Spezifische Rotationsgleichung vs. optische Rotation - Was ist der Unterschied?
Von Angelo DePalma, PHD
Polarimetrie mit Polarimetern misst den Grad der Drehung von polarisiertem Licht beim Durchgang durch ein optisch aktives Material.
Wenn Sie sich mit Polarimetrie befassen, stoßen Sie vielleicht auf die Begriffe spezifische Drehung und optische Drehung. Was ist die Gleichung für die spezifische Drehung und die optische Drehung? Was sind die Unterschiede zwischen diesen beiden Begriffen? Wir werden dies im Folgenden behandeln.
Entdeckt wurde die Polarimetrie von Étienne-Louis Malus, einem französischen Ingenieur, der sich mit reflektierendem Glas beschäftigte. Einige Jahre später stellte ein anderer Franzose, Jean-Baptiste Biot, fest, dass auch Moleküle wie Zucker polarisiertes Licht drehen können. Erst im Jahr 1874 entdeckte der niederländische Chemiker Jacobus Henricus van't Hoff schlug vor, dass die tetraedrische Struktur des Kohlenstoffs für die optische Aktivität vieler organischer Verbindungen verantwortlich ist, d. h. für die Fähigkeit, linear polarisiertes Licht zu drehen.
Optische Aktivität ist eine einzigartige Eigenschaft chiraler Substanzen. Zum Beispiel 2-Butanol, das ein chirales Zentrum besitzt (ein Kohlenstoff, der an vier verschiedene Liganden gebunden ist). Abbildung 1 veranschaulicht, dass 2-Butanol in zwei spiegelbildlichen Isomeren vorliegt, oder Enantiomere. Die atomare Konnektivität in der S-Isomer mit dem seines Spiegelbildes identisch ist R-Isomer, mit der Ausnahme, dass zwei der an den Kohlenstoff gebundenen Gruppen vertauscht wurden.
Die R und S Die Bezeichnungen basieren auf den Cahn-Ingold-Prelog-Regeln für die Zuweisung von Prioritäten an Substituentengruppen. Stellen Sie sich den kleinsten Substituenten vor, der nach unten unter die Ebene des Papiers oder des Bildschirms zeigt. Die drei verbleibenden Gruppen sind nach ihrem Molekulargewicht geordnet. Wenn die Richtung der schwersten, der nächstschwersten und der leichtesten Gruppe im Uhrzeigersinn verläuft, wird das Molekül als RWenn gegen den Uhrzeigersinn, lautet die Bezeichnung S.
Wenn die d und l Isomere in genau gleichen Konzentrationen vorhanden sind, sind sie immer noch chiral, aber ihre Rotationen heben sich auf, und die Probe wird als Racemat oder racemisches Gemisch bezeichnet.
So funktioniert Polarimetrie
Normales monochromatisches Licht, das aus einer Glühbirne austritt, besteht aus einer unendlichen Anzahl von oszillierenden Wellen in allen möglichen Ebenen, die senkrecht zur Ausbreitungslinie liegen. Ein Polarisator ist eine besondere Art von Spalt oder Öffnung, durch die Licht, das sich in einer Ebene ausbreitet, hindurchtreten kann. Wenn dieses Licht mit einer chiralen Substanz interagiert, beschleunigt oder verlangsamt es sich, so dass der Nettoeffekt eine scheinbare Drehung in der Ebene des polarisierten Lichts ist.
Leider besteht keine Korrelation zwischen der absoluten Konfiguration des Moleküls (z. B. R- oder S-) und die Richtung, in der es polarisiertes Licht dreht. Moleküle, die den Winkel im Uhrzeigersinn verschieben, werden als rechtsdrehend ("Rechtsabbieger"), d oder (+) Die Moleküle, die den Winkel gegen den Uhrzeigersinn verschieben, werden als levorotatorisch ("linksdrehend"), l, oder (-). Die Vorhersage der genauen Drehung eines Moleküls mit mehr als einem chiralen Zentrum ist schwierig, da beide chiralen Zentren zur optischen Drehung beitragen.
In dieser 3D-Projektion von 2-Butanol hat die Struktur auf der linken Seite die R-Konfiguration, während ihr Spiegelbild auf der rechten Seite das S-Isomergemäß den Cahn-Ingold-Prelog-Regeln ist. Die Struktur auf der linken Seite dreht jedoch planpolarisiertes Licht gegen den Uhrzeigersinn. Sie wird als (-) oder l bezeichnet, während das S-Isomer(+) oder l ist.
Als ob dies nicht schon verwirrend genug wäre, gibt es in der Biochemie noch eine dritte Nomenklatur mit den kleinen Großbuchstaben D und L. Dieses System ist mit R und S verwandt, folgt aber nicht streng dem Cahn-Ingold-Prelog und hat auch keinen direkten Bezug zur optischen Rotation. Es geht daher über den Rahmen dieses Artikels hinaus. Wir befassen uns hier nur mit d und l bzw. (+) und (-).
Spezifische Rotationsgleichung
Die spezifische Rotationsgleichung [α] ist eine grundlegende Eigenschaft chiraler Substanzen, die als der Winkel ausgedrückt wird, um den das Material polarisiertes Licht bei einer bestimmten Temperatur, Wellenlänge und Konzentration rotieren lässt.
Der Term für die spezifische Rotationsgleichung ist gegeben durch
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wobei T die Messtemperatur, λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts (normalerweise die Natrium-D-Linie oder 589 nm), α die beobachtete Drehung, l die Weglänge und c die Konzentration in Gramm pro Milliliter (bei reinen Substanzen die Dichte) oder Gramm pro 100 Milliliter ist. Das Lösungsmittel (häufig Ethanol, Methanol, DSMO, Aceton, Wasser usw.) wird ebenfalls angegeben. Die spezifische Drehung kann auch in Grad pro Mol der Substanz ausgedrückt werden, wenn die Messbedingungen (d. h. Lösungsmittel, Lichtquelle und Weglänge) ebenfalls angegeben werden.
Verwendung verschiedener Wellenlängen in der Polarimetrie zur Steuerung der Empfindlichkeit
Die Verwendung von Wellenlängen unter 589 nm, die bei den durch Filter isolierten Quecksilber- und Deuteriumlampen verfügbar sind, um Wellenlängen von 578, 546, 436, 405 und 365 nm zu erhalten, kann manchmal Vorteile bei der Empfindlichkeit bieten. Im Allgemeinen ist die beobachtete optische Drehung bei 436 nm etwa doppelt und bei 365 nm etwa dreimal so groß wie bei 589 nm.
Polarimeter-Lichtquellen
Heute ist es üblich, andere Lichtquellen wie Xenon oder Wolfram-Halogen zu verwenden. Mit geeigneten Filtern bieten diese Lichtquellen Kostenvorteile, eine lange Lebensdauer und einen breiten Wellenlängenbereich gegenüber herkömmlichen Lichtquellen.
Polarimeter messen die beobachtete Drehung, die mit dem griechischen Kleinbuchstaben α bezeichnet wird. Aus diesem Wert und der Kenntnis der spezifischen Drehung kann man leicht die Konzentrationen der beiden Isomere einer reinen Substanz berechnen. So ist es beispielsweise möglich, die Umwandlung eines achiralen Materials in eine chirale Substanz oder die relativen Konzentrationen der optischen Isomere, den so genannten enantiomeren Überschuss, zu bestimmen.
Angenommen, ein Chemiker versucht, reines (-)-2-Butanol herzustellen, das unter Standardmessbedingungen eine spezifische Drehung von -13,5º aufweist. Wenn das flüssige Produkt jedoch als reine Lösung in eine Polarimeterzelle gegeben wird, beträgt die beobachtete Drehung nur -4,5º, also ein Drittel der spezifischen Drehung. Daraus lässt sich schließen, dass ein Drittel des 2-Butanols in der Probe aus dem l- oder (-)-Isomer besteht und die restlichen zwei Drittel aus dem Racemat (gleiche Mengen von (+) und (-)). Zwei Drittel des Butanols sind also (-)-2-Butanol und ein Drittel ist (+)-2-Butanol.
Beobachtete Rotationen
Von größerer Bedeutung für die Industrie sind die beobachteten Rotationen von Mischungen. Zum Beispiel bei Lebensmittelzutaten, Parfüms, Aromen, Chemikalien, reinen oder formulierten Arzneimitteln - praktisch jeder Industriezweig, der chirale organische Moleküle in reiner oder verdünnter Form herstellt oder verwendet. In diesen Fällen bietet die Polarimetrie eine schnelle und zuverlässige Qualitätskontrolle. Damit entfällt die Notwendigkeit, konventionelle Analysen wie die Flüssigchromatographie durchzuführen. Diese kann eine Stunde in Anspruch nehmen, was das Polarimeter in wenigen Minuten erledigt.
Die Polarimetrie ermöglicht eine zusätzliche Prüfung einer reinen Substanz, bevor sie einer teuren Charge zugesetzt wird. Damit wird die Konzentration oder Reinheit des Inhaltsstoffs bestimmt. Ein 25 %iger Glukosesirup hat beispielsweise eine beobachtete Drehung, die fünf Sechstel der Drehung eines 30 %igen Sirups beträgt.
In ähnlicher Weise weist die optische Drehung eines gemischten Bestandteils, Zwischenprodukts oder Endprodukts eine charakteristische optische Drehung auf, die durch das Vorhandensein mehrerer chiraler Verbindungen bedingt sein kann. Sobald ein Standard für die beobachtete Rotation des Gemischs bestimmt ist, können Qualitätskriterien auf der Grundlage der optischen Rotation festgelegt werden. In diesen Fällen wird die Polarimeter-Messung zu einer Art Screening für weitere Tests. Auf diese Weise lässt sich feststellen, welcher Inhaltsstoff außerhalb der Spezifikation liegt.
Polarimetrie Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die optische Rotation ein unverzichtbares Qualitäts- und Identitätsprüfverfahren für eine Vielzahl kritischer Branchen ist. Organische Chemiker in der Forschung nutzen die Polarimetrie, um die Wirksamkeit von Katalysatoren und asymmetrischen Syntheseverfahren zu testen. Die Lebensmittel-, Arzneimittel- und Aromenindustrie nutzt die Polarimetrie als Qualitätsmerkmal für Rohstoffe und Endprodukte.
Polarimeter in den heutigen Labors
Obwohl die Polarimetrie ein ausgereiftes Verfahren ist, bieten die heutigen Geräte Funktionen und Vorteile, die rein manuell-optische Systeme nicht bieten. In vielbeschäftigten Labors werden mehrere Proben pro Tag verarbeitet. Sie haben jetzt die Möglichkeit der automatischen Datenerfassung, variabler Wellenlänge und Temperatur. Die Labore können jetzt Ablesungen mit einer Genauigkeit von 0,0001°Arc (optische Rotation, α) erhalten. Dies ist ein hohes Maß an Präzision für die verarbeitende Industrie und Formulierer. Nur mit einem Polarimeter bewaffnet, können Labors extrem enge Qualitätsstandards auf der Grundlage der optischen Drehung festlegen.
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