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Analyse mit dem Polarimeter 13:51 min

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Transkript Analyse mit dem Polarimeter

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt "Analyse mit dem Polarimeter". Als Vorkenntnisse solltest du Bescheid wissen über die Stoffklassen der organischen Chemie bis zu den Carbonsäuren. Im Video möchte ich dir Wesen und Nutzen der Polarimetrie erklären.

Der Film besteht aus 7 Abschnitten: 1. Optische Isomerie 2. Polarisiertes Licht 3. Das Polarimeter 4. Drehung und spezifische Drehung 5. Der Fallstrick bei der Messung 6. Ein Volksirrtum 7. Zusammenfassung

Steigen wir mutig ein mit: 1. Optische Isomerie Die meisten Verbindungen der organischen Chemie enthalten das Methangerüst. Das Methanmolekül hat eine ideale Tetraederstruktur, zu sterischen Konsequenzen führt das allerdings noch nicht. Interessant wird es, wenn das Kohlenstoffatom 4 verschiedene Substituenten besitzt, man spricht dann von einem asymmetrischen Kohlenstoffatom und einer chiralen Verbindung. Nehmen wir an, wir haben eine Spiegelebene. Links und rechts ordne ich 2 Verbindungen an, die jeweils chiral sind. Ihre Strukturen verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild oder wie Spiegelbild und Bild. Das hängt vom Standpunkt des Betrachters ab. Die meisten physikalischen Eigenschaften dieser Bild- und Spiegelbildverbindungen sind gleich: Schmelztemperatur, Siedetemperatur, Dichte, Brechungsindex, Löslichkeit in achiralen Lösungsmitteln. Die chemischen Eigenschaften gegenüber achiralen Reagenzien sind ebenfalls gleich. Wenn wir allerdings irgendwelche Unterschiede finden, müssen wir die beiden Isomere benennen, dafür haben Cahn, Ingold und Prelog entsprechende Regeln entwickelt, abgekürzt sagt man auch CIP. Grundgedanke dieser Regeln ist, dass dem Substituenten verschiedene Prioritäten zugeordnet werden. Bei unseren Verbindungen soll die Prioritätsabfolge sein: Rot kommt vor Gelb, Gelb kommt vor Blau und Blau kommt vor Grün. Nach dieser Festlegung der Prioritäten hat das Molekül oben die Konfiguration R. Warum ist das so? Nach den Regeln von Cahn, Ingold und Prelog nimmt man den Substituenten mit der geringsten Priorität und hält ihn nach unten. Ich stecke ihn einmal in diese Flasche und habe nun oben die 3 restlichen Substituenten Rot, Gelb, Blau. Wenn ich mit dem Finger jetzt die Prioritätenfolge abzeichne, so erhalte ich eine Bewegung in der rechten Richtung, im Uhrzeigersinn, daher bezeichnet man diese Konfiguration als R, vom Lateinischen rectus - rechts. Ich hab noch einmal nachgesehen, rectus heißt wohl eher recht, aber uns soll es nicht stören, die Wissenschaftler haben sich eben so entschieden und fertig. Die Konfiguration des Moleküls unten wird mit S bezeichnet. Wir verfahren hier so, wie beim obrigen Molekül. Wir nehmen den Substituenten mit der geringsten Priorität, das ist der grüne Substituent und halten ihn nach unten. Ich stecke ihn wieder in diese Flasche hinein und schaue, in welcher Richtung entsprechend der Priorität sich die anderen 3 Substituenten Rot, Gelb und Blau bewegen und ich stelle fest Rot, Gelb und Blau geht entgegengesetzt des Uhrzeigersinnes, also links herum, linksdrehend. S kommt vom Lateinischen sinister, das heißt links. Die Moleküle R und S sind spezielle Isomere, die man als Enantiomere bezeichnet.   2. Polarisiertes Licht Und nun kommen wir zu der Eigenschaft, durch die sich die Enantiomere R und S voneinander unterscheiden. Enantiomere drehen die Schwingungsebene polarisierten Lichts um die gleichen Beträge in unterschiedlichen Richtungen. Als fiktives Beispiel möchte ich nennen für R +30° und für S -30°. Licht ist eine elektromagnetische Welle. Wenn ich mir den Lichtstrahl vergrößert einmal von vorne angucke, also sozusagen im Querschnitt, so stelle ich folgende interessante Eigenschaft fest. Das Licht besitzt nicht nur eine Schwingungsebene, sondern viele Schwingungsebenen. Herkömmliches Licht kann in allen Ebenen schwingen. Es gibt aber die Möglichkeit das Licht so zu verändern, dass nur noch eine einzige Schwingungsebene erhalten bleibt. Diese Art von Licht bezeichnet man als polarisiertes Licht. Im Gegensatz zu herkömmlichem Licht kann man bei polarisiertem Licht die Drehung der Schwingungsebene beobachten, also einmal nach rechts +30° und einmal nach links -30°.   3. Polarimeter Ein Polarimeter ist ein Gerät zur Erzeugung polarisierten Lichts und zur Messung des Drehwinkels beim Durchleiten durch eine optisch aktive chemische Verbindung. Ich möchte nun einmal, so einen Polarimeter skizzieren. Ihr könnt mir dabei zuschauen und es genießen. Die einzelnen Abschnitte des Polarimeters werde ich anschließend erklären. Uff, geschafft. Nun kann ich erklären: Bei 1 befindet sich die Lichtquelle, die monochromatisches, das heißt einfarbiges normales Licht aussendet. Dieses gewöhnliche Licht wird in die Untersuchungsapparatur eingespeist. Es durchdringt den Polarisator 3 und eine einzige Schwingungsebene wird praktisch herausgefiltert. Wir haben 4 polarisiertes Licht erhalten. Das Licht durchdringt die Küvette 5 mit dem optisch aktiven Stoff, dabei wird seine Schwingungsebene gedreht. Es verlässt Licht mit gedrehter Schwingungsebene 6 die Küvette. Der Drehwinkel α wird am Analysator 7 gemessen und vom Beobachter 8 festgestellt.   4. Drehung und spezifische Drehung Betrachten wir die beiden Enantiomere R und S, es handelt sich um Butan-2-ol. Für das Enantiomer R wird ein Drehwinkel von -13° festgestellt, für S entsprechend ein Drehwinkel von +13°. Der Drehwinkel hängt natürlich von den Bedingungen ab, daher wird er normiert, wir schreiben dafür [α]D20. Diese Größe bezeichnet man als spezifische Drehung. 20 ist die Temperatur in °C, D ist die gelbe Natriumlinie von 589,3 nm Wellenlänge. Durch die spezifische Drehung wird die gemessene Drehung α normiert, man dividiert sie durch c. Das ist die Konzentration, festgelegt wurde als Einheit 1g/100ml Lösungsmittel. D ist die Küvettenstärke, das heißt, der Weg des Lichtes durch die chirale Verbindung. Die Einheit ist dm.   5. Der Fallstrick bei der Messung Wir wollen die spezifische Drehung für das R Enantiomer des Butan-2-ols ermitteln. c=30×1/100 g/ml Lösung. Wir bestimmen die Drehung zu α=-30°. Die spezifische Drehung wird dann berechnet als -30°/(1×30)=-1°. Übles Foul, nicht wahr? Was haben wir falsch gemacht oder übersehen? Die -30° haben wir schon richtig gemessen, aber es ist Folgendes passiert: Der Drehwinkel ist einmal im Uhrzeigersinn um 360° in negativer Richtung gelaufen und noch um -30°, also α=-30°-360°. Wir müssen somit rechnen, die spezifische Drehung ist gleich -390°/(1×30)=-13° und so muss es ja auch sein. Schlussfolgerung: Man muss bei verschiedenen Konzentrationen messen, um mit Sicherheit die spezifische Drehung zu bestimmen.   6. Ein Volksirrtum Im letzten Punkt vor der Zusammenfassung möchte ich mit einem noch leider häufig verbreiteten Volksirrtum aufräumen. Mitunter wird gesagt, dass das R Enantiomer immer in positiver Richtung polarisiertes Licht dreht und das S Enantiomer entsprechend in negativer Richtung. Stimmt das? Butan-2-ol ist das Gegenbeispiel, also das stimmt nicht. Vielleicht stimmt das Gegenteil, R entspricht linksdrehend und S rechtsdrehend, aber auch dafür gibt es genug Gegenbeispiele. Wir stellen fest, die Konfigurationen R und S können keiner optischen Drehung + oder - zugeschrieben werden.   7. Zusammenfassung Mit einem Polarimeter werden chirale Verbindungen untersucht. Enantiomere drehen die Schwingungsebene polarisierten Lichtes um den gleichen Betrag in verschiedene Richtungen.

Das war es schon wieder für heute. Ich hoffe ihr hattet etwas Spaß und habt etwas gelernt. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg, tschüss.

8 Kommentare
  1. D und L ist veraltet, aber es kommt auf das gleiche hinaus.
    Wer ist "wir"ß
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  2. Wir bezeichnen die Enanziomere als D und L statt R und S, macht das einen Unterschied?

    Von Sabine Bauer69, vor mehr als 4 Jahren
  3. Danke

    Von Roeder Wagner, vor fast 6 Jahren
  4. Der Analysator zeigt in beiden Fällen den gleichen Wert von -30° an. Man kann leicht feststellen, ob es -30° sind: Man verdünnt um den Faktor 2 (3). Entsprechend erhält man den Drehwert -15° (-10°).
    Anderenfalls muss man etwas nachdenken und verdünnen und wieder messen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 6 Jahren
  5. Im 5 Kapitel bringen sie das Beispiel von Butan-2-ol! Alpha soll -390° sein! In der Praxis habe ich dann den Analysator um -390° gedreht oder dreh ich nur bis -30° ? Also meine Frage ist ob in der Praxis ich einfach aufpassen muss ob ich meinen Analysator schon einmal um -360° gedreht habe bevor ich bei -30° (eigt. -390°)eine Veränderung bemerke oder ob ich wenn ich das Polarimeter geeidigt habe und dann um -30° drehe die selbe Veränderung bemerke wie bei -390°?

    Von Roeder Wagner, vor fast 6 Jahren
  1. Richtig. Bestimmung Enantiomerenreinheit (Verhältnis R/S) und Bestimmung der Konzentration einer Lösung mit bekanntem spezifischen Drehwert.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
  2. Schönes Einführungvideo.
    Ich habe verstanden, dass man aus dem Enantiomer R oder S nicht ersehen kann, ob es ein positives oder negatives Drehvermögen besitzt, richtig?
    Es kommt die Frage des Nutzens dieser Methode auf. Ich finde es fehlen Anwendungsbeispiele zur Polarimetrie in diesem Video. Also weshalb bestimmt man die Gradzahl der Drehung?

    mfg

    Von Dflow, vor mehr als 6 Jahren
  3. Vielen Dank für das aufschlussreiche Video!

    Von Alice Bacher, vor fast 7 Jahren
Mehr Kommentare

Analyse mit dem Polarimeter Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Analyse mit dem Polarimeter kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe den Aufbau eines Polarimeters.

    Tipps

    Die Pfeile zeigen die Richtung der Amplituden der Wellen an.

    Lösung

    Um vergleichbare Messergebnisse zu erzielen, muss man sich bei jeder Analyse-Methode auf bestimmte Standards einigen. Beim Polarimeter ist dies unter anderem die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Das Licht von Natriumdampf-Lampen besteht aus nur einer Wellenlänge und diese Lampen sind günstig in der Anschaffung.
    Um den Drehwinkel des Lichts messen zu können, muss der Lichtstrahl polarisiert sein. Das heißt, die Amplituden der Wellen müssen in der gleichen Ebene liegen, so dass die Wellenberge in die gleiche Richtung zeigen. Auch bei nicht-polarisiertem Licht, bei dem die Wellen in unterschiedlichen Ebenen liegen, findet eine Drehung des Lichts statt, diese ließe sich jedoch nicht detektieren.
    Das Licht wird durch einen Filter geleitet, der nur für Wellen durchlässig ist, die in einer bestimmten Ebene liegen. Dieses polarisierte Licht wird durch die gelöste Probe geleitet, am Analysator kann sehr einfach der Drehwinkel abgelesen werden.

    Die Methode ist also sehr schnell und einfach durchzuführen und ist daher gut geeignet zur Charakterisierung optisch aktiver Verbindungen.

  • Beschreibe die Bestimmung der R- oder S-Konfiguration nach den CIP-Regeln.

    Tipps

    Chirale Zentren sind Kohlenstoff-Atome mit vier unterschiedlichen Substituenten.

    Lösung

    Die Regeln von Cahn, Ingold und Prelog werden verwendet, um unterschiedliche Stereoisomere entsprechend gewisser, für alle nachvollziehbaren Regeln benennen zu können. Anhand dieser Notation ist es möglich, die Struktur eines Moleküls aus dem systematischen Namen eindeutig zu bestimmen.

    Der entscheidende Schritt ist die Festlegung der Prioritäten. Dies folgt bestimmten Regeln, die hier nicht näher erläutert werden. Anschließend muss das Molekül gedreht werden. Dies kann auf dem Papier durch Zeichnen oder im Kopf geschehen, je nach Übung und räumlicher Vorstellungskraft. Die anschließende Bestimmung der Drehrichtung ist dann sehr einfach erledigt.

  • Definiere die spezifische Drehung $[\alpha]_D^{20}$ eines optisch aktiven Stoffes.

    Tipps

    Die intensive Linie im Spektrum des Natriums wird als D-Linie bezeichnet.

    Lösung

    Die Formel für die spezifische Drehung eines Stoffes enthält einige merkwürdige Einheiten und ist sich deshalb nicht einfach zu merken. Die Bezeichnung $[\alpha]_D^{20}$ gibt anhand der Indizes schon einige Informationen preis, nämlich die Messtemperatur und die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Beide können selbstverständlich mit anderen Werten angegeben sein, so sind auch Messungen bei 25°C üblich. Jeder kann jedoch auf den ersten Blick diese wichtigen Messparameter erkennen.
    Je dicker die Küvette, durch die der Lichtstrahl dringen muss, ist, desto stärker wird das Licht gedreht. Ein Faktor für die Normierung ist daher die Schichtdicke der Küvette. Da diese üblicherweise bei 1 dm liegt, wurde hier die Einheit Dezimeter gewählt, also 10 cm. Dieser Wert wird mit der Konzentration multipliziert. Als Einheit wird hier eine Größenordnung gewählt, in der die Konzentrationen der Lösungen üblicherweise liegen, nämlich $1 \over 100$$\text{g} \over \text{ml}$.
    Für die Konzentration können jedoch auch andere Einheiten gewählt werden. Dies ist jedoch kein Problem, da sich die spezifische Drehung sehr einfach umrechnen lässt, wenn bekannt ist, welche Einheit gewählt wurde.

  • Bestimme die stereochemische Konfiguration nach den CIP-Regeln.

    Tipps

    Die Prioritäten folgen der Reihenfolge (I)<(II)<(III)<(IV).

    Der Substituent mit geringster Priorität gehört nach hinten.

    Lösung

    Das Molekül muss zur Ermittlung der Konfiguration so gedreht werden, dass der Substituent mit geringster Priorität nach hinten zeigt. Dies ist in diesem Fall der Methyl-Substituent. Die als zweites und drittes abgebildeten Moleküle können also ausgeschlossen werden.

    Bei der ersten und der fünften Verbindung handelt es sich um das gleiche Molekül, das etwas gedreht wird. Es muss also zwischen zwei Fällen der Richtige ausgewählt werden. Dies sind genau die beiden Stereoisomere der Verbindung: Die >>Erste und Fünfte haben S-Konfiguration, die Vierte R-Konfiguration am chiralen C-Atom.

    Dreht man in Gedanken das oben abgebildete Molekül nach rechts, kommt man zu dem als vierten dargestellten Molekül. Bei der Verbindung handelt es sich also um das 2R-2,2-Chlorfluorbutan.

  • Ermittle die Verbindungen mit chiralem Zentrum.

    Tipps

    Unterschiedlich große Alkylreste sind als unterschiedliche Substituenten anzusehen.

    Lösung

    Verbindungen werden als chiral bezeichnet, wenn es zwei stereochemisch unterschiedliche Isomere geben kann. Das ist unter anderem dann der Fall, wenn vier unterschiedliche Substituenten an einen Kohlenstoffatom gebunden sind. In diesem Fall lassen sich die vier Substituenten so um das chirale Kohlenstoffatom anordnen, dass zwei unterschiedliche Isomere entstehen, die sich nicht durch Drehung des Moleküls ineinander überführen lassen. Diese Moleküle verhalten sich wie Bild und Spiegelbild.

    Bei der dritten dargestellten Verbindung sind an das zentrale C-Atom nur Methyl- und Chloro-Substituenten gebunden, daher kann es sich nicht um ein chirales Molekül handeln.
    Bei der letzten Verbindung trägt das C-Atom drei unterschiedliche Substitutenten – neben zwei Methylgruppen ein Fluor – und ein Chlor-Atom. Auch dies ist eine achirale Verbindung.
    Die übrigen, dargestellten Moleküle tragen am zentralen C-Atom vier unterschiedliche Substituenten, sie sind also chiral.

  • Berechne die spezifische Drehung der Verbindung.

    Tipps

    Lösung

    Ein Problem bei der Bestimmung des spezifischen Drehwinkels ist, dass am Polarimeter nicht unterschieden werden kann zwischen dem Winkel, der am Gerät abgelesen wird, und Winkeln, die sich durch eine oder mehrere vollständige Drehungen des polarisierten Lichts ergeben. Beispielsweise kann ein abgelesener Winkel von 10° auch einer vollständigen Drehung plus weitere 10° entsprechen also $370° = 10° + 360°$, oder sogar zwei vollständigen Drehungen, also $730°= 10°+ 2 \cdot 360°$, oder, noch gemeiner, einer Drehung von $-350°=10°-360°$. Man kann sich also noch nicht einmal auf das Vorzeichen verlassen!

    Der Ausweg aus diesem Dilemma ist einfach, ihr habt es in dieser Aufgabe selbst gemacht: Es müssen Messungen bei mindestens zwei unterschiedlichen Konzentrationen oder Schichtdicken vorgenommen werden. Durch den Vergleich der beiden Messergebnisse und ein bisschen Rechenarbeit lässt sich leicht feststellen, welcher Drehwinkel tatsächlich der Richtige ist und die dementsprechende spezifische Drehung lässt sich ermitteln.

    Falls du dich noch genauer mit der Thematik auseinander setzten möchtest, beachte bitte, dass die eigentliche Einheit des spezifischen Drehwinkels nicht Grad sondern Grad mal Milliliter durch Dezimeter mal Gramm lautet. Also:

    $[\alpha]=\frac{°\,\cdot\,\text{mL}}{\text{dm}\,\cdot\,\text{g}}\neq\,°$

    In unserem Fall wurde dieser nochmals modifiziert, um den gemessen Winkel direkt mit der Messung vergleichbar zu machen:

    $[\alpha]=\frac{°\,\cdot\,100\,\text{mL}}{\text{dm}\,\cdot\,\text{g}}\neq\,°$

    Im Video wie auch in der Übung hat man sich an dieser Stelle der gängigen chemischen Praxis gebeugt.

    Es gibt Tabellenwerte zu den spezifischen Drehwinkeln, die auf 100 mL statt auf 1 mL bestimmt werden. Zudem wird die genaue Einheit häufig weggelassen oder einfach als Grad angegeben. Die Folge davon ist, dass die spezifischen Drehwinkel nicht allgemein verwendbar sind und häufig um eine Potenz von 10² neben dem realen Wert liegen. Weitere Veränderungen entstehen durch den hohen Nutzungsgrad dieser Größe in der Medizin. Dies hat auch die Prägung auf 100 mL Lösungsmittel verstärkt. Man muss also immer die Messbedingungen kennen, unter denen der spezifische Drehwinkel entstanden ist, um seine Einheit zu ermitteln.