Kémia | Tanulmányok, esszék » Monoszacharidok koncentrációjának meghatározása polarimetria segítségével

POLARI (2012-2013) MONOSZACHARIDOK KONCENTRÁCIÓJÁNAK MEGHATÁROZÁSA POLARIMETRIA SEGÍTSÉGÉVEL Bevezetés A polarimetria királis anyagok tanulmányozására szolgáló hasznos módszer. A polarizált fény síkjának forgatási iránya és a forgatás nagysága a királis vegyületek fizikai tulajdonsága, amit ezen anyagok jellemzésére használhatunk. A legtöbb természetes anyag királis és ezért a lineárisan polarizált fényt elforgatják. Jelen gyakorlat során monoszacharidok keverékének optikai forgatóképességét vizsgáljuk és meghatározzuk relatív koncentrációjukat. A királis vegyületek optikai forgatóképességének tanulmányozására használt eszközt polariméternek nevezzük. A polariméter elkülöníti a végtelen számú síkban rezgő fény komponenseinek egyikét, ezt a királis vegyület oldatát tartalmazó mintacsövön átengedi és ezen lineárisan polarizált fény síkjának elfordulását méri. Az optikailag aktív folyadék,

oldat vagy (ritkán) gáz ill. szilárd anyag által elfordított lineárisan polarizált fény síkjának elfordulási szögét α-val jelöljük. Ez a szög lehet pozitív (+) vagy negatív (-) érték, attól függően, hogy az elfordulás az óramutató járásával megegyező vagy azzal ellentétes irányba történik és ennek megfelelően jobbra- ill. balraforgató anyagokról beszélünk. Mindezt a megfigyelő felé haladó fénysugarat tekintve definiáljuk (a fényforrás felől ennek az ellenkezőjét láthatjuk). Biot azt tapasztalta, hogy a megfigyelt forgatás mértéke függ a mintaoldatot vagy -folyadékot tartalmazó cső hosszától (l) és annak koncentrációjától (c) vagy tiszta folyadékok esetében a folyadék sűrűségétől az α = [α] × l × c képlet szerint. Az [α] arányossági tényező értéke a választott mértékegységtől függ. Az l értékét általában deciméterben, a c értékét pedig leggyakrabban g/100 mL egységben adják meg. Azaz

Biot eredeti összefüggése az alábbi képlet szerint módosul: 100α = [α] × l (dm) × c (g/100 mL). [α] értéke (az ún. fajlagos forgatóképesség) a hullámhossztól és a hőmérséklettől függ, amit alsó és felső indexben szokás feltüntetni, pl. az [α]D25 kifejezés a nátrium D-vonalának (589 nm) hullámhosszán és 25 °C-on végzett mérést jelenti. Ezen túlmenően, [α] az oldószertől és bizonyos mértékben a koncentrációtól is függ, ezért ezeket az adatokat meg kell adni. Ezt a mért érték után zárójelben tüntetik fel, azaz az [α]54620 = -10.8 ± 01 (c 5,77; 95% etanol) olyan forgatóképességet jelöl, amelyet 20 °C-on, 546 nm hullámhosszú fénnyel határoztak meg, 95% etanol oldószerben, 5,77 g/100 mL koncentrációjú oldat esetében. A fajlagos forgatóképesség mértékegysége fok cm2 g-1 és nem fok. Általában [α] értékét mértékegység nélkül (a 10-1 fok cm2 g-1 mértékegységet hallgatólagosan beleértve) és nem

fokban szokás megadni, ellentétben az α forgatóképességgel. A fajlagos forgatóképesség számbeli értéke az egyes vegyülettípusoknál nagy tartományban szór, pl. aminosavaknál viszonylag kis érték, szénhidrátoknál kicsi-közepes, míg a helicéneknél extrém nagy érték. POLARI (2012-2013) Az oldószer kiválasztása jelentősen befolyásolja a poláris anyagok optikai forgatóképességét a szolvatációs és asszociációs jelenségek miatt. A fajlagos forgatóképesség híg oldatok esetében független a koncentrációtól, azonban jelentős változása az oldószerrel vagy a koncentrációval nem ritka jelenség, pl. az L-(+)-borkősav esetében: [α]D20 = +135 ± 0.5 (c = 10, víz) és [α]D20 = +124 ± 04 (c = 20, víz) A forgatóképesség pH-függése savak és bázisok esetében szintén ismert és előfordul a forgatási érték előjelének megváltozása is, pl. az (S)-(+)-tejsav vízben jobbraforgató, míg a nátriumsója balraforgató; az

L-leucin vízben balraforgató, míg hidrokloridja jobbraforgató. Még érdekesebb változás, a forgatóképesség pozitívból negatív irányba való változása észlelhető hígítás hatására a 2-metil-2-etilborostyánkősav esetében, amely 0,7 % etanolt tartalmazó kloroformos oldatát hígítva, a forgatóképesség 6,3 %-os koncentrációnál nullává válik, majd előjelet vált. A jelenség (amely feltehetően asszociácónak tulajdonítható) alacsony polaritású oldószerekben (CHCl3 vagy CH2Cl2) figyelhető meg, alkoholok, piridin, diglim vagy acetonitril esetében ilyet nem tapasztaltak. Jelen gyakorlat során a jobbraforgató D-(+)-glükóz (régi neve: dextróz) balraforgató D-(-)-fruktózzá (régi neve: levulóz) való enzimatikus izomerizációját modellezzük, a folyamatot polarimetria segítségével követve. A D-glükóz/D-xilóz izomeráz enzim (D-xilóz ketol izomeráz) D-glükózt és D-xilózt D-fruktózzá ill. D-xilulózzá alakít át

megfordítható módon. Jelenleg ezt az enzimet használják a legnagyobb mennyiségben az élelmiszeriparban a nagy fruktóz-tartalmú kukoricaszirup (angolul: high-fructose corn syrup, HFCS) előállításához. A HFCS D-(+)-glükóz és D-(-)-fruktóz egyensúlyi, 1 : 1 arányú elegye, amely 1,3-szor édesebb, mint a szacharóz és 1,7-szer édesebb, mint a D-glükóz és cukorbetegek által is használható édesítőszerként alkalmazzák. 1995-ben a HFCS termelése a világon elérte a 10 millió tonnát (szárazanyag-tartalmat tekintve). Az előbbi átalakulással rokon folyamat a jobbraforgató répa- ill. nádcukor [D-(+)-szacharóz] savas hidrolízise D-(+)-glükóz és D-(-)fruktóz 1 : 1 arányú elegyévé A D-(-)-fruktóz erősebben balraforgató, mint amennyire a D(+)-glükóz jobbraforgató, így a hidrolízis során a forgatóképesség jobbról balra fordul át, ezért ezt a folyamatot a cukor inverziójának, a keletkező szirupot pedig invertcukornak nevezik. A

folyamat a természetben is lejátszódik az invertáz enzim (β-fruktofuranozidáz) segítségével, többek között így alakítják át a méhek a nektárt mézzé. Szükséges reagensek, eszközök, mérőműszer • • • • • 2 × 75 cm3 5% (m/v) koncentrációjú, víz-izopropanol 9:1 (v/v) arányú elegyével készült D-(+)-glükóz és D-(-)-fruktóz törzsoldat (az izopropanol a cukoroldatok bakteriális bontását gátolja meg); 20 cm3 ismeretlen oldat; 6 db 50 cm3-es főzőpohár; 2 db 10 cm3-es dugattyús méregpipetta; AA-55 polariméter (Optical Activity Ltd., Ramsey, Nagy-Britannia) A mérés menete 1. Csatlakoztassuk a polariméter elektromos dugaszát a hálózathoz 2. Kapcsoljuk be a készüléket a jobboldalon található gombbal Hagyjuk 30 percig bemelegedni. 3. A mérés megkezdése előtt a készülék nulla-értékét be kell állítani úgy, hogy a kijelző mellett található nullázó gombot megnyomjuk, miközben a mintatartó üres és fedele le

van zárva. POLARI (2012-2013) 4. Készítsünk 6 kalibráló oldatot a főzőpoharak és a dugattyús méregpipetták segítségével D-(+)-glükóz és D-(-)-fruktóz törzsoldatokból az alábbi táblázatban található értékek felhasználásával: Sorszám 1 2 3 4 5 6 ismeretlen D-(-)-fruktóz törzsoldat térfogata (cm3) D-(-)-fruktóz konc. a keletkező oldatban [% (m/v)] D-(+)-glükóz törzsoldat térfogata (cm3) D-(+)-glükóz konc. a keletkező oldatban [% (m/v)] 0 4 8 12 16 20 0 1 2 3 4 5 20 16 12 8 4 0 5 4 3 2 1 0 α (fok) 5. Töltsük meg a polariméter mintacsövét az 1 sz oldattal a csövön található tölcsérek segítségével buborékmentesen (erről úgy győződhetünk meg, hogy a fény felé tartva keresztülnézünk a csövön). Mielőtt új oldattal töltjük meg a mintacsövet, előzőleg kétszer gondosan öblítsük át néhány cm3 oldattal a mérés megkezdése előtt. 6. Helyezzük a mintacsövet a mintartóba a rozsdamentes rudakra

úgy, hogy a tölcsérek függőlegesen felfelé álljanak és zárjuk le a mintatartó fedelét. A minta forgatóképessége megjelenik a kijelzőn és kb. 8-10 másodperc alatt stabil értéket vesz fel. A forgatóképesség értékét fokokban, két tizedesjegy pontosággal, a megfelelő előjellel együtt (+/-) olvassuk le és jegyezzük fel. 7. Ismételjük meg az 5 és 6 lépést minden egyes oldattal Számítás Egy grafikonon tüntessük fel az optikai forgatóképesség (α) koncentrációfüggését. Illesszünk egyenest a kapott pontokra. Határozzuk meg az ismeretlen oldatban a D-(-)-fruktóz és a D-(+)glükóz koncentrációját [% (m/v)] két tizedesjegy pontosággal a kalibrálógörbe segítségével A programozható zsebszámológépekben ill. asztali/laptop számítógépekben található lineáris regresszió programokat is használhatjuk erre a célra (pl. az Excel vagy a QuattroPro ‘lineáris regresszió’ ill. ‘trend’ függvényei) Határozzuk meg azt a

koncentrációértéket is, amelynél nem tapasztalunk forgatást. A laboratóriumi jegyzőkönyvben rögzítendő adatok: • • • • mérési adatok táblázat formájában; a mérési pontokat bemutató grafikon és a rá illesztett egyenes; az ismeretlen oldatban a D-(-)-fruktóz és a D-(+)-glükóz koncentrációja [% (m/v)], két tizedesjegy pontosággal megadva; annak a D-(-)-fruktóz és D-(+)-glükóz koncentrációnak az értéke, ahol nem tapasztalunk forgatást