miniaturadeimagen| Principio de funcionamiento de un polarímetro para medir la rotación óptica. 1. Fuente de luz 2. Luz no polarizada 3. Polarizador lineal 4. Luz polarizada linealmente 5. Tubo de muestra que contiene moléculas en estudio 6. Rotación óptica debida a moléculas 7. Analizador lineal giratorio 8. Detector|342x342px La rotación óptica, también conocida como rotación de polarización o birrefringencia circular, es la rotación de la orientación del plano de polarización sobre el eje óptico de la luz polarizada linealmente a medida que viaja a través de ciertos materiales. La birrefringencia circular y el dicroísmo circular son las manifestaciones de la actividad óptica. La actividad óptica ocurre solo en materiales quirales, aquellos que carecen de simetría de espejo microscópico. A diferencia de otras fuentes de birrefringencia que alteran el estado de polarización de un haz, la actividad óptica se puede observar en los fluidos. Esto puede incluir gases o soluciones de moléculas quirales como azúcares, moléculas con estructura secundaria helicoidal como algunas proteínas y también cristales líquidos quirales. También se puede observar en sólidos quirales como ciertos cristales con rotación entre planos cristalinos adyacentes (como el cuarzo) o metamateriales.
Al observar la fuente de luz, la rotación del plano de polarización puede ser hacia la derecha (dextrorrotativo — d-rotativo, representado por (+), en el sentido de las agujas del reloj), o hacia la izquierda (levorrotario — l-rotativo, representado por (-), en sentido contrario a las agujas del reloj) según el estereoisómero dominante. Por ejemplo, la sacarosa y el alcanfor son d-rotativos mientras que el colesterol es l-rotativo. Para una sustancia dada, el ángulo por el cual gira la polarización de la luz de una longitud de onda específica es proporcional a la longitud del camino a través del material y (para una solución) proporcional a su concentración.
La actividad óptica se mide utilizando una fuente polarizada y un polarímetro. Esta es una herramienta particularmente utilizada en la industria azucarera para medir la concentración de azúcar del jarabe y, en general, en química para medir la concentración o proporción enantiomérica de moléculas quirales en solución. La modulación de la actividad óptica de un cristal líquido, vista entre dos polarizadores de hoja, es el principio de funcionamiento de las pantallas de cristal líquido (utilizadas en la mayoría de los televisores y monitores de computadora modernos).
Formas La dextrorotación y la levorotaciónThe first word component dextro- comes from the Latin word dexter, meaning "right" (as opposed to left). Laevo- or levo- comes from the Latin laevus, meaning "left side".The equivalent French terms are dextrogyre and levogyre. These are used infrequently in English. son términos utilizados en química y física para describir la rotación óptica de la luz polarizada en un plano. Desde el punto de vista del observador, la dextrorotación se refiere a la rotación en el sentido de las agujas del reloj o hacia la derecha, y la levrotación se refiere a la rotación en el sentido contrario a las agujas del reloj o hacia la izquierda.LibreTexts Chemistry – Polarimetry
Un compuesto químico que causa la dextrorotación se llama dextrorrotatorio, mientras que un compuesto que causa levrotación se llama levorrotatorio. Los compuestos con estas propiedades consisten en moléculas quirales y se dice que tienen actividad óptica. Si una molécula quiral es dextrógira, su enantiómero (imagen especular geométrica) será levógiro y viceversa. Los enantiómeros giran la luz polarizada en un plano el mismo número de grados, pero en direcciones opuestas.
Prefijos de quiralidad Un compuesto se puede etiquetar como dextrógiro usando el prefijo "(+)-" o " d -". Asimismo, un compuesto levógiro puede etiquetarse usando el prefijo "(-)-" o " l -". Los prefijos " d -" y " l -" en minúsculas están obsoletos y son distintos de los prefijos " D -" y " L -" en MAYÚSCULAS PEQUEÑAS . Los prefijos " D -" y " L -" se utilizan para especificar el enantiómero de los compuestos orgánicos quirales en bioquímica y se basan en la configuración absoluta del compuesto en relación con el (+)- gliceraldehído, que es la forma D por definición. El prefijo que se usa para indicar la configuración absoluta no está directamente relacionado con el prefijo (+) o (-) que se usa para indicar la rotación óptica en la misma molécula. Por ejemplo, nueve de los diecinueve L - aminoácidos que se encuentran naturalmente en las proteínas son, a pesar del prefijo L -, en realidad dextrógiros (a una longitud de onda de 589 nm), y la D - fructosa a veces se denomina "levulosa" porque es levógira.
Los prefijos D y L describen la molécula como un todo, al igual que los prefijos (+) y (-) para la rotación óptica. Por el contrario, los prefijos (R)- y (S)- de las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog caracterizan la configuración absoluta de cada estereocentro quiral específico con la molécula, en lugar de una propiedad de la molécula como un todo. Una molécula que tiene exactamente un estereocentro quiral (generalmente un átomo de carbono asimétrico) se puede etiquetar (R) o (S), pero una molécula que tiene múltiples estereocentros necesita más de una etiqueta. Por ejemplo, el aminoácido esencial L-treonina contiene dos estereocentros quirales y se escribe (2 S ,3 S ) -treonina. No existe una relación estricta entre las designaciones R/S, D/L y (+)/(−), aunque existen algunas correlaciones. Por ejemplo, de los aminoácidos naturales, todos son L y la mayoría son (S). Para algunas moléculas, el enantiómero (R) es el enantiómero dextrógiro (+), y en otros casos es el enantiómero levógiro (-). La relación debe determinarse caso por caso con mediciones experimentales o modelos informáticos detallados.See, for example,
Historia miniaturadeimagen| Las dos formas cristalinas asimétricas, dextrorrotatorias y levorrotatorias, del ácido tartárico .|300x300px miniaturadeimagen|Experimento de medición de la concentración de la solución de sacarosa, que demuestra la rotación óptica.|300x300px La rotación de la orientación de la luz polarizada linealmente fue observada por primera vez en 1811 en cuarzo por el físico francés François Arago.Arago (1811) "Mémoire sur une modification remarquable qu'éprouvent les rayons lumineux dans leur passage à travers certains corps diaphanes et sur quelques autres nouveaux phénomènes d'optique" (Memoir on a remarkable modification that light rays experience during their passage through certain translucent substances and on some other new optical phenomena), Mémoires de la classe des sciences mathématiques et physiques de l'Institut Impérial de France, 1st part : 93–134. En 1820, el astrónomo inglés Sir John F. W. Herschel descubrió que diferentes cristales de cuarzo individuales, cuyas estructuras cristalinas son imágenes especulares entre sí, giran la polarización lineal en cantidades iguales pero en direcciones opuestas.Herschel, J.F.W. (1820) "On the rotation impressed by plates of rock crystal on the planes of polarization of the rays of light, as connected with certain peculiarities in its crystallization," Transactions of the Cambridge Philosophical Society, 1 : 43–51. Jean Baptiste Biot también observó la rotación del eje de polarización en ciertos líquidosBiot, J. B. (1815) "Phenomene de polarisation successive, observés dans des fluides homogenes" (Phenomenon of successive polarization, observed in homogeneous fluids), Bulletin des Sciences, par la Société Philomatique de Paris, 190–192. y vapores de sustancias orgánicas como la trementina.Biot (1818 & 1819) "Extrait d'un mémoire sur les rotations que certaines substances impriment aux axes de polarisation des rayons lumineux" (Extract from a memoir on the [optical] rotations that certain substances impress on the axes of polarization of light rays), Annales de Chimie et de Physique, 2nd series, 9 : 372-389 ; 10 : 63-81 ; for Biot's experiments with turpentine vapor (vapeur d'essence de térébenthine), see pp. 72-81. En 1822, Augustin-Jean Fresnel descubrió que la rotación óptica podía explicarse como una especie de birrefringencia: mientras que los casos de birrefringencia conocidos anteriormente se debían a las diferentes velocidades de la luz polarizada en dos planos perpendiculares, la rotación óptica se debía a las diferentes velocidades de la luz derecha. -Luz polarizada circularmente izquierda y derecha. Desde entonces, se han utilizado polarímetros simples para medir las concentraciones de azúcares simples, como la glucosa, en solución. De hecho, un nombre para la D-glucosa (el isómero biológico) es dextrosa, en referencia al hecho de que hace que la luz polarizada linealmente gire hacia la derecha o hacia el lado derecho. De manera similar, la levulosa, más comúnmente conocida como fructosa, hace que el plano de polarización gire hacia la izquierda. La fructosa es incluso más fuertemente levorrotatoria que la glucosa es dextrorrotatoria. El jarabe de azúcar invertido, formado comercialmente por la hidrólisis del jarabe de sacarosa a una mezcla de azúcares simples componentes, fructosa y glucosa, recibe su nombre del hecho de que la conversión hace que la dirección de rotación se "invierta" de derecha a izquierda.
En 1849, Louis Pasteur resolvió un problema relacionado con la naturaleza del ácido tartárico.Pasteur, L. (1850) "Recherches sur les propriétés spécifiques des deux acides qui composent l'acide racémique" (Researches on the specific properties of the two acids that compose the racemic acid), Annales de chimie et de physique, 3rd series, 28 : 56–99 ; see also appendix, pp. 99–117. Una solución de este compuesto derivado de los seres vivos (en concreto, las lías de vino) gira el plano de polarización de la luz que lo atraviesa, pero el ácido tartárico derivado por síntesis química no tiene tal efecto, aunque sus reacciones son idénticas y su composición elemental es el mismo. Pasteur notó que los cristales vienen en dos formas asimétricas que son imágenes especulares entre sí. La clasificación de los cristales a mano dio dos formas del compuesto: las soluciones de una forma giran la luz polarizada en el sentido de las agujas del reloj, mientras que la otra forma gira la luz en el sentido contrario a las agujas del reloj. Una mezcla igual de los dos no tiene efecto polarizador sobre la luz. Pasteur dedujo que la molécula en cuestión es asimétrica y podría existir en dos formas diferentes que se parecen entre sí, como lo harían los guantes izquierdo y derecho, y que la forma orgánica del compuesto consiste únicamente en un tipo.
En 1874, Jacobus Henricus van 't Hoffvan 't Hoff, J.H. (1874) "Sur les formules de structure dans l'espace" (On structural formulas in space), Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles, 9 : 445–454. y Joseph Achille Le BelLe Bel, J.-A. (1874) "Sur les relations qui existent entre les formules atomiques des corps organiques et le pouvoir rotatoire de leurs dissolutions" (On the relations that exist between the atomic formulas of organic substances and the rotatory power of their solutions), Bulletin de la Société Chimique de Paris, 22 : 337–347. propusieron de forma independiente que este fenómeno de la actividad óptica en los compuestos de carbono podría explicarse asumiendo que los 4 enlaces químicos saturados entre los átomos de carbono y sus vecinos están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular. Si los 4 vecinos son todos diferentes, entonces hay dos ordenaciones posibles de los vecinos alrededor del tetraedro, que serán imágenes especulares entre sí. Esto condujo a una mejor comprensión de la naturaleza tridimensional de las moléculas.