Поляриметрия. Поляриметрический анализ
(ПОЛЯРИМЕТРИЯ)
Оптическое вращение - это способность вещества вращать плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света.
В зависимости от природы оптически активного вещества вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину. Если от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество, плоскость поляризации вращается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим и перед его названием ставят знак "+", если же плоскость поляризации вращается против часовой стрелки, то вещество называют левовращающим и перед его названием ставят знак "-".
Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой a. Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, длины пути поляризованного света в оптически активной среде (чистом веществе или растворе) и длины волны света. Для растворов величина угла вращения зависит от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Величина угла вращения прямо пропорциональна длине пути света в оптически активной среде, т.е. толщине слоя оптически активного вещества или его раствора. Влияние температуры в большинстве случаев незначительно.
Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации света вычисляют величину удельного вращения [a]. Удельное вращение - это константа оптически активного вещества. Удельное вращение [a]определяют расчетным путем как угол поворота плоскости поляризации монохроматического света на пути длиной в 1 дм в среде, содержащей оптически активное вещество, при условном приведении концентрации этого вещества к значению, равному 1 г/мл.
Если нет специальных указаний, определение оптического вращения проводят при температуре 20 о С и при длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм). Соответствующую величину удельного вращения обозначают [a] D 20 . Иногда для измерения исользуют зеленую линию спектра ртути с длиной волны 546,1 нм.
При определении [a] в растворах оптически активного вещества необходимо иметь в виду, что найденная величина может зависеть от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Замена растворителя может привести к изменению [a] не только по величине, но и по знаку. Поэтому, приводя величину удельного вращения, необходимо указывать растворитель и выбранную для измерения концентрацию раствора.
Величину удельного вращения рассчитывают по одной из следующих формул.
Для веществ, находящихся в растворе (1):
где a- измеренный угол вращения в градусах; l - толщина слоя в дециметрах; с - концентрация раствора, выраженная в граммах вещества на 100 мл раствора.
Для жидких веществ (2):
где a- измеренный угол вращения в градусах; l - толщина слоя в дециметрах; r- плотность жидкого вещества в граммах на 1 мл.
Удельное вращение определяют либо в пересчете на сухое вещество, либо из высушенной навески, о чем в частных статьях должно быть соответствующее указание.
Измерение величины угла вращения проводят либо для оценки чистоты оптически активного вещества, либо для определения его концентрации в растворе. Для оценки чистоты вещества по уравнению (1) или (2) рассчитывают величину его удельного вращения [a]. Концентрацию оптически активного вещества в растворе
находят по формуле (3):
Поскольку величина [a] постоянна только в определенном интервале концентраций, возможность использования формулы (3) ограничивается этим интервалом.
Измерение угла вращения проводят на поляриметре, позволяющем определить величину угла вращения с точностью +/- 0,02 град.
Предназначенные для измерения угла вращения растворы или жидкие вещества должны быть прозрачными. При измерении прежде всего следует установить нулевую точку прибора или определить величину поправки с трубкой, заполненной чистым растворителем (при работе с растворами) или с пустой трубкой (при работе с жидкими веществами). После установки прибора на нулевую точку или определения величины поправки проводят основное измерение, которое повторяют не менее 3 раз.
Для получения величины угла вращения a показания прибора, полученные при измерениях, алгебраически суMrируют с ранее найденной величиной поправки.
Одним из важнейших свойств молекул, особенно природных соединений, является свойство хиральности, или оптической активности. Оно обусловлено существованием зеркально подобных изомеров – энантиомеров.
В отличие от геометрических изомеров энантиомеры молекулы одного химического состава имеют одинаковые физические и химические свойства: у них одинаковые температуры плавления и кипения, давление пара, плотность, показатель преломления, колебательный и электронный спектры, одинаковую реакционную способность при взаимодействии с ахиральными реагентами, но они по-разному вращают плоскость поляризации линейно поляризованного света, существенно различается также их поведение в реакциях с хиральными реагентами или реакции, катализируемые хиральными реагентами.
Поляриметрический анализ – это метод, который может быть использован только для исследования, идентификации, количественного определения специфических объектов – хиральных (оптически активных) веществ. Для решения всех этих задач должно использоваться и достаточно специфическое средство – электромагнитное излучение, называемое поляризованным светом. Таким образом, поляриметрический анализ – это метод, основанный на измерении угла вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света оптически активными веществами.
Классические представления об электромагнитном излучении в форме монохроматической волны основаны на том, что электрическое поле Е и магнитная индукция В волны перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения излучения (рис. 2.1).
z – направление распространения волны (а); б и в – мгновенные изображения колебаний и соответствующей огибающей концов вектораЕ в разных точках
волны для случая, когда колебания E x на четверть периода () опережают
колебания E y
Рис. 2.1. Колебания проекций вектора Е световой волны в системе координатх , у, z
Если проекция осциллирующего вектора электрического поля на плоскость, перпендикулярную направлению распространения луча, представляет собой одну линию, то такой луч называют линейно поляризованным (рис. 2.2). В том случае, когда такие проекции ориентированы в пространстве по всем направлениям, луч света называют неполяризованным (естественным).
Практически линейно поляризованный луч получают пропусканием естественного луча через призмы или пластинки, вырезанные из оптически активных минералов. Наиболее часто для этой цели используют призмы Николя, изготовленные из исландского шпата, плоские кварцевые пластинки или поляроиды, представляющие собой органические комплексные соединения иода.
Рисунок 2.2. Схема распространения линейно поляризованного света
Сложение двух линейно поляризованных волн, отличающихся только амплитудами, дает линейно поляризованный луч. Два перпендикулярных линейно поляризованных луча Е х иЕ y с одинаковой амплитудойи опережающей разницей по фазе π/2 дляЕ y образует луч с круговой поляризацией по правой спирали. Если линейно поляризованный лучЕ х опережаетЕ y на четверть волны, то образуется луч с круговой поляризацией по левой спирали. Такой поляризованный по кругу (циркулярно поляризованный) луч получают, пропуская плоскополяризованный луч через так называемую четвертьволновую пластинку из кварца или дигидрофосфата аммония (четвертьволновая пластинка – пластинка оптически-активного вещества, толщина которой кратна четверти длины волны проходящего через нее света).
Оптическая активность вещества может определяться как оптической активностью его молекул (молекулярная оптическая активность), так и структурой вещества (структурная или кристаллическая оптическая активность). Молекулярная оптическая активность обнаруживается во всех агрегатных состояниях и в растворах.
Основным условием хиральности и, следовательно, оптической активности вещества является отсутствие центра, плоскости зеркально-поворотной оси симметрии в его молекулах.
Структурной оптической активностью, т.е. способностью вра-щать плоскость поляризации в твердом состоянии, могут обладать кристаллы, построенные как из хиральных, так и из нехиральных молекул. Причиной появления оптической активности кристаллов, построенных из нехиральных молекул, может явиться деформация тех или иных элементов структуры (молекул, атомов, ионных группировок) внутренним полем кристалла, благодаря чему эти структурные элементы становятся хиральными. Для этого достаточно деформаций порядка (1,0–0,5)٠10 –3 нм. Примеры веществ, проявляющих структурную оптическую активность: кварц, мочевина, хлорат натрияNаClO 3 .
Структурная (кристаллическая) оптическая активность при плавлении или растворении вещества, как правило, исчезает. Кроме такой естественной оптической активности, при воздействии на вещество магнитного поля или при его контакте с хиральными молекулами может проявиться т.н. наведенная оптическая активность (эффект Фарадея и эффект Пфейфера, соответственно).
При прохождении поляризованного света через оптически активную среду могут возникнуть два эффекта:
– изменение направления колебаний – вращение плоскости поляризации;
– разложение линейно поляризованного луча на две компоненты, обладающие вращением в разные стороны явление кругового дихроизма).
Вращение плоскости поляризации обусловлено, согласно О.Френелю, тем, что две волны с круговой поляризацией – правой и левой, в виде которых может быть представлена линейно поляризованная световая волна, с различной силой взаимодействуют со средой, через которую они проходят. Это взаимодействие выражается в поляризации молекул и приводит к тому, что две волны с различной круговой поляризацией распространяются в веществе с разными скоростями, и на выходе из него плоскость поляризации линейно поляризованной волны, образованной сложением двух поляризованных по кругу волн, оказывается повернутой на угол .
В зависимости от того, какое взаимодействие в данной среде оказывается сильнее, поворот плоскости поляризации может происходить по часовой стрелке или против нее (если смотреть навстречу ходу луча света). Вращение по часовой стрелке называется правым и его величину считают положительной. Вращение против часовой стрелки – левым и отрицательным.
Угол вращения плоскости поляризации линейно поляризованного луча оптически активным веществом зависит от структуры этого вещества, длины пути l светового луча в нем и не зависит от его интенсивности.
Каждое оптически активное вещество характеризуется определенным удельным вращением t , т.е. Угол вращения плоскости поляризации при температуреtв монохроматическом свете с длиной волныраствором, содержащим 100 г вещества в 100 см 3 раствора, когда луч проходит в таком растворе путь, равный 100 мм, называется удельным вращением плоскости поляризации:
, (2.1)
где угол вращения плоскости поляризации, град.;
с концентрация раствора, г/100 см 3 ;
l толщина слоя раствора (длина поляриметрической трубки).
Чаще
всего удельное вращение плоскости
поляризации определяют при 20 о С
для желтой линии натрия и обозначают
.
Удельное вращения плоскости поляризации жидких и твердых оптически активных веществ, измеренное при определенных условиях, является величиной постоянной, т.е. его справочной характеристикой.
В таблице 2.1 приведены значения удельного вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света (λ = 589,5 нм, 20 о С) для некоторых оптически активных веществ.
Поляриметрический метод анализа основан на способности веществ отклонять плоскость поляризации при прохождении че-рез них поляризованного света.
Вещества, отклоняющие плоскость поляризации света впра-во или влево, называются оптически активными.
Если вращение плоскости поляризации происходит вправо (по движению часовой стрелки), то вещество называют право-вращающим и перед названием его ставят индекс d или знак + (плюс); если вращение плоскости поляризации происходит влево (против часовой стрелки), то вещество называют лево-вращающим и перед названием его ставят индекс 1 или знак - (минус).
Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают греческой буквой а.
Величина угла вращения зависит от природы оптически ак-тивного вещества, толщины его слоя, температуры, природы растворителя и длины волны света.
Как правило, определение оптического вращения проводят при 20 °С и при длине волны линии D спектра натрия (589,3).
Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением, т. е. вращением плоскости поляризации, вызванно-го слоем вещества (/) толщиной 1 дм при концентрации С, рав-ной 1 г вещества в 1 мл объема при 20 °С. Обозначают удель-ное вращение знаком {а]г> 20 .
Удельное вращение растворов вычисляют по формуле:
где: а - измеренный угол вращения, градусы; / - толщина слоя раствора, дм; С - концентрация раствора, %.
Зная удельное вращение вещества, постоянное в определен-ном интервале концентраций, можно вычислить его содержание в растворе в процентах (С) по формуле:
Для жидких индивидуальных веществ удельное вращение определяется по формуле:
где: а - измеренный угол вращения, градусы; / - толщина слоя вещества, дм; р - плотность жидкости, г/см 8 .
Метод поляриметрии широко используется в фармацевтиче-ском анализе для установления оптической активности лекарст-венных веществ, качественной и количественной оценки их.
Для измерения угла вращения плоскости поляризации при-меняют приборы, называемые поляриметрами.
В практической работе используются поляриметры различ-ных систем, основанные на одном и том же принципе их работы.
Устройство поляриметра представлено на рис. 4.
Оптическая система прибора. Свет от источника излучения через светофильтр (или матовое стекло) попадает на призму-поляризатор, которая образует на выходе два разделен-ных поляризованных пучка, причем потоки в каждом из них равны. Поляризатор установлен так, что плоскости поляриза-ции обоих пучков составляют один и тот же угол с плоскостью поляризации анализатора. Если на пути обоих пучков установ-лена кювета с раствором, то плоскости поляризации будут по-вернуты и один из пучков будет больше ослаблен анализатором, чем другой. Поворот компенсатора позволит скомпенсировать указанное изменение потока. Одновременно вращается шкала, которая подсвечена через призму и наблюдается в лупу. Через зрительную трубу наблюдается окраска полей.
Порядок работы. 1. Окуляр зрительной трубы и лупу шкалы устанавливают (при помощи вращения их оправ) на максимальную резкость изображения так, чтобы вертикальная линия, разделяющая после зрения на две половины, была четко видна, а в поле зрения лупы ясно были видны штрихи и цифры нижней шкалы и нониуса (верхней шкалы).
2. Установка прибора на 0. Для этого добиваются полной однородности обеих половинок поля зрения с помощью рукоят-ки передачи. При этом нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать. В противном случае с помощью ключа пере-мещают нониус до совмещения его нулевого деления с нулевым делением шкалы.
3. Заполнение поляриметрической кюветы. Перед наполнени-ем кювету промывают испытуемым раствором два раза; жид-кости наливают столько, чтобы она выступала поверх краев трубки. Выжидают некоторое время, чтобы пузырьки газа под-нялись вверх. Закрывают кювету чистым стеклом, как бы сре-зая выступающую жидкость.
4. Поляриметрическую кювету с испытуемым раствором вкла-дывают в камеру прибора, при этом изменяется однородность обеих половинок поля зрения. Вращением рукоятки передачи уравнивают их освещенность.
5. Производят отсчет показаний с точностью до 0,01.
6. Затем повторяют уравнивание освещенностей обеих половин поля зрения, и снова проводят отсчет показаний, повторяя 5 раз. Берут среднеарифметическое и принимают за результат. Выбор светофильтра. 1. Если при исследовании бес-цветных или слабоокрашенных растворов не наблюдается раз-личие в оттенках окраски обеих половин поля зрения, то пово-ротную обойму ставят в положение, соответствующее обозна-чению «М». При этом положении в оптическую систему вводит-ся матовое стекло.
2. Если при поляризации бесцветных или слабоокрашенных растворов наблюдается некоторое различие в оттенках окраски обеих половин поля зрения, затрудняющее приведение поля зрения к однородности, то поворотную обойму ставят в положе-ние, соответствующее обозначению «С». При этом положении в оптическую систему вводится светофильтр.
3. В случае работы с темноокрашенными растворами обойму ставят в положение без обозначения, что соответствует макси-мальной интенсивности освещения поля зрения.
Оптическое вращение
Оптическим вращением называется способность вещества вращать (поворачивать) плоскость поляризации при прохождении через него поляризованного света. Этим свойством обладают некоторые вещества, которые называются оптически активными. В настоящее время известно много таких веществ: кристаллические вещества (кварц), чистые жидкости (скипидар), растворы некоторых оптически активных веществ (соединений) в неактивных растворителях (водные растворы глюкозы, сахара, молочной кислоты и другие). Все они делятся на 2 типа:
- первый тип: вещества, которые в любом агрегатном состоянии оптически активны (камфора, сахара, винная кислота);
- второй тип: вещества, которые активны в кристаллической фазе (кварц).
Эти вещества существуют в правой и левой формах. Оптическая активность разных форм веществ, относящихся ко второму типу, имеет равные по абсолютной величине значения и разные знаки (оптические антиподы); они идентичны и неразличимы. Молекулы левой и правой форм веществ первого типа по своему строению представляют зеркальные отражения, они отличаются одна от другой (оптические изомеры). При этом чистые оптические изомеры друг от друга не отличаются по своим химическим и физическим свойствам, но отличаются от свойств рацемата – смеси оптических изомеров в равных количествах. Так, например, для рацемата значение температуры плавления ниже, чем у чистого изомера.
Применительно к веществам первого типа деление на «правый» (d) и «левый» (l) условно и это не указывает направление вращения плоскости поляризации, а для веществ второго типа это означает непосредственно направление вращения: «правовращающие» (вращающиеся по часовой стрелке и имеющие значения угла α со знаком «+») и «левовращающие» (вращающиеся против часовой стрелки и имеющие значения угла α со знаком «-»). Рацемат, содержащий левовращающие и правовращающие оптические изомеры, оптически не активен и обозначается знаком «±».
Поляриметрия
Поляриметрия – оптический метод исследований, который основан на свойстве веществ (соединений) поворачивать плоскость поляризации после прохождения через них плоскополяризованного света, то есть световых волн, в которых электромагнитные колебания распространяются только в одном направлении одной плоскости. При этом плоскостью поляризации является плоскость, которая проходит через поляризованный луч перпендикулярно направлению его колебаний. Сам термин «поляризация» (греч. polos, ось) означает возникновение направленности световых колебаний.
Когда поляризованный луч света пропускают через оптически активное вещество, тогда плоскость поляризации изменяется и поворачивается на некоторый определенный угол α – угол вращения плоскости поляризации. Величина этого угла, выраженная в угловых градусах, определяется с помощью специальных оптических приборов – поляриметров. Для измерений используют поляриметры различных систем, но все они основаны на одном принципе работы.
Основные части поляриметра: поляризатор – это источник поляризованных лучей и анализатор – это прибор для их исследования. Эти части представляют собой специальные призмы или пластинки, которые изготавливают из различных минералов. Для измерения оптического вращения луч света от лампы внутри поляриметра сначала проходит через поляризатор для получения определенной ориентации плоскости поляризации, и затем уже поляризованный луч света проходит через исследуемый образец, который размещают между поляризатором и анализатором. Если образец является оптически активным, то его плоскость поляризации поворачивается. Далее поляризованный луч света с измененной плоскостью поляризации попадает в анализатор и не может полностью пройти через него, происходит затемнение. А чтобы луч света прошел через анализатор полностью, его необходимо повернуть на такую величину угла, которая будет равна величине угла вращения плоскости поляризации исследуемым образцом.
Значение угла вращения конкретного оптически активного вещества зависит от его природы, от его толщины слоя, от длины волны света. Значение угла α для растворов также зависит от концентрации содержащегося вещества (оптически активного) и от природы растворителя. Если заменить растворитель, то может измениться угол вращения как по величине, так и по знаку. Угол вращения зависит и от температуры исследуемого образца, поэтому для точных измерений, при необходимости, образцы термостатируют. При повышении температуры с 20°С до 40°С увеличивается оптическая активность. При этом в большинстве случаев влияние температуры, при которой производят измерение, незначительно. Условия, при которых проводят определения (при отсутствии дополнительных указаний): 20°С, длина волны света 589,3 нм (длина волны линии D спектра натрия).
Поляриметрическим методом проводят испытания по оценке чистоты веществ, являющихся оптически активными, и устанавливают их концентрацию в растворе. Чистоту вещества оценивают по величине удельного вращения [α], которая является константой. Значение [α] – это угол вращения плоскости поляризации в конкретной оптически активной среде толщиной слоя 1 дм при концентрации этого вещества 1 г/ мл, при 20°С и длине волны 589,3 нм.
Расчет [а] для веществ, которые находятся в растворе:
Для жидких веществ (например, для некоторых масел):
Теперь, измерив угол вращения, зная величину [α] конкретного вещества и длину ℓ, можно вычислить в исследуемом растворе концентрацию вещества (оптически активного):
Надо отметить, что величина [α] является постоянной, но только в определенном интервале концентраций, которым и ограничивается возможность использования данной формулы.
Применение поляриметрии в контроле качества
Поляриметрический метод исследований применяется для идентификации веществ, проверки их чистоты и количественного анализа.
В фармакопейных целях метод используется для определения количественного содержания и подлинности веществ в лекарственных средствах, а также применяется как испытание на чистоту, подтверждение отсутствия оптически неактивных посторонних веществ. Метод поляриметрии регламентирован в ОФС 42-0041-07 «Поляриметрия» (Государственная Фармакопея РФ XII издание, часть 1).
Важность определения оптической активности для лекарственных средств связано с особенностью оптических изомеров оказывать на организм человека различное физиологическое действие: биологическая активность левовращающих часто сильнее правовращающих изомеров. Например, некоторые лекарственные средства, которые получают синтетически, существуют в виде оптических изомеров, но при этом биологической активностью обладают только в виде левовращающего изомера. Например, лекарственное средство левометицин биологически активен только в левовращающей форме.
В производстве косметической продукции поляриметрия применяется в контроле качества для анализа и определения в сырье и продукции концентрации веществ, являющихся оптически активными, а также их идентификации и чистоты. Этот метод имеет значение, например, при анализе эфирных масел, т.к. биохимическое и физиологическое действие их оптических изомеров различно, есть различия в запахе, вкусе и фармакологических свойствах. Так, (-)-α-бисаболол в ромашке лекарственной оказывает хорошее противовоспалительное действие. Но выделенный из тополя бальзамического (+)-α-бисаболол и полученный синтетически (±)-бисаболол (рацемат) оказывают аналогичное действие, но в значительно меньшей степени.
Что касается запаха, то у одного вещества оптические изомеры отличаются как качеством, так и силой запаха: левовращающие изомеры чаще обладают более сильным ароматом и качество запаха воспринимается как более приемлемое, в то время как правовращающие иногда вообще не имеют аромата. Это имеет важное значение при производстве парфюмерно-косметической продукции. Так, (+)-карвон в эфирном масле тмина и (-)-карвон в эфирном масле мяты обладают совершенно разным запахом.
В состав эфирных масел входят многие компоненты, обладающие свойством оптической активности с разным углом вращением, которые в результате смешения компенсируют друг друга, и тогда эфирное масло имеет результирующее оптическое вращение (оптическое вращение конкретного эфирного масла). Например, угол вращения (по справочным данным) для эфирного масла эвкалипта находится в пределах от 0° до +10°, для эфирного масла лаванды – в пределах от -3° до -12°, для эфирного масла пихты – в пределах от -24° до -46°, для эфирного масла укропа – в пределах от +60° до +90°, для эфирного масла грейпфрута – в пределах от +91° до +92°. При идентификации важно знать, что синтетические эфирные масла не обладают свойством оптической активности, что отличает их от натуральных.
Измерения проводят по ГОСТ 14618.9-78 «Масла эфирные, вещества душистые и полупродукты их синтеза. Метод определения угла вращения и величины удельного вращения плоскости поляризации».
В качестве примера применения поляриметрии в пищевой промышленности можно привести контроль качества меда. Как известно, этот продукт в своем составе содержит моносахариды, редуцирующие олигосахариды, некоторые гидроксикислоты и другие, имеющие различное строение молекул и пространственное расположение групп атомов в них. Эти составляющие компоненты являются оптически активными и их наличие как раз и обуславливает способность изменять плоскость поляризации. Содержащиеся в составе меда различные углеводы (фруктоза, глюкоза, сахароза и другие) вращают плоскость поляризации по-разному, и их различная оптическая активность дает представление о качестве меда. При этом выявляется фальсифицированный мед, например, сахарный мед, имеющий удельное вращение в пределах от +0,00° до -1,49° в отличие от цветочного меда, имеющего удельное вращение в среднем -8,4°. Также можно установить зрелость меда: в меде хорошего качества высокое содержание фруктозы или глюкозы и низкое содержание сахарозы. Измерения проводят по ГОСТ 31773-2012 «Мед. Метод определения оптической активности».
Поляриметрический метод испытаний ценен своей высокой точностью, он прост и занимает мало времени.
На контрактном производстве ООО «КоролёвФарм» в процессе контроля качества сырьевых компонентов и готовой продукции косметической, пищевой продукции и БАД к пище испытания по определению концентрации и чистоты некоторых веществ, обладающих свойством оптической активности, проводятся на поляриметре круговом СМ-3. Данный прибор позволяет измерять угол вращения плоскости поляризации прозрачных и однородных растворов и жидкостей. Например, определение концентрации сахара при производстве сиропов . Также прибор применяется в процессе исследовательских работ при разработке новых видов продукции. Данный поляриметр позволяет измерять угол вращения в пределах 0°-360° с погрешностью не более 0,04°. Поверка прибора в органах государственной метрологической службы с установленной периодичностью обеспечивает точность измерений, что имеет ключевое значение в процессе контроля качества при производстве и выпуске качественной и безопасной продукции.
