Polarimetro

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 (−).

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 α_obs 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 α_miscela è la rotazione specifica della miscela di enantiomeri e α_pura è la rotazione specifica dell'enantiomero puro. Generalmente, se due valori su tre nell'equazione sononoti (cioè, ee e α_miscela)allora il terzo valore (α_puro) 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.

1. Preparazione del polarimetro

1. Accendere lo strumento e lasciarlo scaldare per 10 minuti.
2. Assicurarsi che lo strumento sia impostato sulla modalità "rotazione ottica".
3. 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.
4. Posizionare la cella vuota nel supporto e premere "zero".

2. Preparazione del campione di analita

1. 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

1. Riempire la cella con 1,5 mL della soluzione stock preparata contenente il campione.
2. 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

1. 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.

Risultati rappresentativi per la misurazione e il calcolo della rotazione specifica per le Procedure 1-4.

Tabella 1. Risultati rappresentativi per le procedure 1-4.

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.