Spesifik Rotasyon Denklemi vs Optik Rotasyon - Aradaki fark nedir?
Yazan Angelo DePalma, PHD
Polarimetreler kullanılarak polarimetri, polarize ışığın optik olarak aktif bir malzemeden geçerken dönme derecesini ölçer.
Polarimetri hakkında bilgi edinirken spesifik rotasyon ve optik rotasyon terimleriyle karşılaşabilirsiniz. Spesifik rotasyon denklemi ve optik rotasyon nedir? İkisi arasındaki farklar nelerdir? Bu konuyu aşağıda ele alacağız.
Polarimetri, yansıtıcı cam üzerinde çalışan Fransız mühendis Étienne-Louis Malus tarafından keşfedilmiştir. Birkaç yıl sonra bir başka Fransız, Jean-Baptiste Biot, şeker gibi moleküllerin de polarize ışığı döndürebildiğini buldu. 1874 yılına kadar Hollandalı kimyager Jacobus Henricus van't Hoff karbonun tetrahedral yapısının birçok organik bileşiğin optik aktivitesinden (düzlem polarize ışığı döndürme yeteneği) sorumlu olduğunu öne sürdü.
Optik aktivite kiral maddelere özgü bir özelliktir. Örneğin, kiral bir merkeze (dört farklı liganda bağlı bir karbon) sahip olan 2-butanol. Şekil 1, 2-butanolün iki ayna görüntüsü izomeri olarak var olduğunu göstermektedir veya enantiyomerler. Atomik bağlanabilirlik S-izomeri ayna görüntüsü ile aynıdır R-izomeri, karbona bağlı gruplardan ikisinin yer değiştirmesi dışında.
Bu R ve S tanımlamalar, sübstitüent gruplarına öncelik atamak için Cahn-Ingold-Prelog kurallarına dayanmaktadır. En küçük sübstitüenti kağıt veya bilgisayar ekranı düzleminin altında aşağıya doğru bakacak şekilde görselleştirin. Kalan üç grup moleküler ağırlığa göre sıralanır. En ağır, sonraki en ağır ve en hafif grubun yönü saat yönündeyse molekül şu şekilde adlandırılır Rsaat yönünün tersine ise tanımlama S.
Ne zaman d ve l izomerler tam olarak eşit konsantrasyonlarda mevcutsa hala kiraldirler, ancak rotasyonları iptal olur ve numune rasemat veya rasemik karışım olarak adlandırılır.
Polarimetri Nasıl Çalışır?
Bir ampulden çıkan normal monokromatik ışık, yayılma çizgisine dik tüm olası düzlemlerde sonsuz sayıda salınan dalgadan oluşur. Bir polarizör, tek bir düzlemde yayılan ışığın geçmesine izin veren özel bir yarık veya açıklık türüdür. Bu ışık kiral bir madde ile etkileşime girdiğinde hızlanır veya yavaşlar, net etki polarize ışık düzleminde görünür bir dönüş olur.
Ne yazık ki molekülün mutlak konfigürasyonu arasında bir korelasyon yoktur (örn. R- veya S-) ve polarize ışığı döndürdüğü yön. Açıyı saat yönünde kaydıran moleküller şu şekilde bilinir dextrorotatory ("sağa dönüş"), d veya (+) Açıyı saat yönünün tersine kaydıran moleküllere levorotatory ("sola dönen"), lveya (-). Birden fazla kiral merkeze sahip bir molekülün kesin rotasyonunu tahmin etmek zordur çünkü her iki kiral merkez de optik rotasyona katkıda bulunur.
2-butanolün bu 3D projeksiyonunda soldaki yapı R-konfigürasyonunasahipken, sağdaki ayna görüntüsü Cahn-Ingold-Prelog kurallarına göre S-izomeridir. Bununla birlikte, soldaki yapı düzlem polarize ışığı saat yönünün tersine döndürür. S-izomeri(+) veya l iken (-) veya l olarak gösterilir.
Eğer bu yeterince kafa karıştırıcı değilse, biyokimya küçük büyük harfler D ve L'yi kullanan üçüncü bir isimlendirme kullanır. Bu sistem R ve S ile ilgilidir, ancak Cahn-Ingold-Prelog'u tam olarak takip etmez veya doğrudan optik rotasyonla ilgili değildir. Bu nedenle bu makalenin kapsamı dışındadır. Burada sadece sırasıyla d ve l veya (+) ve (-) ile ilgileniyoruz.
Spesifik Rotasyon Denklemi
Spesifik rotasyon denklemi, [α], kiral maddelerin temel bir özelliği olup, malzemenin belirli bir sıcaklık, dalga boyu ve konsantrasyonda polarize ışığın dönmesine neden olduğu açı olarak ifade edilir.
Spesifik rotasyon denklemi için terim şu şekilde verilir
|
|
|
Burada T ölçüm sıcaklığı, λ kullanılan ışığın dalga boyu (normalde sodyum D hattı veya 589 nm), α gözlenen rotasyondur. l yol uzunluğu ve c mililitrede gram (saf maddeler için yoğunluk) veya 100 mililitrede gram cinsinden konsantrasyondur. Çözücü (genellikle etanol, metanol, DSMO, aseton, su vb.) de belirtilir. Spesifik rotasyon, ölçüm koşullarının (yani çözücü, ışık kaynağı ve yol uzunluğu) da belirtildiği durumlarda maddenin molü başına derece olarak da ifade edilebilir.
Polarimetride hassasiyeti kontrol etmek için çeşitli dalga boylarının kullanımı
578, 546, 436, 405 ve 365 nm dalga boyları sağlamak için filtreler aracılığıyla izole edilen cıva ve döteryum lamba hatlarında mevcut olan 589 nm'den daha düşük dalga boylarının kullanılması bazen hassasiyette avantaj sağlayabilir. Genel olarak, 436nm'de gözlenen optik rotasyon 589nm'dekinin yaklaşık iki katı ve 365nm'dekinin yaklaşık üç katıdır.
Polarimetre Işık Kaynakları
Artık xenon veya tungsten halojen gibi diğer ışık kaynaklarının kullanılması yaygın bir uygulamadır. Uygun filtrelerle bu ışık kaynakları geleneksel ışık kaynaklarına göre maliyet, uzun ömür ve geniş dalga boyu emisyon aralığı avantajları sunmaktadır.
Polarimetreler, Yunanca küçük harf α ile belirtilen gözlemlenen dönüşü ölçer. Bu değerden ve spesifik dönüş bilgisinden, saf bir maddenin her iki izomerinin konsantrasyonları kolayca hesaplanabilir. Örneğin, akiral bir maddenin kiral bir maddeye dönüşümünü veya enantiyomerik fazlalık olarak bilinen optik izomerlerin göreceli konsantrasyonlarını belirlemek mümkündür.
Diyelim ki bir kimyager, standart ölçüm koşulları altında -13,5º özgül dönüşe sahip olan saf (-)-2-butanol üretmeye çalışıyor. Ancak sıvı ürün bir polarimetre hücresine saf bir çözelti olarak yerleştirildiğinde, gözlemlenen dönüş sadece -4,5º veya özgül dönüşün üçte biri kadardır. Bu bize numunedeki 2-bütanolün üçte birinin l veya (-) izomerden oluştuğunu ve kalan üçte ikisinin rasemattan (eşit miktarlarda (+) ve (-)) oluştuğunu gösterir. Dolayısıyla butanolün üçte ikisi (-)-2-butanol ve üçte biri (+)-2-butanoldür.
Gözlemlenen Rotasyonlar
Endüstri için daha önemli olan, karışımların gözlemlenen rotasyonlarıdır. Örneğin gıda bileşenleri, parfümler, aromalar, kimyasallar, saf veya formüle edilmiş farmasötikler - saf veya seyreltilmiş formda kiral organik moleküller üreten veya kullanan hemen hemen her endüstri. Bu durumlarda polarimetri hızlı, güvenilir bir kalite kontrolü sağlar. Bu, sıvı kromatografisi gibi geleneksel analizleri kullanma ihtiyacını ortadan kaldırır. Polarimetrenin dakikalar içinde başardığını yapmak bir saat sürebilir.
Polarimetri, pahalı bir partiye eklenmeden önce saf bir madde üzerinde ek bir kontrol sağlar. Bu, bileşenin konsantrasyonunu veya saflığını belirler. Örneğin %25'lik bir glikoz şurubu, %30'luk bir şurubun altıda beşi kadar gözlenen bir rotasyona sahip olacaktır.
Benzer şekilde, karışık bileşenli bir bileşenin, ara ürünün veya bitmiş ürünün optik rotasyonu, birkaç kiral bileşiğin varlığından kaynaklanabilecek karakteristik bir optik rotasyona sahip olacaktır. Kompozit gözlemlenen rotasyon için bir standart belirlendikten sonra, optik rotasyona dayalı kalite kriterleri oluşturulabilir. Bu durumlarda polarimetre ölçümü daha ileri testler için bir tür ekran haline gelir. Bu, hangi bileşenin spesifikasyon dışı olduğunu belirler.
Polarimetri Sonuç
Sonuç olarak, Optik rotasyon çok çeşitli kritik endüstriler için vazgeçilmez bir kalite ve kimlik testidir. Araştırmacı organik kimyagerler, katalizörlerin ve asimetrik sentetik süreçlerin etkinliğini test etmek için polarimetri kullanmaktadır. Gıda, ilaç ve aroma endüstrileri polarimetriyi ham maddeler ve bitmiş ürünler için bir kalite özelliği olarak kullanmaktadır.
Günümüz Laboratuvarlarında Polarimetreler
Polarimetri olgun bir teknik olmasına rağmen, günümüzün enstrümantasyonu tamamen manuel-optik sistemlerin sağlamadığı özellikler ve faydalar sağlamaktadır. Yoğun laboratuvarlar günde birden fazla numune işlemektedir. Artık otomatik veri yakalama, değişken dalga boyu ve sıcaklık seçeneklerine sahipler. Laboratuvarlar artık 0,0001°Arc (optik rotasyon, α) hassasiyetinde okuma alabiliyor. Bu, proses endüstrileri ve formülatörler için yüksek bir hassasiyet seviyesidir. Yalnızca bir polarimetreye sahip olan laboratuvarlar, optik rotasyona dayalı olarak son derece dar kalite standartları belirleyebilir.
PDF dosyasını indirin