RIFRATTOMETRIA
E’ una grandezza caratteristica di un composto
puro e dunque è un criterio di purezza (analisi
quantitativa) di un campione (soprattutto
liquidi) ed è un dato nella identificazione
INDICE DI
RIFRAZIONE
§ The refractive index does not provide detailed information about a molecule's
structure, and it is not usually used for this purpose since spectroscopic techniques
are much more powerful at revealing details of molecular structure.
§ Substances containing more polarizable ("soft") groups (e.g., iodine atoms or
aromatic rings) will normally have higher refractive indexes than substances
containing less polarizable ("hard") groups (e.g., oxygen atoms or alkyl groups).
Effect of polarizable groups on refractive index
Substance
2-Iodoethanol
2-Fluoroethanol
Benzene
Cyclohexane
1.5720
1.3670
1.5010
1.4260
§ The speed of light in a
vacuum is always the
same, but when light
moves through any
other medium it travels
more slowly and follow
another direction since
it is constantly being
absorbed and reemitted
by the atoms in the
material
L’angolo di rifrazione è tanto più marcato quanto
più alta la frequenza: il viola è più deviato del
rosso. Questa è una tecnica per ottenere
radiazioni monocromatiche
La velocità della luce dipende dal mezzo che attraversa. In particolare
quando passa da un mezzo otticamente isotropo ad un alto mezzo
otticamente isotropo vi è una variazione di velocità. Ad esempio,
passando dal vuoto attraverso un altro mezzo la velocità di un raggio
luminoso diminuisce.
Si definisce indice di rifrazione assoluto di un mezzo il rapporto,
alla temperatura t, tra le velocità di un raggio luminoso, avente una
determinata lunghezza d’onda λ, nel vuoto (Vv) e nel mezzo
considerato (Vm)
ntλ = Vv
Vm
> 1
Vvuoto~ 3x1010 cm/sec
nλt =
vvuoto
varia
≅
vmezzo
vmezzo
n>1
Poiché l’indice di rifrazione assoluto dell’aria a 20 °C e 1 atm è 1.000295,
l’indice di rifrazione relativo misurato, usando l’aria come riferimento, è
praticamente sovrapponibile all’indice di rifrazione assoluto (grandezza
adimensionale)
La diminuzione o l’aumento del valore di densità dell’aria (mezzo di riferimento)
dipendente dalla presssione produce variazioni trascurabili di velocità che non
alterano n
L’indice di rifrazione assoluto dipende da:
TEMPERATURA
Con l’aumento (aumento) di temperatura, la densità diminuisce (aumenta)
ed il raggio luminoso incontra meno (più) molecole per unità di volume, con
diminuzione (aumento) di nass. Per un aumento (diminuzione) di 1 °C si ha una
diminuzione (aumento) di 0.00045 di nass
Temperature dependence of refractive index for selected substances
Substance
Isopropanol
1.3802
1.3772
1.3749
Acetone
1.3616
1.3588
1.3560
Ethyl Acetate
1.3747
1.3742
1.3700
Water
1.3334
1.3330
1.3325
LUNGHEZZA D’ONDA
L’indice di rifrazione varia al variare di l (dispersione ottica); normalmente
λ= 589.3, riga D dello spettro di emissione del Na
RIPORTARE SEMPRE LA TEMPERATURA E LA LUNGHEZZA D’ONDA
Luce bianca
Dispersione della luce
La riflessione
Un raggio luminoso che incontra una superficie viene riflesso secondo le
seguenti leggi dell’ottica:
1. Raggio incidente, raggio riflesso e normale alla superficie riflettente nel punto
di incidenza, sono complanari (giacciono sullo stesso piano)
2. L'angolo di incidenza, calcolato rispetto alla normale, e l'angolo di riflessione
speculare sono uguali (altrimenti si ha diffusione)
Rifrazione
Quando una radiazione
luminosa attraversa la
superficie di
separazione di due
mezzi trasparenti, il
raggio rifratto si avvicina
verso la normale alla
superficie se questo è il
più denso
Definizione Geometrica di n
i = angolo di incidenza (mezzo meno denso)
r = angolo di rifrazione (mezzo più denso)
varia
seniaria
nλ =
=
vmezzo senrmezzo
t
legge di SNELL
Pertanto si può misurare un indice di rifrazione misurando gli angoli di incidenza e di
rifrazione, sebbene questo non sia particolarmente facile. Normalmente si fa in modo di
dover misurare un solo angolo facendo incidere la radiazione tangenzialmente alla
superficie di separazione tra i due mezzi, cioè con un angolo di incidenza pari a 90°
Misura dell’indice di rifrazione
La determinazione sperimentale dell’indice di rifrazione di un liquido si basa
sulla ricerca dell’angolo limite di rifrazione rc corrispondente ad un angolo di
incidenza radente i = 90°
Angolo critico di riflessione: se un raggio viene indirizzato dall’interno del
prisma ad un angolo maggiore di rc sarà riflesso totalmente all’interno del
prisma
n2
seni
=
n1
senr
nP
sen90
=
nL
senrc
nL = nP ⋅ senrc
È anche importante osservare che qualora un raggio attraversi
parecchie superfici di separazione tra mezzi diversi, il rapporto tra
seno dell’angolo incidente sul primo mezzo e seno dell’angolo di
rifrazione nell’ultimo mezzo esprime ancora l’indice di rifrazione
dell’ultimo mezzo rispetto al primo
MISURA DELL’INDICE DI RIFRAZIONE
Rifrattometro di Abbè
α1
liquido
senα1
senαp
n1 = np
=
np
n1
senαp
Prisma
Vetro flint
n=1.75
Raggio limite
di rifrazione
αp
senα1
sen 90°= 1
n1 = np sen αp
Angolo limite
n dei liquidi generalmente sono compresi tra 1.3-1.8
Abbé refractometer
Many refractometers are
equipped with a thermometer
and a means of circulating
water through the refractometer
to maintain a given temperature
Most of the refractive index
measurements reported in the
literature are determined at 20
or 25 °C
1° prisma: superficie smerigliata per scatterare il raggio incidente in
numerose angolazioni (prisma illuminante)
2° prisma: superficie liscia (prisma rifrangente)
Rifrattometro di ABBE’
• Può usare la luce bianca policromatica per l’illuminazione ma compensa
(prismi di Amici) in modo da evidenziare la linea D del sodio (eliminazione delle
dispersioni cromatiche)
• è termostatato
• richiede piccole quantità di campione (qualche goccia)
• Precisione di ± 0.0001
• Occorre sempre calibrare lo strumento con sostanze pure ad indice di
rifrazione noto (trimetilpentano CRS, toluene CRS o metilnaftalene)
liquido
prisma
buio
Luce bianca
Compensatore
Elimina la dispersione cromatica
In pratica, dato che la radiazione è costituita da una banda
luminosa e non da un singolo raggio, si avrà all’interno del
prisma una zona illuminata e una oscura. La posizione del raggio
critico verrà indicata da un passaggio netto luce-ombra
Può essere utilizzato per misure quantitative ricorrendo al metodo
dell’interpolazione di una curva ottenuta riportando n in funzione della
concentrazione
ll Brix è una misura delle sostanze allo stato solido dissolte in un liquido. Un grado Brix (simbolo °Bx) corrisponde a 1 parte di
sostanza solida (peso secco) in 100 parti di soluzione. Per esempio una soluzione a 25°Bx contiene 25 grammi di sostanze solide in
100 grammi di liquido totale. Questo può significare, per esempio, 25 grammi di zucchero e 75 grammi di acqua.
POLARIMETRIA
§ La polarimetria è un metodo di analisi non
distruttivo che si basa sulla capacità delle
molecole chirali di deviare il piano della luce
polarizzata linearmente
§ La polarimetria è una tecnica che utilizza
radiazioni elettromagnetiche asimmetriche, per
cui è intrinsecamente in grado di distinguere tra
enantiomeri. La sua principale applicazione
riguarda la determinazione del potere rotatorio e
della concentrazione di sostanze
STEREOISOMERIA
Coppie di molecole che esistono come immagini speculari una
dell’altra, ma che non sono sovrapponibili, si definiscono
ENANTIOMERI (enantios, opposto); non posseggono piani di
simmetria e sono detti CHIRALI (cheir, mano). Tutte le molecole
chirali contengono un atomo (atomo asimmetrico, stereocentro)
legato a 4 sostituenti diversi
Molecole otticamente attive
§ Molecole chirali (prive di elementi di simmetria)
§ Composti a struttura tetraedrica in cui l’atomo centrale è diverso dal
carbonio (es: azoto nei sali di ammonio 4°, zolfo nei solfossidi, fosforo
nelle fosfine)
§ Molecole a struttura rigida (alleni e spirani)
§ Molecole in cui risulta impedita la rotazione intorno ad un legame
semplice (derivati del bifenile 2,2’,6,6’-tetrasostituiti)
Come distinguere gli enantiomeri?
Molte proprietà fisiche (p.eb., p.f., d…) degli enantiomeri sono
identiche ad eccezione del POTERE ROTATORIO SPECIFICO
POTERE ROTATORIO SPECIFICO
capacità di ruotare la luce linearmente polarizzata
Il composto chirale si dice dunque OTTICAMENTE ATTIVO
Se la radiazione luminosa passa attraverso un mezzo isotropico le
vibrazioni del vettore campo elettrico (E) di un raggio avvengono in
tutte le direzioni
Se la radiazione passa attraverso un mezzo anisotropo viene
selezionato un unico piano di vibrazione del vettore E in seguito a
polarizzazione lineare della radiazione e si parla di luce polarizzata
isotropic
crystal
(sodium
chloride)
anisotropic
crystal
(calcite)
BIRIFRANGENZA
Quando un raggio di luce non polarizzata attraversa un
mezzo anisotropo viene separato in due raggi: un raggio
ordinario e un raggio straordinario che vibrano su piani di
polarizzazione ortogonali e hanno indici di rifrazione diversi.
Tale fenomeno prende il nome di birifrangenza o doppia
rifrazione (si avrà un solo raggio in uscita sole se la direzione
della luce incidente coincide con l’asse cristallografico)
Polarizers
Polarizers absorb one component of the
polarization but not the other.
The input is natural light, the output is polarized light (linear, circular,
elliptical). They work by dichroism, birefringence, reflection, or
scattering.
PRINCIPIO
§ Un raggio di luce AB, che vibra inizialmente in
tutte le direzioni, attraversa una sostanza
polarizzante. Questa, «filtrando» la luce, ne lascia
uscire soltanto la componente verticale.
§ Un metodo adatto per polarizzare la luce consiste
nel far passare luce ordinaria attraverso un
sistema ottico, formato da spato di Islanda
(carbonato di calcio cristallino), detto prisma di
Nicol, o filtri Polaroid
Luce polarizzata
Da un raggio di luce ordinaria è possibile filtrare via tutte le onde i cui
vettori elettrici vibrano su piani diversi da un particolare piano scelto.
Si ottiene così la luce linearmente polarizzata, nella quale cioè i vettori
elettrici vibrano su un unico piano
polarizzatore 1
(verticale)
polarizzatore 2
(orizzontale)
raggio incidente
(non polarizzato)
LUCE PIANO
POLARIZZATA
POLARIZZAZIONE
Azione polarizzatrice degli occhiali da sole
POLARIZZATORE
Prisma di Nicol
Bi-rifrazione di cristalli di calcite
POLARIZZATORE
Prisma di Nicol
Tagliato secondo un piano
passante per gli angoli ottusi
90°
Vetro ottico o calcite
Raggio straordinario (verticale)
n 1.4865
90°
Romboedro di calcite
Raggio ordinario (orizzontale)
n 1.6584
Balsamo del Canadà
n 1.5483
Il raggio ordinario incide sulla superficie di separazione calcite-balsamo con un
angolo superiore a quello limite di rifrazione per cui viene completamente
riflesso (passando da un mezzo meno più rifrangente ad uno meno rifrangente si
allontana dalla normale).
PRISMA DI NICOL
Cristallo di spato d’Islanda tagliato diagonalmente e saldato
con balsamo del Canadà
Il raggio ordinario (O) incide la superficie B con un angolo
superiore a quello limite e viene pertanto riflesso all’interno
del prisma ed assorbito dalla parete C annerita.
La radiazione esce polarizzata in un solo piano (costituito dal
raggio straordinario, S)
Luce non polarizzata
isotropica
Luce linearmente polarizzata
o piano-polarizzata
anisotropica
La luce polarizzata linearmente
si può considerare la risultante
di due radiazioni polarizzate
circolarmente ed ortogonali,
destra e sinistra, di uguale
intensità, in fase, della stessa
frequenza ed ampiezza di ½
rispetto alla luce polarizzata
linearmente
I vettori elettrici associati ai
due raggi descrivono delle
eliche di opposta chiralità
In un mezzo asimmetrico, si stabilisce una relazione
diastereomerica tra la luce polarizzata a destra o a sinistra con il
mezzo che viene attraversato.
Il mezzo asimmetrico è in grado di interagire selettivamente con uno
dei due raggi rallentandone la velocità di propagazione e
modificandone l’indice di rifrazione. Ciò porta ad una rotazione della
luce piano-polarizzata di un certo angolo dato dalla relazione di
Fresnel:
α= 1800/λ.(nL-nR)
Quando nL≠nR, il mezzo è detto birifrangente ed esibisce attività ottica.
Le sostanze otticamente attive posseggono la proprietà di far ruotare
il piano della luce linearmente polarizzata. In questi mezzi le due
componenti si propagano con velocità diversa per cui all’uscita
risulteranno sfasate e la loro risultante E giacerà su di un piano ruotato
di un certo angolo α (positivo o negativo) rispetto a quello di partenza
x
E
EL
y
ER
Se nL>nR , l’eccesso di enantiomero
rallenta la componente sinistra della luce
linearmente polarizzata ed il campione è
definito destrorotatorio; nel caso
contrario è detto levorotatorio
Situazione inalterata per interazione con un composto
achirale o racemato e la risultante dei due vettori vibra sul
piano delle x
EL = ER → vL = vR → nL = nR
interazione con un composto chirale: i due vettori vibrano con
intensità diversa perché
EL ≠ ER → vL < vR → nL > nR
se la risultante dei due vettori vibra su un piano sfalsato di +α° → il
campione è destrogiro
.100
•
La rotazione osservata di un campione di una sostanza otticamente attiva
dipende dalla struttura molecolare, dal numero di molecole della sostanza
contenute nel portacampione, dalla lunghezza del tubo, dalla lunghezza
d'onda della luce polarizzata e dalla temperatura
Legge di Biot: dove l è la lunghezza del tubo portacampione in decimetri, e c è la
concentrazione in grammi per 100 mL, t è la temperatura (°C) della soluzione e λ è la
lunghezza d'onda (nm) della luce.
Il solvente usato viene indicato fra parentesi.
Per i due enantiomeri il valore della rotazione ottica è di uguale entità ma di
direzione opposta alla stessa lunghezza d’onda e temperatura:
D-acido lattico
[α]21.5 = -2.6° (c= 8)
L-acido lattico
[α]21.5 = +2.6° (c= 2.5)
Alcuni composti possono variare il segno ed il valore in gradi di α a seconda del
solvente utilizzato (effetto solvente)
Es: cloramfenicolo (ma anche tiamfenicolo, noscapina)
EtOH (c= 4.9)
EtOAc (c= 4.9)
α= +18.6°
α= -25.5°
Variazione della densità/concentrazione del mezzo
INFLUENZA
della
TEMPERATURA
Variazione delle interazioni soluto-solvente
Variazione dell’equilibrio conformazionale
CONCENTRAZIONE
Inquinanti chirali
Inquinanti achirali
Purezza ottica
% dell’enantiomero = 50% ± 50
Purezza ottica (po) = 100
[α] misurato
[α] puro
[α] misurato
[α] puro
CANFORA
IDENTIFICAZIONE
CH3
O
H3C
A. Soddisfa al saggio per la rotazione ottica
(vedi saggi)
B. P.f. : da 172 °C a 180 °C
H3C
Camphora
C10H16O
Mr 152.2
DEFINIZIONE
La canfora racemica è il (1RS,4SR)-1.7.7trimetilbiciclo[2.2.1]eptan-2-one
CARATTERI
Polvere cristallina bianca o masse cristalline
friabili, molto volatili anche a temperatura
ambiente, poco solubili in acqua, solubilissime in
alcol, in etere ed in etere di petrolio, molto
solubili negli oli grassi, molto poco solubili in
glicerolo.
SAGGI
Soluzione S. Disciogliere 2.50 g in 10 ml di
alcol R e diluire a 25.0 ml con lo stesso
solvente
Aspetto della soluzione. La soluzione S è
limpida ed incolore
Rotazione ottica. L’angolo di rotazione
ottica è compreso tra + 0.15° e - 0.15°,
determinato sulla soluzione S
Se il campione non è otticamente
puro potrebbe contenere canfora
sintetica (α=0) o altre impurezze
VANTAGGI
SVANTAGGI
- Il valore di [α] è un dato analitico
che accompagna ogni composto
chirale e pertanto permette una
comparazione con i dati presenti in
letteratura
- Occorrono quantità relativamente
grandi di sostanza per eseguire
l’analisi
- Il valore di [α] costituisce uno
standard di riferimento per nuovi
composti (naturali e sintetici)
- Il composto deve possedere valori
di [α] medio-alti per una valutazione
accurata del POTERE ROTATORIO
- Il prodotto chirale deve essere
isolato e purificato
- La determinazione analitica è
influenzata da: temperatura,
solvente, λ, impurezze….
Se la sostanza è achirale, per ogni molecola in una data orientazione che ruota il
piano della luce polarizzata in una data direzione, esisterà sempre un'altra molecola,
con orientazione speculare, che ruoterà il piano di un angolo uguale, in senso opposto.
Ne viene che il raggio di luce passa attraverso il campione senza subire una
variazione netta del piano di polarizzazione.
Le molecole achirali sono otticamente inattive
§ La rotazione della luce polarizzata, provocata dalla
molecola, non è compensata da quella di un'altra molecola
e la luce, nell’attraversare il campione, subisce una
variazione del piano di polarizzazione.
Le molecole chirali sono otticamente attive.
POLARIMETRO
POLARIMETRO
§ Il polarimetro è lo strumento che permette la misurazione del potere
rotatorio di sostanze otticamente attive. I suoi elementi costitutivi
fondamentali, in ordine di disposizione costruttiva, possono così
schematizzarsi:
§ sorgente di luce;
§ Prisma polarizzatore;
§ tubo polarimetrico, contenente l'analita;
§ Prisma analizzatore del fascio di luce, posto in uscita dal tubo
polarimetrico e mobile;
§ oculare, tramite il quale viene visualizzato l'angolo di rotazione tramite
una scala.
Cella polarimetrica
di vetro o quarzo con forma cilindrica e capacità dai 200 µL ai 30 mL
Pulire accuratamente la cella prima di ogni analisi senza provocare graffi o danni alle
superfici onde evitare fenomeni di dispersione della radiazione elettromagnetica
§ schema dello strumento
ANALIZZATORE
Nicol paralleli
Nicol incrociati
P
A
P
P
A
A
Nicol paralleli
luce
Nicol incrociati
buio
penombra
§ Quando polarizzatore e analizzatore vengono incrociati a 90° con un
tubo polarimetrico che non contiene alcuna sostanza, si ha estinzione
del raggio luminoso con un campo buio osservabile tramite l'oculare.
Quando sul cammino ottico della luce polarizzata viene invece
interposta una sostanza otticamente attiva, viene impartita al piano di
polarizzazione una rotazione di un determinato angolo φ e il campo
appare illuminato. Ruotando l'analizzatore di un angolo con stesso
segno e valore assoluto dell'angolo φ si ottiene l'oscuramento del
campo e viene effettuata la misura del potere rotatorio sfruttando la
componente luminosa diretta verso lo stesso analizzatore. Nella pratica
costruttiva, per ottenere una sensibilità della misura accettabile in
quanto l’occhio umano necessitàdi un confronto per discriminare tra
buio e luce totale, si lavora con strumenti ponendo, rispettivamente, un
altro o altri due filtri polarizzatori (prismi di Lippich) dopo il filtro
principale.
RISOLUZIONE DI UNA MISCELA RACEMICA (modificazione racemica)
Stereoisomeri: Molecole che possiedono la stessa formula molecolare ma
differiscono nella disposizione degli atomi nello spazio. Gli stereoisomeri si
possono dividere in enantiomeri e diastereoisomeri.
Enantiomeri: una coppia di molecole stereoisomeriche immagini speculari
l’una dell’altra ma non sovrapponibili.
Diastereoisomeri: stereoisomeri che non sono immagini speculari l’uno
dell’altro.
Miscela racemica: una miscela equimolare di due
enantiomeri. Una miscela racemica non possiede
attività ottica (per compensazione esterna). Le forme
meso sono otticamente inattive per compensazione
interna.
Attività ottica: un campione di una sostanza possiede attività ottica, o è
otticamente attivo, quando è in grado di ruotare il piano di un fascio di luce
polarizzata.
Chiralità: la proprietà geometrica di un oggetto di non essere
sovrapponibile alla sua immagine speculare. Se un oggetto è sovrapponibile
alla sua immagine speculare si definisce achirale.
RISOLUZIONE DI UNA MISCELA RACEMICA
Proprietà dei diastereoisomeri
Una coppia di diastereoisomeri possiede differenti proprietà chimiche e
fisiche : diverso punto di fusione, punto di ebollizione, solubilità, velocità di
reazione, etc. à la separazione di una coppia di diastereoisomeri è possibile
utilizzando le comuni tecniche separative di laboratorio
Proprietà degli enantiomeri
Una coppia di enantiomeri possiede le stesse proprietà chimiche e fisiche in
un ambiente achirale: stesso punto di fusione, punto di ebollizione,
solubilità, velocità di reazione con reagenti achirali, etc. à la separazione
di una coppia di enantiomeri non è possibile utilizzando le comuni tecniche
separative di laboratorio.
Per trattamento di una coppia di enantiomeri con un reagente chirale si
ottiene una coppia di derivati diasteroisomeri separabili
RISOLUZIONE DI UNA MISCELA RACEMICA
XR + XS
Miscela racemica
(stesse proprietà chimico-fisiche)
Reagente otticamente attivo: CS
XRCs + XSCS
Miscela di diasteroisomeri
(differenti proprietà chimico-fisiche)
Separazione dei diasteroisomeri
XRCs
XSCS
Rimozione del reagente
otticamente attivo
XR
XS
Enantiomeri separati
Strategie per la risoluzione
Uno dei metodi più
semplici per la
risoluzione di miscele
racemiche, quando
applicabile, è la
trasformazione degli
enantiomeri in sali
diastereoisomerici per
reazione acido-base.
Strategia valida per la
risoluzione di ammine
racemiche utilizzando
acidi carbossilici chirali
e viceversa.
