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Organic Chemistry II

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Overview

Fonte: Vy M. Dong e Diane Le, Departamento de Química da Universidade da Califórnia, Irvine, CA

Este experimento demonstrará o uso de um polarímetro, que é um instrumento usado para determinar a rotação óptica de uma amostra. Rotação óptica é o grau em que uma amostra irá girar a luz polarizada. Amostras opticamente ativas irão girar o plano de luz no sentido horário (dextrorotatório), designado como d ou (+), ou no sentido anti-horário (levorotatório), designado como l ou (−).

Principles

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O polarímetro é um método quantitativo usado para determinar a rotação óptica de uma molécula quiral. Uma molécula é considerada quiral se não é sobreposta em sua imagem espelhada. Mais especificamente, moléculas quirais que são imagens espelhadas umas das outras são chamadas de enantiomers (Figura 2). Os enantiomers têm as mesmas propriedades físicas, como ponto de fusão, ponto de ebulição e solubilidade; no entanto, eles diferem no grau em que polarizam a luz. Um puro (R)-enantiomer de um composto irá girar a luz em uma direção igual, mas oposta como seu (S)-enantiomer. Se uma mistura de compostos for racemic, o que significa que contém uma mistura igual de (R)- e (S)-enantiomers, então sua rotação óptica será zero. Assim, a polarimetria é uma forma de caracterizar e distinguir a identidade entre um par de enantiomers.

Um polarímetro funciona brilhando luz monocromática através de um polarizador, que gera um feixe de luz linearmente polarizada. A luz polarizada irá então girar depois de passar por uma célula polarimetria contendo a amostra. Em seguida, um analisador girará no sentido anti-horário ou no sentido horário para permitir que a luz passe e chegue ao detector(Figura 1). Utilizando este instrumento, pode-se calcular a rotação específica da luz, que relaciona a rotação óptica observada com a concentração de solução e comprimento do caminho celular. A rotação específica é definida pela seguinte equação:

Equation 1

onde αobs é o valor de rotação óptica observado dado pelo polarímetro, l é o comprimento do pathlength celular em dm, e c é a concentração da solução em g/mL.

Além disso, o excesso eantiomerico (ee), que é uma medida de quanto de um enantiomer existe sobre o outro em uma mistura, pode ser determinado usando rotação específica. O cálculo do ee é dado pela seguinte equação:

Equation 2

onde αmistura é a rotação específica da mistura de enantiomers e αpuro é a rotação específica do enantiomer puro. Geralmente, se dois de três valores na equação são conhecidos (ou seja,, ou seja, ee eα mistura), então o terceiro valor (αpuro) pode ser calculado.

Figure 1

Figura 1. Conceito por trás do polarímetro.

Figure 2

Figura 2. Moléculas quirais que são imagens espelhadas umas das outras são enantiomers.

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Procedure

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1. Preparando o Polarímetro

  1. Ligue o instrumento e deixe aquecer por 10 minutos.
  2. Certifique-se de que o instrumento está configurado para o modo de "rotação óptica".
  3. Prepare uma amostra em branco na célula polarímetro (volume total de amostra de 1,5 mL, 1 dm de comprimento) contendo apenas CHCl3. Certifique-se de que não há bolhas de ar presentes.
  4. Coloque a célula em branco no suporte e pressione "zero".

2. Preparação da Amostra de Analito

  1. Prepare uma solução de estoque de 10-15 mgs do analito quiral em 1,5 mL CHCl3. Observe a quantidade exata do composto utilizado.

3. Medição da Rotação Óptica

  1. Encha a célula com 1,5 mL da solução de estoque preparada contendo a amostra.
  2. Coloque a célula no suporte e pressione "medir". A leitura da máquina dará o valor de rotação óptica. Lembre-se de registrar a temperatura também.

4. Cálculo de Rotação Específica

  1. A rotação específica de um composto é definida pela seguinte equação:
    Equation 3
    onde α é o valor de rotação óptica dado pelo polarímetro, l é o comprimento do pathlength celular no dm, e c é a concentração da solução em g/mL.

Polarímetros são amplamente utilizados em química orgânica e analítica para avaliar a pureza de um produto químico e investigar suas propriedades.

Polarímetros detectam a presença de enantiomers: variantes de imagem espelhada de um composto que pode ter atividades biológicas extremamente divergentes. A distinção entre enantiomers é fundamental em muitas aplicações, incluindo medicamentos, uma vez que um enantiomer é tipicamente responsável por efeitos biológicos, enquanto o outro é geralmente inerte, menos ativo, ou, como no caso da droga talidomida, prejudicial.

Este vídeo ilustrará os princípios da polarimetria, demonstrará a configuração e o funcionamento de um polarímetro e discutirá algumas aplicações.

A polarimetria é útil para estudar compostos orgânicos contendo estereócentes.

Estereócentes são átomos de carbono que estão ligados a quatro átomos ou grupos diferentes. Neste exemplo, o átomo de carbono é ligado ao hidrogênio, flúor, cloro e bromo, formando bromo-cloro-fluoro-metano.

Compostos que contêm stereocenters são chamados de "quiral", o que significa que existem como isômeros de imagem espelhada: estruturas físicas não equivalentes que não podem ser giradas ou orientadas a se sobreporem entre si. Os isômeros de imagem espelhada são chamados de "enantiomers", e têm propriedades físicas idênticas, com uma exceção relacionada à óptica.

Na óptica, fontes de luz não laser emitem ondas de luz que oscilam em uma variedade de aviões. Tais ondas de luz são chamadas de "não polarizadas". No entanto, certos materiais são capazes de filtrar ondas de luz com base em seu plano de oscilação, transmitindo apenas aquelas ondas de luz que oscilam em um plano específico enquanto absorvem aquelas oscilantes em outros planos. A luz transmitida foi "plano polarizado".

Os enantiomers têm efeitos diferentes na luz polarizada do plano. Se eles forem atingidos pela luz polarizada do avião, um enantiomer irá girar o plano de oscilação no sentido horário, enquanto o outro irá girar o plano de oscilação por um ângulo igual no sentido anti-horário. O primeiro é chamado de "dextrorotatório" enantiomer, e seu nome prefixado com um sinal positivo. Este último é chamado de enantiomer "levorotatório", e seu nome é prefixado com um sinal de menos. A razão de rotação de ângulo para concentração é única para cada composto, e é chamada de "rotação óptica específica".

Um polarímetro detecta se um ou ambos os enantiomers estão presentes em uma amostra. Consiste em uma fonte de luz, um polarizador, uma célula amostral, um detector e um analisador. A fonte de luz emite ondas de luz que não são poluídas, mas monocromáticas, o que significa que elas têm o mesmo comprimento de onda. As ondas de luz então encontram o polarizador, que transmite apenas aqueles que oscilam em um plano específico, produzindo um feixe polarizado por avião. A luz polarizada do plano interage com a amostra na célula amostra.

Se a amostra contiver apenas um enantiomer do composto quiral, a luz polarizada irá girar. O ângulo é chamado de "rotação óptica", e depende da rotação óptica específica do composto, sua concentração e o comprimento da célula amostral. Se, por outro lado, ambos os enantiomers estão presentes em concentrações iguais, formam uma "mistura racial" que não pode girar luz polarizada. Finalmente, se um enantiomer estiver presente em maior concentração do que o outro, um "excesso enanantiomerico" resulta, e o plano de oscilação será girado proporcionalmente ao excesso.

Depois que a luz polarizada passa pela amostra, ela é detectada. O analisador mede a rotação óptica.

Agora que você viu os princípios, vamos examinar um procedimento operacional típico.

O primeiro passo para usar o polarímetro é zerar o instrumento.

Primeiro, ligue o polarímetro e deixe aquecer por 10 minutos.

Ajuste o instrumento para o modo de rotação óptica.

A célula amostral é tipicamente um tubo de 1 dm de comprimento com um volume de 1,5 mL. Prepare a célula limpando com acetona e lenços de laboratório.

Coloque suavemente a célula de amostra vazia no suporte e pressione "zero". Isso estabelece a linha de base.

Em seguida, calibrar o polarímetro usando uma amostra pura do composto quiral sob investigação.

Neste exemplo, é usado o enantiomer dextrorotatório de carvone. Pipeta 1,5 mL na célula amostral. Insira a célula no suporte e pressione "medir". A rotação óptica é exibida. A divisão da rotação óptica medida por concentração, ou densidade para substâncias puras, e o comprimento celular produz a rotação óptica específica do composto.

A rotação óptica específica de um desconhecido purificado pode ser encontrada da mesma forma, dissolvendo o desconhecido em um solvente opticamente inativo e medindo a rotação óptica. A rotação óptica específica do composto é então determinada pela divisão pela concentração. O composto é então identificado comparando sua rotação óptica específica com valores de literatura.

Agora que você sabe como realizar medições, vamos explorar algumas aplicações práticas.

Na indústria farmacêutica, a polarimetria é usada para controle de qualidade. Por exemplo, tem sido usado para medir a concentração e a pureza efêmera da efedrina em supressores comerciais de tosse. Mesmo na presença de outros ingredientes, essa técnica pode ser usada para determinar a concentração de efedrina para dentro de 1%.

Nas indústrias de alimentos e bebidas, as concentrações e purezas de sacarose são monitoradas continuamente com polarímetros de fluxo especialmente projetados. A sacarose, um dos ingredientes mais comuns nos alimentos, tem uma rotação óptica específica de 66,5 graus. Dividindo a rotação óptica do fluxo de sacarose pela rotação óptica específica da sacarose, a concentração pode ser determinada. Flutuações na rotação óptica indicariam flutuações na concentração de sacarose.

A polarimetria também tem sido usada para estudar cinética de reação, incluindo cinética para sistemas enzimáticos como o sistema penicilina-penicilinase de penicilina. Neste caso, a célula amostra contém enzima e substrato, e a rotação óptica é medida com relação ao tempo. A mudança na rotação óptica é diretamente proporcional à mudança na concentração de substrato. Isso não só revela a cinética de reação, mas também permite a determinação simultânea de concentrações de enzimas e substratos em ensaios futuros.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE ao polarímetro. Agora você deve entender seus princípios de operação, os passos para a configuração e medição, e algumas de suas aplicações. Obrigado por assistir!

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Results

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Resultados representativos para a medição e cálculo de rotação específica para procedimentos 1-4.

Etapa do procedimento Leitura no polarímetro
1.4 0.000
3.2 +0.563
4.1 [α] 25D = +77° (c 0,73, CHCl3)

Mesa 1. Resultados representativos para os procedimentos 1-4.

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Applications and Summary

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Neste experimento, demonstramos os princípios por trás do polarímetro e como medir e calcular a rotação específica de um composto opticamente ativo.

O polarímetro é um importante instrumento nas indústrias química e farmacêutica para avaliar a identidade, pureza e qualidade de um composto. É especificamente utilizado para a medição de rotação óptica de compostos quirais, que podem ser usados para distinguir a identidade de dois enantiomers, confirmando se é um composto (R) ou(S). Isso é especialmente importante na síntese de medicamentos farmacêuticos porque um enantiomer é geralmente responsável pelos efeitos biológicos, enquanto o outro enantiomer é muitas vezes menos ativo e pode ter efeitos adversos. Além disso, o polarímetro pode ser implementado para determinar o ee desconhecido de uma amostra. Se o valor ee for desconhecido, isso pode ser calculado usando o polarímetro determinando a rotação específica.

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Transcript

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