Overview
Fonte: Vy M. Dong e Diane Le, Dipartimento di Chimica, Università della California, Irvine, CA
Questo esperimento dimostrerà l'uso di un polarimetro, che è uno strumento utilizzato per determinare la rotazione ottica di un campione. La rotazione ottica è il grado in cui un campione ruoterà la luce polarizzata. I campioni otticamente attivi ruoteranno il piano della luce in senso orario (destrorotatorio), designato come d o (+), o in senso antiorario (levorotatorio), designato come l o (−).
Principles
Il polarimetro è un metodo quantitativo utilizzato per determinare la rotazione ottica di una molecola chirale. Una molecola è considerata chirale se non è sovrappresibile sulla sua immagine speculare. Più specificamente, le molecole chirali che sono immagini speculari l'una dell'altra sono chiamate enantiomeri (Figura 2). Gli enantiomeri hanno le stesse proprietà fisiche come il punto di fusione, il punto di ebollizione e la solubilità; tuttavia, differiscono nel grado in cui polarizzano la luce. Un puro (R) enantiomero di un composto ruoterà la luce in una direzione uguale ma opposta al suo (S) enantiomero. Se una miscela di composti è racemica, nel senso che contiene una miscela uguale di (R) e (S) enantiomeri, allora la sua rotazione ottica sarà zero. Pertanto, la polarimetria è un modo per caratterizzare e distinguere l'identità tra una coppia di enantiomeri.
Un polarimetro funziona facendo brillare la luce monocromatica attraverso un polarizzatore, che genera un fascio di luce polarizzata linearmente. La luce polarizzata ruoterà quindi dopo aver attraversato una cella polarimetrica contenente il campione. Un analizzatore ruoterà quindi in senso antiorario o orario per consentire alla luce di passare attraverso e raggiungere il rilevatore (Figura 1). Utilizzando questo strumento, è possibile calcolare la rotazione specifica della luce, che mette in relazione la rotazione ottica osservata con la concentrazione della soluzione e la lunghezza del percorso cellulare. La rotazione specifica è definita dalla seguente equazione:
dove αobs è il valore di rotazione ottica osservato dato dal polarimetro, l è la lunghezza del percorso cellulare in dm e c è la concentrazione della soluzione in g/mL.
Inoltre, l'eccesso enantiomerico (ee), che è una misura di quanto di un enantiomero esiste sull'altro in una miscela, può essere determinato utilizzando una rotazione specifica. Il calcolo di ee è dato dalla seguente equazione:
dove αmiscela è la rotazione specifica della miscela di enantiomeri e αpura è la rotazione specifica dell'enantiomero puro. Generalmente, se due valori su tre nell'equazione sononoti (cioè, ee e αmiscela)allora il terzo valore (αpuro) può essere calcolato.
Figura 1. Concetto alla base del polarimetro.
Figura 2. Le molecole chirali che sono immagini speculari l'una dell'altra sono enantiomeri.
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Procedure
1. Preparazione del polarimetro
- Accendere lo strumento e lasciarlo scaldare per 10 minuti.
- Assicurarsi che lo strumento sia impostato sulla modalità "rotazione ottica".
- Preparare un campione bianco nella cella polarimetrica (1,5 mL di volume totale del campione, 1 dm di lunghezza) contenente solo CHCl3. Assicurati che non ci siano bolle d'aria presenti.
- Posizionare la cella vuota nel supporto e premere "zero".
2. Preparazione del campione di analita
- Preparare una soluzione stock di 10-15 mg di analita chirale in 1,5 ml di CHCl3. Notare la quantità esatta di composto utilizzato.
3. Misurazione della rotazione ottica
- Riempire la cella con 1,5 mL della soluzione stock preparata contenente il campione.
- Posizionare la cella nel supporto e premere "misura". La lettura della macchina fornirà il valore di rotazione ottica. Ricordati di registrare anche la temperatura.
4. Calcolo della rotazione specifica
- La rotazione specifica di un composto è definita dalla seguente equazione:
dove α è il valore di rotazione ottica dato dal polarimetro, l è la lunghezza del percorso cellulare in dm e c è la concentrazione della soluzione in g/mL.
I polarimetri sono ampiamente utilizzati nella chimica organica e analitica per valutare la purezza di un prodotto chimico e studiarne le proprietà.
I polarimetri rilevano la presenza di enantiomeri: varianti speculari di un composto che possono avere attività biologiche selvaggiamente divergenti. Distinguere tra enantiomeri è fondamentale in molte applicazioni, compresi i prodotti farmaceutici, poiché un enantiomero è tipicamente responsabile degli effetti biologici mentre l'altro è solitamente inerte, meno attivo o, come nel caso del farmaco talidomide, dannoso.
Questo video illustrerà i principi della polarimetria, dimostrerà la configurazione e il funzionamento di un polarimetro e discuterà alcune applicazioni.
La polarimetria è utile per lo studio di composti organici contenenti stereocentri.
Gli stereocentri sono atomi di carbonio che sono legati a quattro diversi atomi o gruppi. In questo esempio, l'atomo di carbonio è legato a idrogeno, fluoro, cloro e bromo, formando bromo-cloro-fluoro-metano.
I composti contenenti stereocentri sono chiamati "chirali", nel senso che esistono come isomeri a immagine speculare: strutture fisiche non equivalenti che non possono essere ruotate o orientate per sovrapporsi l'una sull'altra. Gli isomeri dell'immagine speculare sono chiamati "enantiomeri" e hanno proprietà fisiche identiche, con un'eccezione relativa all'ottica.
In ottica, le sorgenti luminose non laser emettono onde luminose che oscillano in una varietà di piani. Tali onde luminose sono chiamate "non polarizzate". Tuttavia, alcuni materiali sono in grado di filtrare le onde luminose in base al loro piano di oscillazione, trasmettendo solo quelle onde luminose che oscillano su un piano specifico mentre assorbono quelle che oscillano su altri piani. La luce trasmessa è stata "polarizzata dal piano".
Gli enantiomeri hanno effetti diversi sulla luce polarizzata piana. Se vengono colpiti dalla luce polarizzata piana, un enantiomero ruoterà il piano di oscillazione in senso orario, mentre l'altro ruoterà il piano di oscillazione di un angolo uguale in senso antiorario. Il primo è chiamato enantiomero "destrorotatorio" e il suo nome è preceduto da un segno più. Quest'ultimo è chiamato enantiomero "levorotatorio" e il suo nome è preceduto da un segno meno. Il rapporto tra angolo di rotazione e concentrazione è unico per ogni composto ed è chiamato "rotazione ottica specifica".
Un polarimetro rileva se uno o entrambi gli enantiomeri sono presenti in un campione. Consiste in una sorgente luminosa, un polarizzatore, una cella campione, un rilevatore e un analizzatore. La sorgente luminosa emette onde luminose non polarizzate ma monocromatiche, il che significa che hanno la stessa lunghezza d'onda. Le onde luminose incontrano quindi il polarizzatore, che trasmette solo quelle oscillanti su un piano specifico, producendo un fascio polarizzato piano. La luce polarizzata piana interagisce quindi con il campione nella cella del campione.
Se il campione contiene un solo enantiomero del composto chirale, la luce polarizzata ruoterà. L'angolo è chiamato "rotazione ottica" e dipende dalla rotazione ottica specifica del composto, dalla sua concentrazione e dalla lunghezza della cella campione. Se, d'altra parte, entrambi gli enantiomeri sono presenti in concentrazioni uguali, formano una "miscela racemica" che non può ruotare la luce polarizzata. Infine, se un enantiomero è presente in maggiore concentrazione rispetto all'altro, ne risulta un "eccesso enantiomerico" e il piano di oscillazione sarà ruotato in proporzione all'eccesso.
Dopo che la luce polarizzata passa attraverso il campione, viene rilevata. L'analizzatore misura la rotazione ottica.
Ora che hai visto i principi, esaminiamo una tipica procedura operativa.
Il primo passo per utilizzare il polarimetro è azzerare lo strumento.
Per prima cosa, accendi il polarimetro e lascialo scaldare per 10 minuti.
Impostare lo strumento sulla modalità di rotazione ottica.
La cella campione è tipicamente un tubo lungo 1 dm con un volume di 1,5 ml. Preparare la cella pulendo con acetone e salviette da laboratorio.
Posizionare delicatamente la cella campione vuota nel supporto e premere "zero". Questo stabilisce la linea di base.
Quindi, calibrare il polarimetro utilizzando un campione puro del composto chirale in esame.
In questo esempio, viene utilizzato l'enantiomero destrorotatorio del carvone. Pipetta 1,5 mL nella cella del campione. Inserire la cella nel supporto e premere "misura". Viene visualizzata la rotazione ottica. Dividendo la rotazione ottica misurata per concentrazione, o densità per sostanze pure, e la lunghezza della cella si ottiene la rotazione ottica specifica del composto.
La rotazione ottica specifica di uno sconosciuto purificato può essere trovata in modo simile, sciogliendo l'ignoto in un solvente otticamente inattivo e misurando la rotazione ottica. La rotazione ottica specifica del composto viene quindi determinata dividendo per la concentrazione. Il composto viene quindi identificato confrontando la sua specifica rotazione ottica con i valori di letteratura.
Ora che sai come eseguire le misurazioni, esploreremo alcune applicazioni pratiche.
Nell'industria farmaceutica, la polarimetria viene utilizzata per il controllo di qualità. Ad esempio, è stato utilizzato per misurare la concentrazione e la purezza enantiomerica di efedrina in soppressori della tosse commerciale. Anche in presenza di altri ingredienti, questa tecnica può essere utilizzata per determinare la concentrazione di efedrina entro l'1%.
Nell'industria alimentare e delle bevande, le concentrazioni e le purezze di saccarosio vengono monitorate continuamente con polarimetri di flusso appositamente progettati. Il saccarosio, uno degli ingredienti più comuni negli alimenti, ha una rotazione ottica specifica di 66,5 gradi. Dividendo la rotazione ottica del flusso di saccarosio per la rotazione ottica specifica del saccarosio, è possibile determinare la concentrazione. Le fluttuazioni nella rotazione ottica indicherebbero fluttuazioni nella concentrazione di saccarosio.
La polarimetria è stata anche utilizzata per studiare la cinetica di reazione, compresa la cinetica per sistemi enzimatici come il sistema penicillina-penicillinasi. In questo caso, la cellula campione contiene sia enzima che substrato e la rotazione ottica viene misurata rispetto al tempo. La variazione della rotazione ottica è direttamente proporzionale alla variazione della concentrazione del substrato. Questo non solo rivela la cinetica di reazione, ma consente anche la determinazione simultanea delle concentrazioni di enzimi e substrato nei saggi futuri.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE al polarimetro. Ora dovresti capire i suoi principi di funzionamento, i passaggi per l'installazione e la misurazione e alcune delle sue applicazioni. Grazie per l'attenzione!
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Results
Risultati rappresentativi per la misurazione e il calcolo della rotazione specifica per le Procedure 1-4.
| Fase della procedura | Lettura su polarimetro |
| 1.4 | 0.000 |
| 3.2 | +0.563 |
| 4.1 | [α] 25D = +77° (c 0.73, CHCl3)
|
Tabella 1. Risultati rappresentativi per le procedure 1-4.
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Applications and Summary
In questo esperimento, abbiamo dimostrato i principi alla base del polarimetro e come misurare e calcolare la rotazione specifica di un composto otticamente attivo.
Il polarimetro è uno strumento importante nell'industria chimica fine e farmaceutica per valutare l'identità, la purezza e la qualità di un composto. È specificamente usato per la misurazione della rotazione ottica di composti chirali, che può essere utilizzato per distinguere l'identità di due enantiomeri confermando se si tratta di un composto (R) o (S). Questo è particolarmente importante nella sintesi di farmaci farmaceutici perché un enantiomero è generalmente responsabile degli effetti biologici mentre l'altro enantiomero è spesso meno attivo e può avere effetti avversi. Inoltre, il polarimetro può essere implementato per determinare l'ee sconosciuto di un campione. Se il valore ee è sconosciuto, questo può essere calcolato utilizzando il polarimetro determinando la rotazione specifica.
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