Chất quang hoạt (Optically active substance/Chiral substance)

Chất quang hoạt, hay còn gọi là chất có tính quang hoạt, chất chiral, là những chất có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực phẳng. Hiện tượng này được gọi là hoạt tính quang học. Các chất quang hoạt tồn tại dưới dạng hai đồng phân đối quang (enantiomer), thường được gọi là đồng phân tả tuyền và hữu tuyền, có cấu trúc không gian là ảnh đối xứng gương của nhau và không chồng khít lên nhau được.

Ánh sáng phân cực phẳng

Ánh sáng thường là sự dao động của vectơ điện trường theo mọi hướng vuông góc với hướng lan truyền. Ánh sáng phân cực phẳng là ánh sáng mà vectơ điện trường chỉ dao động trong một mặt phẳng duy nhất, gọi là mặt phẳng phân cực. Để thu được ánh sáng phân cực phẳng từ ánh sáng thường, người ta có thể sử dụng các bộ lọc phân cực, ví dụ như lăng kính Nicol. Khi chiếu ánh sáng phân cực phẳng qua một chất quang hoạt, mặt phẳng phân cực của ánh sáng sẽ bị quay đi một góc nhất định.

Nguyên nhân gây ra hoạt tính quang học

Hoạt tính quang học của một chất bắt nguồn từ sự bất đối xứng của phân tử. Cụ thể hơn, nó liên quan đến sự hiện diện của một hoặc nhiều nguyên tử cacbon bất đối xứng (còn gọi là nguyên tử cacbon chiral hoặc trung tâm chiral). Ngoài ra, hoạt tính quang học cũng có thể xuất hiện ở các phân tử không chứa nguyên tử cacbon chiral, miễn là phân tử đó có tính bất đối xứng, ví dụ như các hợp chất dị vòng hoặc allen.

Một nguyên tử cacbon bất đối xứng là một nguyên tử cacbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau. Một phân tử chứa một nguyên tử cacbon bất đối xứng sẽ tồn tại dưới hai dạng đồng phân lập thể gọi là đồng phân đối quang (enantiomer) hoặc đồng phân quang học.

Đồng phân đối quang (Enantiomer)

Hai đồng phân đối quang là ảnh đối xứng gương của nhau nhưng không chồng khít lên nhau, tương tự như bàn tay trái và bàn tay phải. Chúng có cùng tính chất vật lý và hóa học, ngoại trừ hai điểm:

Sự quay mặt phẳng phân cực: Một đồng phân sẽ quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng sang phải (ký hiệu là (+), dextrorotatory), trong khi đồng phân kia quay mặt phẳng phân cực sang trái (ký hiệu là (-), levorotatory) với cùng một góc quay tuyệt đối. Việc quay sang phải hay sang trái không liên quan đến cấu hình R/S của đồng phân.
Phản ứng với các chất quang hoạt khác: Các đồng phân đối quang có thể phản ứng khác nhau với các chất quang hoạt khác. Ví dụ như các enzyme trong cơ thể sống thường chỉ tác dụng lên một đồng phân đối quang cụ thể.

Góc quay và độ quay cực riêng

Góc quay ($\alpha$) của mặt phẳng phân cực phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: bản chất của chất, nồng độ dung dịch, chiều dài đường đi của ánh sáng qua dung dịch, bước sóng của ánh sáng và nhiệt độ.

Để so sánh hoạt tính quang học của các chất khác nhau, người ta sử dụng độ quay cực riêng ($[\alpha]$), được định nghĩa là góc quay của mặt phẳng phân cực bởi một dung dịch có nồng độ 1g/ml trong ống đo có chiều dài 1 dm (tương đương 10 cm) ở một bước sóng và nhiệt độ xác định (thường là bước sóng natri D, 589 nm, và nhiệt độ 20°C).

Công thức tính độ quay cực riêng:

$[\alpha]_\lambda^T = \frac{\alpha}{l \times c}$

Trong đó:

$[\alpha]_\lambda^T$: độ quay cực riêng tại bước sóng $\lambda$ và nhiệt độ $T$.
$\alpha$: góc quay quan sát được (độ)
$l$: chiều dài đường đi của ánh sáng (dm)
$c$: nồng độ dung dịch (g/ml)

Hỗn hợp racemic

Hỗn hợp racemic (hay racemate) là hỗn hợp chứa hai đồng phân đối quang với tỷ lệ 1:1. Hỗn hợp racemic không làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng vì hiệu ứng quay của hai đồng phân triệt tiêu lẫn nhau. Hỗn hợp racemic được ký hiệu bằng (±) hoặc dl.

Ý nghĩa của chất quang hoạt

Chất quang hoạt đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong hóa học, sinh học và y học. Ví dụ:

Dược phẩm: Nhiều loại thuốc là chất quang hoạt, và chỉ một trong hai đồng phân đối quang mới có tác dụng điều trị, trong khi đồng phân kia có thể gây tác dụng phụ hoặc không có tác dụng. Thalidomide là một ví dụ điển hình về tầm quan trọng của hoạt tính quang học trong dược phẩm.
Sinh học: Các amino acid tạo nên protein hầu hết đều là L-amino acid (một dạng đồng phân đối quang).
Hóa sinh: Đường glucose tự nhiên là D-glucose.

Phân biệt chất quang hoạt và chất chiral

Mặc dù hai thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng có một số khác biệt nhỏ. Một phân tử chiral là phân tử không chồng khít lên ảnh đối xứng gương của nó. Một chất quang hoạt là một chất có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng. Hầu hết các chất chiral đều có hoạt tính quang học, nhưng một số trường hợp ngoại lệ tồn tại. Ví dụ, một số phân tử có nhiều trung tâm chiral nhưng lại có một mặt phẳng đối xứng nội phân tử, làm cho chúng không có hoạt tính quang học. Những phân tử này được gọi là hợp chất meso.

Phương pháp xác định hoạt tính quang học

Hoạt tính quang học được xác định bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là máy đo độ quay cực. Máy đo độ quay cực gồm một nguồn sáng, một bộ phận phân cực để tạo ra ánh sáng phân cực phẳng, một ống chứa mẫu chất cần đo, và một bộ phận phân tích để xác định góc quay của mặt phẳng phân cực.

Ứng dụng của chất quang hoạt

Ngoài những ứng dụng đã được đề cập, chất quang hoạt còn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:

Công nghiệp thực phẩm: Xác định độ tinh khiết của đường và các chất ngọt khác.
Công nghiệp hóa chất: Phân tích và tổng hợp các hợp chất chiral.
Khoa học vật liệu: Chế tạo vật liệu quang học mới.
Công nghệ nano: Tổng hợp các hạt nano chiral.

Các khái niệm liên quan

Diastereomer: Là các đồng phân lập thể không phải là enantiomer. Chúng có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau.
Epimer: Là một loại diastereomer chỉ khác nhau về cấu hình tại một trung tâm chiral.
Anomer: Là một loại diastereomer của các đường, khác nhau về cấu hình tại nguyên tử cacbon anomeric.

Tóm tắt về Chất quang hoạt

Chất quang hoạt, hay còn gọi là chất chiral, là những chất có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực phẳng. Tính chất này bắt nguồn từ sự bất đối xứng trong cấu trúc phân tử, thường liên quan đến sự hiện diện của một hoặc nhiều nguyên tử cacbon bất đối xứng (trung tâm chiral). Một nguyên tử cacbon bất đối xứng là một nguyên tử cacbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau.

Các chất quang hoạt tồn tại dưới dạng các cặp đồng phân đối quang (enantiomer), là ảnh đối xứng qua gương của nhau nhưng không chồng khít lên nhau. Hai enantiomer có cùng tính chất vật lý và hóa học, ngoại trừ hướng quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng và khả năng phản ứng với các chất quang hoạt khác. Một enantiomer quay mặt phẳng phân cực sang phải (+), trong khi enantiomer kia quay mặt phẳng phân cực sang trái (-) với cùng một góc quay tuyệt đối.

Độ quay cực riêng ([$\alpha$]) là một đại lượng đặc trưng cho khả năng quay mặt phẳng phân cực của một chất. Nó được tính theo công thức $[\alpha] = \frac{\alpha}{l \times c}$, trong đó $\alpha$ là góc quay quan sát được, $l$ là chiều dài đường đi của ánh sáng, và $c$ là nồng độ dung dịch. Hỗn hợp racemic, chứa hai enantiomer với tỷ lệ 1:1, không làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng.

Chất quang hoạt đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong sinh học và y học. Nhiều loại thuốc, amino acid, và đường là chất quang hoạt, và hoạt tính sinh học của chúng thường phụ thuộc vào cấu hình tuyệt đối của chúng. Việc hiểu rõ về hoạt tính quang học là rất quan trọng để thiết kế và tổng hợp các loại thuốc mới, cũng như để hiểu rõ hơn về các quá trình sinh học. Phân biệt chất quang hoạt (quay mặt phẳng phân cực ánh sáng) và chất chiral (không chồng khít lên ảnh gương) cũng quan trọng, vì không phải chất chiral nào cũng quang hoạt (ví dụ các hợp chất meso).

Tài liệu tham khảo:

Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2018). Organic Chemistry: Structure and Function. W. H. Freeman and Company.
Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2012). Organic Chemistry. Oxford University Press.
McMurry, J. (2016). Organic Chemistry. Cengage Learning.
Wade, L. G. (2010). Organic Chemistry. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt hai enantiomer của một chất trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Phương pháp phổ biến nhất để phân biệt hai enantiomer là sử dụng sắc ký chiral. Trong kỹ thuật này, mẫu được cho đi qua một cột sắc ký chứa pha tĩnh chiral. Hai enantiomer sẽ tương tác khác nhau với pha tĩnh chiral và do đó sẽ được tách ra. Ngoài ra, có thể sử dụng phương pháp đo độ quay cực để xác định xem chất đó quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng sang phải hay sang trái. Tuy nhiên, phương pháp này không thể phân tách hai enantiomer. Một số phương pháp khác bao gồm: cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) với thuốc thử chiral, tinh thể học tia X.

Ngoài nguyên tử cacbon bất đối xứng, còn có những yếu tố nào khác có thể gây ra hoạt tính quang học?

Trả lời: Hoạt tính quang học không chỉ giới hạn ở các phân tử có nguyên tử cacbon bất đối xứng. Các phân tử có trung tâm chiral khác như phosphor, nitơ, lưu huỳnh cũng có thể có hoạt tính quang học. Ngoài ra, một số phân tử không có trung tâm chiral nhưng vẫn có hoạt tính quang học do sự chiral theo trục, chiral theo mặt phẳng hoặc chiral xoắn.

Tại sao hỗn hợp racemic không làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng?

Trả lời: Hỗn hợp racemic chứa hai enantiomer với tỷ lệ 1:1. Mỗi enantiomer làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng với một góc bằng nhau nhưng theo hướng ngược nhau. Do đó, hiệu ứng quay của hai enantiomer triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến hỗn hợp racemic không làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng.

Độ quay cực riêng có phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng không?

Trả lời: Có, độ quay cực riêng phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng được sử dụng. Hiện tượng này được gọi là tán sắc quay cực. Do đó, khi báo cáo độ quay cực riêng, cần phải ghi rõ bước sóng của ánh sáng đã sử dụng. Thông thường, bước sóng của đường D của natri (589 nm) được sử dụng.

Làm thế nào để tổng hợp một enantiomer tinh khiết?

Trả lời: Có nhiều phương pháp để tổng hợp một enantiomer tinh khiết. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

Tổng hợp bất đối xứng: Sử dụng các chất xúc tác chiral hoặc các chất phản ứng chiral để tạo ra một enantiomer ưu tiên.
Độ phân giải racemic: Tách hai enantiomer từ hỗn hợp racemic bằng cách sử dụng các phương pháp hóa học hoặc vật lý, ví dụ như tạo muối với một chất chiral khác, sau đó tách các muối diastereomer dựa trên sự khác biệt về tính chất vật lý.
Sắc ký chiral: Tách hai enantiomer bằng sắc ký chiral.
Sử dụng nguyên liệu chiral có sẵn: Xuất phát từ một nguyên liệu chiral có sẵn trong tự nhiên.

Một số điều thú vị về Chất quang hoạt

Mùi hương đối lập: Carvone, một phân tử chiral, tồn tại dưới hai dạng enantiomer. Một dạng có mùi thơm của thì là, trong khi dạng kia có mùi thơm của bạc hà. Sự khác biệt nhỏ trong cấu trúc phân tử dẫn đến sự khác biệt lớn về cảm nhận mùi hương. Điều này cho thấy sự tinh tế của hệ thống khứu giác của chúng ta trong việc phân biệt các phân tử chiral.
Thalidomide – bài học cay đắng: Vào những năm 1960, thalidomide được sử dụng rộng rãi để điều trị chứng buồn nôn ở phụ nữ mang thai. Tuy nhiên, một enantiomer của thalidomide gây ra dị tật bẩm sinh nghiêm trọng, trong khi enantiomer kia có tác dụng điều trị. Bi kịch này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm tra kỹ lưỡng cả hai enantiomer của một loại thuốc trước khi đưa vào sử dụng.
Sự sống chọn lọc chiral: Các amino acid tạo nên protein trong cơ thể sống hầu hết đều là L-amino acid. Nguồn gốc của sự chọn lọc chiral này vẫn là một bí ẩn lớn trong khoa học. Một số giả thuyết cho rằng sự chọn lọc này có thể liên quan đến sự tương tác với ánh sáng phân cực tròn từ vũ trụ.
Đường trong gương: Nếu bạn có thể nhìn thấy cấu trúc phân tử của đường trong gương, bạn sẽ thấy nó là L-glucose, không phải D-glucose như đường chúng ta thường ăn. Cơ thể chúng ta không thể chuyển hóa L-glucose thành năng lượng.
Limonene trong vỏ cam quýt: Limonene, một phân tử chiral có trong vỏ cam, quýt, bưởi. Một enantiomer tạo ra mùi cam, trong khi enantiomer kia tạo ra mùi chanh.
Ứng dụng trong khảo cổ học: Hoạt tính quang học có thể được sử dụng để xác định niên đại của các mẫu vật hữu cơ. Ví dụ, tỷ lệ giữa hai enantiomer của amino acid trong xương có thể thay đổi theo thời gian, giúp các nhà khoa học ước tính tuổi của xương.
Công nghệ màn hình LCD: Các chất lỏng tinh thể chiral được sử dụng rộng rãi trong màn hình LCD. Khả năng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng của chúng cho phép kiểm soát lượng ánh sáng truyền qua màn hình.