Polarimètre

Organic Chemistry II

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Overview

Source : Vy M. Dong et Le Diane, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Cette expérience démontrera l’utilisation d’un polarimètre, qui est un instrument utilisé pour déterminer le pouvoir rotatoire d’un échantillon. Pouvoir rotatoire est le degré auquel un échantillon tournera la lumière polarisée. Échantillons optiquement actifs continuera à tourner le plan de la lumière vers la droite (dextrogyre), désignée comme d ou (+), ou vers la gauche (lévogyre), désigné comme l ou (−).

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Chimie organique II. Polarimètre. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Le polarimètre est une méthode quantitative permettant de déterminer le pouvoir rotatoire d’une molécule chirale. Une molécule est considérée comme chirale s’il est non superposable à son image miroir. Plus précisément, les molécules chirales qui sont des images miroir de l’autre sont appelés énantiomères (Figure 2). Énantiomères ont les mêmes propriétés physiques telles que le point de fusion et d’ébullition, solubilité ; Cependant, elles diffèrent par le degré auquel ils polarisent la lumière. Une pure (R) - énantiomère d’un composé tournera la lumière dans un égal, mais en face de la direction que son (S) - énantiomère. Si un mélange de composés est racémique, signifiant qu’il contient un mélange égal de (R) - et (S) - énantiomères, son pouvoir rotatoire est alors nulle. Ainsi, la polarimétrie est un moyen de caractériser et de distinguer l’identité entre une paire d’énantiomères.

Un polarimètre fonctionne en faisant une lumière monochromatique par un polariseur, qui génère un faisceau de lumière polarisée linéairement. La lumière polarisée tournera ensuite après son passage par une cellule de la polarimétrie contenant l’échantillon. Un analyseur tournera ensuite vers la gauche ou vers la droite pour permettre à la lumière de passer à travers et atteindre le détecteur (Figure 1). À l’aide de cet instrument, la rotation spécifique de la lumière peut être calculée, auquel réfère la rotation optique observée avec la concentration de la solution et cellule pathlength. La rotation spécifique est définie par l’équation suivante :

Equation 1

où αobs est la valeur observée de rotation optique donnée par le polarimètre, l est la pathlength de cellule en dm, et c est la concentration de la solution en g/mL.

En outre, l’excès énantiomérique (ee), qui est une mesure de combien d’un énantiomère existe sur l’autre dans un mélange, peut être déterminé en utilisant la rotation spécifique. Le calcul de l’ERE est donné par l’équation suivante :

Equation 2

où αmélange est la rotation spécifique du mélange des énantiomères et αpure est la rotation spécifique de l’énantiomère pur. En règle générale, si deux des trois valeurs dans l’équation sont connus (c.-à-d., ee et αmélange) puis la troisième valeur (αpur) peut être calculée.

Figure 1

La figure 1. Concept qui sous-tend le polarimètre.

Figure 2

La figure 2. Les molécules chirales qui sont des images miroir de l’autre sont énantiomères.

Procedure

1. préparer le polarimètre

  1. Mettre en marche l’appareil et laissez-le chauffer pendant 10 min.
  2. Assurez-vous que l’instrument est réglé en mode « rotation optique ».
  3. Préparer un échantillon témoin dans le polarimètre cellulaire (volume 1,5 mL de l’échantillon total, 1 dm de longueur) contenant seulement CHCl3. Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air présentes.
  4. Placez la cellule vide dans le support et appuyez sur le « zéro ».

2. préparation de l’échantillon de l’Analyte

  1. Préparer une solution de 10 à 15 mg de l’analyte chiraux dans 1,5 mL CHCl3. Noter la quantité exacte du composé utilisé.

3. mesurer le pouvoir rotatoire

  1. Remplir la cellule avec 1,5 mL de la solution mère préparée contenant l’échantillon.
  2. Placer la cellule dans le support et appuyez sur « mesure. » L’affichage de la machine donnera la valeur du pouvoir rotatoire. N’oubliez pas de noter la température aussi bien.

4. calcul de la Rotation spécifique

  1. La rotation spécifique d’un composé est définie par l’équation suivante :
    Equation 3
    où α est la valeur de la rotation optique donnée par le polarimètre, l est la pathlength de cellule en dm, et c est la concentration de la solution en g/mL.

Polarimètres sont largement utilisés en chimie organique et analytique pour évaluer la pureté d’un produit chimique et d’étudier ses propriétés.

Polarimètres détecter la présence des énantiomères : variantes de miroir-image d’un composé qui peut avoir des activités biologiques très divergentes. Distinguer les énantiomères est critique dans de nombreuses applications, y compris les produits pharmaceutiques, puisqu’un énantiomère est généralement responsable des effets biologiques tandis que l’autre est habituellement inerte, moins actif, ou, comme dans le cas de la thalidomide de drogue, nuisible.

Cette vidéo va illustrer les principes de la polarimétrie, démontrer l’installation et l’exploitation d’un polarimètre et discuter de certaines applications.

La polarimétrie est utile pour l’étude des composés organiques contenant des stéréocentres.

Stéréocentres sont des atomes de carbone qui sont liés à quatre atomes différents ou des groupes. Dans cet exemple, l’atome de carbone est lié à l’hydrogène, fluor, chlore et du brome, formant des bromo-chloro-fluoro-méthane.

Composés contenant des stéréocentres sont appelés « chiraux, » ce qui signifie qu’ils existent sous forme d’isomères de miroir-image : non équivalents structures physiques qui ne peuvent pas être pivotés ou orientés à superposer les uns des autres. Les isomères de miroir-image sont appelés « énantiomères », et ils ont des propriétés physiques identiques, à une exception près, liée à l’optique.

Dans l’optique, sans laser sources lumineuses émettent des ondes lumineuses qui oscillent dans une variété de plans. Ces ondes lumineuses sont appelés « non polarisées ». Cependant, certains matériaux est capable de filtrer la lumière vagues selon leur plan d’oscillation, transmettant uniquement les lumière vagues qui oscillent dans un plan spécifique tout en absorbant ceux oscillant dans d’autres avions. La lumière transmise a été « bleue polarisé ».

Énantiomères ont des effets différents sur le plan de polarisation de lumière. Si ils sont frappés par la lumière polarisée de plan, un seul énantiomère tournera le plan d’oscillation dans le sens horaire, tandis que l’autre tourne le plan d’oscillation d’un angle égal dans le sens antihoraire. Le premier est appelé l’énantiomère « dextrogyre » et son nom préfixé avec un signe plus. Celle-ci est appelée l’énantiomère « lévogyre », et son nom est préfixé avec un signe moins. Le rapport de l’angle de rotation à concentration est unique pour chaque composé et est appelé « rotation optique spécifique. »

Un polarimètre détecte si un ou les deux énantiomères sont présents dans un échantillon. Il se compose d’une source lumineuse, un polariseur, une cellule, un détecteur et un analyseur. La source lumineuse émet des ondes lumineuses qui sont non polarisée mais monochromatique, ce qui signifie qu’ils ont la même longueur d’onde. Les ondes lumineuses puis rencontrent le polariseur, qui transmet uniquement ceux oscillant dans un plan spécifique, ce qui donne un faisceau polarisé avion. La lumière polarisée plane puis interagit avec l’échantillon dans la cellule.

Si l’échantillon contient un seul énantiomère du composé chiral, la lumière polarisée tournera. L’angle est appelé le « pouvoir rotatoire », et cela dépend de la rotation optique spécifique de la substance, sa concentration et la longueur de la cellule. Si, en revanche, les deux énantiomères sont présentes en concentrations égales, ils forment un « mélange racémique » qui ne peut pas tourner la lumière polarisée. Enfin, si un énantiomère est présent dans une concentration plus grande que l’autre, un « excès énantiomérique » résultats et le plan d’oscillation pivotera proportionnellement à l’excès.

Après que la lumière polarisée traverse l’échantillon, il est détecté. L’analyseur mesure le pouvoir rotatoire.

Maintenant que vous avez vu les principes, nous allons examiner une procédure d’utilisation typique.

La première étape pour utiliser le polarimètre est remise à zéro de l’instrument.

Tout d’abord, allumez le polarimètre et laissez-le chauffer pendant 10 min.

Placez l’instrument rotatoire.

La cellule est généralement un tube de 1 dm de long avec un volume de 1,5 mL. Préparer la cellule en nettoyant avec de l’acétone et lab lingettes.

Doucement, placez la cellule vide dans la porte et appuyez sur le « zéro ». Cela établit la ligne de base.

Ensuite, calibrer le polarimètre en utilisant un échantillon pur du composé chiral incriminés.

Dans cet exemple, l’énantiomère dextrogyre de la carvone est utilisé. Pipetez 1,5 mL dans la cellule. Insérez la cellule dans le support et appuyez sur « mesure ». Le pouvoir rotatoire est affiché. Divise la rotation optique mesurée par la concentration ou la densité des substances pures et la longueur des cellules, on la rotation optique spécifique du composé.

La rotation optique spécifique d’un inconnu purifiée trouvera de même, en dissolvant l’inconnu dans un solvant optiquement inactif et mesurer le pouvoir rotatoire. La rotation optique spécifique de ce composé est ensuite déterminée en divisant par la concentration. Le composé est alors identifié en comparant sa rotation optique spécifique aux valeurs de la littérature.

Maintenant que vous savez comment faire pour effectuer des mesures, nous explorerons quelques applications pratiques.

Dans l’industrie pharmaceutique, polarimétrie est utilisée pour le contrôle qualité. Par exemple, il a été utilisé pour mesurer la concentration et la pureté énantiomérique d’éphédrine dans les antitussifs commercial.

Même en présence d’autres ingrédients, cette technique peut servir à déterminer la concentration d’éphédrine à moins de 1 %.

Dans les industries alimentaires et des boissons, puretés et concentration de saccharose sont surveillées en permanence avec polarimètres flux spécialement conçu. Saccharose, un des ingrédients plus communs dans les aliments, a un pouvoir rotatoire spécifique de 66,5 degrés. En divisant le pouvoir rotatoire du flux de saccharose de la rotation optique spécifique de saccharose, la concentration peut être déterminée. Fluctuations dans la rotation optique indiquerait les fluctuations de la concentration de saccharose.

La polarimétrie a également été utilisée pour étudier la cinétique de la réaction, y compris les cinétiques des systèmes enzymatiques tels que le système de pénicilline-pénicillinase. Dans ce cas, la cellule contient l’enzyme et le substrat, et le pouvoir rotatoire est mesurée en fonction du temps. Le changement de pouvoir rotatoire est directement proportionnel à la variation de la concentration du substrat. Non seulement cela révèle la cinétique de la réaction, mais permet aussi la détermination simultanée des enzymes et des analyses à l’avenir de concentrations du substrat.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE le polarimètre. Vous devez maintenant comprendre ses principes de fonctionnement, les étapes de configuration et de la mesure et certaines de ses applications. Merci de regarder !

Results

Résultats représentatifs pour la mesure et le calcul de la rotation spécifique pour les procédures 1 à 4.

Étape de la procédure Lecture au polarimètre
1.4 0,000
3.2 +0.563
4.1 [Α] 25 D = + 77 ° (c 0,73, CHCl3)

Tableau 1. Les résultats représentatifs pour les procédures 14.

Applications and Summary

Dans cette expérience, nous avons démontré les principes qui sous-tendent le polarimètre et comment mesurer et calculer la rotation spécifique d’un composé optiquement actif.

Le polarimètre constitue un instrument important dans les industries chimiques fine et pharmaceutiques pour évaluer l’identité, la pureté et la qualité d’un composé. Il est spécifiquement utilisé pour la mesure du pouvoir rotatoire de composés chiraux, qui peuvent être utilisés pour distinguer l’identité des deux énantiomères en confirmant que c’est une (R) ou composé (S). Ceci est particulièrement important dans la synthèse du produit pharmaceutique car un énantiomère est généralement responsable des effets biologiques tandis que l’autre énantiomère est souvent moins actifs et peuvent ont des effets néfastes. En outre, le polarimètre peut être implémenté pour déterminer l' inconnu ee d’un échantillon. Si la valeur de ee est inconnue, cela peut être calculée en utilisant le polarimètre en déterminant la rotation spécifique.

1. préparer le polarimètre

  1. Mettre en marche l’appareil et laissez-le chauffer pendant 10 min.
  2. Assurez-vous que l’instrument est réglé en mode « rotation optique ».
  3. Préparer un échantillon témoin dans le polarimètre cellulaire (volume 1,5 mL de l’échantillon total, 1 dm de longueur) contenant seulement CHCl3. Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air présentes.
  4. Placez la cellule vide dans le support et appuyez sur le « zéro ».

2. préparation de l’échantillon de l’Analyte

  1. Préparer une solution de 10 à 15 mg de l’analyte chiraux dans 1,5 mL CHCl3. Noter la quantité exacte du composé utilisé.

3. mesurer le pouvoir rotatoire

  1. Remplir la cellule avec 1,5 mL de la solution mère préparée contenant l’échantillon.
  2. Placer la cellule dans le support et appuyez sur « mesure. » L’affichage de la machine donnera la valeur du pouvoir rotatoire. N’oubliez pas de noter la température aussi bien.

4. calcul de la Rotation spécifique

  1. La rotation spécifique d’un composé est définie par l’équation suivante :
    Equation 3
    où α est la valeur de la rotation optique donnée par le polarimètre, l est la pathlength de cellule en dm, et c est la concentration de la solution en g/mL.

Polarimètres sont largement utilisés en chimie organique et analytique pour évaluer la pureté d’un produit chimique et d’étudier ses propriétés.

Polarimètres détecter la présence des énantiomères : variantes de miroir-image d’un composé qui peut avoir des activités biologiques très divergentes. Distinguer les énantiomères est critique dans de nombreuses applications, y compris les produits pharmaceutiques, puisqu’un énantiomère est généralement responsable des effets biologiques tandis que l’autre est habituellement inerte, moins actif, ou, comme dans le cas de la thalidomide de drogue, nuisible.

Cette vidéo va illustrer les principes de la polarimétrie, démontrer l’installation et l’exploitation d’un polarimètre et discuter de certaines applications.

La polarimétrie est utile pour l’étude des composés organiques contenant des stéréocentres.

Stéréocentres sont des atomes de carbone qui sont liés à quatre atomes différents ou des groupes. Dans cet exemple, l’atome de carbone est lié à l’hydrogène, fluor, chlore et du brome, formant des bromo-chloro-fluoro-méthane.

Composés contenant des stéréocentres sont appelés « chiraux, » ce qui signifie qu’ils existent sous forme d’isomères de miroir-image : non équivalents structures physiques qui ne peuvent pas être pivotés ou orientés à superposer les uns des autres. Les isomères de miroir-image sont appelés « énantiomères », et ils ont des propriétés physiques identiques, à une exception près, liée à l’optique.

Dans l’optique, sans laser sources lumineuses émettent des ondes lumineuses qui oscillent dans une variété de plans. Ces ondes lumineuses sont appelés « non polarisées ». Cependant, certains matériaux est capable de filtrer la lumière vagues selon leur plan d’oscillation, transmettant uniquement les lumière vagues qui oscillent dans un plan spécifique tout en absorbant ceux oscillant dans d’autres avions. La lumière transmise a été « bleue polarisé ».

Énantiomères ont des effets différents sur le plan de polarisation de lumière. Si ils sont frappés par la lumière polarisée de plan, un seul énantiomère tournera le plan d’oscillation dans le sens horaire, tandis que l’autre tourne le plan d’oscillation d’un angle égal dans le sens antihoraire. Le premier est appelé l’énantiomère « dextrogyre » et son nom préfixé avec un signe plus. Celle-ci est appelée l’énantiomère « lévogyre », et son nom est préfixé avec un signe moins. Le rapport de l’angle de rotation à concentration est unique pour chaque composé et est appelé « rotation optique spécifique. »

Un polarimètre détecte si un ou les deux énantiomères sont présents dans un échantillon. Il se compose d’une source lumineuse, un polariseur, une cellule, un détecteur et un analyseur. La source lumineuse émet des ondes lumineuses qui sont non polarisée mais monochromatique, ce qui signifie qu’ils ont la même longueur d’onde. Les ondes lumineuses puis rencontrent le polariseur, qui transmet uniquement ceux oscillant dans un plan spécifique, ce qui donne un faisceau polarisé avion. La lumière polarisée plane puis interagit avec l’échantillon dans la cellule.

Si l’échantillon contient un seul énantiomère du composé chiral, la lumière polarisée tournera. L’angle est appelé le « pouvoir rotatoire », et cela dépend de la rotation optique spécifique de la substance, sa concentration et la longueur de la cellule. Si, en revanche, les deux énantiomères sont présentes en concentrations égales, ils forment un « mélange racémique » qui ne peut pas tourner la lumière polarisée. Enfin, si un énantiomère est présent dans une concentration plus grande que l’autre, un « excès énantiomérique » résultats et le plan d’oscillation pivotera proportionnellement à l’excès.

Après que la lumière polarisée traverse l’échantillon, il est détecté. L’analyseur mesure le pouvoir rotatoire.

Maintenant que vous avez vu les principes, nous allons examiner une procédure d’utilisation typique.

La première étape pour utiliser le polarimètre est remise à zéro de l’instrument.

Tout d’abord, allumez le polarimètre et laissez-le chauffer pendant 10 min.

Placez l’instrument rotatoire.

La cellule est généralement un tube de 1 dm de long avec un volume de 1,5 mL. Préparer la cellule en nettoyant avec de l’acétone et lab lingettes.

Doucement, placez la cellule vide dans la porte et appuyez sur le « zéro ». Cela établit la ligne de base.

Ensuite, calibrer le polarimètre en utilisant un échantillon pur du composé chiral incriminés.

Dans cet exemple, l’énantiomère dextrogyre de la carvone est utilisé. Pipetez 1,5 mL dans la cellule. Insérez la cellule dans le support et appuyez sur « mesure ». Le pouvoir rotatoire est affiché. Divise la rotation optique mesurée par la concentration ou la densité des substances pures et la longueur des cellules, on la rotation optique spécifique du composé.

La rotation optique spécifique d’un inconnu purifiée trouvera de même, en dissolvant l’inconnu dans un solvant optiquement inactif et mesurer le pouvoir rotatoire. La rotation optique spécifique de ce composé est ensuite déterminée en divisant par la concentration. Le composé est alors identifié en comparant sa rotation optique spécifique aux valeurs de la littérature.

Maintenant que vous savez comment faire pour effectuer des mesures, nous explorerons quelques applications pratiques.

Dans l’industrie pharmaceutique, polarimétrie est utilisée pour le contrôle qualité. Par exemple, il a été utilisé pour mesurer la concentration et la pureté énantiomérique d’éphédrine dans les antitussifs commercial.

Même en présence d’autres ingrédients, cette technique peut servir à déterminer la concentration d’éphédrine à moins de 1 %.

Dans les industries alimentaires et des boissons, puretés et concentration de saccharose sont surveillées en permanence avec polarimètres flux spécialement conçu. Saccharose, un des ingrédients plus communs dans les aliments, a un pouvoir rotatoire spécifique de 66,5 degrés. En divisant le pouvoir rotatoire du flux de saccharose de la rotation optique spécifique de saccharose, la concentration peut être déterminée. Fluctuations dans la rotation optique indiquerait les fluctuations de la concentration de saccharose.

La polarimétrie a également été utilisée pour étudier la cinétique de la réaction, y compris les cinétiques des systèmes enzymatiques tels que le système de pénicilline-pénicillinase. Dans ce cas, la cellule contient l’enzyme et le substrat, et le pouvoir rotatoire est mesurée en fonction du temps. Le changement de pouvoir rotatoire est directement proportionnel à la variation de la concentration du substrat. Non seulement cela révèle la cinétique de la réaction, mais permet aussi la détermination simultanée des enzymes et des analyses à l’avenir de concentrations du substrat.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE le polarimètre. Vous devez maintenant comprendre ses principes de fonctionnement, les étapes de configuration et de la mesure et certaines de ses applications. Merci de regarder !

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