Rifrattometria e Polarimetria - e
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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.
