趙永潛 張亞萍 許廣建 劉釗良 何偉林

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

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D-葡萄糖變旋特性的實(shí)驗(yàn)研究

趙永潛 張亞萍 許廣建 劉釗良 何偉林

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

通過(guò)測(cè)定不同濃度的D-葡萄糖水溶液的旋光度，研究其規(guī)律，得出了葡萄糖水溶液變旋特性曲線的經(jīng)驗(yàn)公式.分析表明，D-葡萄糖溶于水后，部分α-D-葡萄糖轉(zhuǎn)化為β-D-葡萄糖，造成其水溶液旋光度的下降，本文給出的經(jīng)驗(yàn)公式在變旋時(shí)間大于25min時(shí)能夠較為準(zhǔn)確地描述葡萄糖水溶液的變旋特性.這對(duì)于新配制α-D-葡萄糖溶液旋光度的預(yù)測(cè)和研究其他變旋物質(zhì)的變旋特性具有一定的指導(dǎo)意義.

D-葡萄糖；比旋光度；變旋特性；偏振

旋光現(xiàn)象最早由法國(guó)物理學(xué)家阿拉果(1786—1853年)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏振光沿光軸方向在石英中傳播時(shí)，偏振光的振動(dòng)平面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為旋光性.物質(zhì)的旋光性質(zhì)在生物[1,2]和化學(xué)[3-6]領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，在研究分子的相互作用、分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)以及微細(xì)立體結(jié)構(gòu)等方面，旋光法有著其他方法不可替代的作用.對(duì)于一些具有光學(xué)活性的還原糖類(如果糖、乳糖、葡萄糖等)，在溶于水后，新配成的單糖溶液在放置過(guò)程中其旋光度會(huì)逐漸改變，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，旋光度就不再變化，這種現(xiàn)象稱為變旋現(xiàn)象.本文從α-D-葡糖糖溶液的變旋實(shí)驗(yàn)入手，探究了變旋現(xiàn)象的變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 旋光度、比旋光度

線偏振光通過(guò)某些物質(zhì)的溶液后，其振動(dòng)面會(huì)以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象，能產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)叫做旋光性物質(zhì)，偏振光偏轉(zhuǎn)的角度θ稱為旋光度(Optical Rotation).研究表明[7]，對(duì)于旋光性溶液，旋光度θ與偏振光通過(guò)的液柱長(zhǎng)度L和溶液中旋光物質(zhì)的濃度C成正比，即

(1)

1.2 測(cè)量原理

如圖1所示，起偏器和檢偏器的偏振方向相互垂直，在正交的兩偏振器之間放置一個(gè)樣品室，當(dāng)一束自然光入射，經(jīng)起偏器起偏后變成線偏振光，若樣品室中無(wú)任何旋光物質(zhì)，則在檢偏器的視場(chǎng)中出現(xiàn)全暗；若在樣品室中放置旋光溶液，則由于偏振光通過(guò)旋光物質(zhì)后振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)一定角度，檢偏器的視場(chǎng)會(huì)變得明亮.這時(shí)如果旋轉(zhuǎn)檢偏器，使視場(chǎng)再次出現(xiàn)全暗，則檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是偏振光振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)的角度，也就是旋光物質(zhì)的旋光角度θ.

圖1 測(cè)量旋光度原理圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 測(cè)量?jī)x器

WXG-4小型旋光儀(上海浦東物理光學(xué)儀器廠)，鈉光燈，旋光管若干(L=200mm)，電子天平(精確度為0.01g，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)，量筒，玻璃棒，試管，溫度計(jì)，計(jì)時(shí)器，D-葡萄糖(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，去離子水.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

打開WXG-4小型旋光儀電源開關(guān)，預(yù)熱5min，使鈉光燈發(fā)光正常.調(diào)節(jié)旋光儀的目鏡，使目鏡中觀察到的視場(chǎng)清晰并找到三分視場(chǎng)中的零度視場(chǎng)，記下此時(shí)刻度盤上相應(yīng)左、右兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)，取平均值后作為零點(diǎn)位置.

稱取15.0gD-葡萄糖倒入試管中，向試管中加入去離子水至總?cè)芤簽?0ml并開始計(jì)時(shí)，所配溶液濃度為0.5g/ml.立即用玻璃棒將溶液攪拌均勻以加速葡萄糖溶解，當(dāng)葡萄糖完全溶解，快速將此溶液注滿旋光管并密封好，置于旋光儀中，當(dāng)計(jì)時(shí)器顯示為5min時(shí)開始測(cè)定溶液的旋光度，每隔5min測(cè)定一次, 測(cè)量至35min之后每隔15min測(cè)量一次，一直測(cè)量到110min為止.

然后分別配制0.40g/ml,0.30g/ml,0.25g/ml,0.20g/ml,0.15g/ml,0.10g/ml,0.05g/ml的葡萄糖溶液，測(cè)量方法同上，依次記錄旋光儀刻度盤上左、右兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 變旋特性

分別計(jì)算出每一測(cè)量時(shí)刻光通過(guò)溶液相對(duì)于零點(diǎn)位置的偏轉(zhuǎn)角度，即為該變旋時(shí)間對(duì)應(yīng)濃度下溶液的旋光度，作出不同濃度葡萄糖溶液的變旋曲線如圖2所示.實(shí)驗(yàn)中旋光管長(zhǎng)度為L(zhǎng)=200mm，實(shí)驗(yàn)室溫度t=18.2℃，鈉光源波長(zhǎng)為589.3nm.

圖2 不同濃度D-葡萄糖溶液變旋特性曲線圖

從圖2中，可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1) 旋光度隨著溶液濃度的提高而增大，相同濃度下，α-D-葡萄糖溶液的旋光度隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)呈減小趨勢(shì)，旋光度減小幅度開始時(shí)較大，隨后慢慢減小，直至旋光度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

2) 高濃度α-D-葡萄糖溶液比低濃度α-D-葡萄糖溶液的變旋特性曲線的斜率要大，說(shuō)明濃度較高的α-D-葡萄糖溶液旋光度在較短時(shí)間內(nèi)改變幅度更為明顯；而低濃度α-D-葡萄糖溶液的旋光度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，所需的時(shí)間較短.

3.2 變旋特性機(jī)理分析

圖3 葡萄糖溶液的動(dòng)態(tài)平衡體系

縮醛，是一類有機(jī)化合物的統(tǒng)稱.由一分子醛與兩分子醇縮合的產(chǎn)物稱為縮醛，由一分子醛與一分子醇縮合的產(chǎn)物稱為半縮醛.葡萄糖分子一端的醛基和另一端的羥基結(jié)合可形成兩種環(huán)狀半縮醛結(jié)構(gòu)，即α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖，如圖3所示.有研究指出[9]，這兩種晶型的葡萄糖溶于水后，都可通過(guò)半縮醛的開環(huán)和再次關(guān)環(huán)而形成α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖共存的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，如圖3所示，從而使得溶液的旋光度穩(wěn)定在52.7°左右[10].當(dāng)α-D-葡萄糖晶體溶于水后，溶液會(huì)向著α-D-葡萄糖濃度減少，而β-D-葡萄糖濃度向增大的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因而，α-D-葡萄糖溶液的比旋光度較大，β-D-葡萄糖溶液的比旋光度較小，溶液的旋光度整體上呈下降趨勢(shì).

3.3 理論擬合

α-D-葡萄糖晶體溶于水后，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，α-D-葡萄糖的分子濃度下降，而β-D-葡萄糖的分子濃度上升，溶液中同時(shí)存在著兩種旋光性物質(zhì)，其旋光度由這兩種旋光性物質(zhì)單獨(dú)作用后相疊加，由式(1)可得，溶液的旋光度為

(2)

(3)

(4)

式中，C為溶液中分子總濃度，η為溶液旋光度穩(wěn)定時(shí)α-D-葡萄糖分子占溶液中葡萄糖分子總數(shù)的比例；1-η為溶液旋光度穩(wěn)定時(shí)β-D-葡萄糖分子占溶液中葡萄糖分子總數(shù)的比例；b1和b2是常數(shù).式(3)和式(4)只適用于時(shí)間較長(zhǎng)的情況，將式(3)和式(4)代入式(2)得到

(5)

式(5)即為α-D-葡萄糖水溶液旋光度隨時(shí)間變化的理論公式.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定方程(5)中的η、b1、b2，得出其經(jīng)驗(yàn)公式.當(dāng)α-D-葡萄糖溶液濃度為0.5g/ml時(shí)，旋光度最終穩(wěn)定在55.975°，即當(dāng)t→∞，θ=59.975°，

59.975=

(6)

(7)

選取t為25min和80min所對(duì)應(yīng)的θt實(shí)驗(yàn)值.即

(8)

(9)

將式(8)和式(9)代入式(7)，解得

b1=8.82， b2=-15.18

(10)

由此可得，當(dāng)α-D-葡萄糖溶液濃度為0.5g/ml時(shí)，旋光度變化經(jīng)驗(yàn)公式為

(11)

將該組實(shí)驗(yàn)的理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示

表1 變旋溶液旋光度實(shí)驗(yàn)值和理論值比對(duì)表

由表1可看出，當(dāng)變旋時(shí)間大于25min時(shí)，理論值和實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差均控制在2.5%以內(nèi)，其他濃度的α-D-葡糖糖溶液在變旋時(shí)間大于25min時(shí)，擬合誤差都在3%以內(nèi) .說(shuō)明式(5)在變旋時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)可以比較準(zhǔn)確地描述α-D-葡萄糖溶液變旋光過(guò)程中變旋特性.當(dāng)變旋時(shí)間在5～20min時(shí)，理論值與實(shí)驗(yàn)值相差較大，其產(chǎn)生原因主要如下：

1) 理論公式適用條件所致.在式(3)和式(4)中，當(dāng)t較小時(shí)，隨著t的減小，溶液濃度急劇增大，且當(dāng)時(shí)間t→0時(shí)，Cα,Cβ→∞，這顯然與實(shí)際情況不符.公式(3)和(4)只適用于時(shí)間較長(zhǎng)的情況.

2) 實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差所致.配制溶液的過(guò)程中，樣品的稱量，量筒凹液面的讀數(shù)都會(huì)造成所配制溶液的濃度誤差；計(jì)時(shí)時(shí)間點(diǎn)不能準(zhǔn)確地與藥品剛好溶解的時(shí)間點(diǎn)匹配等因素，在一定程度上給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差.

4 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)定不同濃度α-D-葡萄糖溶液的旋光度，研究了α-D-葡萄糖溶液變旋特性的規(guī)律：隨著時(shí)間推移，溶液的旋光度逐漸減小，且減幅先大后小，直至其旋光度穩(wěn)定；低濃度α-D-葡萄糖溶液的旋光度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間少于高濃度葡萄糖溶液.通過(guò)理論推導(dǎo)，得到了α-D-葡萄糖溶液變旋特性曲線的經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)變旋時(shí)間大于25min時(shí)，該公式可以較好地描述α-D-葡萄糖溶液變旋光過(guò)程中的變旋特性，研究結(jié)果對(duì)于新配制α-D-葡萄糖溶液旋光度的預(yù)測(cè)和研究其他變旋物質(zhì)的變旋特性具有一定的指導(dǎo)意義.

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RESEARCH ON EXPERIMENT OF THE MUTAROTATION OFD-GLUCOSE

Zhao Yongqian Zhang Yaping Xu Guangjian Liu Zhaoliang He Weilin

(College of Science, China University of Petroleum(East China), Qingdao, Shandong 266580)

By measuring the optical rotation of different concentrations of glucose solution and analyzing the change of optical rotation ofD-glucose solution, The general formula is given to describe mutarotation curve ofD-glucose solution. The results show, afterD- glucose was dissolved in water, part ofα-D-glucose convert toβ-D-glucose, which cause a decline in optical rotation of its solution. When the time of mutarotation is longer than 25min, general equation given in the paper can accurately describe the mutarotation characteristics ofD-glucose solution. This has some significance for prediction of optical rotation of freshly prepared glucose solution and study of mutarotation law of other mutarotation substance.

D-glucose; specific rotation; mutarotation; polarization

2016-04-30

教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目(DWJZW201522hd;DWJZW201603hd)；山東省本科高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2015M022)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革重大項(xiàng)目和研究性教學(xué)改革項(xiàng)目JY-A201402；201520)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20151288).

趙永潛,男，本科生.

張亞萍，女，副教授，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)與研究，納米材料的合成、制備及其性能研究，材料腐蝕與檢測(cè)等.zhangyp@upc.edu.cn

趙永潛，張亞萍，許廣建，等. D-葡萄糖變旋特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 物理與工程，2016，26(6)：94-97.