polarimetria 2013 analisis instrumental
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POLARIMETRIA
Gilbert Rodriguez Paucar
Basado en material de Carmen Coronel
Instituto de Química Orgánica, Fac. de Bioquímica, Química y
Farmacia Universidad Nacional de Tucumán
El fenómeno de la polarización de la luz era conocido
desde los trabajos de Christian Huygens (1629-1695) pero
fue estudiado a fondo por Jean Baptiste Biot (1774-1862)
a principios del siglo XIX.
Tras estudiar el fenómeno sobre un cristal de cuarzo, Biot
encontró la existencia de sustancias que giraban el plano
de polarización de la luz hacia la derecha (dextrógiras) y
otras que lo hacían hacia la izquierda (levógiras)
POLARIMETRIA
Los primeros polarímetros fueron diseñados en
los años cuarenta del siglo pasado, gracias al
uso de los prismas ideados en 1828 por William
Nicol construidos con dos láminas de espato de
Islandia.
FUNDAMENTO:
Quiralidad
Quiralidad (del griego Cheir que significa
mano) es la propiedad que tienen ciertos
objetos de poder existir bajo dos formas que
son imágenes especulares una de otra y que
no se pueden superponer.
Quiralidad
Pendiente
(+)
Pendiente (-)
a)
Supón que tenemos juntos varios tornillos con
helicidad para los dos lados.¿Cómo los separaríamos?
Sería fácil si dispusiéramos de una tuerca de una
helicidad determinada. Sólo casará bien con los
tornillos de su misma helicidad.
Quiralidad
El término quiral se aplica también a las
moléculas. Las moléculas quirales se
diferencian de las aquirales en que presentan
actividad óptica.
La actividad óptica es la propiedad de
desviar el plano de la luz polarizada.
Este tema es de gran interés debido a que en
los seres vivos las moléculas quirales se
encuentran ampliamente distribuidas.
Quiralidad
Son quirales los hidratos de carbono, los
aminoácidos (excepto la glicina) que forman las
proteínas, algunos lípidos, etc.
En la naturaleza se encuentra presente
generalmente una de las formas quirales. Por lo
tanto, las consecuencias pueden ser impre-
visibles cuando un ser vivo se enfrenta a una
molécula que tiene la forma opuesta a la que
existe en la naturaleza o para la que está
preparado. Se recuerda el caso tristemente
célebre de la talidomida (1950)
Quiralidad
N
O
O
N
O
O
H
H
N
O
O
N
O
O
H
H
(S) (R)
Enantiómeros de la Talidomida.
Quiralidad
La importancia del tema es tal que en el año
2001 el premio Nobel de Química le dieron
a W. Knowles y R. Noyori por el desarrollo
de catalizadores para hidrogenaciones
asimétricas y a K. Sharpless por la
oxidación asimétrica de alcoholes alílicos.
La actividad óptica es una propiedad que se
mide en el polarímetro.
Si el estereoisómero hace girar el plano de la
luz hacia la derecha (sentido horario) se
denomina dextrógiro, y si lo hace girar hacia la
izquierda (sentido antihorario) se denomina
levógiro.
Quiralidad
Dextrógiro: del latín dexter, “derecho”
Levógiro: del latín laevus, “izquierdo”
No sólo se puede determinar el sentido del giro
sino también la magnitud del mismo, que es el
número de grados que se debe rotar el
analizador.
Según las reglas de la IUPAC, se emplean los
símbolos + para indicar que una sustancia es
dextrógira y – para indicar que es levógira. Se
utilizan también los símbolos d y l respectiva-
mente.
Quiralidad
Ácido D-(-)-láctico
Ácido (R)-2-hidroxipropanoico
Quiralidad
Ácido L-(+)-láctico
Ácido (S)-2-hidroxipropanoico
La rotación específica [a] de un compuesto
se define como la rotación que se observa
cuando se utiliza una celda para la muestra de
10 cm (1 dm) de camino óptico y una
concentración de 1 g/mL.
Se puede utilizar otras longitudes de celdas y
otras concentraciones, pero la rotación
observada (a) se divide entre el producto de la
longitud de la celda (l) y la concentración (c).
Rotación específica
[a]= a(observada)
l*c
Un haz luminoso se propaga en diferentes ángulos o
planos con respecto a la dirección de propagación, y
si se observara en forma frontal en el sentido de la
propagación, se vería como la figura A .
Cuando se eliminan todos los planos, excepto uno de
ellos , entonces se obtiene luz polarizada en el plano
(Fig. B).
Luz normal y Luz polarizada
Luz natural
Luz polarizada
Polarímetro
Un polarímetro mide la rotación de la luz
polarizada.
La luz se origina en una fuente (generalmente una lámpara
de sodio), y pasa a través de un polarizador y la celda de
muestra. La luz de una lámpara de sodio pasa a través de
un filtro que selecciona la luz amarilla de emisión (la línea D)
El filtro analizador es otro polarizador equipado con un
transportador angular; se gira hasta que se observa la
máxima cantidad de luz y la rotación se lee en el
transportador.
Diagrama esquemático de un polarímetro
Esta luz polarizada pasa por la celda de muestra que
contiene una solución del compuesto que se está
analizando. Solamente los compuestos quirales tienen
actividad óptica y pueden girar el plano de la luz
polarizada. La luz que atraviesa la celda de muestra pasa
a continuación a través de un segundo filtro polarizador y
se determina la magnitud y la dirección de la rotación
óptica.
Diagrama esquemático de un polarímetro
El método se base en absorción de la luz
monocromática a partir de una lámpara de sodio con la
línea D del sodio.
Polarímetro Vernier
Proyecciones de Fischer
Los cuatro enlaces de un carbono quiral se
representan por una cruz.
El carbono quiral queda en el centro del plano
del papel.
Líneas horizontales: enlaces delante del plano.
Líneas verticales: enlaces detrás del plano.
equivale a
Nomenclatura D,L
• Se utiliza para describir la estereoquímica
(configuración) inherente a las proyecciones de
Fischer.
• La cadena principal de átomos de C se dispone
verticalmente y de manera que el átomo de
carbono en el estado de oxidación más alto
quede situado en el extremo superior .
R
R'
Carbono en estado de oxidación más alto.
Nomenclatura D,L
• Si el grupo -X del último C quiral está a la derecha
el compuesto es D y si está a la izquierda es L.
CHO
H OH
CH2OH
+1
-1
D-gliceraldehído
COOH
H2N H
CH3
+3
-3
L-alanina
D-manosa
CHO
HHO
HHO
OHH
OHH
CH2OH
CHO
H OH
HO H
HO H
CH2OH
L-arabinosa
Estructuras de la glucosa y la fructosa
la glucosa y la fructosa son monosacáridos. La glucosa es una aldosa (azúcar con
un grupo aldehído) y la fructosa es una cetosa (azúcar con un grupo cetona).
Las estructuras de los carbohidratos se suelen representar utilizando proyecciones
de Fischer.
Configuraciones D y L de los azúcares
El enantiómero (+) del gliceraldehído tiene su grupo OH a la derecha de la
proyección de Fischer. Por tanto, los azúcares de la serie D tienen los
grupos OH en el carbono asimétrico inferior en la derecha de la proyección
de Fischer; los azúcares de la serie L tienen el grupo OH del carbono
asimétrico inferior a la izquierda.
D y L son enantiómeros.
Conformaciones de la glucosa.
La glucosa se presenta, casi completamente, en la forma hemiacetálica cíclica.
La proyección de Haworth se utiliza mucho para representar los hemiacetales, aunque puede dar la impresión de que el anillo es plano. La conformación de silla es más real
Fructosa.
La fructosa forma un hemiacetal cíclico de cinco miembros. Los anillos de
cinco miembros generalmente se representan mediante estructuras
planas de Haworth.
Los anillos de cinco miembros no están tan alejados de la coplanaridad
como los anillos de seis miembros, por lo que generalmente se presentan
como las proyecciones planas de Haworth
Anómeros de la glucosa
En el anómero α, el grupo hidroxilo del carbono anomérico
(hemiacetal) está hacia abajo (axial) y en el anómero β hacia
arriba (ecuatorial). El anómero β de la glucosa tiene todos
sus sustituyentes en posiciones ecuatoriales.
El carbono hemiacetal se denomina carbono anomérico, que
se identifica con facilidad como el único átomo de carbono
unido a dos oxígenos.
Anómeros de la fructosa.
El anómero α de la fructosa tiene el grupo anomérico -OH
hacia abajo, en posición trans respecto al grupo -CH2OH
terminal. El anómero β tiene el grupo anomérico hidroxilo
hacia arriba, en posición cis respecto al grupo terminal -
CH2OH.
Enlace de dos carbonos anoméricos: sacarosa
La sacarosa
está formada
por una
unidad de
glucosa y una
de fructosa
enlazadas
por un átomo
de oxígeno
que une sus
átomos de
carbono
anoméricos.
Importancia de los enantiómeros
Los pares de enantiómeros de una determinada sustancia se diferencian estructuralmente únicamente en la disposición invertida en el espacio de sus enlaces (presentan una relación objeto–imagen especular) y que todas sus propiedades físicas son iguales excepto la actividad óptica al ser uno de ellos dextrógiro (dextrorotatorio) y el otro levógiro (levorotatorio).
• La naturaleza es estereoselectiva, sólo es capaz de sintetizar uno de los enantiómeros del par posible. Así tenemos por ejemplo:
• Las hojas de tabaco sólo produce la (-)-nicotina
• Las hojas de coca sólo produce la (-)-cocaína,
• La caña de azúcar sólo produce la (+)-sacarosa
• En la biosíntesis, la información genética , sólo se puede construir uno de los estereoisómeros ya que la construcción de los enlaces sólo se puede hacer de un solo lado.
H H
(+)-Limoneno (-)-Limoneno
Naranja Limón
Propiedades organolépticas (olor) pueden variar
como en el caso de la carvona donde los
enantiómeros tienen olores distintos.
La (+)-carvona que se encuentra en el aceite de
alcaravea mientras que la
(-)-carvona se obtiene del aceite de menta verde.
O
H
O
H
(+)-Carvona (-)-Carvona
Las diferencias en las propiedades de los
enantiómeros se observa mejor en la actividad
fisiológica:
• Todos los animales incluyendo el hombre tiene
la capacidad de metabolizar la (+)-glucosa
pero no la (-)-glucosa la cual pasa inadvertida
en el sistema digestivo.
• La (-)-glucosa no es fermentable lo cual implica
que las levaduras tampoco la reconocen.
El (-)-monoglutamato
de sodio es un
agente químico que
se usa para dar
sabor a la carne,
pero el isómero (+)
no tiene sabor.
COOH
H2N H
CH2CH2COO-Na
+
(-)-monoglutamato
Penicilium glaucum sólo metaboliza a la forma dextrógira de los ácidos tartáricos.
COOH
H OH
COOH
HO H
COOH
HHO
COOH
OHH
Ácido (+)-tartárico Ácido (-)-tartárico
Las sales de ácido tartárico fueron los primeros
compuestos quirales aislados porque es una de las pocas
especies químicas que cristaliza en forma de imágenes
especulares para cada enantiómero. Este descubrimiento
fue realizado por Pasteur.
GRACIAS