一、实验目的
1．了解旋光仪测定旋光度的基本原理
2．掌握用旋光仪测定溶液或液体物质的旋光度的方法
二、基本原理
只在一个平面上振动的光叫做平面偏振光，简称偏振光。物质能使偏振光的振动平面旋转的性质，称为旋光性或光学活性。具有旋光性的物质，叫做旋光性物质或光学活性物质。旋光性物质使偏振光的振动平面旋转的角度叫做旋光度。许多有机化合物，尤其是来自生物体内的大部分天然产物，如氨基酸、生物碱和碳水化合物等，都具有旋光性。这是由于它们的分子结构具有手征性所造成的。因此，旋光度的测定对于研究这些有机化合物的分子结构具有重要的作用，此外，旋光度的测定对于确定某些有机反应的反应机理也是很有意义的。
测定溶液或液体的旋光度的仪器称为旋光仪，其工作原理见图2-22。常用的旋光仪主要由光源、起偏镜、样品管(也叫旋光管)和检偏镜几部分组成。光源为炽热的钠光灯，其发出波长为589.3nm的单色光(钠光)。起偏镜是由两块光学透明的方解石粘合而成的，也叫尼科尔(Nicol) 棱镜，其作用是使自然光通过后产生所需要的平面偏振光。样品管充装待测定的旋光性液体或溶液，其长度有1dm和2dm等几种。当偏振光通过盛有旋光性物质的样品管后，因物质的旋光性使偏振光不能通过第二个棱镜(检偏镜)，必须将检偏镜扭转一定角度后才能通过，因此要调节检偏镜进行配光。由装在检偏镜上的标尺盘上移动的角度，可指示出检偏镜转动的角度，该角度即为待测物质的旋光度。使偏振光平面顺时针方向旋转的旋光性物质叫做右旋体，反时针方向旋转的叫左旋体。
为了准确判断旋光度的大小，测定时通常在视野中分出三分视场(见图3.2.4-1)。当检偏镜的偏振面与通过棱镜的光的偏振面平行时，我们通过目镜可观察到图3.2.4-2(b) 所示(当中明亮，两旁较暗)；若检偏镜的偏振面与起偏镜偏振面平行时，可观察到图3.2.4-2(a) 所示(当中较暗，两旁明亮)；只有当检偏镜的偏振面处于1/2φ(半暗角)的角度时，视场内明暗相等如图3.2.4-2(c) 这一位置作为零度，使游标尺上0°。对准刻度盘00。测定时，调节视场内明暗相等，以使观察结果准确。一般在测定时选取较小的半暗角，由于人的眼睛对弱照度的变化比较敏感，视野的照度随半暗角φ的减小而变弱，所以在测定中通常选几度到十几度的结果。
图3.2.4-1 旋光仪的结构及工作原理
a b c
图3.2.4-2 三分视场
物质的旋光度与测定时所用溶液的浓度、样品管长度、温度、所用光源的波长及溶剂的性质等因素有关。因此，常用比旋光度[α]来表示物质的旋光性。当光源、温度和溶剂固定时，比旋光度等于溶液浓度为1g·mL-1、样品管长度为1dm时的物质的旋光度。像熔点、沸点、折光率一样，比旋光度是一个只与分子结构有关的表征旋光性物质特征的物理常数，它对鉴定旋光性化合物有重要意义。溶液的比旋光度与旋光度的关系为：
式中[α]Dt为比旋光度；t为测定时的温度(℃)；D表示钠光(波长λ＝589.3nm)；α为观测的旋光度；c为溶液的浓度，以g·mL-1为单位；L为样品管的长度，以dm为单位。
如果被测定的旋光性物质为纯液体，可直接装入样品管中进行测定，这时，比旋光度可由下式求出：
式中d为纯液体的密度(g·mL-1)。
利用上述公式，由测得的旋光度和物质的浓度(或密度)可计算出物质的比旋光度。由比旋光度可按下式求出样品的光学纯度（OP）。光学纯度的定义是：旋光性产物的比旋光度除以光学纯试样在相同条件下的比旋光度。
另外，还可由比旋光度计算出对映体在其混合物中的百分含量。设一对对映体分别为X和Y，它们在混合物中所占的百分含量可按下式计算：
三、仪器与试剂
仪器： WXG—4型圆盘旋光仪、数字自动旋光仪
试剂： 蒸馏水、10％酒石酸溶液或10％葡萄糖溶液、浓度未知的酒石酸溶液或葡萄糖溶液
四、实验内容
1．样品管的充填
将样品管一端的螺帽旋下，取下玻璃盖片(小心不要掉在地上摔碎！)，然后将管竖直，管口朝上。用滴管注入待测溶液或蒸馏水至管口，并使溶液的液面凸出管口。小心将玻璃盖片沿管口方向盖上，把多余的溶液挤压溢出，使管内不留气泡，盖上螺帽。管内如有气泡存在，需重新装填。装好后，将样品管外部拭净，以免沾污仪器的样品室。
2．仪器零点的校正和半暗位置的识别
接通电源并打开光源开关，5—10min后，钠光灯发光正常（黄光），才能开始测定。通常在正式测定前，均需校正仪器的零点，即将充满蒸馏水或待测样品的溶剂的样品管放入样品室，旋转粗调钮和微调钮至目镜视野中三分视场的明暗程度完全一致(较暗)，再按游标尺原理记下读数，如此重复测定五次；取其平均值即为仪器的零点值。
上述校正零点过程中，三分视场的明暗程度(较暗)完全一致的位置，即是仪器的半暗位置。通过零点的校正，要学会正确识别和判断仪器的半暗位置，并以此为准，进行样品旋光度的测定。
3．样品旋光度的测定
将充满待测样品溶液的样品管放入旋光仪内，旋转粗调和微调旋扭，使达到半暗位置，按游标尺原理记下读数，重复五次，取平均值，即为旋光度的观测值，由观测值减去零点值，即为该样品真正的旋光度。例如，仪器的零点值为-0.05°，样品旋光度的观测值为+9.85°，则样品真正的旋光度为α＝+9.85°-(-0.05°)＝+9.900。
4．测定项目
1.分别用1dm和2dm长样品管测定一已知浓度样品溶液的旋光度，计算其比旋光度。比较其结果。
2.用1dm长或2dm长样品管测定浓度未知的酒石酸溶液或葡萄糖溶液的旋光度，由文献查比旋光度，计算其浓度。
5. 自动旋光仪的使用方法
a）开机 将仪器电源接入220V交流电源，打开电源开关，这时钠光灯应启亮，需经5min钠光灯预热，使之发光稳定。打开光源开关，若光源开关扳上后，钠光灯熄灭，则再将光源开关上下重复扳动一两次，使钠光灯在直流下点亮为正常。打开测量开关，这时数码管应有数字显示。
b）零点的校正 将装有蒸馏水或其他空白溶剂的样品管放入样品室，盖上箱盖，待示数稳定后，按清零按钮。样品管中若有气泡，应先让气泡浮在凸颈处。通光面两端的雾状水滴，应用软布揩干。试管螺帽不宜旋的过紧，以免产生应力，影响读数。样品管安放时应注意标记的位置和方向。按下复测开关，使读数盘仍回到零处。重复操作三次。
c）测定旋光度 将样品管取出，倒掉空白溶剂，用待测溶液冲洗2-3次，将待测样品注入样品管，按相同的位置和方向放入样品室内，盖好箱盖。仪器数显窗将显示出该样品的旋光度。逐次按下复测按钮，重复读几次数，取平均值作为样品的测定结果。
d）关机仪器使用完毕后，应依次关闭测量、光源、电源开关。
五、思考题
1.若测得某物质的比旋光度为+18º，如何确定其是+18º还是342º?
2.一个外消旋体的光学纯度是多少?
3.若用2dm长的样品管测定某光学纯物质的比旋光皮为+20°。，试计算具有80％光学纯度的该物质的溶液(20g·ml-1)的实测旋光度是多少?
4.测定旋光度时为什么样品管内不能有气泡存在？
