Вперше оптична активність була виявлена в 1811 Г.Д. Араго в кристалах кварцу. У 1815 Г.Ж. Бої відкрив оптичну активність чистих рідин (скипидару), а потім розчинів і парів багатьох, головним чином органічних речовин. Ж.Біо встановив, що поворот площини поляризації відбувається або за годинниковою стрілкою, або проти неї, якщо подивитися назустріч ходу променів світла і відповідно до цього розділив оптично активні речовини на правообертальні (обертають позитивно, тобто за годинниковою стрілкою) і левовращающіе (негативно обертають) різновиди. Спостережуване значення кута повороту площини поляризації в разі розчину пов'язано з товщиною зразка і концентрацією оптично активної речовини.
Оптично активними речовинами називають лише ті речовини, які проявляють природну оптичну активність. Існує також і штучна або наведена оптична активність. Її виявляють оптично неактивні речовини при приміщенні в магнітне поле (ефект Фарадея).
1.1 Оптично активні речовини
Оптично активні речовини поділяються на два типи.
До першого типу відносяться речовини, які оптично активні лише в кристалічній фазі (кварц, кіновар). До другого типу відносяться речовини, які оптично активні в будь-якому агрегатному стані (наприклад, цукру, камфора, винна кислота). У з'єднань першого типу оптична активність є властивістю кристала як цілого, але самі молекули або іони, що становлять кристал, оптично неактивні. Кристали оптично активних речовин завжди існують в двох формах - правою і лівою; при цьому грати правого кристала дзеркально симетрична решітці лівого кристала і ніякими поворотами і переміщеннями лівий і правий кристали не можуть бути поєднані один з одним. Оптична активність правої і лівої форм кристалів має різні знаки і однакова по абсолютній величині (при однакових зовнішніх умовах). Праву і ліву форму кристалів називають оптичними антиподами.
У з'єднань другого типу оптична активність обумовлена дисиметричну будовою самих молекул. Якщо дзеркальне відображення молекули ніякими обертаннями і переміщеннями не може бути накладено на оригінал, молекула оптично активна; якщо таке накладення здійснити вдається, то молекула оптично неактивна. (Під дзеркалом розуміють відбивач, що лежить поза молекули, і відображення дає відображення всієї молекули).
Асиметричні молекули і дісcімметріческіе молекули не одне і те ж. Асиметричні молекули не мають ніяких елементів симетрії, тоді як в дісcімметріческіх молекулах деякі елементи симетрії залишаються. Діcсімметрія є порушення максимальної симетрії об'єкта. Оптичну активність проявляють все асиметричні молекули, але далеко не всі діссимметрічеських молекули. Оптична активність пов'язана лише з дісcімметріей, що обумовлює несумісність об'єкта з його дзеркальним відображенням. Такий вид диссимметрии, отримав назву хіральність. Хіральні об'єкти несумісні в просторі і представляються як дзеркальні відображення один одного. Оптично активна молекула Хіральність, а оптично неактивна ахіральна, однак якщо молекулу можна поєднати з її дзеркальним відображенням, то дзеркальне відображення відповідає іншої, відмінної молекулі, яку, в принципі, можна синтезувати. Синтезоване дзеркальне відображення хіральної молекули буде її реальним оптичним ізомером. Чисте оптично активне з'єднання має тільки два оптичних ізомери (тому що кожному об'єкту відповідає лише одне дзеркальне відображення). Оптичні ізомери називаються енантіомерами (або іноді енантіоморфамі). Питоме обертання енантіомерів однаково по абсолютній величині і протилежно по знаку: один енантіомер левовращающий, а другий правообертальні. Крім знака обертання всі інші фізичні і хімічні властивості енантіомерів в газовій фазі, а також в ахіральних рідких середовищах однакові. Однак, якщо рідке середовище Хіральність (наприклад, в розчин доданий хіральний реагент або каталізатор, або сам розчинник Хіраль) властивості енантіомерів починають різнитися. При взаємодії з іншими хіральними сполуками, відгукуються на дзеркальну изомерию молекул, енантіомери реагують з різними швидкостями. Особливо відчутно відмінність в фізіологічному і біохімічному дії енантіомерів, що пов'язано з енантіомерів біологічних реагентів і каталізаторів. Так, природні білки складаються з лівих оптичних ізомерів амінокислот і тому штучно синтезовані праві амінокислоти організмом не засвоюються; дріжджі зброджують лише праві ізомери цукрів, не зачіпаючи ліві і т.д. Загальне правило полягає в тому, що енантіомери проявляють ідентичні властивості в симетричному (ахіральном) оточенні, а в несиметричному (хіральні) оточенні їх властивості можуть змінюватися, Ця властивість використовується в асиметричному синтезі і каталізі. Суміш рівних кількостей енантіомерів, хоча і складається з хіральних молекул, оптично неактивна, тому що однакове за величиною і протилежна за знаком обертання взаємно компенсується. Такі суміші називають Рацемічні сумішами або рацемати. У газоподібному стані, рідкій фазі і в розчинах властивості рацематів зазвичай збігаються з властивостями чистих енантіомерів, проте в твердому стані такі властивості, як температура плавлення, теплота плавлення, розчинність, зазвичай відрізняються.
1.2 Фізичні причини оптичної активності
У ахіральной середовищі два енантіомера мають однакові хімічні і фізичні властивості, але їх легко відрізнити один від одного за специфічним взаємодії зі світлом. Один з енантіомерів обертає площину поляризації лінейнополярізованного (плоскополяризованого) світла вправо, а інший енантіомер - на такий самий кут вліво.
1.2 а. феноменологічна модель
Феноменологічну модель оптичної активності запропонував Френель ще в 1823 р Вона заснована на хвильової теорії світла і з позицій сучасної науки не є досить суворою. Проте, ця модель дає дуже наочне уявлення про причини оптичної активності та інших явищах, пов'язаних з поглинанням світла хіральних речовиною, в рамках класичної електродинаміки, тому її часто використовують і в даний час.
Згідно класичним уявленням, лінейнополярізованний (плоскополяризоване) світло характеризується тим, що вектори складових його залежних від часу електричного (Е) і магнітного (Н) полів осцилюють у взаємно перпендикулярних площинах і їх зміни носять синусоїдальний характер в часі і в просторі. Плоскополяризоване світло можна розглядати як комбінацію лівого і правого ціркулярнополярізованних променів, що рухаються в фазі по відношенню один до одного. Якщо в початковій точці часу 1 електричні вектори лівого і правого ціркулярнополярізованних променів орієнтовані вгору, то в точці 2 вектор правого променя орієнтований вправо, а вектор лівого променя вліво (якщо дивитися в напрямку руху світла по осі z). У точці 3 вектори обох променів орієнтовані вниз, в точці 4 вектор правого променя орієнтований вліво, а вектор лівого променя вправо, і т.д. Таким чином, правий і лівий ціркулярнополярізованние промені володіють відповідно правої і лівої спіральністю обертання вектора електричного поля. Сума цих променів дає плоскополяризоване промінь, в просторово-часових точках 1,3 і 5 вектори сумуються, а в точках 2 і 4 взаємно знищуються. Відстань між точками 1 і 5 відповідає одному витку правої або лівої спіралі або довжині плоскої хвилі.