Polarimeter

Organic Chemistry II

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Overview

Quelle: Vy M. Dong und Diane Le, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Dieses Experiment demonstriert die Verwendung von einem Polarimeter ein Instrument verwendet, um die optische Drehung einer Probe zu bestimmen. Optische Drehung ist der Grad, zu dem eine Probe polarisiertes Licht drehen wird. Optisch aktive Proben drehen die Ebene des Lichts im Uhrzeigersinn (rechtsdrehende), bezeichnet als d oder (+) oder gegen den Uhrzeigersinn (linksdrehende), als l oder (−) bezeichnet.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Organische Chemie II. Polarimeter. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Das Polarimeter ist eine quantitative Methode zur Bestimmung der optischen Drehung eines chiralen Moleküls. Ein Molekül wird als chiral, wenn es auf seinem Spiegelbild nicht deckungsgleich ist. Genauer gesagt, heißen chiraler Moleküle, die Spiegelbilder voneinander sind Enantiomere (Abbildung 2). Enantiomere haben die gleichen physikalischen Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit; Sie unterscheiden sich jedoch in den Grad, zu dem sie Licht polarisieren. Eine reine (R) - Enantiomer einer Verbindung dreht sich Licht in eine gleiche aber in die entgegengesetzte Richtung als die (S) - Enantiomer. Wenn ein Gemisch von Verbindungen belastet racemischem ist, bedeutet, dass es enthält eine gleiche Mischung von (R) - und (S) - Enantiomere, dann seine optische Drehung wird gleich Null sein. Somit ist Polarimetrie eine Möglichkeit zu charakterisieren und die Identität zwischen zwei Enantiomere unterscheiden.

Ein Polarimeter funktioniert durch monochromatisches Licht durch ein Polarisator, der einen Strahl von linear polarisiertem Licht erzeugt. Das polarisierte Licht wird dann gedreht, nachdem es durchläuft eine Polarimetrie-Zelle mit der Probe. Ein Analysator wird dann im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehen, um lassen das Licht durch und erreichen den Detektor (Abbildung 1). Mit diesem Instrument kann die spezifische Drehung des Lichts berechnet werden, betrifft die beobachteten optische Drehung mit der Konzentration der Lösung und Zelle Pathlength. Die spezifische Drehung wird durch die folgende Gleichung definiert:

Equation 1

wo αObs den Wert der beobachteten optische Drehung gegeben durch das Polarimeter, l ist die Zelle Pathlength in dm, und c ist die Konzentration der Lösung in g/mL.

Darüber hinaus kann der Enantiomeren Überschuss (Ee), ist ein Maß für wie viel von einem Enantiomer gegenüber den anderen in einer Mischung besteht mit bestimmte Rotation bestimmt werden. Die Berechnung der Ee ist durch folgende Gleichung gegeben:

Equation 2

wo ist αMischung die spezifische Drehung der Mischung von Enantiomeren und αpur die spezifische Drehung der der reinen Enantiomere. In der Regel, wenn zwei von drei Werte in die Gleichung (d.h., Ee und α-Mischung) bekannt sind kann dann der dritte Wert (αreine) berechnet werden.

Figure 1

Abbildung 1. Konzept der Polarimeter.

Figure 2

Abbildung 2. Chiraler Moleküle, die sind Spiegelbilder voneinander sind Enantiomere.

Procedure

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:
    Equation 3
    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.

Polarimeter sind weit verbreitet in organischen und analytischen Chemie zu beurteilen, die Reinheit der ein chemisches Produkt und seine Eigenschaften zu untersuchen.

Polarimeter Vorhandensein von Enantiomere: spiegelbildliche Varianten einer Verbindung, die Wild unterschiedliche biologische Aktivitäten haben können. Die Unterscheidung zwischen Enantiomere ist entscheidend für viele Anwendungen, einschließlich Arzneimittel, da ein Enantiomer in der Regel verantwortlich für biologische Wirkungen ist, während der andere in der Regel inerte, weniger aktiv ist, oder wie im Fall der Wirkstoff Thalidomid, schädlich ist.

Dieses Video wird veranschaulichen die Grundsätze der Polarimetrie, führen Setup und Betrieb von einem Polarimeter und erläutern einige Anwendungen.

Polarimetrie eignet sich zum Studium der organischer Verbindungen, die Stereozentren enthält.

Stereozentren sind Kohlenstoff-Atome, die mit vier verschiedenen Atome oder Gruppen verbunden sind. In diesem Beispiel ist das Kohlenstoffatom an Wasserstoff, Fluor, Chlor und Brom, bilden Bromo-Chloro-Fluoro-Methan gebunden.

Verbindungen, die Stereozentren nennt man "chirale", d. h., sie existieren als spiegelbildliche Isomere: nicht gleichwertigen physischen Strukturen, die nicht gedreht oder ausgerichtet, um sich gegenseitig überlagern. Die spiegelbildliche Isomere nennt man "Enantiomere", und sie haben identische physikalische Eigenschaften, mit einer Ausnahme, die im Zusammenhang mit Optik.

In der Optik emittieren Licht Laserquellen Lichtwellen, die in einer Vielzahl von Ebenen zu oszillieren. Solche leichten Wellen nennt man "unpolarisierten." Bestimmte Materialien sind jedoch in der Lage, Licht, die Wellen basierend auf ihrer Ebene der Schwingung, überträgt nur die Licht, die Wellen in einer bestimmten Ebene schwingen und absorbieren die oszillierende in andere Ebenen zu filtern. Das transmittierte Licht wurde "Ebene polarisiert."

Enantiomere haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Flugzeug polarisiertes Licht. Wenn sie von Flugzeug polarisiertes Licht getroffen werden, wird ein Enantiomer die Ebene der Schwingung im Uhrzeigersinn, drehen, während die andere die Ebene der Schwingung durch einen gleichen Winkel gegen den Uhrzeigersinn drehen wird. Erstere nennt das "rechtsdrehende" Enantiomer und seinen Namen mit einem Pluszeichen vorangestellt. Letzteres nennt man das "linksdrehende" Enantiomer, und sein Name wird mit einem Minuszeichen vorangestellt. Das Verhältnis der Drehwinkel, Konzentration ist einzigartig für jede Verbindung und heißt "spezifische optische Drehung."

Ein Polarimeter erkennt, ob eine oder beide Enantiomere in einer Probe vorhanden sind. Es besteht aus einer Lichtquelle, einem Polarisator eine Sample-Zelle, einen Detektor und ein Analysegerät. Die Lichtquelle emittiert Lichtwellen, die unpolarisierten aber einfarbig, was bedeutet, dass sie die gleiche Wellenlänge haben. Die Lichtwellen auftreten dann den Polarisator, nur diejenigen, die in einer bestimmten Ebene oszillierend, der überträgt, einen Flugzeug-polarisierten Lichtstrahl nachgeben. Das Flugzeug-polarisierten Licht interagiert dann mit der Probe in der Sample-Zelle.

Wenn die Probe nur ein Enantiomer der chiralen Verbindung enthält, wird das polarisierte Licht drehen. Der Winkel wird die "optische Drehung" genannt, und es kommt auf die spezifische optische Drehung der Verbindung, die Konzentration und die Länge der Probenzelle. Wenn auf der anderen Seite, beide Enantiomere in gleicher Konzentration vorhanden sind, bilden sie eine "racemischem Mischung", die polarisiertes Licht nicht drehen. Schließlich ist ein Enantiomer in größerer Konzentration als die anderen, ergibt sich ein "Enantiomeren Überschuss", und die Ebene der Schwingung wird im Verhältnis zu den Überschuss gedreht werden.

Nachdem das polarisierte Licht durch die Probe überschreitet, wird es erkannt. Der Analysator misst die optische Drehung.

Nun, da Sie die Prinzipien gesehen haben, betrachten wir eine typische operative Verfahren.

Der erste Schritt bei der Verwendung der Polarimeter ist das Instrument einschießen.

Zuerst schalten Sie das Polarimeter und lassen Sie es 10 Minuten warmlaufen.

Legen Sie das Gerät auf optische Rotationsmodus.

Die Sample-Zelle ist in der Regel ein Rohr 1 dm lang mit einem Volumen von 1,5 mL. Bereiten Sie die Zelle durch Reinigung mit Aceton und Lab Tücher.

Sanft die leeren Sample-Zelle in die Halterung und drücken Sie "Null." Dadurch wird die Basislinie.

Als nächstes kalibrieren Sie Polarimeter, die über eine reine Probe der chiralen Verbindung untersucht.

In diesem Beispiel dient das rechtsdrehende Enantiomer Carvon. Pipette 1,5 mL in der Sample-Zelle. Legen Sie die Zelle in die Halterung, und drücken Sie "Maß." Die optische Drehung wird angezeigt. Die gemessenen optischen Drehung durch Konzentration oder Dichte für Reinstoffe und Zelle Länge dividiert ergibt die spezifische optische Drehung der Verbindung.

Die spezifische optische Drehung eine gereinigte unbekannten finden ebenso von dem unbekannten in einem optisch inaktiv Lösungsmittel auflösen und Messung der optischen Drehung. Die spezifische optische Drehung der Verbindung wird dann ermittelt durch Division durch die Konzentration. Die Verbindung wird dann durch seine spezifische optische Drehung auf Literatur Werte vergleichen identifiziert.

Nun, da Sie wissen, wie zur Durchführung von Messungen, untersuchen wir einige praktischen Anwendungen.

In der pharmazeutischen Industrie dient Polarimetrie Qualitätskontrolle. Zum Beispiel, wurde es zur Messung der Konzentration und Enantiomeren Reinheit von Ephedrin in kommerziellen Husten Suppressants.

Diese Technik ist auch in Gegenwart von anderen Zutaten lässt sich bestimmen, die Ephedrin-Konzentration auf weniger als 1 %.

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.

Sie habe nur Jupiters Einführung in das Polarimeter beobachtet. Sie sollten jetzt die Prinzipien der Betrieb, die Schritte für die Einrichtung und Messung, verstehen und einige ihrer Anwendungen. Danke fürs Zuschauen!

Results

Repräsentative Ergebnisse für die Messung und Berechnung der spezifischen Drehung für Verfahren 1 bis 4.

Prozedurschritt Lesung am polarimeter
1.4 0.000
3.2 +0.563
4.1 [Α] 25 D = + 77 ° (c 0,73, KCHL3)

Tabelle 1. Repräsentative Ergebnisse für Verfahren 14.

Applications and Summary

In diesem Experiment haben wir bewiesen, dass die Prinzipien hinter dem Polarimeter und wie Sie messen und berechnen Sie die spezifische Drehung einer optisch aktiven Verbindung.

Das Polarimeter ist ein wichtiges Instrument in der Fine-chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Identität, Reinheit und Qualität eines Stoffes zu bewerten. Es ist speziell für die Messung der optischen Drehung der chiralen Verbindungen, die verwendet werden, um die Identität der beiden Enantiomere zu unterscheiden, indem Sie bestätigt, ob es eine (R) ist oder (S) Verbindung verwendet. Dies ist besonders wichtig in der Arzneimittel-Synthese, da ein Enantiomer im allgemeinen zuständig ist, für die biologischen Wirkungen, während das andere Enantiomer oft weniger aktiv und kann ist Nebenwirkungen haben. Darüber hinaus kann die Polarimeter implementiert werden, um die unbekannten Ee einer Probe zu bestimmen. Wenn der Ee -Wert unbekannt ist, kann dies mit dem Polarimeter durch die Bestimmung der spezifischen Drehung berechnet werden.

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:
    Equation 3
    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.

Polarimeter sind weit verbreitet in organischen und analytischen Chemie zu beurteilen, die Reinheit der ein chemisches Produkt und seine Eigenschaften zu untersuchen.

Polarimeter Vorhandensein von Enantiomere: spiegelbildliche Varianten einer Verbindung, die Wild unterschiedliche biologische Aktivitäten haben können. Die Unterscheidung zwischen Enantiomere ist entscheidend für viele Anwendungen, einschließlich Arzneimittel, da ein Enantiomer in der Regel verantwortlich für biologische Wirkungen ist, während der andere in der Regel inerte, weniger aktiv ist, oder wie im Fall der Wirkstoff Thalidomid, schädlich ist.

Dieses Video wird veranschaulichen die Grundsätze der Polarimetrie, führen Setup und Betrieb von einem Polarimeter und erläutern einige Anwendungen.

Polarimetrie eignet sich zum Studium der organischer Verbindungen, die Stereozentren enthält.

Stereozentren sind Kohlenstoff-Atome, die mit vier verschiedenen Atome oder Gruppen verbunden sind. In diesem Beispiel ist das Kohlenstoffatom an Wasserstoff, Fluor, Chlor und Brom, bilden Bromo-Chloro-Fluoro-Methan gebunden.

Verbindungen, die Stereozentren nennt man "chirale", d. h., sie existieren als spiegelbildliche Isomere: nicht gleichwertigen physischen Strukturen, die nicht gedreht oder ausgerichtet, um sich gegenseitig überlagern. Die spiegelbildliche Isomere nennt man "Enantiomere", und sie haben identische physikalische Eigenschaften, mit einer Ausnahme, die im Zusammenhang mit Optik.

In der Optik emittieren Licht Laserquellen Lichtwellen, die in einer Vielzahl von Ebenen zu oszillieren. Solche leichten Wellen nennt man "unpolarisierten." Bestimmte Materialien sind jedoch in der Lage, Licht, die Wellen basierend auf ihrer Ebene der Schwingung, überträgt nur die Licht, die Wellen in einer bestimmten Ebene schwingen und absorbieren die oszillierende in andere Ebenen zu filtern. Das transmittierte Licht wurde "Ebene polarisiert."

Enantiomere haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Flugzeug polarisiertes Licht. Wenn sie von Flugzeug polarisiertes Licht getroffen werden, wird ein Enantiomer die Ebene der Schwingung im Uhrzeigersinn, drehen, während die andere die Ebene der Schwingung durch einen gleichen Winkel gegen den Uhrzeigersinn drehen wird. Erstere nennt das "rechtsdrehende" Enantiomer und seinen Namen mit einem Pluszeichen vorangestellt. Letzteres nennt man das "linksdrehende" Enantiomer, und sein Name wird mit einem Minuszeichen vorangestellt. Das Verhältnis der Drehwinkel, Konzentration ist einzigartig für jede Verbindung und heißt "spezifische optische Drehung."

Ein Polarimeter erkennt, ob eine oder beide Enantiomere in einer Probe vorhanden sind. Es besteht aus einer Lichtquelle, einem Polarisator eine Sample-Zelle, einen Detektor und ein Analysegerät. Die Lichtquelle emittiert Lichtwellen, die unpolarisierten aber einfarbig, was bedeutet, dass sie die gleiche Wellenlänge haben. Die Lichtwellen auftreten dann den Polarisator, nur diejenigen, die in einer bestimmten Ebene oszillierend, der überträgt, einen Flugzeug-polarisierten Lichtstrahl nachgeben. Das Flugzeug-polarisierten Licht interagiert dann mit der Probe in der Sample-Zelle.

Wenn die Probe nur ein Enantiomer der chiralen Verbindung enthält, wird das polarisierte Licht drehen. Der Winkel wird die "optische Drehung" genannt, und es kommt auf die spezifische optische Drehung der Verbindung, die Konzentration und die Länge der Probenzelle. Wenn auf der anderen Seite, beide Enantiomere in gleicher Konzentration vorhanden sind, bilden sie eine "racemischem Mischung", die polarisiertes Licht nicht drehen. Schließlich ist ein Enantiomer in größerer Konzentration als die anderen, ergibt sich ein "Enantiomeren Überschuss", und die Ebene der Schwingung wird im Verhältnis zu den Überschuss gedreht werden.

Nachdem das polarisierte Licht durch die Probe überschreitet, wird es erkannt. Der Analysator misst die optische Drehung.

Nun, da Sie die Prinzipien gesehen haben, betrachten wir eine typische operative Verfahren.

Der erste Schritt bei der Verwendung der Polarimeter ist das Instrument einschießen.

Zuerst schalten Sie das Polarimeter und lassen Sie es 10 Minuten warmlaufen.

Legen Sie das Gerät auf optische Rotationsmodus.

Die Sample-Zelle ist in der Regel ein Rohr 1 dm lang mit einem Volumen von 1,5 mL. Bereiten Sie die Zelle durch Reinigung mit Aceton und Lab Tücher.

Sanft die leeren Sample-Zelle in die Halterung und drücken Sie "Null." Dadurch wird die Basislinie.

Als nächstes kalibrieren Sie Polarimeter, die über eine reine Probe der chiralen Verbindung untersucht.

In diesem Beispiel dient das rechtsdrehende Enantiomer Carvon. Pipette 1,5 mL in der Sample-Zelle. Legen Sie die Zelle in die Halterung, und drücken Sie "Maß." Die optische Drehung wird angezeigt. Die gemessenen optischen Drehung durch Konzentration oder Dichte für Reinstoffe und Zelle Länge dividiert ergibt die spezifische optische Drehung der Verbindung.

Die spezifische optische Drehung eine gereinigte unbekannten finden ebenso von dem unbekannten in einem optisch inaktiv Lösungsmittel auflösen und Messung der optischen Drehung. Die spezifische optische Drehung der Verbindung wird dann ermittelt durch Division durch die Konzentration. Die Verbindung wird dann durch seine spezifische optische Drehung auf Literatur Werte vergleichen identifiziert.

Nun, da Sie wissen, wie zur Durchführung von Messungen, untersuchen wir einige praktischen Anwendungen.

In der pharmazeutischen Industrie dient Polarimetrie Qualitätskontrolle. Zum Beispiel, wurde es zur Messung der Konzentration und Enantiomeren Reinheit von Ephedrin in kommerziellen Husten Suppressants.

Diese Technik ist auch in Gegenwart von anderen Zutaten lässt sich bestimmen, die Ephedrin-Konzentration auf weniger als 1 %.

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.

Sie habe nur Jupiters Einführung in das Polarimeter beobachtet. Sie sollten jetzt die Prinzipien der Betrieb, die Schritte für die Einrichtung und Messung, verstehen und einige ihrer Anwendungen. Danke fürs Zuschauen!

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