DE19545018A1 - Polarimeter for observation of angle of rotation in reactions - Google Patents

Abstract

The polarimeter uses a computer controlled polarimeter for measuring angle of rotation changes and reactions, and provides for automatic long-term observation, as, for example, in mutarotations. The dependency of the rotation on the wavelength is demonstrated by the use of two different wavelengths. For observing the temperature dependency of rotation value determination, the polarimeter has a warmable measuring cuvette which holds the trial temperature constant and a pump/stir system, mounted on a hydraulic lift, with which a second substance can be introduced during the measuring process.

Description

Translated fromGerman

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Beobachtung von Drehwin­keländerungen und Reaktionen über einen vordefinierten Zeit­raum und unter konstanten Versuchsbedingungen.The invention relates to a device for observing Drehwinchanges and reactions over a predefined timeroom and under constant test conditions.

Zweckpurpose

Das Gerät dient der anwenderfreundlichen Messung und grafi­schen Darstellung von Drehwinkeln und Drehwinkeländerungen über einen bestimmten Zeitraum und zur Beobachtung der Tem­peraturabhängigkeit bei Drehwertbestimmungen. Langzeitmes­sungen mit dem Gerät erlauben eine kinetische Betrachtung von Reaktionen (z. B. Mutarotationen). Durch Messungen bei zwei verschiedenen Wellenlängen kann der Effekt der Rotationsdis­persion belegt werden.The device is used for user-friendly measurement and graphirepresentation of angles of rotation and changes in angles of rotationover a certain period of time and to observe the temtemperature dependency when determining rotary values. Long-term measurementsolutions with the device allow a kinetic consideration ofReactions (e.g. mutarotations). By measurements on twoThe effect of the rotary dispersion be occupied.

Stand der TechnikState of the art

Nach unserem Wissen existieren Polarimeter, die den momen­tanen Drehwert einer Lösung bestimmen.As far as we know, there are polarimeters that measure the momentDetermine the tan rotation value of a solution.

Kritik des Standes der TechnikCritique of the state of the art

Eine Beobachtung einer Drehwinkeländerung über einen länge­ren Zeitraum ist mit herkömmlichen Polarimetern sehr umständ­lich, da die Messungen nicht automatisiert sind. Reaktionen, bei denen sich der Drehwert nach Zugabe eines zweiten Edukts ändert, können nur mit erhöhtem Aufwand beobachtet werden. Die Reaktionswärme bei solchen Reaktionen kann mit üblichen Geräten nicht abgeführt werden, so daß der Drehwert verändert wird.An observation of a change in the angle of rotation over a lengthTheir period is very cumbersome with conventional polarimetersLich, since the measurements are not automated. Reactions, atwhich the rotational value after adding a second eductchanges can only be observed with increased effort.The heat of reaction in such reactions can with usualDevices are not removed, so that the rotation value changesbecomes.

Aufgabetask

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die üblichen Geräte zu ergänzen.The invention has for its object the usual devicesto complete.

Lösungsolution

Konstruktion einer temperierbaren Küvette zur Konstanthaltung der Versuchstemperatur. Eine zweite Substanz kann während der laufenden Messung mit einem Pump-/Rührsystem in die Küvette gegeben werden. Mit der Computersteuerung ist die Durchführung von Messungen ohne weitere Kontrolle möglich.Construction of a temperature-controlled cuvette for keeping constantthe test temperature. A second substance can be used duringthe ongoing measurement with a pump / stirring system in theCuvette be given. With the computer control that isMeasurements can be carried out without further control.

Weitere Ausgestaltung der ErfindungFurther embodiment of the invention

Die komplette Versuchsanordnung ist in einem "lichtdichten" Versuchskasten. Ein PC übernimmt die Steuerung und Kontrolle des Versuches, so daß sehr anwenderfreundliche Messungen ermöglicht werden. Die unter Borland Pascal 7.0 programmierte Software "PolarDos 2.0" erlaubt die grafische Darstellung der Meßergebnisse. Ein Glasmantel um die Küvette kann die Meß­substanz temperieren (externer Anschluß eines Thermostats). Um eine zweite Substanz zwecks Drehwinkelverlaufsmessung bei Reaktionen ohne großen Aufwand in die Küvette zu bringen, wurde ein Pump-/Rührsystem konstruiert. Ein kleiner Rührer, der nur kurzzeitig durch eine Hebebühne in die Küvette gesenkt wird, durchmischt die durch eine Pumpe in das Reaktionsgefäß gelangte zweite Substanz mit der Ausgangssubstanz. Die Hebe­bühne ist nötig, um den störenden Einfluß des Rührers im Strahlengang zu vermeiden. Zur Messung stehen zwei verschie­dene Lichtquellen zur Verfügung (589 nm; 670 nm), d. h. die Ab­hängigkeit von Wellenlänge und Drehwinkel kann mit dem Gerät untersucht werden.The complete experimental set-up is in a "light-tight"Test box. A PC takes over the control and monitoringof the trial, so that very user-friendly measurementsbe made possible. The one programmed under Borland Pascal 7.0"PolarDos 2.0" software allows the graphic display of theMeasurement results. A glass jacket around the cuvette can measuretemper the substance (external connection of a thermostat).A second substance for the purpose of measuring the angle of rotationin the case of reactions without much effort,a pump / agitator system was constructed. A little stirrerwhich is only briefly lowered into the cuvette by a lifting platformis mixed by a pump into the reaction vesselarrived second substance with the starting substance. The liftingstage is necessary to avoid the disturbing influence of the stirrerAvoid beam path. There are two different types for measurementlight sources available (589 nm; 670 nm), d. H. the AbDependence on wavelength and angle of rotation can be achieved with the deviceto be examined.

Erzielbare VorteileAchievable advantages

Die Messungen mit unserem Gerät sind anwenderfreundlicher zu machen, da Messungen über einen längeren Zeitraum automa­tisch vom Computer überwacht und durchgeführt werden. Dreh­winkeländerungen bei Reaktionen können bei gleichbleibender Temperatur beobachtet werden.The measurements with our device are more user-friendly toomake because measurements over a longer period automabe monitored and carried out by the computer. Shootchanges in the angle of reactions can be the sameTemperature can be observed. 

Beschreibung mehrerer AusführungsbeispieleDescription of several embodiments

Die grundsätzliche Anforderung eines Meßgerätes ist, daß es reproduzierbare Meßwerte erlaubt, d. h. daß bei gleichen Versuchen gleiche Ergebnisse erhalten werden. Um dies bei dem zum Patent angemeldeten Polarimeter zu überprüfen, führten wir mehrere Messungen unter gleichen Versuchsbedingungen durch, d. h. wir bestimmten mehrmals den Drehwinkel einer optisch aktiven Substanz. Die Versuchsergebnisse waren bei allen Messungen etwa konstant.The basic requirement of a measuring device is that it allows reproducible measured values, i. H.that the same results are obtained in the same experiments. To do this with the patentTo check the registered polarimeter, we carried out several measurements under the sameExperimental conditions by, d. H. we determined the angle of rotation of an optically active one several timesSubstance. The test results were approximately constant in all measurements.

Am Beginn eines Versuches verbindet man das Polarimeter korrekt mit dem Computer und startet das Steuerungsprogramm. Beim Starten eines Modus wird das Eichfenster automatisch geöffnet. Mit einer optisch inaktiven Flüssigkeit, die sich in der Küvette befindet, wird das Gerät geeicht. Anschließend wird die Küvette mit der Meßlösung blasen- und schlierenfrei gefüllt (35 ml) und im Strahlengang mit den Kühlschläuchen fixiert. Eine zweite flüssige Substanz (maximal 5 ml) kann optional in das Pumpgefäß gegeben werden, um sie bei einer Langzeitmessung zu einem bestimmten Zeitpunkt in die Küvette zur Meßlösung zu pumpen. Im Programm werden die Versuchsoptionen individuell angepaßt und der Versuch gestartet.At the beginning of an experiment, the polarimeter is correctly connected to the computer and startedthe control program. When a mode is started, the calibration window opens automatically. WithThe device is calibrated to an optically inactive liquid in the cuvette.The cuvette is then filled with the measuring solution without bubbles and streaks (35 ml) and inBeam path fixed with the cooling hoses. A second liquid substance (maximum 5 ml) cancan optionally be added to the pump vessel to make them into a long-term measurementto be pumped into the cuvette to the measurement solution at a specific time. In the program, theTrial options customized and the trial started.

Dieses Kapitel beschreibt verschiedene Anwendungsmöglichkeiten eines Polarimeters.This chapter describes various possible uses of a polarimeter.

1. Drehwinkel bei verschiedenen Wellenlängen1. Angle of rotation at different wavelengths

Unser Polarimeter bietet die Möglichkeit, durch Messungen bei zwei verschiedenen Wellenlängen die Abhängigkeit der Drehung von der Wellenlänge zu zeigen. Diese normale Rotationsdispersion, die zu Anfang des 19. Jahrhunderts von F. ARAGO und B. BOT entdeckt wurde, besagt, daß der Drehwinkel mit wachsender Wellenlänge abnimmt. Mit dem folgenden Versuch kann der Effekt nachgewiesen werden.Our polarimeter offers the possibility of measuring by measuring at two different wavelengthsTo show dependence of the rotation on the wavelength. This normal rotational dispersion that tooIt was discovered in the early 19th century by F. ARAGO and B. BOT, that the angle of rotationdecreases with increasing wavelength. With the following experiment, the effect can be demonstratedwill.

Vorbereitung: 13,59 g (-)-Fructose werden in 50 ml Wasser vollständig gelöst und bei Laser- und Leuchtdiodenlicht auf ihren Drehwinkel untersucht. Der erwartete Drehwert müßte bei 589 nm Wellenlänge etwa bei α = -25° liegen (ausgerechnet). Zur Bestimmung der durchschnittlichen Drehung genügen 5 Messungen.Preparation: 13.59 g (-) - fructose are completely dissolved in 50 ml of water and with laser andLED light is examined for its angle of rotation. The expected rotation value should be at 589 nmWavelength is around α = -25 ° (calculated). To determine the average5 measurements are sufficient.

Bei diesem Versuch ist allerdings zu beachten, daß die Fructose ihren Drehwinkel nach einiger Zeit ändert (Mutarotation). Die beiden Messungen sollten daher ohne Pause direkt nacheinander durchgeführt werden.In this experiment, however, it should be noted that the fructose changes its angle of rotation after some timechanges (mutarotation). The two measurements should therefore take place one after the other without a breakbe performed.

Ergebnis: Bei der Wellenlänge von 589 nm erhielten wir einen durchschnittlichen Drehwert von α = -23,94°. Bei dem Laserlicht erhielten wir, wie erwartet, einen deutlich niedrigeren Drehwert von nur α = -20,48°.Result: At the wavelength of 589 nm we got an average rotation ofα = -23.94 °. As expected, the laser light gave us a significantly lower rotation value ofonly α = -20.48 °.

2. Bestimmung spezifischer Drehwinkel2. Determination of specific angle of rotation

Die Bestimmung von spezifischen Drehwinkeln ist mit unserem Polarimeter möglich, da wir die Versuchsbedingungen (Messung bei 589 nm, 1 dm Küvettenlänge, Zimmertemperatur, bestimmte Konzentration) erfüllen können.The determination of specific angles of rotation is possible with our polarimeter, since we have theTest conditions (measurement at 589 nm, 1 dm cell length, room temperature, certainConcentration).

Vorbereitung: Man löst eine abgewogene Menge eines Stoffes in 100 ml destilliertem Wasser. Man sollte dafür sorgen, daß die Lösung blasenfrei und mit einer Temperatur von 20°C in die Küvette eingefüllt wird. Man bestimmt den aktuellen Drehwert bei der Wellenlänge von 589 nm.Preparation: Dissolve a weighed amount of a substance in 100 ml of distilled water. Manshould ensure that the solution is bubble-free and at a temperature of 20 ° C in the cuvetteis filled. The current rotation value at the wavelength of 589 nm is determined.

Ergebnis: Man setzt nun in die Gleichung der spezifischen Drehung den gemessenen Drehwert α, die Konzentration c in g/100 ml und die Küvettenlänge/(1 dm) ein und erhält den spezifischen Drehwinkel der verwendeten Substanz.Result: The measured rotation value α, theConcentration c in g / 100 ml and the cuvette length / (1 dm) and receives the specific angle of rotationthe substance used.

Beispiel: Berechnung des spezifischen Drehwinkels der Fructose:Example: Calculating the specific angle of rotation of fructose:

Wir erreichten eine prozentuale Abweichung von 4,23%. Der Literaturwert für Fructose liegt bei[α] = -91,97°.We achieved a percentage deviation of 4.23%. The literature value for fructose is [α] = -91.97 °.

3. Konzentrationsbestimmung3. Determination of concentration

Mit dem optischen Drehvermögen einer bekannten Substanz läßt sich deren Konzentration bestimmen.With the optical rotation capacity of a known substance, its concentration can be determineddetermine.

Vorbereitung: Man mißt den aktuellen Drehwert einer Lösung unbekannter Konzentration bei 589 nm.Preparation: You measure the current rotation value of a solution of unknown concentration at 589 nm.

Ergebnis: Mit Hilfe der Konzentrationsgleichung berechnet man die Lösungskonzentration.Result: The solution concentration is calculated using the concentration equation.

Beispiel: Man erhält den Drehwert einer Fructose- Lösung von α = -44,85° bei der Wellenlänge 589 nm, 1 dm Küvettenlänge und Zimmertemperatur. Daraus ergibt sich mit dem spezifischen Drehwertvon [α] = -91,97° die Konzentration:Example: The rotational value of a fructose solution of α = -44.85 ° at wavelength 589 is obtainednm, 1 dm cell length and room temperature. This results in the concentration with the specific rotation value of [α] = -91.97 °:

Die Meßlösung hatte eine Konzentration von 48,77 g/100 ml.The measuring solution had a concentration of 48.77 g / 100 ml.

4. Inversion der Saccharose4. Inversion of sucrose

Eine wäßrige Lösung des Disaccharides Rohrzucker (Saccharose) ist nicht stabil. Das Rohzuckermolekül zerfällt unter Bildung der Monosaccharide β-Fructose und α-Glucose (gleiche Molarität). Die beiden Monosaccharide bauen sofort ein chemisches Gleichgewicht auf, so daß auch β-Glucose und α-Fructose entstehen. Nach einiger Zeit liegen keine Saccharose-Teilchen mehr in Lösung vor. Die Saccharose ist in Lösung stark rechtsdrehend ([α] = +66,5°). Nach der Reaktion dominiert die stark linksdrehende Fructose ([α] = -91,97°) gegenüber der relativ schwach rechtsdrehenden Glucose ([α] = +52,7°), so daß der Drehwinkel von anfänglich rechtsdrehend auf linksdrehend wechselt. Dieser Effekt wird Inversion genannt.An aqueous solution of the disaccharide cane sugar (sucrose) is not stable. TheRaw sugar molecule breaks down to form the monosaccharides β-fructose and α-glucose (sameMolarity). The two monosaccharides immediately build up a chemical equilibrium, so that tooβ-glucose and α-fructose are formed. After a while, there are no more sucrose particlesSolution before. The sucrose is strongly clockwise in solution ([α] = + 66.5 °). After the reactiondominates the strong left-turning fructose ([α] = -91.97 °) compared to the relatively weakclockwise glucose ([α] = + 52.7 °), so that the angle of rotation from initially clockwiseturns to the left. This effect is called inversion.

Chemische Gleichung Chemical equation

Vorbereitung: Man löst 12 g Saccharose in 35 ml destilliertem Wasser (34,29 g/100 ml) und füllt die Küvette blasenfrei auf. Anschließend gibt man in das mit Pumplösung vorgespülte Pumpgefäß 5 ml konzentrierte Salzsäure (36%ig). Im Programm "PolarDos 2.0" wählt man den Modus "Verlaufsmessung". Die Versuchsdauer nach der Salzsäurezugabe beträgt bei diesem Ansatz etwa 2000 s.Preparation: Dissolve 12 g sucrose in 35 ml distilled water (34.29 g / 100 ml) and fill itCell free of bubbles. Then add 5 ml to the pump vessel that has been rinsed with the pump solutionconcentrated hydrochloric acid (36%). in theSelect the program "PolarDos 2.0"the mode "course measurement". TheTrial duration after theThe addition of hydrochloric acid is thisApproach around 2000 s.

Ergebnis: Der (durchschnittliche) Drehwert von anfänglich
α = +18,525° in unserer Messung erreichte zum Ende einen Wert von α = -6,825°. Aus mehreren Versuchsreihen errechneten wir einen Durchschnittsverlauf (Diagramm 1).Result: The (average) rotation value from the beginning
In the end, α = + 18.525 ° in our measurement reached a value of α = -6.825 °. We calculated an average course from several test series (diagram 1).

Diagramm 1: Inversion gemessen mit unserem Polarimeter Diagram 1: Inversion measured with our polarimeter

Die Beschleunigung der hydrolytischen Spaltung nach der Säurezugabe ist auf die katalytische Wirkung der Hydroniumionen (H₃O⁺) zurückzuführen, d. h. je höher die Konzentration an H₃O⁺-Ionen ist, desto schneller bilden sich die Endprodukte.The acceleration of thehydrolytic cleavage after theAcid addition is based on the catalyticEffect of hydronium ions (H₃O⁺) attributed, d. H. the higher the concentration of H₃O⁺ ionsis, the faster the end products are formed.

Der Anfangsdrehwert (Literatur) bei 589 nm der Saccharose direkt nach dem Lösen liegt nach der Gleichung beiThe initial rotation value (literature) at 589 nm of the sucrose directly after the dissolution is after theEquation at

Im Endzustand liegt ein Gemisch vonIn the final state there is a mixture of

vor. Daraus kann man den Enddrehwert vonin front. From this canto get the final speed of

berechnen (Messung bei 670 nm: α = -6,825°). Die Abweichungen liegen beim Anfangswert bei 18,75% bzw. bei 1,41% beim Enddrehwert. Der Unterschied zwischen berechnetem und gemessenem Wert ist mit den unterschiedlichen Wellenlängen (Literatur: 589 nm; Messung: 670 nm) zu begründen (Rotationsdispersion), wobei Meßfehler nicht auszuschließen sind.to calculate(Measurement at 670 nm: α = -6.825 °). The deviations in the initial value are 18.75% orat 1.41% at the final speed. The difference between the calculated and measured value is withthe different wavelengths (literature: 589 nm; measurement: 670 nm)(Rotational dispersion), whereby measurement errors cannot be excluded. 

5. Mutarotation von α- und β-Glucose5. Mutarotation of α- and β-glucose

Unter Mutarotation versteht man eine zeitliche Veränderung des Drehwinkels einer optisch aktiven Substanz.Mutarotation is a change in the angle of rotation of an optically active one over timeSubstance.

Man beobachtet diesen Effekt vor allem bei Zuckerlösungen, die längere Zeit stehengelassen werden. Eine intramolekulare Umlagerung bei Zuckermolekülen von der α- in die β-Form und umgekehrt erklärt die zeitliche Drehwinkeländerung. Löst man α- bzw. β-Glucose in Wasser, so stellt sich nach einiger Zeit ein chemischer Gleichgewichtszustand ein.This effect is observed especially with sugar solutions that have been left for a long timewill. An intramolecular rearrangement of sugar molecules from the α to the β form andconversely, the change in the angle of rotation over time explains. If one dissolves α- or β-glucose in water, it providesa chemical equilibrium state develops after some time.

Chemische Gleichung Chemical equation

Vorbereitung: Eine α-Glucoselösung mit der Konzentration von 4,375 g in 35 ml Wasser wird blasen- und schlierenfrei in die Versuchsküvette gefüllt. Es wird über 2,5 Stunden die Drehwinkeländerung beobachtet. Der Versuch wird anschließend analog mit β-Glucose wiederholt.Preparation: An α-glucose solution with a concentration of 4.375 g in 35 ml of water becomes bubble andFilled into the test cell free of streaks. It will change the angle of rotation over 2.5 hoursobserved. The attempt willthen analogously with β-glucoserepeated.

Ergebnis: Bei der α-Glucose fällt der Drehwert von gemessenen 95,55° auf 49,725° nach dem Versuch. Der Drehwert der β-Glucoselösung steigt von 17,55° auf 47,775° an. Man extrapoliert den Grenzwert beider Versuchsergebnisse, der bei unseren durchschnittlichen Meßergebnissen bei 48,75° liegt. Die α-Glucose ändert den Drehwinkel um 46,8°, die β-Glucose um 31,2°. Der Gleichgewichtszustand läßt sich also durchResult: With the α-glucose fallsthe rotational value of measured95.55 ° to 49.725 ° after theAttempt. The rotation value of the β-glucose solutionrises from 17.55 °47.775 °. You extrapolate itLimit of bothTest results atour averageMeasurement results at 48.75 °.The α-glucose changes thatAngle of rotation by 46.8 °, the β-glucoseby 31.2 °. Of theSo equilibrium can beby

anders ausgedrückt liegen im Gleichgewicht 40% der α- bzw. 60% β-Form vor (Literatur: 36,1% und 63,9%). Bei unserer Messung lag der Meßfehler bei 6,1%.in other words, 40% of the α- or60% beta form before (literature: 36.1% and 63.9%). The measurement error was included in our measurement6.1%.

Diagramm 2: Beobachtung der Mutarotation mit unserem Polarimeter Diagram 2: Observation of the mutarotation with our polarimeter

Claims (3)

Translated fromGerman

1. Computergesteuertes Gerät zur Messungen von Drehwinkeln und Drehwinkelverläufendadurch gekennzeichnet, daß es die Möglichkeit einer automati­schen Langzeitbeobachtung mit Hilfe des PC bietet.1. Computer-controlled device for measuring angles of rotation and angles of rotationcharacterized in that it offers the possibility of an automatic long-term observation using the PC.2. Auf einer Hebebühne montiertes Pump-/Rührsystem.2. Pump / stirring system mounted on a lifting platform.3. Temperierbare Meßküvette, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Substanz in die Meßlösung gerührt und die Versuchstemperatur konstant gehal­ten werden kann.3. Temperature-controlled measuring cell,characterized in that a further substance in theStir the measuring solution and keep the test temperature constantcan be.