Overview
מקור: Vy M. דונג ודיאן לה, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה
ניסוי זה מדגים את השימוש בקוטב, שהוא מכשיר המשמש לקביעת הסיבוב האופטי של מדגם. סיבוב אופטי הוא המידה שבה מדגם יסובב אור מקוטב. דגימות פעילות אופטית יסובבו את מישור האור בכיוון השעון (dextrorotatory), המיועד כ- d או (+), או נגד כיוון השעון (levorotatory), המיועד כ- l או (−).
Principles
הקוטב הוא שיטה כמותית המשמשת לקביעת הסיבוב האופטי של מולקולת כיראלית. מולקולה נחשבת כיראלית אם היא אינה ניתנת למנוחה בתמונת המראה שלה. ליתר דיוק, מולקולות כיראליות שהן תמונות מראה זו של זו נקראות אננטיומרים(איור 2). Enantiomers יש את אותם תכונות פיזיות כגון נקודת התכה, נקודת רתיחה, מסיסות; עם זאת, הם שונים במידה שבה הם מקוטבים את האור. טהור (R) - enantiomer של תרכובת יסובב אור בכיוון שווה אך הפוך כמו שלה (S) -enantiomer. אם תערובת של תרכובות היא racemic, כלומר הוא מכיל תערובת שווה של (R)- ו -( S)-enantiomers, אז הסיבוב האופטי שלה יהיה אפס. לכן, פולארימטריה היא דרך לאפיין ולהבחין את הזהות בין זוג אננטיומרים.
קוטב פועל על ידי אור מונוכרומטי מאיר דרך מקוטב, אשר מייצר קרן של אור מקוטב ליניארי. לאחר מכן, האור המקוטב יסתובב לאחר שהוא יעבור דרך תא קוטבי המכיל את הדגימה. לאחר מכן, מנתח יסתובב נגד כיוון השעון או בכיוון השעון כדי לאפשר לאור לעבור ולהגיע לגלאי(איור 1). באמצעות מכשיר זה, ניתן לחשב את הסיבוב הספציפי של האור, המקשר את הסיבוב האופטי הנצפה עם ריכוז הפתרון ואורך הנתיב של התא. הסיבוב הספציפי מוגדר על-ידי המשוואה הבאה:
כאשר αobs הוא ערך הסיבוב האופטי הנצפה שניתן על ידי polarimeter, l הוא אורך הנתיב התא ב- dm, ו- c הוא ריכוז הפתרון ב- g/ mL.
יתר על כן, עודף enantiomeric (ee), שהוא מדידה של כמה של enantiomer אחד קיים על השני בתערובת, ניתן לקבוע באמצעות סיבוב ספציפי. החישוב של ee ניתן על-ידי המשוואה הבאה:
כאשרתערובת α היא הסיבוב הספציפי של תערובת האננטיומרים αטהור הוא הסיבוב הספציפי של האננטיומר הטהור. בדרך כלל, אם שניים מתוך שלושה ערכים במשוואה ידועים (כלומר, ee ותערובת α ) אז ניתן לחשב את הערך השלישי (αטהור).
איור 1. קונספט מאחורי הקוטב.
איור 2. מולקולות כיראליות שהן תמונות מראה זו של זו הן אננטיומרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. הכנת הפולארימטר
- הפעל את המכשיר ולתת לו להתחמם במשך 10 דקות.
- ודא שהכלי מוגדר למצב "סיבוב אופטי".
- הכן דגימה ריקה בתא הקוטבי (נפח דגימה כולל של 1.5 מ"ל, אורך של 1 dm) המכיל CHCl3בלבד . ודא שאין בועות אוויר קיימות.
- מקם את התא הריק במחזיק ולחץ על "אפס".
2. הכנת דגימת ניתוח
- הכן פתרון מלאי של 10-15 מ"ג של ניתוח כיראלי ב 1.5 מ"ל CHCl3. שים לב לכמות המדויקת של המתחם בשימוש.
3. מדידת סיבוב אופטי
- מלא את התא עם 1.5 מ"ל של פתרון המלאי מוכן המכיל את המדגם.
- מקם את התא במחזיק ולחץ על "מידה". קריאת המכונה תעניק את ערך הסיבוב האופטי. זכור להקליט את הטמפרטורה גם כן.
4. חישוב סיבוב ספציפי
- הסיבוב הספציפי של תרכובת מוגדר על-ידי המשוואה הבאה:
כאשר α הוא ערך הסיבוב האופטי שניתן על ידי polarimeter, l הוא אורך הנתיב של התא ב- dm, ו- c הוא ריכוז הפתרון ב- g/ mL.
פולארימטרים נמצאים בשימוש נרחב בכימיה אורגנית ואנליטית כדי להעריך את טוהר המוצר הכימי ולחקור את תכונותיו.
Polarimeters לזהות את נוכחותם של enantiomers: וריאנטים תמונת מראה של תרכובת שעשויה להיות פעילות ביולוגית מפוצלת בפראות. הבחנה בין enantiomers היא קריטית ביישומים רבים, כולל תרופות, שכן אננטיומר אחד אחראי בדרך כלל על השפעות ביולוגיות בעוד השני הוא בדרך כלל אדיש, פחות פעיל, או, כמו במקרה של תלידומיד התרופה, מזיק.
וידאו זה ימחיש את עקרונות הקוטביות, ידגים הגדרה ותפעול של פולארימטר, וידון ביישומים מסוימים.
Polarimetry שימושי לחקר תרכובות אורגניות המכילות מרכזי סטריאו.
מרכזים סטריאו הם אטומי פחמן המקשרים לארבעה אטומים או קבוצות שונים. בדוגמה זו, אטום הפחמן מלוכד למימן, פלואור, כלור וברום, ויוצר ברומו-כלורו-פלואורו-מתאן.
תרכובות המכילות מרכזי סטריאו נקראים "כיראליים", כלומר הן קיימות כ-isomers של תמונת מראה: מבנים פיזיים שאינם שווים ערך שלא ניתן לסובב או מכוונים זה על זה. תמונת המראה נקראת "אננטיומרים", ויש להם תכונות פיזיות זהות, למעט חריג אחד הקשור לאופטיקה.
באופטיקה, מקורות אור שאינם לייזר פולטים גלי אור התנדנדים במגוון מישורים. גלי אור כאלה נקראים "לא קוטביים". עם זאת, חומרים מסוימים מסוגלים לסנן גלי אור בהתבסס על מישור התנודה שלהם, משדרים רק את אותם גלי אור המתנדנדים במישור מסוים אחד תוך כדי ספיגת אלה המתנדנדים במישורים אחרים. האור המשודר היה "מקוטב במישור".
לאנטיומרים יש השפעות שונות על אור מקוטב של המטוס. אם הם נפגעים על ידי אור מקוטב מישור, אננטיומר אחד יסובב את מישור התנודה בכיוון השעון, בעוד השני יסובב את מישור התנודה בזווית שווה נגד כיוון השעון. הראשון נקרא "אננטיומר", ושמו מקודם עם סימן חיבור. האחרון נקרא האננטיומר "levorotatory", ושמו הוא קידומת עם סימן מינוס. היחס בין זווית הסיבוב לריכוז הוא ייחודי לכל תרכובת, ונקרא "סיבוב אופטי ספציפי".
פולארימטר מזהה אם אננטיומר אחד או שניהם נמצאים במדגם. הוא מורכב ממקור אור, מקוטב, תא מדגם, גלאי ומנתח. מקור האור פולט גלי אור שאינם קוטביים אך מונוכרומטיים, כלומר יש להם את אותו אורך גל. גלי האור נתקלים בקיטוב, המשדר רק את אלה המתנדנדים במישור מסוים אחד, ומניבים קרן מקוטבת במישור. האור המקוטב במישור מקיים אינטראקציה עם המדגם בתא לדוגמה.
אם המדגם מכיל רק אננטיומר אחד של תרכובת הכיראלית, האור המקוטב יסתובב. הזווית נקראת "סיבוב אופטי", והיא תלויה בסיבוב האופטי הספציפי של המתחם, בריכוז שלה ובאורך התא לדוגמה. אם, לעומת זאת, שני האננטיומרים נמצאים בריכוזים שווים, הם יוצרים "תערובת גזעית" שאינה יכולה לסובב אור מקוטב. לבסוף, אם אננטיומר אחד קיים בריכוז גדול יותר מהשני, תוצאות "עודף אננטיומרי", ומישור התנודה יסתובב ביחס לעודף.
לאחר שהאור המקוטב עובר דרך המדגם, הוא מזוהה. המנתח מודד את הסיבוב האופטי.
עכשיו שראיתם את העקרונות, בואו נבחן הליך פעולה טיפוסי.
הצעד הראשון לשימוש בקוטב הוא אפס המכשיר.
ראשית, להפעיל את polarimeter ולתת לו להתחמם במשך 10 דקות.
הגדר את המכשיר למצב סיבוב אופטי.
תא המדגם הוא בדרך כלל צינור באורך 1 dm עם נפח של 1.5 מ"ל. הכן את התא על ידי ניקוי עם אצטון ומגבוני מעבדה.
הניחו בעדינות את תא הדגימה הריק במחזיק ולחצו על "אפס". פעולה זו קובעת את קו הבסיס.
לאחר מכן, כייל את הקוטב באמצעות מדגם טהור של תרכובת כיראלית תחת חקירה.
בדוגמה זו, נעשה שימוש באנתיומר דקסטרורוטטורי של קארפון. פיפטה 1.5 מ"ל לתוך תא הדגימה. הכנס את התא למחזיק ולחץ על "מידה". הסיבוב האופטי מוצג. חלוקת הסיבוב האופטי הנמדד לפי ריכוז, או צפיפות לחומרים טהורים, ואורך התא מניב את הסיבוב האופטי הספציפי של המתחם.
הסיבוב האופטי הספציפי של אלמוני מטוהר ניתן למצוא באופן דומה, על ידי המסת הלא נודע בממס לא פעיל אופטית ומדידת הסיבוב האופטי. הסיבוב האופטי הספציפי של המתחם נקבע לאחר מכן על ידי חלוקה על ידי הריכוז. לאחר מכן המתחם מזוהה על ידי השוואת הסיבוב האופטי הספציפי שלו לערכי הספרות.
עכשיו שאתה יודע איך לבצע מדידות, נחקור כמה יישומים מעשיים.
בתעשיית התרופות, פולארימטריה משמשת לבקרת איכות. לדוגמה, הוא שימש כדי למדוד את הריכוז ואת הטוהר enantiomeric של אפדרין מדכאי שיעול מסחרי. אפילו בנוכחות מרכיבים אחרים, טכניקה זו יכולה לשמש כדי לקבוע את ריכוז אפדרין בתוך 1%.
בתעשיות המזון והמשקאות, ריכוזי סוכרוז וטוהרים מנוטרים ברציפות עם קוטביות זרימה שתוכננה במיוחד. סוכרוז, אחד המרכיבים הנפוצים ביותר במזונות, יש סיבוב אופטי ספציפי של 66.5 מעלות. על ידי חלוקת הסיבוב האופטי של זרם סוכרוז על ידי סיבוב אופטי ספציפי של סוכרוז, הריכוז ניתן לקבוע. תנודות בסיבוב האופטי יצביעו על תנודות בריכוז סוכרוז.
Polarimetry שימש גם לחקר קינטיקה תגובה, כולל קינטיקה עבור מערכות אנזימים כגון מערכת פניצילין-פניצילינאז. במקרה זה, תא המדגם מכיל הן אנזים והן מצע, והסיבוב האופטי נמדד ביחס לזמן. השינוי בסיבוב האופטי הוא פרופורציונלי ישירות לשינוי בריכוז המצע. זה לא רק חושף את קינטיקה התגובה, אלא גם מאפשר קביעה סימולטני של ריכוזי אנזימים ומצע בבחונים עתידיים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לקוטב. כעת עליך להבין את עקרונות הפעולה שלו, את שלבי ההתקנה והמדידה וחלק מהיישומים שלה. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
תוצאות מייצגות למדידה וחישוב של סיבוב ספציפי עבור נהלים 1-4.
| שלב הליך | קריאה על פולארימטר |
| 1.4 | 0.000 |
| 3.2 | +0.563 |
| 4.1 | [α] 25D = +77° (c 0.73, CHCl3)
|
טבלה 1. תוצאות מייצגות להליכים 1-4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
בניסוי זה הדגמנו את העקרונות שמאחורי הקוטב וכיצד למדוד ולחשב את הסיבוב הספציפי של תרכובת פעילה אופטית.
הקוטב הוא מכשיר חשוב בתעשיות הכימיקלים והתרופות כדי להעריך את הזהות, הטוהר והאיכות של תרכובת. הוא משמש במיוחד למדידה של סיבוב אופטי של תרכובות כיראליות, אשר ניתן להשתמש בו כדי להבחין בין זהותם של שני enantiomers על ידי אישור אם זה (R) או (S) תרכובת. זה חשוב במיוחד בסינתזת תרופות כי אננטיומר אחד אחראי בדרך כלל על ההשפעות הביולוגיות בעוד האננטיומר האחר הוא לעתים קרובות פחות פעיל יכול להיות תופעות לוואי. בנוסף, ניתן ליישם את הקוטב כדי לקבוע את ה- ee הלא ידוע של מדגם. אם ערך ה- ee אינו ידוע, ניתן לחשב זאת באמצעות הקוטב על-ידי קביעת הסיבוב הספציפי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
