Ćwiczenie 9 Wyznaczanie skręcalności właściwej sacharozy, glukozy i fruktozy (zjawisko inwersji)

Transkrypt

1 Ćwiczenie 9 Wyznaczanie skręcalności właściwej sacharozy, glukozy i fruktozy (zjawisko inwersji) zęść teoretyczna: Światło to fala elektromagnetyczna, która polega na rozchodzeniu się zmian pola elektrycznego i magnetycznego. Fale świetlne są falami poprzecznymi, tzn. ich wektory elektryczny (E) i magnetyczny () są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się światła (Ryc.1). Fale światła emitowane przez zwykłe źródła światła (np. światło słoneczne czy żarówka) nie wykazują asymetrii względem promienia, ponieważ drgania wektora elektrycznego zachodzą we wszystkich możliwych kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali światła. Jeżeli drgania wektora elektrycznego są w jakiś sposób uporządkowane, to mówimy wtedy o świetle spolaryzowanym. Gdy drgania wektora świetlnego zachodzą tylko w jednej przechodzącej przez promień płaszczyźnie, mówimy o świetle spolaryzowanym liniowo lub o świetle spolaryzowanym w płaszczyźnie. Uporządkowanie może polegać także na tym, że wektor elektryczny obraca się wokół promienia opisując okrąg (pod kątem prostym względem promienia), wtedy światło nazywa się światłem spolaryzowanym kołowo. Jeżeli natomiast wektor elektryczny obraca się wokół promienia opisując elipsę to takie światło nazywamy spolaryzowanym eliptycznie.

2 Światło spolaryzowane liniowo można otrzymać ze światła naturalnego przy pomocy przyrządów określanych jako polaryzatory (np. pryzmat Nicola). Aktywność optyczną (zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego) wykazują cząsteczki związków o charakterze chiralnym. ząsteczka jest chiralna wówczas, gdy nie ma płaszczyzny ani środka symetrii, może mieć natomiast oś symetrii. entrum chiralności stanowi asymetrycznie podstawiony atom (lub atomy) węgla tj. atom związany z czterema różnymi podstawnikami. ząsteczki substancji optycznie czynnych (chiralne) mogą wystepować w postaci dwóch izomerów optycznych określanych jako enancjomery i L. Struktury przestrzenne (konformacja) izomerów i L mają się do siebie jak przedmiot i jego lustrzane odbicie. Enancjomery i L tego samego związku skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo lub w lewo w równym stopniu (o tyle samo stopni). Lewo- lub prawoskrętność związku, określoną doświadczalnie, oznacza się odpowiednio znakiem (-) lub (+) stawianym przed nazwą. Symulację przedstawiającą wpływ izomerów optycznie czynnych na skręcalność spolaryzowanego światła można obejrzeć pod tym adresem internetowym: Konfiguracja przestrzenna tj. przynależność do szeregu lub L, została ustalana w toku żmudnych przekształceń i porównań; nie jest ona zależna od rzeczywistego kierunku skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego, który znajduje się doświadczalne (przy pomocy polarymetru). Tak np. aldehyd (+)glicerynowy (przyjęty jako substancja odniesienia) jest prawoskrętny; natomiast przez jego utlenienie powstaje kwas (-)glicerynowy, skręcający płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo. Inne przykłady to kwas (-)mlekowy i ester etylowy kwasu (+)mlekowego. W wyniku syntezy chemicznej z substancji optycznie nieaktywnych otrzymujemy zawsze równomolowe mieszaniny form i L. Mieszaniny takie nazywamy racematami. Racematy nie skręcają płaszczyzny światła spolaryzowanego tj. skręcają ją jednakowo w lewo i w prawo. Tak np. racemat kwasu i L mlekowego skręcają odpowiednio o 3,8 i o + 3,8 (sumarycznie zero). Występowanie atomów asymetrycznych nie stanowi wystarczającego kryterium pojawienia się aktywności optycznej. Związki o dwu lub większej liczbie centrów asymetrii mogą być optycznie nieczynne, jeżeli asymetryczne ugrupowania atomów są parami równe i ułożone względem siebie jak odbicia lustrzane. Przykładem takich izomerów optycznych zwanych diastereoizomerami jest kwas winowy, który może występować w postaci trzech diastereoizomerów: w formie lewo-(i) i prawoskrętnej (II) oraz optycznie nieczynnej (kwas mezo-winowy) (III). O O O O O O kwas (-)-winowy kwas L (+)-winowy kwas mezo-winowy Ośrodki asymetrii stanowić mogą nie tylko atomy węgla. Aktywne optycznie mogą być na przykład związki amoniowe, w których atom azotu związany jest z czterema różnymi ligandami. Zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego przez substancję optycznie czynną charakteryzuje skręcalność właściwą ([α]). Jest ona funkcją długości fali światła użytego do

3 pomiaru skręcalności i zależy w niewielkim stopniu od temperatury, a w przypadku roztworów substancji optycznie czynnych także od rozpuszczalnika. la roztworów skręcalność właściwą definiuje się wzorem: [ α ] T = α λ l c gdzie: α - obserwowany kąt skręcania (w stopniach), c stężenie w g/cm 3, l grubość warstwy w dm. Oznaczając przez c stężenie w g/100 cm 3 zdefiniujemy skręcalność właściwą wzorem: [ α ] 20 = 100 α l c p Zgodnie z tym wzorem skręcalność właściwa równa się kątowi skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego (α) przez roztwór o stężeniu 100% znajdujący się w rurce polarymetrycznej o grubości warstwy 1 dm. Powyższy wzór można przedstawić w postaci następującego równania linii prostej: 100 α = [α ] 20 l w którym c p oznacza stężenie procentowe (wag/obj). c p Z wzoru tego wynika, że 100 α = f (c p ). Współczynnik kierunkowy tej prostej a = [ α ] 20 l pozwala wyliczyć skręcalność właściwą z wzoru [ α ] 20 = la czystych substancji skręcalność właściwą wylicza się z następującego wzoru: a l [ α ] T α = l p w którym p oznacza gęstość substancji, a l grubość warstwy w dm (dla cieczy) lub w mm (dla ciał stałych). Skręcalność molową oblicza się z wzoru: gdzie M oznacza masę molową. M [ ϕ ] T = [ α] λ T λ 100 Poniżej w tabeli 1 przedstawiono skręcalność właściwą ([α] 20 ) niektórych związków.

4 Tabela. Skręcalności właściwe wybranych roztworów Substancja optycznie czynna Rozpuszczalnik [α ] 20 Kwas L- winowy woda +14,1 etanol + chlorobenzen - 8,09 Sacharoza woda + 66,5 α - - Glukoza woda +111,0 β - - Glukoza woda +19,2 Witamina 2 chloroform +52,0 aceton +82,6 holesterol chloroform - 39,5 hininy siarczan 0,1 M l (-235 ) ) (-245 ) hlorowodorek efedryny woda (-33 ) ) (-36 ) hlorowodorek tetracykliny metanol -253 Skręcalność właściwa danego związku optycznie aktywnego jest charakterystyczna dla danej temperatury, długości fali świetlnej oraz rozpuszczalnika. latego też, dane te umieszcza się zawsze, podając wartość skręcalności właściwej związku. Pomiaru dokonuje się zwykle w temp. 20 lub 25, przy długości fali świetlnej 589,3 nm odpowiadającej linii widmowej sodu lub jednej z linii widmowych lampy rtęciowej (365, 546, 578 nm). Należy zdać sobie sprawę, że zmiany skręcalności właściwej, zależnie od temperatury pomiaru lub od rodzaju rozpuszczalnika, nie są spowodowane przez zmianę konfiguracji związku, lecz można je często powiązać ze zmianami sposobu solwatacji, stopniem asocjacji lub dysocjacji, co ma istotny wpływ na efekty polaryzacyjne elektronów walencyjnych. W polarymetrii długości fali świetlnej λ dobierane są dowolnie, a stosowane wartości związane są z łatwością emisji. Ponieważ wartości skręcalności właściwych zależą od długości stosowanych fali świetlnej, wartości [α] są przypadkowe i nie można ich powiązać z budową przestrzenną badanych związków chiralnych. Bardziej kompletne informacje uzyskuje się badając zależność między skręcalnością, a długością fali świetlnej. Metodę tę nazywamy dyspersją skręcalności optycznej (OR ang. Optical Rotatory ispersion) lub spektropolarymetrią. Skręcalność optyczna zmienia się z częstością promieniowania. Wynika to z dyspersji polaryzowalności (i współczynników załamania) dla promieniowania spolaryzowanego kołowo w prawo i w lewo. Efekt ten jest wykorzystywany do badania stereochemii cząsteczek. Jeżeli substancja pochłania promieniowanie o określonej długości fali, to wtedy na krzywej OR pojawiają się maksima i minima, czyli obserwuje się anomalie w pobliżu pasm absorpcyjnych. Zjawiska występujące w obszarze aktywnych pasm absorpcyjnych optycznie czynnej substancji i w bezpośrednim ich sąsiedztwie zostały zbadane po raz pierwszy przez A. ottona i dlatego nazywają się efektem ottona. Efekt ottona polega po pierwsze na tym, że obie kołowo spolaryzowane składowe fali liniowo spolaryzowanego światła są absorbowane przez substancję w różnym stopniu, a więc występuje tzw. dichroizm kołowy (-ircular ichroism). Po drugie skręcalność właściwa zmienia się wraz z długością fali w obszarze aktywnych pasm absorpcji bardzo wyraźnie, w sposób anomalny (anomalna dyspersja skręcalności optycznej). W pobliżu maksimów absorpcji chiralnego związku krzywe OR mają z reguły przebieg anormalny gwałtownie zmieniają znak i przyjmują w punkcie λ 0 wartość zero. Takie gwałtowne zmiany przebiegu krzywych OR nazywa się efektem ottona. odatni efekt ottona występuje wówczas, gdy przy przejściu od fal dłuższych do krótszych napotyka się najpierw pik, a potem dolinę, a ujemne, gdy jest odwrotnie. Znak efektu ottona jest

5 różny dla rozmaitych pasm absorpcyjnych danej substancji, a z tym samym pasmem absorpcji dwu enencjomerów są zawsze związane efekty przeciwnego znaku. o rejestracji krzywych OR stosuje się nowoczesne, samorejestrujące spektropolarymetry. Metoda spektropolarymetrii znalazła duże zastosowanie w określaniu struktury przestrzennej (konformacji) wielu biologicznie ważnych substancji (peptydy, sterydy itp). zęść doświadczalna: elem ćwiczenia jest wyznaczenie skręcalności właściwej wodnych roztworów sacharozy glukozy i fruktozy oraz obserwacja zjawiska inwersji. Należy wykonać pomiary kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji światła w wodnych roztworach sacharozy, glukozy i fruktozy. W roztworach obojętnych (p = 7) sacharoza nie ulega hydrolizie i kąt skręcania jest stały dla danego roztworu w określonych warunkach pomiaru. Zasada działania polarymetru Schemat budowy polarymetru (polarymetr kołowy) przedstawiono na Ryc. 2. Źródłem światła monochromatycznego (589,3 nm) jest lampa sodowa. Światło po przejściu przez soczewkę pada na pryzmat Nicola zwany polaryzatorem i ulega polaryzacji liniowej. Za polaryzatorem ustawiona jest kwarcowa płytka Laurenta, która przesłania środkową część wiązki promieni i dzieli w ten sposób pole widzenia na trzy części. Światło spolaryzowane przechodzi przez wypełnioną cieczą rurkę polarymetryczną, a dalej przez drugi polaryzator (analizator). Analizator przepuszcza światło zgodnie z prawem Malusa. Następnie promienie przechodzą przez lunetkę do okularu. Gdy między polaryzatorem i analizatorem nie ma substancji optycznie czynnej (rurka wypełniona jest nieczynnym optycznie rozpuszczalnikiem) i analizator ustawiony jest w pozycji zerowej (zero na skali przyrządu), wtedy trzy części pola widzenia obserwowane w lupie są oświetlone jednakowo.

6 Gdy między polaryzatory wprowadzi się ciało optycznie czynne (rurkę wypełnioną roztworem substancji optycznie czynnej), które zmienia płaszczyznę polaryzacji o pewien kąt α, wówczas środkowa część pola zmienia swoją jasność w porównaniu z jasnością obu części skrajnych. Aby ponownie uzyskać jednakowe oświetlenie całego pola widzenia, należy obrócić analizator o taki sam kąt α za pomocą pokrętła. Obrót analizatora jest sprzężony z tarczą kołową, na której znajduje się podziałka kątowa z noniuszem. Na skali tej odczytuje się wartość kąta α w stopniach. Noniusz umożliwia wykonanie odczytu z dokładnością do 0,05. zęść A Wyznaczanie skręcalności właściwej cukrów: 1. Umyć dokładnie rurkę polarymetryczną 2. Rurkę polarymetryczną napełnić wodą tak, aby pod szybkami nie znajdowały się pęcherzyki powietrza. 3. Wstawić rurkę do polarymetru i pokrętłem skali ustawić analizator w takim położeniu, przy którym środkowy pas obrazu jest równy co do jasności pozostałym dwóm bocznym polom. Kąt skręcania powinien teoretycznie wynosić przy tym położeniu zero. W razie uzyskania innej wartości należy uwzględnić ją jako poprawkę. 4. Przygotować wodne roztwory zawierające 1, 5, 10, 20 i 30 g sacharozy, glukozy i fruktozy w 100 cm 3 roztworu (30 g/100 cm 3 = 30 %). 5. Roztworami tymi kolejno napełniać rurkę polarymetryczną i termostatować je w temperaturze 20, np. za pomocą płaszcza wodnego nałożonego na tę rurkę. 6. Kolejno zmierzyć kąty skręcania α wszystkich badanych roztworów. 7. Sporządzić wykresy 100 α = f() dla roztworów badanych cukrów zgodnie z równaniem. Obliczyć przebieg prostych metodą najmniejszych kwadratów lub wyznaczyć przy pomocy arkusza kalkulacyjnego. Ze współczynnika kierunkowego prostej obliczyć skręcalność właściwą badanych cukrów stosując wzór. [ α ] = a (9) l Obliczyć błąd bezwzględny skręcalności właściwej z następującej pochodnej: [α ] 1 = a l [α ] = a l gdzie: a błąd standardowy współczynnika kierunkowego prostej, l- długość rurki polarymetrycznej (1 1,5 dm) 8. Porównać wyznaczone wartości skręcalności właściwej z wartościami tabelarycznymi zęść B INWERSJA SAAROZY: Pod wpływem katalitycznego działania jonów wodorowych zachodzi reakcja zwana inwersją sacharozy. Reakcja ta zachodzi praktycznie do końca. Produktami są cukry proste, które również są związkami optycznie czynnymi:

7 + sacharoza + 2 O -glukoza + -fruktoza Skręcalność właściwa -glukozy wynosi [ α ] 20 = +52,5, a -fruktozy [ α ] 20 = -92,4. Końcowym produktem hydrolizy jest równomolowa mieszanina tych cukrów zwana cukrem inwertowanym. Skręcalność właściwa cukru inwertowanego ma wartość wypadkową równą α = - 19,9. Mierząc skręcalność roztworu, w którym zachodzi inwersja, można określić [ ] 20 stężenia poszczególnych reagentów oraz szybkość procesu. Polarymetrycznie można, więc badać również kinetykę inwersji sacharozy. Z uwagi na duży nadmiar wody w stosunku do ilości cukru kinetyka inwersji odpowiada reakcji pierwszego rzędu. Jest to tzw. reakcja pseudojednocząsteczkowa. Wykonanie: o kolbki o poj. 50 ml odpipetować 25 ml wzorcowego roztworu sacharozy (wskazanego przez asystenta prowadzącego ćwiczenia). Następnie dodać 2 ml 9M kwasu siarkowego (VI). Kolbkę umieścić w łaźni o temperaturze 70 w celu przeprowadzenia inwersji sacharozy. UWAGA: Kolbki nie należy zamykać korkami. Po upływie 15 minut, wyjąć kolbkę z łaźni, ochłodzić strumieniem wody, po czym kolbkę uzupełnić wodą destylowaną do kresek. Zmierzyć kąt skręcenia próbki po inwersji. Z wartości kąta skręcenia zinwertowanego roztworu wzorcowego sacharozy obliczyć skręcalność właściwą sacharozy inwertowanej.