$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Поляриметры широко используются в органической и аналитической химии для оценки чистоты химического продукта и исследования его свойств.
Поляриметры обнаруживают присутствие энантиомеров: зеркальных вариантов соединения, которое может иметь сильно расходящуюся биологическую активность. Различие между энантиомерами имеет решающее значение во многих приложениях, включая фармацевтику, поскольку один энантиомер обычно отвечает за биологические эффекты, в то время как другой обычно инертен, менее активен или, как в случае с препаратом талидомидом, вреден.
В этом видео будут проиллюстрированы принципы поляриметрии, продемонстрированы настройки и работа поляриметра, а также обсуждены некоторые области применения.
Поляриметрия полезна для изучения органических соединений, содержащих стереоцентры.
Стереоцентры — это атомы углерода, которые связаны с четырьмя различными атомами или группами. В этом примере атом углерода связан с водородом, фтором, хлором и бромом, образуя бром-хлор-фтор-метан.
Соединения, содержащие стереоцентры, называются «хиральными», что означает, что они существуют в виде зеркальных изомеров: неэквивалентных физических структур, которые не могут быть повернуты или ориентированы для наложения друг на друга. Зеркальные изомеры называются энантиомерами и обладают идентичными физическими свойствами, за одним исключением, относящимся к оптике.
В оптике нелазерные источники света излучают световые волны, которые колеблются в различных плоскостях. Такие световые волны называются «неполяризованными». Тем не менее, некоторые материалы способны фильтровать световые волны на основе их плоскости колебаний, пропуская только те световые волны, которые колеблются в одной конкретной плоскости, поглощая те, которые колеблются в других плоскостях. Проходящий свет был «плоскополяризованным».
Энантиомеры по-разному воздействуют на плоскополяризованный свет. Если на них попадет плоскополяризованный свет, то один энантиомер будет поворачиваться в плоскость колебаний по часовой стрелке, а другой – на равный угол против часовой стрелки. Первый называется «правовращающим» энантиомером, а его название предваряется знаком плюс. Последний называется «левовращающим» энантиометром, а его название предваряется знаком минус. Отношение угла поворота к концентрации уникально для каждого соединения и называется «удельным оптическим вращением».
Поляриметр определяет, присутствуют ли в образце один или оба энантиомера. Он состоит из источника света, поляризатора, ячейки для образца, детектора и анализатора. Источник света излучает световые волны, которые являются неполяризованными, но монохроматическими, то есть имеют одинаковую длину волны. Затем световые волны сталкиваются с поляризатором, который пропускает только те, которые колеблются в одной конкретной плоскости, в результате чего получается плоскополяризованный луч. Затем плоскополяризованный свет взаимодействует с образцом в ячейке образца.
Если образец содержит только один энантиомер хирального соединения, поляризованный свет будет вращаться. Угол называется «оптическим вращением» и зависит от конкретного оптического вращения соединения, его концентрации и длины ячейки образца. Если, с другой стороны, оба энантиомера присутствуют в равных концентрациях, они образуют «рацемическую смесь», которая не может вращать поляризованный свет. Наконец, если один энантиомер присутствует в большей концентрации, чем другой, то возникает «энантиомерный избыток», и плоскость колебаний будет поворачиваться пропорционально избытку.
После того, как поляризованный свет проходит через образец, он обнаруживается. Анализатор измеряет оптическое вращение.
Теперь, когда вы ознакомились с принципами, давайте рассмотрим типичную операционную процедуру.
Первым шагом к использованию поляриметра является обнуление прибора.
Сначала включите поляриметр и дайте ему прогреться в течение 10 минут.
Установите прибор в режим оптического вращения.
Ячейка образца обычно представляет собой пробирку длиной 1 дм и объемом 1,5 мл. Подготовьте клетку, очистив ее ацетоном и лабораторными салфетками.
Аккуратно поместите пустую ячейку для образца в держатель и нажмите «ноль». Это устанавливает исходный уровень.
Затем откалибруйте поляриметр с использованием чистого образца исследуемого хирального соединения.
В данном примере используется кстровращающий энантиомер карвона. Впрысните пипетку объемом 1,5 мл в ячейку с образцом. Вставьте ячейку в держатель, и нажмите кнопку «Измерить». Отображается оптическое вращение. Деление измеренного оптического вращения на концентрацию, или плотность чистых веществ, и длину ячейки дает удельное оптическое вращение соединения.
Специфическое оптическое вращение очищенного неизвестного может быть найдено аналогичным образом, путем растворения неизвестного в оптически неактивном растворителе и измерения оптического вращения. Удельное оптическое вращение соединения затем определяется путем деления на концентрацию. Затем соединение идентифицируется путем сравнения его удельного оптического вращения с литературными значениями.
Теперь, когда вы знаете, как выполнять измерения, мы рассмотрим некоторые практические приложения.
В фармацевтической промышленности поляриметрия используется для контроля качества. Например, он использовался для измерения концентрации и энантиомерной чистоты эфедрина в коммерческих средствах для подавления кашля. Даже в присутствии других ингредиентов эта методика может быть использована для определения концентрации эфедрина с точностью до 1%.
В пищевой промышленности и производстве напитков концентрация и чистота сахарозы постоянно контролируются с помощью специально разработанных поляриметров. Сахароза, один из самых распространенных ингредиентов в продуктах питания, имеет специфическое оптическое вращение в 66,5 градусов. Разделив оптическое вращение потока сахарозы на удельное оптическое вращение сахарозы, можно определить концентрацию. Колебания оптического вращения указывают на колебания концентрации сахарозы.
Поляриметрия также использовалась для изучения кинетики реакций, включая кинетику ферментных систем, таких как система пенициллин-пенициллиназа. В этом случае ячейка образца содержит как фермент, так и подложку, а оптическое вращение измеряется по времени. Изменение оптического вращения прямо пропорционально изменению концентрации подложки. Это не только раскрывает кинетику реакции, но и позволяет одновременно определять концентрации ферментов и субстрата в будущих анализах.
Вы только что посмотрели введение JoVE в поляриметр. Теперь вы должны понять принципы его работы, шаги по настройке и измерению, а также некоторые из его применений. Спасибо за просмотр!
