах кювет и на защитных стеклах источника света.
Термические и механические напряжения в защитных стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к эллиптической поляризации, которая накладывается на результат измерения в виде кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы и не постоянны во времени, следует тщательно следить, чтобы механические напряжения в оптических элементах не появились.
Сильная зависимость оптической активности от длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы составляет 0,3%/нм в области видимого света, заставляет использовать в поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обычно требуется лишь в интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения 1/10000), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки высокого давления, которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны для поляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения. Применение более широких спектральных полос возможно лишь для приборов, в которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фарадея. В приборах с кварцевым клином возможности компенсации при измерении сахарозы ограничены. При компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала вращательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь универсальности использованных способов не удается.
При измерении с конечной шириной спектральной полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорбции возникает смещение эффективного центра тяжести распределения длин волн, искажающее результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.
При контроле быстротекущих непрерывных потоков растворов возникающая вследствие двойного преломления света потоком эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить лишь тщательным формированием потока, например, обеспечением ламинарного параллельного потока в кюветах и снижением его скорости. поляризация свет вращение оптический
Конфигурация этого вещества может быть скоррелирована с конфигурациями винной кислоты и далее с глицериновым альдегидом.
Вращение плоскости поляризации
Явление вращения плоскости поляризации световой волны на некоторый угол при прохождении света сквозь кристаллические тела и некоторые изотропные жидкости, называется вращением плоскости поляризации или оптической активностью.
Если вещество не находится во внешнем магнитном поле, то оптическая активность будет естественной.
Естественная оптическая активность была открыта в 1811 г. Д. Араго на пластинках кварца, которые вырезаны перпендикулярно оптическим осям.
Пусть взгляд наблюдателя направлен навстречу падающему лучу. Вращения называют правым (положительным), если плоскость поляризации поворачивается вправо (по часовой стрелке) для наблюдателя, и левым (отрицательным), если она поворачивается влево.
В природе существует два типа кристаллов кварца, которые являются зеркальным отражением друг друга. Первые обращают плоскость поляризации вправо, другие - влево и видповидно называются право- и левовращающий кварцем. Угол вращения плоскости поляризации пропорционален толщине слоя оптически активного вещества:
Рисунок 2.
где $l$ - длина пути луча в оптически активной среде; $α$ - коэффициент пропорциональности, который называют вращательной способностью, или удельным вращением. Он зависит от природы вещества, температуры и длины волны .
Удельное вращение равно величине угла, на который возвращается плоскость поляризации монохроматического света при прохождении слоя толщиной $l$.
Далеко от полос поглощения свет вещества зависимость от удовлетворяет закон Био:.
Рисунок 3.
Для оптически активных жидкостей и растворов Ж. Био установил, что угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине слоя $l$ и концентрации $C$ оптически активного вещества, то есть,
Рисунок 4.
где $[α]$ - коэффициент пропорциональности, который называется удельным вращением раствора. Коэффициент зависит от природы оптически активного вещества и растворителя, температуры и длины волны света.
Свойства оптической активности растворов позволяют определить их концентрации. Приборы, с помощью которых проводят такие измерения, называются поляриметром. Поскольку для раствора сахара удельное вращение значительное, то поляриметры получили широкое применение в сахариметрии.
Теорию вращения плоскости поляризации оптически активными веществами разработал А. Френель. Он считал, что это явление обусловлено особым видом двойного преломления лучей, при котором скорость распространения света в активной среде различна для лучей, имеющих правую и левую круговые поляризации. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется соотношением между скоростями распространения лучей правой циркуляционной поляризации и левой циркуляционной поляризации. Для оптически активную среду будет положительным, а для будет отрицательным.
На входе в оптически активное вещество линейно поляризованный монохроматический свет разлагается на две волны той же частоты, но поляризованные по кругу во взаимно противоположных направлениях:
Рисунок 5.
Векторы и этих волн симметричны относительно плоскости $p - p$ колебаний падающего света.
При выходе из оптически активной среды с толщиной слоя $l$ электрический вектор правоциркуляцийнои волны будет возвращен на больший угол, чем для ливоциркуляцийнои волны. В результате плоскость, относительно которой электрические векторы этих волн размещены симметрично, будет повернута вправо на угол относительно плоскости поляризации падающей волны.
Углы поворота электрического вектора правой и левой волн зависят от времени распространения волны $t$ и длины их пути в оптически активной среде.
В 1845 г. М. Фарадей обнаружил, что при распространении линейно поляризованного света в оптически неактивных веществах в направлении магнитного поля, то происходит поворот плоскости поляризации на некоторый угол. Если наблюдатель смотрит в направлении магнитного поля, то поворот направо считается положительным, слева - отрицательным.
Использование вращения плоскости поляризации
Величину удельного вращения определяют для подтверждения чистоты и тождества оптически активного вещества. Поскольку удельное вращение зависит от концентрации и природы растворителя, условия его определения приводятся в соответствующих монографиях на лекарственные средства.
В интервале концентраций, при которых удельное вращение - постоянная величина, с помощью угла вращения можно рассчитать концентрацию вещества в растворе:
Замечание 1
Таким образом, можно сделать вывод о том, что поляриметрия, как метод анализа используется в как в качественном, так и в количественном фармацевтическом анализе.
Определение степени чистоты глюкозы и аскорбиновой кислоты
Определение по величинам удельного оптического вращения основывается на измерении угла поворота $(α)$ растворов глюкозы и аскорбиновой кислоты и расчета удельного оптического вращения. Для 10% водного раствора глюкозы величина удельного оптического вращения составляет от + 51,3 ° до + 53,0 °; для 20% раствора аскорбинок кислоты от + 22 ° до + 24 °.
Полученные значения сравнивают с табличными данными и делают выводы о соответствии исследуемых веществ стандартам качества.
Идентификация право- и левовращающий камфоры
Данное определение основывается на измерении угла вращения плоскости поляризации спиртовых растворов камфоры. Камфора, полученная из камфорного дерева - право вращающаяся, с масла пихты - левовращающий изомер, синтетическая камфора - оптически неактивное вещество. Удельное оптическое вращение 10% раствора камфоры в 95% спирте для правой вращающейся камфоры составляет от + 41 ° до + 44 °, для лево вращающейся от -39 ° до -44 °.
Заполняют поляриметрические трубку жидкостью или раствором с известной концентрацией твердого вещества, повторяют вышеприведенные операции и определяют угол вращения по шкале прибора. Определение угла вращения повторяют не менее 5 раз и рассчитывают его среднее значение. Угол вращения является алгебраической разностью между полученным значением и нулевой точкой. Измеряют угол вращения приготовленных растворов с право- и лево вращающейся камфорой и делают выводы об идентификации исследуемого вещества.
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ
Поляриметрия
ОФС.1.2.1.0018.15
Взамен ГФ
XII
,ч.1, ОФС 42-0041-07
Оптическое вращение – свойство вещества вращать плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света.
В зависимости от природы оптически активного вещества вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину. Если от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество, плоскость поляризации вращается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим и перед его названием ставят знак (+); если же плоскость поляризации вращается против часовой стрелки, то вещество называют левовращающим и перед его названием ставят знак (–).
Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой α. Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, длины пути поляризованного света в оптически активной среде (чистом веществе или растворе) и длины волны света. Для растворов величина угла вращения зависит от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Величина угла вращения прямо пропорциональна длине пути света, т. е. толщине слоя оптически активного вещества или его раствора. Влияние температуры в большинстве случаев незначительно.
Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации света вычисляют величину удельного вращении [α].
Удельное оптическое вращение представляет собой угол вращения α плоскости поляризации монохроматического света при длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм), выраженный в градусах, измеренный при температуре 20 ºС, рассчитанный для толщины слоя испытуемого вещества 1 дм и приведенный к концентрации вещества, равной 1 г/мл. Выражается в градус-миллилитрах на дециметр-грамм [(º) ∙ мл ∙ дм -1 ∙ г -1 ].
Иногда для измерения используют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм.
При определении [α] в растворах оптически активного вещества необходимо иметь в виду, что найденная величина может зависеть от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества.
Замена растворителя может привести к изменению [α] не только по величине, но и по знаку. Поэтому, приводя величину удельного вращения, необходимо указывать растворитель и выбранную для измерения концентрацию раствора.
Удельное вращение определяют в пересчете на сухое вещество или из высушенной навески, что должно быть указано в фармакопейной статье.
Измерение угла вращения проводят на поляриметре, позволяющем определить величину угла вращения с точностью ± 0,02 ºС при температуре (20 ± 0,5) ºС. Измерения оптического вращения могут проводиться и при других значениях температуры, но в таких случаях в фармакопейной статье должен быть указан способ учета температуры. Шкалу обычно проверяют при помощи сертифицированных кварцевых пластинок. Линейность шкалы может быть проверена при помощи растворов сахарозы.
Оптическое вращение растворов должно быть измерено в течение 30 мин с момента их приготовления; растворы или жидкие вещества должны быть прозрачными. При измерении прежде всего следует установить нулевую точку прибора или определить величину поправки с трубкой, заполненной чистым растворителем (при работе с растворами), или с пустой трубкой (при работе с жидкими веществами). После установки прибора на нулевую точку или определения величины поправки проводят основное измерение, которое повторяют не менее 3 раз.
Для получения величины угла вращения α показания прибора, полученные при измерениях, алгебраически суммируют с ранее найденной величиной поправки.
Величину удельного вращения [α] рассчитывают по одной из следующих формул.
Для веществ, находящихся в растворе:
l – толщина слоя, дм;
c – концентрация раствора, г вещества на 100 мл раствора.
Для жидких веществ:
где α – измеренный угол вращения, градусы;
l – толщина слоя, дм;
ρ – плотность жидкого вещества, г/мл.
Измерение величины угла вращения проводят для оценки чистоты оптически активного вещества или для определения его концентрации в растворе. Для оценки чистоты вещества по уравнению (1) или (2) рассчитывают величину его удельного вращения [α]. Концентрацию оптически активного вещества в растворе находят по формуле:
Поскольку величина [α] постоянна только в определенном интервале концентраций, возможность использования формулы (3) ограничивается этим интервалом.
(ПОЛЯРИМЕТРИЯ)
Оптическое вращение - это способность вещества вращать плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света.
В зависимости от природы оптически активного вещества вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину. Если от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество, плоскость поляризации вращается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим и перед его названием ставят знак "+", если же плоскость поляризации вращается против часовой стрелки, то вещество называют левовращающим и перед его названием ставят знак "-".
Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой a. Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, длины пути поляризованного света в оптически активной среде (чистом веществе или растворе) и длины волны света. Для растворов величина угла вращения зависит от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Величина угла вращения прямо пропорциональна длине пути света в оптически активной среде, т.е. толщине слоя оптически активного вещества или его раствора. Влияние температуры в большинстве случаев незначительно.
Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации света вычисляют величину удельного вращения [a]. Удельное вращение - это константа оптически активного вещества. Удельное вращение [a]определяют расчетным путем как угол поворота плоскости поляризации монохроматического света на пути длиной в 1 дм в среде, содержащей оптически активное вещество, при условном приведении концентрации этого вещества к значению, равному 1 г/мл.
Если нет специальных указаний, определение оптического вращения проводят при температуре 20 о С и при длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм). Соответствующую величину удельного вращения обозначают [a] D 20 . Иногда для измерения исользуют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм.
При определении [a] в растворах оптически активного вещества необходимо иметь в виду, что найденная величина может зависеть от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Замена растворителя может привести к изменению [a] не только по величине, но и по знаку. Поэтому, приводя величину удельного вращения, необходимо указывать растворитель и выбранную для измерения концентрацию раствора.
Величину удельного вращения рассчитывают по одной из следующих формул.
Для веществ, находящихся в растворе (1):
где a- измеренный угол вращения в градусах; l - толщина слоя в дециметрах; с - концентрация раствора, выраженная в граммах вещества на 100 мл раствора.
Для жидких веществ (2):
где a- измеренный угол вращения в градусах; l - толщина слоя в дециметрах; r- плотность жидкого вещества в граммах на 1 мл.
Удельное вращение определяют либо в пересчете на сухое вещество, либо из высушенной навески, о чем в частных статьях должно быть соответствующее указание.
Измерение величины угла вращения проводят либо для оценки чистоты оптически активного вещества, либо для определения его концентрации в растворе. Для оценки чистоты вещества по уравнению (1) или (2) рассчитывают величину его удельного вращения [a]. Концентрацию оптически активного вещества в растворе
находят по формуле (3):
Поскольку величина [a] постоянна только в определенном интервале концентраций, возможность использования формулы (3) ограничивается этим интервалом.
Измерение угла вращения проводят на поляриметре, позволяющем определить величину угла вращения с точностью +/- 0,02 град.
Предназначенные для измерения угла вращения растворы или жидкие вещества должны быть прозрачными. При измерении прежде всего следует установить нулевую точку прибора или определить величину поправки с трубкой, заполненной чистым растворителем (при работе с растворами) или с пустой трубкой (при работе с жидкими веществами). После установки прибора на нулевую точку или определения величины поправки проводят основное измерение, которое повторяют не менее 3 раз.
Для получения величины угла вращения a показания прибора, полученные при измерениях, алгебраически суMrируют с ранее найденной величиной поправки.
Многие вещества обладают свойством отклонять плоскость поляризациии при прохождении через них прямолинейно поляризованного света; это свойство называют оптической активностью. Измерение оптической активности используется в фармакопейных целях главным образом для установления подлинности вещества.
Оно может также применяться как испытание на чистоту (отсутствие оптически неактивных посторонних веществ) и как метод количественного опреде- .ления.
Оптическое вращение
Оптическое вращение - это угол, на который отклоняется плоскость поляризации при прохождении поляризованного света через слой жидкости. Вещества считаются правовращающими или левовращающими в зависимости от того, вращается ли плоскость поляризации по часовой стрелке или против нее, что устанавливается наблюдением в направлении источника света. Вращение вправо обозначается (+), а вращение влево (-).
В Международной фармакопее оптическое вращение (а) выражается в угловых градусах. В системе единиц СИ угол оптического вращения выражается в радианах (рад).
Оптическое вращение измеряют в слое жидкости подходящей толщины при длине волны, указанной в статье. Если указана D-линия спектра натрия, следует использовать линию спектра натрия с длиной волны 589,3 нм (средняя величина для дублета при 589,0 нм и 589,6 нм). Часто также используют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм. Если указана длина волны, лежащая в ультрафиолетовой области, необходимо применять фотоэлектрический поляриметр.
Измерение оптического вращения следует проводить при температуре, указанной в статье, обычно при 20-25 °С. Некоторые вещества имеют большой температурный коэффициент. поэтому необходимо особо проследить за тем, чтобы были соблюдены указанные температурные условия.
Удельное оптическое вращение (удельное вращение)
Удельное оптическое вращение жидкого вещества - это угол вращения, измеренный, как указано в статье, вычисленный в пересчете на слой толщиной 100 мм и разделенный на относительную плотность (удельную массу), измеренную при температуре, при которой определено вращение.
Удельное оптическое вращение твердого вещества - это угол вращения, измеренный, как указано в статье, и вычисленный в пересчете на слой толщиной 100 мм раствора, содержащего 1 г вещества в 1 мл.
10 000а 10 000а
Удельное вращение =
““ наблюдаемое вращение, / - длина наблюдаемого слоя оягтп’ппо 7исло праймов вещества, содержащееся в 100 мл веш?™ ^ относительная плотность и р - число граммов Щ а, содержащееся в 100 г раствора.
В Международна Ф«Р-^ щение выражается как ^ указываются растворитель,
на волны. Для ™еР^"Х В(™ У 0бщие указания, касаю- если это не вода, и концен Р ~L и приведенные выше для щиеся ДЛИН вол" " Те“ак^е Относятся к измерению удель-
ГоГГ„™есв„Г™™„„я. в
м2-рад/моль.
^Оптическое вращение измеряют при помощи периметра.
Нулевая точка вещестГГпри Наполненной опре-
деленньщ5^растворителем Поляриметр
Обычно фармакопейным целям уд ппго"и обеспечиваю-
потребоваться поляриметр с точностью измериия До 0^1 вращения утла и обеспечивают ту же в
продажеРприборыДобычно
ИГс^Тующесо НСТРЧ. НИКфотоэлектрические поляриметры: если статья предписыва-
ГолТуГ’фот^ точность не менее 0,01 .
Измерение оптического Вращения
тичгс^ого°в^а^ения следует ^ч^ть^римденныТни^ общие
УКао“и”еские элементы прибора дол^ы ^шь„безукориз-
Г„~рД““й волны 546,1 нм. для ноляри-
метров, имеющих другую конструкцию, в качестве фильтров можно использовать кюветы, содержащие соответственна окрашенные жидкости. u
Степень точности и воспроизводимости наблюдений должна быть такой, чтобы разность между повторными изменениями или между наблюдаемой и истинной величиной вращения (последняя устанавливается калибровкой шкалы по ляр.иметра с подходящими стандартами) не превышала Ч
РещесВтваа’ ПРИВЄДЄНН0Г0 В Статье дл* вращения испытуемою
Трубки поляриметра следует заполнять таким образом чтобы в них не образовывались и не оставались пузырьки воздуха, которые мешают прохождению луча света Влияние пузырьков уменьшается, если использовав трубку у КОТо рои с одного конца расширено отверстие. Однгшо по/напол нении трубок с одинаковым отверстием тякну ° ,Р ЗПОЛ" ро- и микрозрубки, следует
предосторожности. соответствующие меры
Закрывая трубки, имеющие съемные оконпа г nnn „ ками и колпачками, последние следует затягивать лишь аД" столько, насколько это нужно чтобГжт! шь На‘
валась между оконцем и самой трубкої и^ ”Є Просачи- ние на оконце может вызвать Избыточное давле-
помехам при измерении При ппП?!РМаЦИЮ’ ЧТ° пРив°Дит к щения веществ с Низким Р пределении оптического вра-
освобождать колпачки и затягиваю мінова™ желательно довательными Отсчетами ПРИ СНЯТИИ леса между после- вратцения, а также при нс ■ Ятии воказании оптического НО устанавливаїот различия eR°roJa4Ke" Таыш о6Разом обы,-
формацией ОТ ОКОТцГ П^те ""”Х- 0бУ“ОВЛеННЫХ де-
ЩУ^подстройку ДЛЯ устранения шмех°ИЗВОДЯТ соответствУЮ-
потери при высушивании0 водыРштиДеНЫ НОрмы в отн°шении ля, требования, касающиеся ппти СОДеРжания растворите- «ого вращения, относятся к вьш-,4”0 Вращения и удель- не содержащему раствопителя вушенномУ> безводному или Результатов Пр« «ведении
воды или растворителя и потепи Ь В° внимание содержание ленные методом, указанным в сїатьТ ВЫсушнвании- опреде.
ПЫ пепЄСТВО’ ВЗВеШНВа10Т подходя-
Прибавляют растворитель в.^ТІ"сеТеТжГ^мїїки,
КдаиТли “утаротации." Во время опыта поддерживают тре-
6yeKTBemSPny(SSSer собой жидкость, доводят его температуру!6если необходимо, до требуемой и переносят
снимают не"менее 6 показаний наблюдаемого вращения їри требуемой температуре. Берут ’ £!
гя растворителем и проводят равное число измерении. Если ЧЕЕоГ^йЪ-: Нулевая1 „ГрГаТр^Г-
вычитают из знак или прибавляют, если
S™ иммт противоположный знак; таким образом получают
скорректированную величину наблюдаемого оптического вра-
«и используется фотоэлектрический поляриметр, В за- висимотти Г™Упа прибора снимают меньшее число пока- заний.