Polarimetria

Polarimetria
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Polarimetria
La radiazione elettromagnetica viene considerata come una forma di
energia radiante dotata di una doppia natura, ondulatoria e corpuscolare.
In ogni momento il vettore campo elettrico Ē e il vettore campo magnetico
H sono fra loro perpendicolari e anche alla direzione di propagazione X
OZ’ = ampiezza del vettore elettrico
OY’ = ampiezza del vettore magnetico
AA’ = lunghezza d’onda
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Polarimetria
Generalità
Frequenza: numero di onde che attraversano una sezione
della traiettoria del raggio nell’unità di tempo e si indica
con ν ;
Numero d’onda: σ = reciproco di λ = 1/λ
λ (cm-1);
Velocità: c (nel vuoto c =3x108 m/sec); c = λν da cui
ν = σc
Velocità nel mezzo M: υ = c/n = λν/n
λν
(ricordare che
indice di rifrazione assoluto: n = υ vuoto / υ mezzo)
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Polarimetria
Generalità
la luce polarizzata è costituita da radiazioni con un’unica
direzione di oscillazione; si chiama anche luce
pianopolarizzata in quanto il vettore elettrico oscilla sempre
in un piano solo.
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Polarimetria
Generalità
Molte sostanze dotate di asimmetria cristallina o molecolare
hanno proprietà di derivare il piano (P°) della luce
polarizzata di un certo angolo (P’); queste sostanze sono
otticamente attive.
P’ > P° --> destrogiro
P’ < P° --> levogiro
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Cenni di stereochimica
L’attività ottica di una molecola dipende alla sua stereochimica
Stereochimica: branca della chimica che studia la struttura
molecolare nelle tre dimensioni.
Isomeri: composti diversi aventi la stessa formula bruta.
Steroisomeri: isomeri che differiscono tra loro soltanto nella
disposizione tridimensionale degli atomi o gruppi di atomi; gli
stereoisomeri hanno la stressa formula di struttura, ma
configurazioni differenti.
Tipi di stereoisomeri:
a. isomeri ottici;
b. isomeri geometrici;
c. enantiomeri;
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Isomeria ottica
Per sostanza otticamente attiva si intende una sostanza che ruota
il piano della luce polarizzata. Quest’ultima, che vibra in un
determinato piano, viene fatta passare attraverso una sostanza
otticamente attiva, all’uscita essa vibra in un piano diverso.
La maggior parte dei composti otticamente attivi contiene almeno un
carbonio asimmetrico ma condizione necessaria e sufficiente
perché una molecola sia otticamente attiva e che essa non possa
essere sovrapposta alla sua immagine speculare. Tale condizione
viene indicata con il termine di chiralità e si dice che due immagini
speculari non sovrapponibili hanno chiralità opposta.
Elementi di simmetria che permettono di sovrapporre le
immagini speculari:
a. centro di simmetria;
b. piano di simmetria;
c. asse giroide;
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Cenni di sterochimica
Un centro di simmetria è un punto tale che quando una linea
viene tracciata da un gruppo qualsiasi fino a tale punto e poi
prolungata di un’uguale distanza al di là del punto stesso, essa
incontra l’immagine speculare del gruppo stesso, essa incontra
l’immagine speculare del gruppo di partenza.
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Cenni di steroisomeria
Un piano di simmetria divide la molecola in modo che gli
atomi o i gruppi di atomi che si trovano da un lato del piano
siano le immagini speculari di quelli che si trovano dall’altro
lato.
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Cenni di sterochimica
Un asse giroide n-ario è un asse tale che quando la
struttura viene fatta ruotare di un angolo 2π/n (dove n è un
numero intero) intorno all’asse stesso e poi viene riflesso
attraverso un piano perpendicolare a tale asse si ha
ricopertura. Se n=1: 2π/1 = 360° e si ha un asse alternante
(giroide) singolo;
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Cenni di sterochimica
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Cenni di stereochimica
Isomeria ottica
In base ai criteri di simmetria le strutture molecolari possono
essere suddivise in:
1. Strutture asimmetriche (strutture senza alcun
elemento di simmetria).
2. Strutture dissimetriche (strutture con uno o più
elementi di simmetria diversi dal piano di simmetria, al
centro di simmetria o dall’asse giroide.)
3. Strutture non dissimmetriche (strutture con uno o più
elementi di simmetria tra cui almeno uno costituito dal
centro di simmetria, piano di simmetria o asse giroide).
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Cenni di stereochimica
Un esempio di molecola asimmetrica è l’acido lattico o
acido α-idrossipropionico,
CH3-CHOH-COOH, il quale presenta un unico atomo di C
asimmetrico e non ha alcun elemento di simmetria.
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Cenni di stereochimica
Un esempio di dissimmetria è dato dalle due forme enantiomeriche
dell’acido tartarico.
Le due strutture A e B presentano un piano di simmetria per cui non sono né
asimmetriche né dissimmetriche, esse sono otticamente inattive per
compensazione interna, non sono distinguibili tra loro e rappresentano la
forma meso dell’acido tartarico (molecole non dissimmetriche). Le due
strutture C e D sono invece dissimetriche in quanto, pur venendo a mancare
il piano di simmetria, è presente in esse un altro elemento di simmetria che
non rientra nella definizione di asse alternante; è cioè presente un asse di
simmetria.
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Cenni di stereochimica
Enantiomeria e diasteroisomeria
Ricollegandoci al caso dell’acido tartarico, gli isomeri C e D sono tra loro
enantiomeri e stanno in relazione di diasteroisomeria con la forma meso (in
quanto C e D non sono immagini speculari della forma meso).
Gli enantiomeri presentano caratteristiche fisiche identiche (punti di
fusione e di ebollizione, indice di rifrazione, densità) ad eccezione della
direzione della luce polarizzata. Hanno proprietà chimiche uguali
(reazione con gli stessi reattivi, con la stessa velocità e formano gli stessi
prodotti) salvo che verso i reattivi otticamente attivi.
La combinazione di 2 composti che sono enantiomeri tra di loro
trasforma in diasteroisomeri. Questo principio viene sfruttato nella
separazione degli enantiomeri.
La miscela equimolare di due enantiomeri dà origine ad una modificazione
racemica o racemo che viene indicata con la notazione (±) o ( d, l) ed è
otticamente inattiva per compensazione esterna.
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Cenni di stereochimica
Quando in una molecola vi sono n=2 atomi di C asimmetrici
distinti, sono possibili 2n = 4 disposizioni spaziali dei gruppi,
quindi 4 stereoisomeri. l’acido α,β
β -dibromocinnamico
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Cenni di stereochimica
Isomeria ottica nei composti contenenti più atomi di
carbonio asimmetrici:
aldotetrosi
2,3,4-triidrossiglutarico
2n stereoisomeri?
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Configurazione relativa
La configurazione è la disposizione spaziale di atomi o
gruppi di atomi intorno ad una parte della molecola. Può
essere ASSOLUTA o RELATIVA
Per conformazione si intendono tutte le infinite disposizioni
momentanee degli atomi o gruppi atomici nello spazio, che
risultano dalla rotazione intorno al legame C-C.
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Configurazione relativa
Il problema di stabilire quale sia la configurazione relativa dei
gruppi legati ad atomi di C asimmetrici è attinente
soprattutto ad aldeidi e chetoni poliossidrilati, in particolare
ai carboidrati.
La gliceraldeide è un esempio di composto carbonilico
poliossidrilato capace di isomeria ottica. Per convenzione alla
(+) gliceraldeide fu assegnata arbitrariamente la notazione
configurazione D e alla sua immagine speculare (-)
gliceraldeide la notazione configurazionale L.
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Configurazione relativa
L’acido tartarico è correlato per via chimica all’aldeide
glicerica mediante una sequenza di reazioni che utilizzava il
metodo generale degli α-ossiacidi (formazione e idrolisi della
cianidrina) seguito da un’ossidazione con HNO3:
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Configurazione relativa
I carboidrati hanno più atomi di 2 C asimmetrici, ad esempio i pentosi
hanno tre atomi di C asimmmetrico mentre gli esosi ne hanno quattro. Se i
carboidrati si possono ottenere direttamente dalla gliceraldeide attraverso
una serie di sintesi di Kiliani-Fischer, l’atomo di C* della gliceraldeide
sarebbe negli aldosi, da essa derivati, quello più distante dalla funzione
carbonilica, si è stabilito che la configurazione utilizzata per accertare se il
carboidrato appartiene alla serie D o alla serie L sia appunto l’atomo di C
asimmetrico più distante dalla funzione carbonilica
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Configurazione relativa
Attribuzione della configurazione relativa del glucosio:
degradazione di Ruff.
non viene eseguita direttamente sul glucosio, bensì sul
gulosio (entrambi per ossidazione con HNO3 danno l’acido
(+) glucarico )
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Configurazione relativa
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Configurazione assoluta
Cahn, Ingold e Prelog (C.I.P.)
Tale sistema si fonda sulla formula tridimensionale del composto da
denominare ed utilizza le notazioni configurazionali R (destro) e S
(sinistro) che vengono attribuite in base a regole di priorità legate al
sistema periodico degli elementi, e soprattutto in base al numero atomico.
Il procedimento seguito per assegnare al C* le notazioni configurazionali R
e S si articola in due stadi:
1° Stadio: ai quattro gruppi legati al C* vengono attribuite delle priorità in
base alle regole di sequenza.
2° Stadio: si dispone la molecola in modo che il sostituente a priorità più
basa sia il più lontano possibile dall’osservatore. Per gli altri tre è
necessario compiere una rotazione in senso orario o antiorario per passare
dal sostituente a priorità più alta a quello a priorità più bassa dei tre,
passando attraverso il sostituente a priorità intermedia. Se la rotazione
avviene in senso orario si assegna al C* la configurazione R, se la
rotazione avviene in senso antiorario si attribuisce al C* la notazione S.
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Configurazione assoluta
iodo-bromo-clorometano (I); le priorità sono quelle
indicate, per cui la molecola deve essere disposta in modo
tale che l’atomo di H sia il più lontano possibile
dall’osservatore.
Esistono due enantiomeri (II) e (III) di tale composto, le cui
configurazioni assolute saranno quelle indicate:
I
Br
I
C
I
H
H
I > Br > Cl > H
H
di priorità
ordine
Cl
Br
Cl
Cl
I
Br
II
III
S
R
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Configurazione assoluta
L’ordine di priorità dei quattro sostituenti il C* viene ottenuto tramite le
regole di sequenza:
I Regola
Se i quattro atomi legati al C* sono diversi, la priorità dipende dal numero
atomico e l’atomo con più alto numero atomico ha maggiore priorità.
Cl
H
Cl
C
SO3H
H
I > Cl > SO3H > H
ordine
I
Cl
H
di priorità
HO3S
I
I
SO3H
R
S
Se due atomi sono isotopi della stesso elemento l’atomo con numero di
massa maggiore acquisisce la più alta priorità tra i due.
H
H3C
C
D
CH3
Br
CH3
H
H
Br > CH3 > D > H
ordine
di priorità
D
Br
S
Br
D
R
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II Regola
Se due atomi legati al C* sono gli stessi si considera il loro rispettivo
stato di sostituzione. L’atomo sostituito con altri atomi, a più alto
numero atomico acquisisce una più alta priorità.
H
H2CH3C
C
Cl
C2H5
CH3
C2H5
H
H
Cl > C2H5 > CH3 > H
ordine
H3C
di priorità
Cl
S
H3C
Cl
R
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III Regola
La terza regola si applica quando sono presenti sistemi insaturi. Un doppio
legame equivale a due legami singoli:
X
C
C
X
X
Un triplo legame equivale a tre legami singoli:
C
C
X
X
X
X
Un fenile equivale a tre legami C-C, in due dei quali un C è legato ad un H,
cioè C6H5-C* equivale a
C
H
C
H
C*
C
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Modificazioni racemiche
Le modificazioni racemiche o racemi sono miscele di
quantità uguali di due enantiomeri e vengono indicate con il
simbolo d, l o ±.
Sono otticamente inattive perché la deviazione della luce
polarizzata in un senso è controbilanciata da quella operata
in senso opposto dell’altro enantiomero: la risultante è quindi
nulla e quindi il racemo è otticamente inattivo per
compensazione esterna.
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Modificazioni racemiche
Tipi di modificazioni racemiche
✔ Miscela racemica: miscela meccanica di cristalli delle forme (+)
e (-). Queste modificazioni si formano quando ciascuno degli
enantiomeri (+) e (-) ha maggiore affinità per le molecole della
stesa specie che per quelle dell’altro enantiomero.
✔ Composto racemico: composto molecolare formato dall’unione
di una coppia di enantiomeri. Esso si forma quando ciascun
enantiomero possiede una maggiore affinità per le molecole
dell’enantiomero opposto che per le molecole della sua specie.
✔ Soluzioni solide racemiche: si hanno quando una coppia di
enantiomeri isomorfi cristallizza insieme per formare un sistema
monofasico.
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Modificazioni racemiche
Punto di fusione dei racemi
Il punto di fusione di un racemo è netto e differisce da quello degli
enantiomeri che lo compongono.
Il punto di fusione di una miscela di due sostanze diverse che non
reagiscono tra loro è inferiore alla più bassa temperatura di fusione dei
composti puri:
Miscela binaria
Miscela racemica
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Modificazioni racemiche
Il diagramma T di fusione-composizione presenta un andamento
del genere dove a e b sono le T di fusione dei composti A e B
puri e C rappresenta il punto di fusione della composizine
eutettica E che si ha corrispondenza del minimo.
Composto racemico
Soluzione solida racemica
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Modificazioni racemiche
Metodi di formazione delle modificazioni racemiche
Una modificazione racemica può essere preparata in vari
modi:
1. Mescolamento dei due enantiomeri
2. Sintesi
3. Racemizzazione (termica, per scissione omolitica, per
scissione eterolitica)
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Modificazioni racemiche
Risoluzione delle modificazioni racemiche
Lo smistamento dei racemi avviene quando i processi chimici forniscono di
solito prodotti racemici.
Esistono tecniche di risoluzione che si basano su metodi fisici, chimici e
biologici. La risoluzione può avvenire in vari modi:
1. Separazione meccanica (può essere eseguita soltanto per quei
racemi che danno luogo a cristalli enantomorfi. Tale operazione è utile
solamente nel caso di miscele racemiche)
2. Cristallizzazione preferenziale per
inseminazione (una scissione spontanea
applicabile per i conglomerati)
3. Separazione biologica
4. Trasformazione in diasteroisomeri
5. Metodo cinetico (diversa velocità di
reazione con sostanze otticamente attive)
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Purezza ottica
Purezza ottica
La purezza ottica è la percentuale di un enantiomero puro in
miscela con un racemo ed è data da:
purezza ottica = 100 ([α]x / [α]100)
Si consideri un racemo (±) X il cui enantiomero destrogiro abbia una
rotazione specifica pari a
+36° ([α]100). Per il trattamento del
racemo con una base otticamente attiva si ottiene una mix di
enantiomeri (+)X e (-)X avente rotazione specifica pari a +18° ([α]x).
purezza ottica (+) = 100 (18/36) = 50%
% enantiomero (+) = 50+50(18/36) = 75%
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Natura della luce polarizzata ed
origine dell’attività ottica
La luce polarizzata linearmente è la risultante di due radiazioni
polarizzate circolarmente, una a destra ed una a sinistra, di uguale
intensità, in fase, della stessa frequenza e con ampiezza uguale a
1/2 di quella della luce polarizzata linearmente.
I vettori elettrici associati a ciascuno dei due raggi, ER (destra), EL
(sinistra), descrivono delle eliche di opposta chiralità
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Un mezzo asimmetrico è in grado di differenziare due raggi di opposta
chiralità. La differenziazione si estrinseca in differenze negli indici di rifrazione delle
due radiazioni (n R ≠ n L) e in differenze nei coefficienti di estinzione molare (εR ≠ ε
L); nel primo caso il fenomeno è chiamato birifrangenza circolare; nel secondo si
tratta di dicroismo circolare.
Birifrangenza circolare e rotazione del piano della luce polarizzata
La differenza negli indici di rifrazione nR e nL delle due radiazioni polarizzate, in mezzo
asimmetrico o dissimetrico, porta ad un rallentamento di un raggio rispetto all’altro.
L’indice di rifrazione di un mezzo relativo all’aria è dato dal rapporto delle velocità
della radiazione presa in considerazione nell’aria e nel mezzo in questione:
n = V aria / V mezzo
Questo porta ad una rotazione del piano della luce
polarizzata di un certo angolo dato dalla relazione di
Fresnel:
α = 1800/λ (n L - n R)
α è misurato in gradi per cm
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L’entità della rotazione del piano della luce polarizzata, per un dato
soluto, solvente, lunghezza d’onda e T, è proporzionale al n° di
molecole che la luce incontra nel suo cammino attraverso il
liquido o la soluzione, cioè al prodotto della lunghezza dello strato
attraversato per la densità o concentrazione.
La misura dell’attività ottica si usa la seguente espressione:
Potere rotatorio specifico =
[α ]TD =
α ⋅ 100
l ⋅c
dove a è l’angolo di rotazione, T è la temperatura, D è la lunghezza d’onda del
sodio, l è la lunghezza dello strato di soluzione attraversato (dm), c è la
concentrazione espressa in g/100 ml.
Dipende da:
solvente
temperatura
lunghezza d’onda
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.
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Produzione della luce polarizzata
linearmente
Per produrre la luce polarizzata linearmente si sfrutta la proprietà di certi cristalli
anisotropi (con proprietà ottiche diverse in diverse direzioni), di scindere la luce
ordinaria in due fasci piano polarizzati che si propagano con diversa velocità, e che
vibrano in due piani perpendicolari fra loro. Si tratta di un fenomeno di
birifrazione.
prismi di calcite per produrre luce piano polarizzata e sono costruiti in modo da
eliminare il raggio ordinario e quindi trasmettere quello straordinario.
prisma di Nicol è il dispositivo usato per produrre luce polarizzata linearmente;
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Polarimetro
Il polarimetro di Nicol:
Si possono ottenere tre condizioni di Nicol:
1. Condizione di Nicol paralleli (luce).
2. Condizione di Nicol incrociati (buio)
3. Condizione intermedia (penombra)
prisma di Lippich
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