旋光

旋光：光の回転現象

旋光とは、直線偏光が特定の物質を通過するときに回転する現象です。この性質を示す物質や化合物は、旋光性または光学活性を持つと言われます。直線偏光が右に回転する場合は右旋性、左に回転する場合は左旋性と呼ばれます。旋光現象は、糖などの不斉分子を含む溶液、水晶などの結晶、偏極したスピンを持つ気体原子・分子などで観察されます。

糖化学では糖シロップの濃度測定、光学では偏光の操作、化学では溶液中の物質の性質の検討、医学では糖尿病患者の血糖値測定などに用いられています。

旋光の原理

旋光は複屈折の一種です。直線偏光は、右円偏光と左円偏光の合成で表すことができます。光学活性物質中では、右円偏光と左円偏光の屈折率が異なり、この屈折率の差が旋光の強さとして現れます。この屈折率の差は物質固有のものであり、溶液の場合は比旋光度として定義されます。

物質を通過した光の偏光面の回転角は、光の波長、物質の経路長、そして物質の比旋光度と濃度に依存します。光の波長変化に伴う回転角の変化は、旋光分散と呼ばれ、円二色性スペクトルと密接に関連しています。

旋光計

旋光度を測定する装置を旋光計と呼びます。旋光計は、光源、偏光子、試料セル、検光子から構成されます。光源からの光は偏光子によって特定の面内に振動する平面偏光に変換され、試料セルを通過します。光学活性物質を含む試料セル中では、平面偏光が回転し、検光子でその回転角を測定することで旋光度が求められます。検光子は回転可能なフィルターであり、通過する光の強度が最大になる角度から回転角を決定します。

比旋光度

比旋光度は、物質の旋光性を表す定数です。試料セルの長さ、溶媒、濃度、光の波長、温度などを一定にした条件下で測定された旋光度（実測旋光度）を、セルの長さ、濃度で割ることで算出されます。比旋光度の単位は、通常は省略されますが、厳密には deg·cm²/g となります。比旋光度を記述する際には、溶媒の種類と濃度を明記する必要があります。比旋光度は物質の構造に依存するため、物質を同定したり、純度を評価する際に役立ちます。

ラセミ体

エナンチオマー（鏡像異性体）は、平面偏光を同じ大きさだけ逆方向に回転させます。等量の2つのエナンチオマーが混合した状態をラセミ体と呼び、旋光性を示しません。ラセミ体には、個々の結晶がそれぞれのエナンチオマーからなるコングロメレートと、エナンチオマーが分子化合物として結晶を形成するラセミ化合物があります。一方のエナンチオマーが他方に変化する過程をラセミ化といいます。

光学純度

光学純度とは、エナンチオマー混合物中の光学活性なエナンチオマーの割合を示す数値です。比旋光度がわかっていれば、実測旋光度から混合物の組成を算出できます。光学活性なエナンチオマーの比率をエナンチオマー過剰率と呼びます。

旋光の利用分野

旋光計は、糖シロップの濃度測定、光学活性化合物の光学純度決定、化学反応の解析などに広く利用されています。磁場中では、ファラデー効果によって、物質による光の偏光面の回転が起こります。

歴史

旋光現象は1800年代初頭に観測され、グルコースなどの糖の濃度測定に用いられるようになりました。ブドウ糖（右旋糖、dextrose）やフルクトース（左旋糖、levulose）の名称は、旋光の向きに由来しています。

まとめ

旋光は、光学活性物質が光に及ぼす重要な現象であり、様々な分野で利用されています。比旋光度、光学純度、ラセミ体などの概念を理解することで、旋光現象をより深く理解することができます。また、旋光計は、糖の濃度測定など、産業においても重要な役割を果たしています。

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