Hoạt tính quang học (Optical activity)

Nguyên lý

Ánh sáng thường là một sóng điện từ dao động trên nhiều mặt phẳng. Ánh sáng phân cực phẳng chỉ dao động trên một mặt phẳng duy nhất. Khi ánh sáng phân cực phẳng đi qua một chất có hoạt tính quang học, mặt phẳng phân cực này sẽ bị quay đi một góc nhất định.

Sự quay này xảy ra do sự tương tác giữa ánh sáng và cấu trúc không đối xứng của các phân tử chiral trong chất. Phân tử chiral là phân tử không thể chồng khít lên ảnh phản chiếu của nó trong gương, giống như bàn tay trái và bàn tay phải. Các phân tử này tồn tại dưới dạng hai đẳng phân đối quang (enantiomer), thường được gọi là đẳng phân D (dextrorotatory – quay phải) và L (levorotatory – quay trái). Đẳng phân D làm quay mặt phẳng phân cực theo chiều kim đồng hồ, còn đẳng phân L làm quay mặt phẳng phân cực ngược chiều kim đồng hồ. Góc quay của mặt phẳng phân cực tỷ lệ với nồng độ của chất chiral và chiều dài đường đi của ánh sáng qua chất đó.

Chiều quay

• Nếu chất làm quay mặt phẳng phân cực theo chiều kim đồng hồ (nhìn theo hướng ánh sáng truyền tới), chất đó được gọi là dextrorotatory (quay phải) và được ký hiệu bằng dấu (+), hoặc d.
• Nếu chất làm quay mặt phẳng phân cực ngược chiều kim đồng hồ, chất đó được gọi là levorotatory (quay trái) và được ký hiệu bằng dấu (-), hoặc l.

Góc quay

Góc quay $\alpha$ phụ thuộc vào một số yếu tố:

• Bản chất của chất: Mỗi chất có hoạt tính quang học có một góc quay riêng.
• Nồng độ của dung dịch: Nồng độ càng cao, góc quay càng lớn.
• Chiều dài đường đi của ánh sáng: Đường đi càng dài, góc quay càng lớn.
• Bước sóng của ánh sáng: Góc quay thường lớn hơn ở bước sóng ngắn hơn. Hiện tượng này được gọi là tán sắc quay quang.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến góc quay.

Độ quay cực riêng

Để so sánh hoạt tính quang học của các chất khác nhau, người ta sử dụng độ quay cực riêng [$\alpha$]. Độ quay cực riêng được định nghĩa là góc quay của một dung dịch có nồng độ 1 gam chất tan trong 1 ml dung dịch, đặt trong ống đo có chiều dài 1 dm, ở một nhiệt độ và bước sóng ánh sáng xác định. Thông thường, bước sóng của ánh sáng natri (vạch D, 589 nm) được sử dụng và nhiệt độ được quy định là 20°C. Những điều kiện này thường được biểu diễn dưới dạng $[\alpha]_{D}^{20}$.

Công thức tính độ quay cực riêng:

$[\alpha] = \frac{\alpha}{l \times c}$

Trong đó:

• $[\alpha]$ là độ quay cực riêng.
• $\alpha$ là góc quay quan sát được (đơn vị độ).
• $l$ là chiều dài đường đi của ánh sáng (đơn vị dm).
• $c$ là nồng độ của dung dịch (đơn vị g/ml).

Ứng dụng

Hoạt tính quang học có nhiều ứng dụng quan trọng trong:

• Hóa học: Xác định cấu trúc và độ tinh khiết của các hợp chất chiral. Đặc biệt quan trọng trong việc xác định cấu hình tuyệt đối của các phân tử.
• Dược phẩm: Phân biệt các đồng phân đối quang của thuốc, vì chúng có thể có hoạt tính sinh học khác nhau. Ví dụ, một đồng phân có thể có tác dụng chữa bệnh, trong khi đồng phân kia lại gây độc hại.
• Công nghiệp thực phẩm: Xác định nồng độ đường, ví dụ như trong nước ép trái cây hoặc mật ong.
• Nghiên cứu vật liệu: Phát triển các vật liệu quang học mới, ví dụ như các màn hình tinh thể lỏng.
• Hóa học phân tích: Sử dụng như một công cụ để theo dõi tiến trình phản ứng hóa học liên quan đến các chất chiral.

Ví dụ

Một số chất có hoạt tính quang học phổ biến bao gồm:

• Đường (saccarose, glucose, fructose)
• Axit amin (trừ glycine)
• Protein
• Axit nucleic

Hoạt tính quang học là một hiện tượng quan trọng giúp chúng ta hiểu về cấu trúc và tính chất của các phân tử chiral. Nó cũng có nhiều ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang học

Như đã đề cập, góc quay $\alpha$ và độ quay cực riêng $[\alpha]$ phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Cần xem xét chi tiết hơn các yếu tố này:

• Bước sóng ánh sáng (Hiệu ứng tán sắc quay cực – ORD): Độ quay cực riêng thường phụ thuộc mạnh vào bước sóng của ánh sáng sử dụng. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tán sắc quay cực (ORD). Việc đo ORD có thể cung cấp thông tin hữu ích về cấu trúc của phân tử chiral.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến hoạt tính quang học bằng cách thay đổi cân bằng giữa các đồng phân đối quang hoặc bằng cách ảnh hưởng đến cấu trúc của phân tử.
• Dung môi: Dung môi có thể tương tác với chất tan và ảnh hưởng đến hoạt tính quang học của nó.
• pH: Đối với các phân tử có nhóm chức có tính axit hoặc bazơ, pH của dung dịch có thể ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa và do đó ảnh hưởng đến hoạt tính quang học.
• Nồng độ: Đối với dung dịch loãng, góc quay tỷ lệ thuận với nồng độ.

Phân biệt đồng phân đối quang

Hoạt tính quang học là một phương pháp quan trọng để phân biệt các đồng phân đối quang. Hai đồng phân đối quang của cùng một chất sẽ quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng với cùng một góc nhưng theo hai chiều ngược nhau. Một hỗn hợp chứa lượng bằng nhau của hai đồng phân đối quang được gọi là hỗn hợp racemic và không có hoạt tính quang học vì hiệu ứng quay của hai đồng phân triệt tiêu lẫn nhau.

Kỹ thuật đo hoạt tính quang học

Hoạt tính quang học được đo bằng thiết bị gọi là máy đo độ quay cực. Máy này gồm một nguồn sáng, một bộ phận phân cực để tạo ra ánh sáng phân cực phẳng, một ống chứa mẫu, một bộ phận phân tích để đo góc quay của mặt phẳng phân cực và một bộ phận hiển thị kết quả.

Hoạt tính quang học và cấu trúc phân tử

Mối liên hệ giữa hoạt tính quang học và cấu trúc phân tử là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Các quy tắc và phương pháp khác nhau đã được phát triển để dự đoán hoạt tính quang học của một phân tử dựa trên cấu trúc của nó, ví dụ như quy tắc octant.

• Atkins, P. and de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., and Wothers, P. (2001). Organic Chemistry. Oxford University Press.
• Vollhardt, K. P. C., and Schore, N. E. (2018). Organic Chemistry. W. H. Freeman and Company.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao hỗn hợp racemic không biểu hiện hoạt tính quang học?

Trả lời: Hỗn hợp racemic chứa lượng bằng nhau của hai đồng phân đối quang (d và l). Mỗi đồng phân đối quang làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng với cùng một góc nhưng theo hướng ngược nhau. Do đó, hiệu ứng quay của hai đồng phân triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến góc quay tổng cộng bằng 0, và hỗn hợp racemic không biểu hiện hoạt tính quang học.

Ngoài nồng độ, chiều dài đường đi của ánh sáng và bản chất của chất, còn yếu tố nào khác ảnh hưởng đến góc quay $ \alpha $?

Trả lời: Bước sóng của ánh sáng và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến góc quay $\alpha$. Hiệu ứng tán sắc quay cực (ORD) mô tả sự phụ thuộc của góc quay vào bước sóng. Nhiệt độ ảnh hưởng bằng cách thay đổi cân bằng giữa các đồng phân đối quang hoặc ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử. Dung môi và pH cũng có thể đóng vai trò quan trọng.

Làm thế nào để xác định độ tinh khiết đối quang (enantiomeric excess – ee) của một mẫu sử dụng hoạt tính quang học?

Trả lời: Độ tinh khiết đối quang (ee) được tính bằng phần trăm chênh lệch giữa nồng độ của hai đồng phân đối quang. Nếu $[\alpha]{obs}$ là độ quay cực riêng quan sát được của mẫu và $[\alpha]{pure}$ là độ quay cực riêng của đồng phân đối quang tinh khiết, thì:

$ ee = \frac{[\alpha]{obs}}{[\alpha]{pure}} \times 100% $

Quy tắc octant là gì và nó được sử dụng như thế nào để dự đoán dấu của độ quay cực riêng?

Trả lời: Quy tắc octant là một phương pháp thực nghiệm được sử dụng để dự đoán dấu và độ lớn của độ quay cực riêng của các xeton chiral. Nó dựa trên việc chia không gian xung quanh nhóm carbonyl thành tám octant. Vị trí của các nhóm thế trong các octant này sẽ quyết định đóng góp của chúng vào độ quay tổng thể.

Kể tên một số ứng dụng của hoạt tính quang học ngoài hóa học và dược phẩm?

Trả lời: Hoạt tính quang học được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm:

• Công nghiệp thực phẩm: Xác định nồng độ và độ tinh khiết của đường.
• Nghiên cứu vật liệu: Thiết kế và tổng hợp vật liệu chiral với các tính chất quang học đặc biệt.
• Khoa học môi trường: Nghiên cứu sự phân hủy và chuyển hóa của các chất ô nhiễm chiral.
• Địa chất học: Phân tích các mẫu địa chất và thiên thạch.