فعالیت نوری چیست؟ – در شیمی و به زبان ساده

۲۳۲۶ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۴ مرداد ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۱۲ دقیقه
فعالیت نوری چیست؟ – در شیمی و به زبان ساده

«فعالیت نوری» (Optical Activity) توانایی مولکول‌های کایرال در چرخاندن نور قطبیده است. در این مطلب می‌خواهیم در مورد این ویژگی مولکول‌ها صحبت کنیم. همچنین در مورد نحوه اندازه‌گیری میزان چرخش نوری نیز صحبت خواهیم کرد.

فعالیت نوری چیست ؟

نور قطبیده هنگام عبور از برخی ترکیبات خاص جهت‌گیری می‌کند و به سمتی منحرف می‌شود. به این مفهوم فعالیت نوری و به مولکول‌هایی با این توانایی «فعال نوری» (Optically Active) گفته می‌شود.

فعالیت نوری

نور قطبیده چیست ؟

در منابع نور معمولی، میدان الکتریکی در تمامی جهات نوسان می‌کند. با عبور نور معمولی از فیلتر پلاریزه‌کننده، تنها نور نوسان‌کننده در یک صفحه مشخص گذر می‌کند. به این نور که تنها در یک جهت نوسان می‌کند، «نور قطبیده» (Polarized) گفته می‌شود. این گفته را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

نور پلاریزه
نور قطبیده تنها در یک جهت نوسان می‌کند.

 

محلول های فعال نوری

محلول‌های فعال نوری در حقیقت «ایزومرهای نوری» (Optical Isomer) یا «انانتیومرهایی» (Anantiomer) هستند که نوع و تعداد اتم‌ها و پیوندهای یکسانی دارند اما مولکول سه‌بعدی آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. همان‌طور که می‌دانید انانتیومرها تصاویر آینه‌ای یکدیگر هستند به‌صورتی که بر هم منطبق نمی‌شوند. به این ویژگی «کایرالیته» (Chirality) می‌گویند.

انانتیومر

انانتیومرها معروف‌ترین مولکول‌ها با فعالیت نوری هستند. بارزترین مثال برای درک رابطه بین دو انانتیومر دو دست راست و چپ انسان است. دو دست ما تصاویر آينه‌ای یکدیگر هستند اما با هیچ روشی نمی‌توان آن‌ها را بر هم منطبق کرد. همچنین ایزومرهای نوری در خود محور تقارن ندارند.

ایزومرهای نوری اساسا ویژگی‌های یکسانی دارند، برای مثال دارای نقطه ذوب و نقطه جوش برابری هستند اما در چند ویژگی نیز با یکدیگر تفاوت دارند.

  • مکانیسم‌های زیستی
  • فعالیت نوری

مثلا داروهایی وجود دارند که تنها دارای یکی از فرم‌های انانتیومری مولکول سازنده خود هستند. دارویی به نام «اتامبوتول» (Ethambutol) وجود دارد که یکی از انانتیومرهای آن در درمان سل مورد استفاده قرار می‌گیرد.این در حالی است که انانتیومر دیگر باعث نابینایی انسان می‌شود. فعالیت نوری درواقع برهم‌کنش این انانتیومرها با نور قطبیده است.

 

مولکول راست‌ گرد و چپ‌ گرد

به انانتیومری که نور قطبیده را در جهت مثبت یا ساعت‌گرد بچرخاند، «راست‌گرد» (Dextrorotary) می‌گویند و آن را با + یا $$d$$ نمایش می‌دهند. به همین صورت به انانتیومری که نور قطبیده را در جهت منفی یا چپ‌گرد بچرخاند، «چپ‌گرد» (Levorotary) گفته می‌شود و آن را با - یا $$l$$ نشان می‌دهند.

انانیتومر راست گرد
چرخش نوری در یک زوج انانتیومر محالف جهت یکدیگر است.

مخلوط راسمیک

زمانی که در یک ترکیب مقادیر برابر از انانتیومر چپ‌گرد و راست‌گرد وجود داشته باشد، به آن «مخلوط راسمیک» (Racemic Mixrure) می‌گویند. از آنجا که دو انانتیومر نور را با مقادیر یکسان و در جهت‌های مخالف می‌چرخانند، مخلوط راسمیک از نظر نوری غیرفعال است و تاثیری روی نور قطبیده ندارد.

مخلوط راسمیک
مخلوط راسمیک از نظر نوری غیرفعال است.

 

رابطه انانتیومرها

گفتیم که دو انانتیومر نور قطبیده را در دو جهت مخالف و با مقدار یکسان می‌چرخانند و دارای دو نوع راست‌گرد و چپ‌گرد هستند. باید توجه داشته باشید که راست‌گرد بودن و چپ‌گرد بودن هیچ ارتباطی با «پیکربندی» (Configuration) یک مولکول که با $$R$$ و $$S$$ نشان داده می‌شود، ندارند. این پیکربندی نحوه قرار گیری اتم‌ و گروه‌های حول یک مرکز کایرال را مشخص می‌کنند. یعنی یک انانیتومر SS$$ می‌تواند چپ‌گرد یا راست‌گرد باشد و نمی‌توان تنها با استناد به پیکربندی این را مشخص کرد.

مثال دوم

در مورد کایرال یا غیرکایرال بودن مولکول زیر اظهار نظر کنید.

تمرین کایرالیته

پاسخ: برای پاسخ به این سوال با دقت به ساختار مولکول نگاه می‌کنیم تا مراکز کایرال آن را در صورت وجود بیابیم. در این مولکول تمامی کربن‌های حلقه دارای دو استخلاف هیدروژن هستند و نمی‌توانند کایرال باشند، بنابراین سراغ تنها کربنی می‌رویم که دارای دو استخلاف هیدروژن و متیل است. باید دو گروه دیگر آن که در حلقه است را بررسی کنیم. با پیشروی در مسیر حلقه متوجه می‌شویم که متقارن است و این دو گروه مشابه هستند. بنابراین این مولکول فاقد مرکز کایرال است. همچنین با رسم تصویر تخت آن متوجه می‌شویم که دارای محور تقارن و غیرکایرال است. این محور تقارن را در تصویر زیر با رنگ سرخابی نشان داده‌ایم.

تمرین کایرالیته

مثال سوم

در تصویر زیر ۴ مولکول متفاوت آورده شده است. آن‌‌هایی که کایرال هستند را مشخص کنید.

مولکول ۱

در این مولکول هیچ اتم کربنی را نمی‌توان یافت که دارای ۴ استخلاف متفاوت باشد، بنابراین مولکول غیرکایرال است.

مولکول ۲

در این مولکول دو مرکز کایرال وجود دارد که با رنگ قرمز در تصویر زیر مشخص شده‌اند. بنابراین مولکول کایرال است.

تمرین فعالیت نوری

در این قسمت تعدادی تمرین ۴ گزینه‌ای را پیرامون فعالیت نوری و مفاهیم مرتبط با آن بررسی می‌کنیم.

تمرین اول

کدام یک از ترکیب‌های زیر از خود فعالیت نوری نشان می‌دهد؟

حل تمرین فعالیت نوری
حل تمرین فعالیت نوری
شرح پاسخ

برای پاسخ این سوال نیاز داریم که بدانیم کدام یک از ترکیب‌های زیر دارای مرکز کایرال است تا دارای انانتیومر و فعالیت نوری باشد. با کمی دقت متوجه می‌شویم که گزینه‌های ۱ تا ۳ همگی دارای تقارن و در نتیجه فاقد مرکز کایرال هستند. و تنها در مولکول گزینه ۴ دو مرکز کایرال وجود دارد.

 

تمرین دوم

کدام گزینه صحیح است؟

ترکیبات فعال نوری ...

متقارن هستند.

نامتقارن هستند.

نور قطبیده را می‌چرخانند.

دارای انانتیومر هستند.

۱ و ۲ و ۳

۲ و ۳ و ۴

۲ و ۳

۳ و ۱

 

تمرین سوم

کدام گزینه صحیح است؟

از ساختار یک مولکول چطور می‌توان به کایرال بودن آن پی برد؟

اگر تمام اتم‌ها و گروه‌های متصل به یک اتم کربن با یکدیگر متفاوت باشند، کایرال است.

اگر تنها دو اتم یا گروه متصل به اتم کربن با یکدیگر یکسان باشند، کایرال است.

اگر تمام اتم‌ها و گروه‌ها متصل به یک اتم کربن با یکدیگر متفاوت نباشند، کایرال است.

اگر سه اتم یا گروه متصل به کربن با یکدیگر یکساند باشند، کایرال است.

 

تمرین چهارم

کدام یک از آمینو اسیدهای زیر فاقد فعالیت نوری هستند؟

آلانین

لاکتیک اسید

گلایسین

سرین

 

تمرین پنجم

وقتی دو ایزومر تصویر آینه‌ای یکدیگر باشند، رابطه بین آن‌ها چیست؟

انانتیومر

دیاسترومر

 

سوالات متدوال

در این بخش‌ می‌خواهیم به تعدادی سوال مهم و پرتکرار پیرامون فعالیت نوری پاسخ دهیم.

چرا مخلوط راسمیک فاقد فعالیت نوری است ؟

در مخلوط راسمیک به دلیل وجود همزمان انانتیومر راست‌گرد و چپ‌‌گرد، فعالیت نوری از بین می‌رود. فعالیت نوری دو انانیتومر در دو جهت مختلف و با میزان برابر است، در نتیجه همدیگر را خنثی می‌کنند.

چه رابطه ای بین کایرالیته و فعالیت نوری وجود دارد ؟

مولکول‌هایی که دارای مرکز کایرال باشند، از نظر نوری فعال هستند.

مولکول راست گرد چیست ؟

مولکول راست‌گرد، نور قطبیده را در جهت حرکت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند.

آیا قندها فعالیت نوری دارند ؟

بسیاری از مولکول‌های قندی دارای مرکز کایرال هستند و در نتیجه فعال نوری به حساب می‌آیند.

آیا آمینو اسیدها فعالیت نوری دارند ؟

تمام آمینو اسیدها به جز گلایسین دارای مرکز کایرال و فعالیت نوری هستند.

مولکول چپ گرد چیست ؟

مولکول چپ‌گرد، نور قطبیده را در جهت خلاف حرکت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند.

جمع بندی

هدف از این مطلب این بود که بدانیم فعالیت نوری چیست و چه ترکیب‌های آن را از خود نشان می‌دهند. همچنین در مورد نحوه محاسبه چرخش نوری ویژه صحبت کردیم.

بر اساس رای ۱۴ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
chemchemedpressbookschemistrystepslibretexts
۱ دیدگاه برای «فعالیت نوری چیست؟ – در شیمی و به زبان ساده»

excellent….thank you

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *