Polarímetro

Organic Chemistry II

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Overview

Fuente: Vy M. Dong y Diane Le, Departamento de química, Universidad de California, Irvine, CA

Este experimento demostrará el uso de un polarímetro, que es un instrumento usado para determinar la rotación óptica de una muestra. Rotación óptica es el grado al que una muestra rotar luz polarizada. Las muestras ópticamente activas gira el plano de la luz hacia la derecha (dextrógira), señalado como d o (+) o hacia la izquierda (levógira), designado como l o (−).

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Química orgánica II. Polarímetro. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

El polarímetro es un método cuantitativo para determinar la rotación óptica de una molécula quiral. Una molécula es quiral si es no superponibles a su imagen del espejo. Más específicamente, las moléculas quirales que son imágenes de espejo uno del otro se llaman enantiómeros (figura 2). Enantiómeros tienen las mismas propiedades físicas como punto de fusión, punto de ebullición y solubilidad; sin embargo, difieren en el grado a que polarice la luz. Un puro (R) - enantiómero de un compuesto rotará la luz en un igual pero enfrente de la dirección como su (S) - enantiomer. Si una mezcla de compuestos es racémica, lo que significa que contiene una mezcla de (R) - y (S) - enantiómeros, luego su rotación óptica será cero. Así, la polarimetría es una manera de caracterizar y distinguir la identidad entre un par de enantiómeros.

Un polarímetro funciona por la brillante luz monocromática a través de un polarizador, que genera un haz de luz linealmente polarizada. La luz polarizada girará entonces después pasa por una celda de polarimetría que contiene la muestra. Un analizador luego girará hacia la izquierda o hacia la derecha para permitir que la luz pase a través y llegar hasta el detector (figura 1). Mediante este instrumento, la rotación específica de la luz puede ser calculada, que refiere a la rotación óptica observada con la concentración de la solución y la célula longitud. La rotación específica se define por la siguiente ecuación:

Equation 1

donde αobs es el valor de la rotación óptica observada por el polarímetro, l es la longitud de la célula en dm, y c es la concentración de la solución en g/mL.

Por otra parte, el exceso enantiomérico (ee), que es una medida de cuánto de un enantiomer existe sobre otro en una mezcla, puede determinarse usando Rotación específica. El cálculo de la EA es dada por la siguiente ecuación:

Equation 2

donde αmezcla la rotación específica de la mezcla de enantiómeros y αpura es la rotación específica del enantiómero puro. En general, si dos de los tres valores en la ecuación son conocidos (es decir, ee y α lamezcla) luego el tercer valor (αpura) se puede calcular.

Figure 1

Figura 1. Concepto el polarímetro.

Figure 2

Figura 2. Moléculas quirales que son imágenes de espejo uno del otro son enantiómeros.

Procedure

1. preparar el polarímetro

  1. Encienda el instrumento y deje que se caliente durante 10 minutos.
  2. Asegúrese de que el instrumento se encuentra en modo de "rotación óptica".
  3. Preparar una muestra en blanco en el polarímetro (volumen de la muestra total de 1,5 mL, 1 dm de longitud) de la célula que contiene solo CHCl3. Asegúrese de que no hay burbujas de aire presentes.
  4. Coloque la celda en blanco y presione "cero."

2. preparación de la muestra de analito

  1. Preparar una solución stock de 10-15 mg del analito quiral en 1,5 mL de CHCl3. Tenga en cuenta la cantidad exacta de compuesto utilizado.

3. medir la rotación óptica

  1. Llene la celda con 1,5 mL de la solución preparada que contenga la muestra.
  2. Coloque la pila en el soporte y prensa "medida". La lectura de la máquina le dará el valor de la rotación óptica. Recuerde registrar también la temperatura.

4. cálculo de la rotación específica

  1. La rotación específica de un compuesto se define por la siguiente ecuación:
    Equation 3
    donde α es el valor de la rotación óptica dado por el polarímetro, l es la longitud de la célula en dm, y c es la concentración de la solución en g/mL.

Polarímetros son ampliamente utilizados en química orgánica y analítica para evaluar la pureza de un producto químico e investigar sus propiedades.

Polarímetros detectan la presencia de enantiómeros: variantes de la imagen especular de un compuesto que puede tener actividades biológicas violentamente divergentes. Distinguir entre enantiómeros es crítica en muchas aplicaciones, incluyendo productos farmacéuticos, ya que un enantiomer es típicamente responsable de efectos biológicos mientras que el otro es generalmente inerte, menos activo o, como en el caso de la talidomida de drogas, es dañino.

Este video ilustra los principios de la polarimetría, demuestran la configuración y operación de un polarímetro y discutir algunas aplicaciones.

Polarimetría es útil para el estudio de compuestos orgánicos que contienen estereocentros.

Estereocentros son átomos de carbono que están Unidos a cuatro grupos o átomos diferentes. En este ejemplo, el átomo de carbono está unido a hidrógeno, flúor, cloro y bromo, bromo-cloro-fluoro-metano de formación.

Compuestos que contienen estereocentros se llaman "quirales", lo que significa que existen como isómeros de imagen de espejo: las estructuras físicas no equivalentes que no puedan girar u orientadas a superponer unos a otros. Los isómeros de imagen especular se denominan "enantiómeros", y tienen propiedades físicas idénticas, con una excepción relacionada con óptica.

En la óptica, fuentes de luz no láser emiten ondas de luz que oscilan en una variedad de planos. Estas ondas de luz se llaman "no polarizadas". Sin embargo, algunos materiales son capaces de filtrar la luz de ondas basadas en su plano de oscilación, que transmite sólo la luz de las ondas oscilan en un plano específico mientras que absorbe los oscila en otros planos. La luz transmitida ha sido "plano polarizado".

Enantiómeros tienen diferentes efectos sobre la luz polarizada plana. Si se pulsan por luz plana polarizada, un enantiómero gira el plano de la oscilación hacia la derecha, mientras el otro gira el plano de oscilación de un mismo ángulo hacia la izquierda. El primero se llama el enantiómero "dextrógira" y su nombre marcado con un signo más. El último se llama el enantiómero "levógira" y su nombre es precedido con un signo menos. La relación del ángulo de rotación a concentración es única para cada compuesto y se llama "rotación óptica específica."

Un polarímetro detecta si uno o ambos enantiómeros están presentes en una muestra. Consiste en una fuente de luz, un polarizador, una celda de muestra, un detector y un analizador. La fuente de luz emite ondas de luz no polarizada pero monocromática, lo que significa que tienen la misma longitud de onda. Las ondas de luz entonces encuentran el polarizador, que transmite sólo los oscila en un plano específico, produciendo un haz plano de polarización. La luz polarizada en plano entonces interactúa con la muestra en la celda de muestra.

Si la muestra contiene solamente un enantiomer del compuesto quiral, gira la luz polarizada. El ángulo se llama "rotación óptica", y depende de la rotación óptica específica de la masa, su concentración y la longitud de la célula de muestra. Si, por el contrario, ambos enantiómeros están presentes en concentraciones iguales, forman una "mezcla racémica" que no puede girar la luz polarizada. Finalmente, si un enantiómero está presente en mayor concentración que el otro, resulta un "exceso enantiomérico", y el plano de oscilación será girado en proporción al exceso.

Después de la luz polarizada pasa a través de la muestra, se detecta. El analizador mide la rotación óptica.

Ahora que usted ha visto los principios, vamos a examinar un procedimiento de funcionamiento típico.

El primer paso para usar el polarímetro es poner a cero el instrumento.

Primero, encienda el polarímetro y deje que se caliente durante 10 minutos.

Ajuste el instrumento al modo de rotación óptica.

La célula de muestra suele ser un tubo de 1 dm de largo con un volumen de 1,5 mL. Preparar la célula limpiar con acetona y toallitas de laboratorio.

Suavemente Coloque la celda vacía de la muestra en el soporte y presione "cero." Esto establece la línea base.

A continuación, calibrar el polarímetro con una muestra pura del compuesto quiral bajo investigación.

En este ejemplo, el enantiómero dextrógira de carvona se utiliza. Pipetear 1,5 mL en la celda de muestra. Insertar la celda en el soporte y presione "medida". La rotación óptica se muestra. Dividiendo la rotación óptica medida por concentración o densidad de sustancias puras, y la longitud de la célula produce la rotación óptica específica del compuesto.

La rotación óptica específica de un desconocido purificada puede encontrarse del mismo modo, disolviendo a lo desconocido en un disolvente ópticamente inactivo y medir la rotación óptica. La rotación óptica específica del compuesto se determina dividiendo la concentración. El compuesto entonces se identifica comparando su rotación óptica específica a los valores de la literatura.

Ahora que sabes cómo realizar las mediciones, vamos a explorar algunas aplicaciones prácticas.

En la industria farmacéutica, polarimetría se utiliza para control de calidad. Por ejemplo, se ha utilizado para medir la concentración y la pureza enantiomérica de efedrina en supresores de la tos comerciales.

Incluso en presencia de otros ingredientes, puede utilizarse esta técnica para determinar la concentración de efedrina al 1%.

En las industrias de alimentos y bebidas, purezas y concentraciones de sacarosa son monitoreados continuamente con Polarímetros de flujo especialmente diseñada. Sacarosa, uno de los ingredientes más comunes en los alimentos, tiene una rotación óptica específica de 66,5 grados. Dividiendo la rotación óptica de la corriente de la sacarosa por la rotación óptica específica de la sacarosa, puede determinarse la concentración. Las fluctuaciones en la rotación óptica indica fluctuaciones en la concentración de sacarosa.

Polarimetría también se ha utilizado para estudiar la cinética de la reacción, incluyendo la cinética de sistemas de la enzima como el penicilina penicilinasa. En este caso, la celda de muestra contiene enzima y sustrato, y la rotación óptica se mide con respecto al tiempo. El cambio en la rotación óptica es directamente proporcional al cambio en la concentración del substrato. Esto no sólo revela la cinética de la reacción, sino que también permite la determinación simultánea de la enzima y en el futuro análisis de concentraciones de sustrato.

Sólo ha visto la introducción de Zeus en el polarímetro. Ahora debe comprender sus principios de operación, los pasos para la configuración y medida y algunas de sus aplicaciones. ¡Gracias por ver!

Results

Resultados representativos para la medición y el cálculo de la rotación específica para los procedimientos 1 a 4.

Procedimiento paso Lectura en el polarímetro
1.4 0.000
3.2 +0.563
4.1 [Α] 25 D = a + 77 ° (c 0.73, CHCl3)

Tabla 1. Resultados representativos para los procedimientos 14.

Applications and Summary

En este experimento, hemos demostrado los principios detrás del polarímetro y cómo medir y calcular la rotación específica de un compuesto ópticamente activo.

El polarímetro es un instrumento importante en las industrias de química fina y farmacéuticas para determinar la identidad, pureza y calidad de un compuesto. Se utiliza específicamente para la medición de la rotación óptica de compuestos quirales, que pueden utilizarse para distinguir la identidad de dos enantiómeros por confirmar si se trata de una (R) o compuesto (S). Esto es especialmente importante en la síntesis del fármaco porque uno enantiomer es generalmente responsable de los efectos biológicos mientras que el otro enantiomer es a menudo menos activo y puede tienen efectos adversos. Además, el polarímetro puede implementarse para determinar el desconocido ee de una muestra. Si el valor de ee es desconocido, esto se puede calcular usando el polarímetro mediante la determinación de la rotación específica.

1. preparar el polarímetro

  1. Encienda el instrumento y deje que se caliente durante 10 minutos.
  2. Asegúrese de que el instrumento se encuentra en modo de "rotación óptica".
  3. Preparar una muestra en blanco en el polarímetro (volumen de la muestra total de 1,5 mL, 1 dm de longitud) de la célula que contiene solo CHCl3. Asegúrese de que no hay burbujas de aire presentes.
  4. Coloque la celda en blanco y presione "cero."

2. preparación de la muestra de analito

  1. Preparar una solución stock de 10-15 mg del analito quiral en 1,5 mL de CHCl3. Tenga en cuenta la cantidad exacta de compuesto utilizado.

3. medir la rotación óptica

  1. Llene la celda con 1,5 mL de la solución preparada que contenga la muestra.
  2. Coloque la pila en el soporte y prensa "medida". La lectura de la máquina le dará el valor de la rotación óptica. Recuerde registrar también la temperatura.

4. cálculo de la rotación específica

  1. La rotación específica de un compuesto se define por la siguiente ecuación:
    Equation 3
    donde α es el valor de la rotación óptica dado por el polarímetro, l es la longitud de la célula en dm, y c es la concentración de la solución en g/mL.

Polarímetros son ampliamente utilizados en química orgánica y analítica para evaluar la pureza de un producto químico e investigar sus propiedades.

Polarímetros detectan la presencia de enantiómeros: variantes de la imagen especular de un compuesto que puede tener actividades biológicas violentamente divergentes. Distinguir entre enantiómeros es crítica en muchas aplicaciones, incluyendo productos farmacéuticos, ya que un enantiomer es típicamente responsable de efectos biológicos mientras que el otro es generalmente inerte, menos activo o, como en el caso de la talidomida de drogas, es dañino.

Este video ilustra los principios de la polarimetría, demuestran la configuración y operación de un polarímetro y discutir algunas aplicaciones.

Polarimetría es útil para el estudio de compuestos orgánicos que contienen estereocentros.

Estereocentros son átomos de carbono que están Unidos a cuatro grupos o átomos diferentes. En este ejemplo, el átomo de carbono está unido a hidrógeno, flúor, cloro y bromo, bromo-cloro-fluoro-metano de formación.

Compuestos que contienen estereocentros se llaman "quirales", lo que significa que existen como isómeros de imagen de espejo: las estructuras físicas no equivalentes que no puedan girar u orientadas a superponer unos a otros. Los isómeros de imagen especular se denominan "enantiómeros", y tienen propiedades físicas idénticas, con una excepción relacionada con óptica.

En la óptica, fuentes de luz no láser emiten ondas de luz que oscilan en una variedad de planos. Estas ondas de luz se llaman "no polarizadas". Sin embargo, algunos materiales son capaces de filtrar la luz de ondas basadas en su plano de oscilación, que transmite sólo la luz de las ondas oscilan en un plano específico mientras que absorbe los oscila en otros planos. La luz transmitida ha sido "plano polarizado".

Enantiómeros tienen diferentes efectos sobre la luz polarizada plana. Si se pulsan por luz plana polarizada, un enantiómero gira el plano de la oscilación hacia la derecha, mientras el otro gira el plano de oscilación de un mismo ángulo hacia la izquierda. El primero se llama el enantiómero "dextrógira" y su nombre marcado con un signo más. El último se llama el enantiómero "levógira" y su nombre es precedido con un signo menos. La relación del ángulo de rotación a concentración es única para cada compuesto y se llama "rotación óptica específica."

Un polarímetro detecta si uno o ambos enantiómeros están presentes en una muestra. Consiste en una fuente de luz, un polarizador, una celda de muestra, un detector y un analizador. La fuente de luz emite ondas de luz no polarizada pero monocromática, lo que significa que tienen la misma longitud de onda. Las ondas de luz entonces encuentran el polarizador, que transmite sólo los oscila en un plano específico, produciendo un haz plano de polarización. La luz polarizada en plano entonces interactúa con la muestra en la celda de muestra.

Si la muestra contiene solamente un enantiomer del compuesto quiral, gira la luz polarizada. El ángulo se llama "rotación óptica", y depende de la rotación óptica específica de la masa, su concentración y la longitud de la célula de muestra. Si, por el contrario, ambos enantiómeros están presentes en concentraciones iguales, forman una "mezcla racémica" que no puede girar la luz polarizada. Finalmente, si un enantiómero está presente en mayor concentración que el otro, resulta un "exceso enantiomérico", y el plano de oscilación será girado en proporción al exceso.

Después de la luz polarizada pasa a través de la muestra, se detecta. El analizador mide la rotación óptica.

Ahora que usted ha visto los principios, vamos a examinar un procedimiento de funcionamiento típico.

El primer paso para usar el polarímetro es poner a cero el instrumento.

Primero, encienda el polarímetro y deje que se caliente durante 10 minutos.

Ajuste el instrumento al modo de rotación óptica.

La célula de muestra suele ser un tubo de 1 dm de largo con un volumen de 1,5 mL. Preparar la célula limpiar con acetona y toallitas de laboratorio.

Suavemente Coloque la celda vacía de la muestra en el soporte y presione "cero." Esto establece la línea base.

A continuación, calibrar el polarímetro con una muestra pura del compuesto quiral bajo investigación.

En este ejemplo, el enantiómero dextrógira de carvona se utiliza. Pipetear 1,5 mL en la celda de muestra. Insertar la celda en el soporte y presione "medida". La rotación óptica se muestra. Dividiendo la rotación óptica medida por concentración o densidad de sustancias puras, y la longitud de la célula produce la rotación óptica específica del compuesto.

La rotación óptica específica de un desconocido purificada puede encontrarse del mismo modo, disolviendo a lo desconocido en un disolvente ópticamente inactivo y medir la rotación óptica. La rotación óptica específica del compuesto se determina dividiendo la concentración. El compuesto entonces se identifica comparando su rotación óptica específica a los valores de la literatura.

Ahora que sabes cómo realizar las mediciones, vamos a explorar algunas aplicaciones prácticas.

En la industria farmacéutica, polarimetría se utiliza para control de calidad. Por ejemplo, se ha utilizado para medir la concentración y la pureza enantiomérica de efedrina en supresores de la tos comerciales.

Incluso en presencia de otros ingredientes, puede utilizarse esta técnica para determinar la concentración de efedrina al 1%.

En las industrias de alimentos y bebidas, purezas y concentraciones de sacarosa son monitoreados continuamente con Polarímetros de flujo especialmente diseñada. Sacarosa, uno de los ingredientes más comunes en los alimentos, tiene una rotación óptica específica de 66,5 grados. Dividiendo la rotación óptica de la corriente de la sacarosa por la rotación óptica específica de la sacarosa, puede determinarse la concentración. Las fluctuaciones en la rotación óptica indica fluctuaciones en la concentración de sacarosa.

Polarimetría también se ha utilizado para estudiar la cinética de la reacción, incluyendo la cinética de sistemas de la enzima como el penicilina penicilinasa. En este caso, la celda de muestra contiene enzima y sustrato, y la rotación óptica se mide con respecto al tiempo. El cambio en la rotación óptica es directamente proporcional al cambio en la concentración del substrato. Esto no sólo revela la cinética de la reacción, sino que también permite la determinación simultánea de la enzima y en el futuro análisis de concentraciones de sustrato.

Sólo ha visto la introducción de Zeus en el polarímetro. Ahora debe comprender sus principios de operación, los pasos para la configuración y medida y algunas de sus aplicaciones. ¡Gracias por ver!

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