5.15: Polarimetro

1. Preparazione del polarimetro

1. Accendere lo strumento e lasciarlo scaldare per 10 minuti.
2. Assicurarsi che lo strumento sia impostato sulla modalità "rotazione ottica".
3. Preparare un campione bianco nella cella polarimetrica (1,5 mL di volume totale del campione, 1 dm di lunghezza) contenente solo CHCl₃. Assicurati che non ci siano bolle d'aria presenti.
4. Posizionare la cella vuota nel supporto e premere "zero".

2. Preparazione del campione di analita

1. Preparare una soluzione stock di 10-15 mg di analita chirale in 1,5 ml di CHCl₃. Notare la quantità esatta di composto utilizzato.

3. Misurazione della rotazione ottica

1. Riempire la cella con 1,5 mL della soluzione stock preparata contenente il campione.
2. Posizionare la cella nel supporto e premere "misura". La lettura della macchina fornirà il valore di rotazione ottica. Ricordati di registrare anche la temperatura.

4. Calcolo della rotazione specifica

1. La rotazione specifica di un composto è definita dalla seguente equazione:
   
   dove α è il valore di rotazione ottica dato dal polarimetro, l è la lunghezza del percorso cellulare in dm e c è la concentrazione della soluzione in g/mL.

I polarimetri sono ampiamente utilizzati in chimica organica e analitica per valutare la purezza di un prodotto chimico e studiarne le proprietà.

I polarimetri rilevano la presenza di enantiomeri: varianti speculari di un composto che può avere attività biologiche estremamente divergenti. La distinzione tra enantiomeri è fondamentale in molte applicazioni, compresi i prodotti farmaceutici, poiché un enantiomero è tipicamente responsabile degli effetti biologici mentre l'altro è solitamente inerte, meno attivo o, come nel caso del farmaco talidomide, dannoso.

Questo video illustrerà i principi della polarimetria, dimostrerà la configurazione e il funzionamento di un polarimetro e discuterà alcune applicazioni.

La polarimetria è utile per studiare i composti organici contenenti stereocentri.

Gli stereocentri sono atomi di carbonio legati a quattro diversi atomi o gruppi. In questo esempio, l'atomo di carbonio è legato all'idrogeno, al fluoro, al cloro e al bromo, formando bromo-cloro-fluoro-metano.

I composti contenenti stereocentri sono chiamati "chirali", il che significa che esistono come isomeri speculari: strutture fisiche non equivalenti che non possono essere ruotate o orientate per sovrapporsi l'una all'altra. Gli isomeri speculari sono chiamati "enantiomeri" e hanno proprietà fisiche identiche, con un'eccezione relativa all'ottica.

In ottica, le sorgenti luminose non laser emettono onde luminose che oscillano in una varietà di piani. Tali onde luminose sono chiamate "non polarizzate". Tuttavia, alcuni materiali sono in grado di filtrare le onde luminose in base al loro piano di oscillazione, trasmettendo solo quelle onde luminose che oscillano in un piano specifico mentre assorbono quelle che oscillano in altri piani. La luce trasmessa è stata "polarizzata in piano".

Gli enantiomeri hanno effetti diversi sulla luce polarizzata piana. Se vengono colpiti da una luce polarizzata piana, un enantiomero ruoterà il piano di oscillazione in senso orario, mentre l'altro ruoterà il piano di oscillazione di un angolo uguale in senso antiorario. Il primo è chiamato enantiomero "destrogiro" e il suo nome è preceduto da un segno più. Quest'ultimo è chiamato enantiomero "levogiro" e il suo nome è preceduto da un segno meno. Il rapporto tra l'angolo di rotazione e la concentrazione è unico per ogni composto ed è chiamato "rotazione ottica specifica".

Un polarimetro rileva se uno o entrambi gli enantiomeri sono presenti in un campione. È costituito da una sorgente luminosa, un polarizzatore, una cella campione, un rivelatore e un analizzatore. La sorgente luminosa emette onde luminose non polarizzate ma monocromatiche, il che significa che hanno la stessa lunghezza d'onda. Le onde luminose incontrano quindi il polarizzatore, che trasmette solo quelle che oscillano su un piano specifico, producendo un raggio polarizzato sul piano. La luce polarizzata sul piano interagisce quindi con il campione nella cella del campione.

Se il campione contiene un solo enantiomero del composto chirale, la luce polarizzata ruoterà. L'angolo è chiamato "rotazione ottica" e dipende dalla rotazione ottica specifica del composto, dalla sua concentrazione e dalla lunghezza della cella del campione. Se, invece, entrambi gli enantiomeri sono presenti in concentrazioni uguali, formano una "miscela racemica" che non può ruotare la luce polarizzata. Infine, se un enantiomero è presente in concentrazione maggiore dell'altro, ne risulta un "eccesso enantiomerico" e il piano di oscillazione verrà ruotato in proporzione all'eccesso.

Dopo che la luce polarizzata passa attraverso il campione, viene rilevata. L'analizzatore misura la rotazione ottica.

Ora che hai visto i principi, esaminiamo una tipica procedura operativa.

Il primo passo per utilizzare il polarimetro è l'azzeramento dello strumento.

Per prima cosa, accendere il polarimetro e lasciarlo riscaldare per 10 minuti.

Impostare lo strumento in modalità di rotazione ottica.

La cella del campione è tipicamente una provetta lunga 1 dm con un volume di 1,5 mL. Preparare la cellula pulendo con acetone e salviette da laboratorio.

Posizionare delicatamente la cella del campione vuota nel supporto e premere "zero". In questo modo viene stabilita la linea di base.

Successivamente, calibrare il polarimetro utilizzando un campione puro del composto chirale in esame.

In questo esempio, viene utilizzato l'enantiomero destrogiro del carvone. Pipettare 1,5 mL nella cella del campione. Inserisci la cella nel supporto e premi "misura". Viene visualizzata la rotazione ottica. Dividendo la rotazione ottica misurata per la concentrazione, o densità per le sostanze pure, e la lunghezza della cella si ottiene la rotazione ottica specifica del composto.

La rotazione ottica specifica di un ignoto purificato può essere trovata in modo simile, dissolvendo l'ignoto in un solvente otticamente inattivo e misurando la rotazione ottica. La rotazione ottica specifica del composto viene quindi determinata dividendo per la concentrazione. Il composto viene quindi identificato confrontando la sua specifica rotazione ottica con i valori della letteratura.

Ora che sai come eseguire le misurazioni, esploreremo alcune applicazioni pratiche.

Nell'industria farmaceutica, la polarimetria viene utilizzata per il controllo di qualità. Ad esempio, è stato utilizzato per misurare la concentrazione e la purezza enantiomerica dell'efedrina nei sedativi della tosse commerciali. Anche in presenza di altri ingredienti, questa tecnica può essere utilizzata per determinare la concentrazione di efedrina entro l'1%.

Nell'industria alimentare e delle bevande, le concentrazioni e le purezze del saccarosio vengono monitorate continuamente con polarimetri di flusso appositamente progettati. Il saccarosio, uno degli ingredienti più comuni negli alimenti, ha una rotazione ottica specifica di 66,5 gradi. Dividendo la rotazione ottica del flusso di saccarosio per la rotazione ottica specifica del saccarosio, è possibile determinare la concentrazione. Le fluttuazioni della rotazione ottica indicherebbero fluttuazioni nella concentrazione di saccarosio.

La polarimetria è stata utilizzata anche per studiare la cinetica di reazione, compresa la cinetica per i sistemi enzimatici come il sistema penicillina-penicillinasi. In questo caso, la cella del campione contiene sia l'enzima che il substrato e la rotazione ottica viene misurata rispetto al tempo. La variazione della rotazione ottica è direttamente proporzionale alla variazione della concentrazione del substrato. Ciò non solo rivela la cinetica di reazione, ma consente anche la determinazione simultanea delle concentrazioni di enzimi e substrati nei saggi futuri.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE al polarimetro. A questo punto è necessario comprenderne i principi di funzionamento, i passaggi per l'impostazione e la misurazione e alcune delle sue applicazioni. Grazie per l'attenzione!