Der optische Drehwert

Enantiomere sind chirale Moleküle. Bei ihnen sind Bild und Spiegelbild nicht deckungsgleich (Bild 1). Die Moleküle haben ein asymmetrisches Kohlenstoffatom (mit *C gekennzeichnet), an dem vier unterschiedliche Substituenten gebunden sind. Alle Verbindungen, die solch ein Kohlenstoffatom enthalten, sind optisch aktiv.
Alle chemischen Bindungen, die in einem chiralen Molekül existieren, sind auch in beiden Enantiomeren vorhanden. Auch die Art der Verknüpfung (Konstitution) ist in beiden Enantiomeren gleich. Deshalb haben Enantiomere auch die gleichen physikalischen (z. B. Schmelzpunkt, Siedepunkt) und ähnliche chemische Eigenschaften. Eine Ausnahme sind die Wechselwirkungen des chiralen Moleküls mit einem anderen chiralen Molekül oder chiralen Objekt.
Um die Enantiomere unterscheiden und eindeutig benennen zu können, nutzt man polarisiertes Licht. Licht ist eine elektromagnetische Welle, die in alle Richtungen des Raumes senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung oszilliert. Das heißt, die Transversalebenen stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aber beliebig in der y-z-Ebene. Der Lichtstrahl, der den Polarisator verlässt, besteht nur aus linear polarisiertem Licht, das heißt in einer festgelegten Richtung der y-z-Ebene.

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 .

Grundlegender Aufbau eines Polarimeters

Man 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 $\alpha .$ Befindet sich eine chirale Substanz im Probenraum liegt dieser Wert im Intervall $\pm 0°<\alpha <\pm \mathrm{179,9}°.$
Die gemessene Drehung $\alpha$ hat den folgenden mathematischen Zusammenhang

$\begin{array}{l}\alpha =\left[\alpha \right]\frac{T}{\lambda }·c·d\\ \\ \left[\alpha \right]\frac{T}{\lambda }\text{spezifische}\text{Drehung bei der angegebenen Wellenlänge}\lambda \\ \text{des polarisierten Lichtes und der Temperatur}T\\ \\ c\text{Konzentration des Stoffes im Probenraum in g/100ml Lösungsmittel}\\ \\ d\text{Dicke des Probenraumes in dm}\end{array}$

rechts- oder linksdrehend, D- oder L

Auf Lebensmitteln findet man mitunter den Hinweis ...„enthält rechtsdrehende Milchsäure...“. Mit der Bezeichnung rechts- oder linksdrehend wird die Richtung der optischen Drehung der chiralen Substanz gekennzeichnet. Dabei gilt, rechtsdrehend = (+) linksdrehend gleich (-). Die optische Drehung ist eine physikalische Größe. Sie hat nichts mit der Festlegung der absoluten Konfiguration D- oder L zu tun. Die rechtsdrehende Milchsäure ist die L-Milchsäure.
Der D-Glycerinaldehyd ist ebenfalls eine optisch rechtsdrehende Substanz. Da der optische Drehwert und die absolute Konfiguration zwei voneinander völlig unabhängige Größen sind findet man auch häufig Doppelbezeichnungen z. B. D-(+)-Glycerinaldehyd, D-(-)-Milchsäure D-(+)-Glucose, D-(-)Fructose. Nur so wird gleichzeitig die absolute Konfiguration als auch die optische Aktivität eindeutig bezeichnet.

Mutarotation

Löst man reine $\alpha \text{–}\text{D}\text{–}\text{(+)}\text{–}\text{Glucose}$ oder reine $\beta \text{–}\text{D}\text{–}\text{(+)}\text{–}\text{Glucose}$ 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.
Es ist die Gleichgewichtseinstellung zwischen der $\alpha \text{–}\text{D}\text{–}\text{(+)}$ (36 %) und der $\beta \text{–}\text{D}\text{–}\text{(+)}\text{–}\text{Glucose}$ (64 %) über die offenkettige Form. Die Gleichgewichtseinstellung kann mit einem Polarimeter zeitlich verfolgen. Da der Wert für die spezifische Drehung der $\alpha \text{–}\text{D}\text{–}\text{(+)}$ und der $\beta \text{–}\text{D}\text{–}\text{(+)}\text{–}\text{Glucose}$ bekannt ist, kann zu jedem Zeitpunkt der prozentuale Anteil der beiden Glucoseformen errechnet werden.
Die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung kann durch den Zusatz katalytischer Mengen von Säure oder Base beschleunigt werden.