5.15: Polarimeter

1. Vorbereitung der Polarimeter

1. Schalten Sie ein Gerät und lassen Sie es 10 Minuten warmlaufen.
2. Stellen Sie sicher, dass Instrument "optische Drehung" Modus eingestellt ist.
3. Eine leere Probe im Polarimeter Zelle (1,5 mL Gesamtstichprobe Volumen, 1 dm in der Länge) mit nur KCHL₃vorbereiten. Stellen Sie sicher, dass es keine Luftblasen vorhanden sind.
4. Stellen Sie die leere Zelle in der Halterung, und drücken Sie "Null."

2. Vorbereitung des Analyten Probe

1. Bereiten Sie eine Stammlösung von 10-15 mg des chiralen Analyten in 1,5 mL KCHL₃. Beachten Sie die genaue Menge der Verbindung verwendet.

3. Messung der optischen Drehung

1. Füllen Sie die Zelle mit 1,5 mL der vorbereiteten Vorratslösung mit der Probe.
2. Legen Sie die Zelle in die Halter und Presse "Maßnahme." Das Auslesen der Maschine geben den Wert der optischen Drehung. Denken Sie daran, die Temperatur sowie zu notieren.

4. Berechnung des spezifischen Rotation

1. Die spezifische Drehung einer Verbindung wird durch die folgende Gleichung definiert:
   
   wo α den Wert der optischen Drehung gegeben durch das Polarimeter, l ist die Zelle Pathlength in dm, und c ist die Konzentration der Lösung in g/mL.

In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sind Saccharose Konzentrationen und Reinheiten mit speziell entwickelten Fluss Polarimeter kontinuierlich überwacht. Saccharose, eines der am häufigsten verwendeten Zutaten in Lebensmitteln, ist eine spezifische optische Drehung von 66,5 Grad. Durch die Aufteilung der optischen Drehung des Wildbaches Saccharose durch die spezifische optische Drehung von Saccharose, kann die Konzentration bestimmt werden. Schwankungen in der optischen Rotation deutet darauf hin, dass Schwankungen in der Saccharose-Konzentration.

Polarimetrie hat auch zur Reaktionskinetik, einschließlich Kinetik für Enzymsysteme wie das Penicillin-Penicillinase-System zu studieren. In diesem Fall die Sample-Zelle enthält Enzym und Substrat, und die optische Drehung bemisst sich nach der Zeit. Die Veränderung der optischen Drehung ist direkt proportional zur Änderung der Substratkonzentration. Dies nicht nur offenbart der Reaktionskinetik, sondern ermöglicht auch die gleichzeitige Bestimmung von Enzym und Substrat-Konzentrationen in Zukunft assays.

Polarimeter werden in der organischen und analytischen Chemie häufig eingesetzt, um die Reinheit eines chemischen Produkts zu beurteilen und seine Eigenschaften zu untersuchen.

Polarimeter weisen das Vorhandensein von Enantiomeren nach: spiegelbildliche Varianten einer Verbindung, die stark voneinander abweichende biologische Aktivitäten aufweisen können. Die Unterscheidung zwischen Enantiomeren ist in vielen Anwendungen, einschließlich Pharmazeutika, von entscheidender Bedeutung, da ein Enantiomer in der Regel für biologische Wirkungen verantwortlich ist, während das andere in der Regel inert, weniger aktiv oder, wie im Fall des Medikaments Thalidomid, schädlich ist.

In diesem Video werden die Prinzipien der Polarimetrie veranschaulicht, die Einrichtung und der Betrieb eines Polarimeters demonstriert und einige Anwendungen erläutert.

Die Polarimetrie ist nützlich für die Untersuchung organischer Verbindungen, die Stereozentren enthalten.

Stereozentren sind Kohlenstoffatome, die an vier verschiedene Atome oder Gruppen gebunden sind. In diesem Beispiel ist das Kohlenstoffatom an Wasserstoff, Fluor, Chlor und Brom gebunden und bildet Brom-Chlor-Fluor-Methan.

Verbindungen, die Stereozentren enthalten, werden als "chiral" bezeichnet, was bedeutet, dass sie als spiegelbildliche Isomere vorliegen: nicht äquivalente physikalische Strukturen, die nicht gedreht oder ausgerichtet werden können, um sich gegenseitig zu überlagern. Die spiegelbildlichen Isomere werden "Enantiomere" genannt und haben identische physikalische Eigenschaften, mit einer Ausnahme, die sich auf die Optik bezieht.

In der Optik senden Nicht-Laser-Lichtquellen Lichtwellen aus, die in einer Vielzahl von Ebenen schwingen. Solche Lichtwellen werden als "unpolarisiert" bezeichnet. Bestimmte Materialien sind jedoch in der Lage, Lichtwellen basierend auf ihrer Schwingungsebene zu filtern und nur die Lichtwellen zu übertragen, die in einer bestimmten Ebene schwingen, während sie die in anderen Ebenen schwingenden Wellen absorbieren. Das durchgelassene Licht ist "planpolarisiert".

Enantiomere haben unterschiedliche Wirkungen auf planpolarisiertes Licht. Wenn sie von planpolarisiertem Licht getroffen werden, dreht ein Enantiomer die Schwingungsebene im Uhrzeigersinn, während das andere die Schwingungsebene um den gleichen Winkel gegen den Uhrzeigersinn dreht. Ersteres wird als "rechtsdrehendes" Enantiomer bezeichnet, und seinem Namen wird ein Pluszeichen vorangestellt. Letzteres wird als "levorotatorisches" Enantiomer bezeichnet, und seinem Namen wird ein Minuszeichen vorangestellt. Das Verhältnis von Rotationswinkel zu Konzentration ist für jede Verbindung einzigartig und wird als "spezifische optische Rotation" bezeichnet.

Ein Polarimeter erkennt, ob ein oder beide Enantiomere in einer Probe vorhanden sind. Es besteht aus einer Lichtquelle, einem Polarisator, einer Probenzelle, einem Detektor und einem Analysator. Die Lichtquelle sendet Lichtwellen aus, die unpolarisiert, aber monochromatisch sind, was bedeutet, dass sie die gleiche Wellenlänge haben. Die Lichtwellen treffen dann auf den Polarisator, der nur diejenigen durchlässt, die in einer bestimmten Ebene schwingen, wodurch ein planpolarisierter Strahl entsteht. Das planpolarisierte Licht interagiert dann mit der Probe in der Probenzelle.

Enthält die Probe nur ein Enantiomer der chiralen Verbindung, dreht sich das polarisierte Licht. Der Winkel wird als "optische Rotation" bezeichnet und hängt von der spezifischen optischen Drehung der Verbindung, ihrer Konzentration und der Länge der Probenzelle ab. Liegen hingegen beide Enantiomere in gleichen Konzentrationen vor, bilden sie ein "racemisches Gemisch", das polarisiertes Licht nicht rotieren kann. Wenn schließlich ein Enantiomer in größerer Konzentration vorhanden ist als das andere, entsteht ein "Enantiomerenüberschuss", und die Schwingungsebene wird proportional zum Überschuss gedreht.

Nachdem das polarisierte Licht die Probe passiert hat, wird es detektiert. Der Analysator misst die optische Rotation.

Nachdem Sie nun die Prinzipien kennengelernt haben, sehen wir uns ein typisches Betriebsverfahren an.

Der erste Schritt zur Verwendung des Polarimeters ist das Nullstellen des Instruments.

Schalten Sie zuerst das Polarimeter ein und lassen Sie es 10 Minuten lang aufwärmen.

Stellen Sie das Instrument auf den optischen Rotationsmodus.

Die Probenzelle ist in der Regel ein Röhrchen mit einer Länge von 1 dm und einem Volumen von 1,5 ml. Bereiten Sie die Zelle vor, indem Sie sie mit Aceton und Labortüchern reinigen.

Setzen Sie die leere Probenzelle vorsichtig in die Halterung ein und drücken Sie "Null". Damit wird die Ausgangsbasis festgelegt.

Kalibrieren Sie anschließend das Polarimeter mit einer reinen Probe der zu untersuchenden chiralen Verbindung.

In diesem Beispiel wird das rechtsdrehende Enantiomer von Carvon Carvon verwendet. Pipettieren Sie 1,5 mL in die Probenzelle. Setzen Sie die Zelle in die Halterung ein und drücken Sie auf "Messen". Die optische Drehung wird angezeigt. Dividiert man die gemessene optische Rotation durch die Konzentration bzw. Dichte für reine Substanzen und die Zelllänge, erhält man die spezifische optische Rotation der Verbindung.

Die spezifische optische Rotation eines gereinigten Unbekannten kann auf ähnliche Weise ermittelt werden, indem man das Unbekannte in einem optisch inaktiven Lösungsmittel auflöst und die optische Rotation misst. Die spezifische optische Drehung der Verbindung wird dann durch Division durch die Konzentration bestimmt. Die Verbindung wird dann identifiziert, indem ihre spezifische optische Drehung mit Literaturwerten verglichen wird.

Nachdem Sie nun wissen, wie man Messungen durchführt, werden wir einige praktische Anwendungen untersuchen.

In der pharmazeutischen Industrie wird die Polarimetrie zur Qualitätskontrolle eingesetzt. Zum Beispiel wurde es verwendet, um die Konzentration und enantiomere Reinheit von Ephedrin in kommerziellen Hustenstillern zu messen. Auch in Gegenwart anderer Inhaltsstoffe kann diese Technik verwendet werden, um die Ephedrinkonzentration auf 1% genau zu bestimmen.

In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie werden die Saccharosekonzentrationen und -reinheiten kontinuierlich mit speziell entwickelten Durchflusspolarimetern überwacht. Saccharose, eine der häufigsten Zutaten in Lebensmitteln, hat eine spezifische optische Drehung von 66,5 Grad. Indem die optische Rotation des Saccharosestroms durch die spezifische optische Rotation der Saccharose dividiert wird, kann die Konzentration bestimmt werden. Schwankungen in der optischen Rotation würden auf Schwankungen der Saccharosekonzentration hinweisen.

Die Polarimetrie wurde auch zur Untersuchung der Reaktionskinetik eingesetzt, einschließlich der Kinetik für Enzymsysteme wie das Penicillin-Penicillinase-System. In diesem Fall enthält die Probenzelle sowohl das Enzym als auch das Substrat, und die optische Drehung wird in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Die Änderung der optischen Drehung ist direkt proportional zur Änderung der Substratkonzentration. Dies gibt nicht nur Aufschluss über die Reaktionskinetik, sondern ermöglicht auch die gleichzeitige Bestimmung von Enzym- und Substratkonzentrationen in zukünftigen Assays.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in das Polarimeter gesehen. Sie sollten nun die Funktionsprinzipien, die Schritte für die Einrichtung und Messung sowie einige seiner Anwendungen verstehen. Danke fürs Zuschauen!