赵永潜 张亚萍 许广建 刘钊良 何伟林

(中国石油大学(华东)理学院，山东 青岛 266580)



D-葡萄糖变旋特性的实验研究

赵永潜 张亚萍 许广建 刘钊良 何伟林

(中国石油大学(华东)理学院，山东 青岛 266580)

通过测定不同浓度的D-葡萄糖水溶液的旋光度，研究其规律，得出了葡萄糖水溶液变旋特性曲线的经验公式.分析表明，D-葡萄糖溶于水后，部分α-D-葡萄糖转化为β-D-葡萄糖，造成其水溶液旋光度的下降，本文给出的经验公式在变旋时间大于25min时能够较为准确地描述葡萄糖水溶液的变旋特性.这对于新配制α-D-葡萄糖溶液旋光度的预测和研究其他变旋物质的变旋特性具有一定的指导意义.

D-葡萄糖；比旋光度；变旋特性；偏振

旋光现象最早由法国物理学家阿拉果(1786—1853年)发现，当偏振光沿光轴方向在石英中传播时，偏振光的振动平面会发生旋转，这种现象称为旋光性.物质的旋光性质在生物[1,2]和化学[3-6]领域有着较为广泛的应用，在研究分子的相互作用、分子的内旋转以及微细立体结构等方面，旋光法有着其他方法不可替代的作用.对于一些具有光学活性的还原糖类(如果糖、乳糖、葡萄糖等)，在溶于水后，新配成的单糖溶液在放置过程中其旋光度会逐渐改变，但经过一定时间，旋光度就不再变化，这种现象称为变旋现象.本文从α-D-葡糖糖溶液的变旋实验入手，探究了变旋现象的变化规律.

1 实验原理

1.1 旋光度、比旋光度

线偏振光通过某些物质的溶液后，其振动面会以光的传播方向为轴旋转过一定的角度，这种现象称为旋光现象，能产生旋光现象的物质叫做旋光性物质，偏振光偏转的角度θ称为旋光度(Optical Rotation).研究表明[7]，对于旋光性溶液，旋光度θ与偏振光通过的液柱长度L和溶液中旋光物质的浓度C成正比，即

(1)

1.2 测量原理

如图1所示，起偏器和检偏器的偏振方向相互垂直，在正交的两偏振器之间放置一个样品室，当一束自然光入射，经起偏器起偏后变成线偏振光，若样品室中无任何旋光物质，则在检偏器的视场中出现全暗；若在样品室中放置旋光溶液，则由于偏振光通过旋光物质后振动面旋转一定角度，检偏器的视场会变得明亮.这时如果旋转检偏器，使视场再次出现全暗，则检偏器转过的角度就是偏振光振动面转过的角度，也就是旋光物质的旋光角度θ.

图1 测量旋光度原理图

2 实验装置与方法

2.1 测量仪器

WXG-4小型旋光仪(上海浦东物理光学仪器厂)，钠光灯，旋光管若干(L=200mm)，电子天平(精确度为0.01g，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)，量筒，玻璃棒，试管，温度计，计时器，D-葡萄糖(国药集团化学试剂有限公司)，去离子水.

2.2 实验方法

打开WXG-4小型旋光仪电源开关，预热5min，使钠光灯发光正常.调节旋光仪的目镜，使目镜中观察到的视场清晰并找到三分视场中的零度视场，记下此时刻度盘上相应左、右两个游标的读数，取平均值后作为零点位置.

称取15.0gD-葡萄糖倒入试管中，向试管中加入去离子水至总溶液为30ml并开始计时，所配溶液浓度为0.5g/ml.立即用玻璃棒将溶液搅拌均匀以加速葡萄糖溶解，当葡萄糖完全溶解，快速将此溶液注满旋光管并密封好，置于旋光仪中，当计时器显示为5min时开始测定溶液的旋光度，每隔5min测定一次, 测量至35min之后每隔15min测量一次，一直测量到110min为止.

然后分别配制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，测量方法同上，依次记录旋光仪刻度盘上左、右两个游标的读数.

3 结果与分析

3.1 变旋特性

分别计算出每一测量时刻光通过溶液相对于零点位置的偏转角度，即为该变旋时间对应浓度下溶液的旋光度，作出不同浓度葡萄糖溶液的变旋曲线如图2所示.实验中旋光管长度为L=200mm，实验室温度t=18.2℃，钠光源波长为589.3nm.

图2 不同浓度D-葡萄糖溶液变旋特性曲线图

从图2中，可以得到以下几个结论：

1) 旋光度随着溶液浓度的提高而增大，相同浓度下，α-D-葡萄糖溶液的旋光度随着放置时间的延长呈减小趋势，旋光度减小幅度开始时较大，随后慢慢减小，直至旋光度达到稳定状态.

2) 高浓度α-D-葡萄糖溶液比低浓度α-D-葡萄糖溶液的变旋特性曲线的斜率要大，说明浓度较高的α-D-葡萄糖溶液旋光度在较短时间内改变幅度更为明显；而低浓度α-D-葡萄糖溶液的旋光度达到稳定时，所需的时间较短.

3.2 变旋特性机理分析

图3 葡萄糖溶液的动态平衡体系

缩醛，是一类有机化合物的统称.由一分子醛与两分子醇缩合的产物称为缩醛，由一分子醛与一分子醇缩合的产物称为半缩醛.葡萄糖分子一端的醛基和另一端的羟基结合可形成两种环状半缩醛结构，即α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖，如图3所示.有研究指出[9]，这两种晶型的葡萄糖溶于水后，都可通过半缩醛的开环和再次关环而形成α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖共存的动态平衡状态，如图3所示，从而使得溶液的旋光度稳定在52.7°左右[10].当α-D-葡萄糖晶体溶于水后，溶液会向着α-D-葡萄糖浓度减少，而β-D-葡萄糖浓度向增大的方向进行转化，因而，α-D-葡萄糖溶液的比旋光度较大，β-D-葡萄糖溶液的比旋光度较小，溶液的旋光度整体上呈下降趋势.

3.3 理论拟合

α-D-葡萄糖晶体溶于水后，随着放置时间的延长，α-D-葡萄糖的分子浓度下降，而β-D-葡萄糖的分子浓度上升，溶液中同时存在着两种旋光性物质，其旋光度由这两种旋光性物质单独作用后相叠加，由式(1)可得，溶液的旋光度为

(2)

(3)

(4)

式中，C为溶液中分子总浓度，η为溶液旋光度稳定时α-D-葡萄糖分子占溶液中葡萄糖分子总数的比例；1-η为溶液旋光度稳定时β-D-葡萄糖分子占溶液中葡萄糖分子总数的比例；b1和b2是常数.式(3)和式(4)只适用于时间较长的情况，将式(3)和式(4)代入式(2)得到

(5)

式(5)即为α-D-葡萄糖水溶液旋光度随时间变化的理论公式.

通过实验数据，确定方程(5)中的η、b1、b2，得出其经验公式.当α-D-葡萄糖溶液浓度为0.5g/ml时，旋光度最终稳定在55.975°，即当t→∞，θ=59.975°，

59.975=

(6)

(7)

选取t为25min和80min所对应的θt实验值.即

(8)

(9)

将式(8)和式(9)代入式(7)，解得

b1=8.82， b2=-15.18

(10)

由此可得，当α-D-葡萄糖溶液浓度为0.5g/ml时，旋光度变化经验公式为

(11)

将该组实验的理论值与实验值进行对比，如表1所示

表1 变旋溶液旋光度实验值和理论值比对表

由表1可看出，当变旋时间大于25min时，理论值和实验值的相对误差均控制在2.5%以内，其他浓度的α-D-葡糖糖溶液在变旋时间大于25min时，拟合误差都在3%以内 .说明式(5)在变旋时间较长时可以比较准确地描述α-D-葡萄糖溶液变旋光过程中变旋特性.当变旋时间在5～20min时，理论值与实验值相差较大，其产生原因主要如下：

1) 理论公式适用条件所致.在式(3)和式(4)中，当t较小时，随着t的减小，溶液浓度急剧增大，且当时间t→0时，Cα,Cβ→∞，这显然与实际情况不符.公式(3)和(4)只适用于时间较长的情况.

2) 实验测量误差所致.配制溶液的过程中，样品的称量，量筒凹液面的读数都会造成所配制溶液的浓度误差；计时时间点不能准确地与药品刚好溶解的时间点匹配等因素，在一定程度上给测量结果带来误差.

4 结论

本文通过测定不同浓度α-D-葡萄糖溶液的旋光度，研究了α-D-葡萄糖溶液变旋特性的规律：随着时间推移，溶液的旋光度逐渐减小，且减幅先大后小，直至其旋光度稳定；低浓度α-D-葡萄糖溶液的旋光度达到稳定时所需时间少于高浓度葡萄糖溶液.通过理论推导，得到了α-D-葡萄糖溶液变旋特性曲线的经验公式，当变旋时间大于25min时，该公式可以较好地描述α-D-葡萄糖溶液变旋光过程中的变旋特性，研究结果对于新配制α-D-葡萄糖溶液旋光度的预测和研究其他变旋物质的变旋特性具有一定的指导意义.

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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

教育部高等学校教学研究项目(DWJZW201522hd;DWJZW201603hd)；山东省本科高校教学改革研究项目(2015M022)；中国石油大学(华东)教学改革重大项目和研究性教学改革项目JY-A201402；201520)；中国石油大学(华东)大学生创新训练计划项目(20151288).

赵永潜,男，本科生.

张亚萍，女，副教授，主要研究方向为物理实验教学与研究，纳米材料的合成、制备及其性能研究，材料腐蚀与检测等.zhangyp@upc.edu.cn

赵永潜，张亚萍，许广建，等. D-葡萄糖变旋特性的实验研究[J]. 物理与工程，2016，26(6)：94-97.