SRO om kirale forbindelser

Side 1

STX 2.g

2.x

Kirale forbindelser - SRO

SRO – kirale forbindelser

STX 2.g

Klasse: 2x

Fag: Kemi & Fysik

Esbjerg Gymnasium 13.marts. 2011

Abstract

This paper is about the concept of chirality; the term chiral in general is used to describe an object that is non-supposable on its mirror image. The study was set out to prove if laser light was polarized, and after that to use the laser on three different sugar dissolution to see the optical activity. The study adopted inductive method, by having an idea of what is going to happen, proving it by some kind of experiment and then draw a conclusion, to see if you were right or wrong. In our study we had to prove if it was R or S formula of limonen that was in oranges. We started isolating limonen from the orange peel, then to boil it and then isolating the limonen from water in this new fluid we had. The only way to recognize the R from S formula is by smelling it or by optical activity. Our data were inaccurate, but by smelling to our isolated limonen, we could tell that it was an R-formula.

Side 2

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Indholdsfortegnelse

Indhold

Indholdsfortegnelse ........................................................................................................................................... 2 Opgaveformulering............................................................................................................................................ 3 Kiralitet .............................................................................................................................................................. 3 Historie .......................................................................................................................................................... 3 Strukturisomeri .............................................................................................................................................. 4 Stereoisomeri ................................................................................................................................................ 4 Kiral katalyse .................................................................................................................................................. 4 Øvelse 1 – Laserlys ............................................................................................................................................. 5 Polarisation af laserlys ................................................................................................................................... 6 Laseren ...................................................................................................................................................... 6 Postevand .................................................................................................................................................. 6 Optisk aktivitet i sukkeropløsningerne .......................................................................................................... 6 Saccharose ................................................................................................................................................. 6 Glucose ...................................................................................................................................................... 7 Fructose ......................................................................................................................................................... 7 Øvelse 2 – Isolering af limonen ......................................................................................................................... 8 Brydningsindekset ..................................................................................................................................... 8 Vores limonen som vi isolerede fra appelsinnerne ....................................................................................... 8 Rent R-Limonen opløst i heptan 1:1 .............................................................................................................. 8 Konklusion ....................................................................................................................................................... 10 Litteraturliste ................................................................................................................................................... 11

Side 3

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Opgaveformulering

1) Indledningsvis ønskes en redegørelse af begrebet kiralitet. Redegør herefter for hvad man forstår ved planpolariseret lys og begrebet optisk aktivitet.

2) Undersøg eksperimentelt polarisationen af laserlys og optisk aktivitet i sukkeropløsninger.

3) Isoler limonen fra appelsiner og undersøg ved hjælp af optisk aktivitet, om der er tale om

R-formen.

4) Diskuter kort et eksempel, hvor kiralitet har betydning, fx udviklingen af nye lægemidler.

Kiralitet

Historie

Det var den franske kemiker og mikrobiolog Louis Pasteur, som i midten af 1800-tallet opdagede fænomenet kiralitet. Pasteur lavede krystallografiske undersøgelser af en nyopdaget vinsyre, der havde samme kemiske opbygning og struktur som almindelig vinsyre. Imidlertid havde den tyske kemiker Eilhardt Mitscherlich vist, at mens almindelig vinsyre afbøjede planpolariseret lys, havde

druesyre ikke en sådan effekt.^{1}

Pasteur opdagede, at salte, som udkrystalliseredes fra druesyre, bestod af to typer krystaller, som var spejlbilleder af hinanden. Og når disse krystaller blev sorteret, og der blev sendt planpolariseret lys igennem, afbøjede de to krystaltyper lyset i hver sin retning.

Druesyre bestod af en binding af to forbindelser, der var spejlbilleder af hinanden. På baggrund af

Pasteurs opdagelser klassificeres kirale forbindelser efter, hvilken vej, de drejer planpolariseret lys.

Forbindelser, der drejer lyset venstre om, får betegnelsen L, mens forbindelser, der drejer lyset til

                    2
højre, får betegnelsen D.

Vinsyre eksisterer i flere isomere former. Ligeledes gør mælkesyre der findes i to forskellige former. De to molekyler har forskellig rumlig opbygning, men samme molekylformel. Selvom de er hinandens spejlbilleder er de forskellige da det ikke er muligt at få alle ens grupper til at dække hinanden. Molekylerne er derfor det man kalder spejlbilledisomere eller lidt finere: enantiomere former og repræsenterer to forskellige stoffer. Dette er kiralitet.

Skal man forklare det med mælkesyre, skyldes det at carbon Kædeisomeri atomet i midten af carbonkæden er

1

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Mikrobiologer/Louis_Pasteur?highlight=pasteur

2

Kemi i 3D – om kiralitet i kemien

Isomeri

Strukturisomeri Stillingsisomeri

Funktionsisomeri

Stereoisomeri

Cis/trans-isomeri

Optisk isomeri

Side 4

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Enantiomere stoffer har præcis samme opløselighed i vand og samme fysiske egenskaber på nær én! De drejer polarisationsretningen af polariseret lys i hver sin retning og med numerisk lige store vinkler. De stoffer der drejer retningen af lysets polarisationsplan kaldes optisk aktive. Denne form for isomeri kaldes derfor optisk isomeri.

Strukturisomeri

Når man omtaler strukturisomeri findes der tre typer isomeri nemlig:

Kædeisomeri, stillingsisomeri og funktionsisomeri.

Figur 1 er et klassisk eksempel på strukturisomeri, molekylerne har

                                                      3
samme bruttoformel C H O, men alligevel forskellige egenskaber.

4 10

Stereoisomeri

Optisk isomeri findes ved molekyler, der er hinandens spejlbilleder.

Molekylernes fysiske og kemiske egenskaber er identiske på nær forbindelsernes evne til at dreje polarisationsretningen af planpolariseret lys og deres reaktionsforhold over for andre spejlisomere forbindelser. Dette kan give de to isomerer forskellige biologiske egenskaber. Et godt eksempel er carvon, der stammer fra grøn mynte, som har tydelig mynteduft, hvorimod spejlbilledisomeren carvon fra kommen har kommenduft. Skønt de er fysisk og kemisk identiske, reagerer de forskelligt med næsens asymmetriske duftreceptorer.

Kiral katalyse

3

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Kemi/Organisk_kemi_og_stoftyper/isomeri#Strukturis

omeri

Figur 1

Side 5

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Hvis produktet ved en reaktion er et stof, der findes i to spejlbilledisomere former, vil der sædvanligvis dannes lige meget af de to former. Det er nemlig lige sandsynligt at et molekyle angribes fra højre eller venstre af et andet molekyle. Dette er derfor et problem når fx medicinalindustrien gerne vil fremstille kirale lægemidler, hvor kun spejlbilledformen med den rigtige 3D struktur findes i præparatet.

Til dette formål benytter man en kiral katalysator. Denne katalysator kan skelne mellem en højre-og en venstreform af et kiralt molekyle. Dette kan vores enzymer også, de er nemlig i stand til selektivt at katalysere kemiske reaktioner i levende celler. Da enzymerne i kroppen kan skelne mellem to spejlbilledformer med 99,9 % selektivitet, efterligner medicinalindustrien naturen ved brug af kunstige enzymer i produktionen.

Dette opnår man ved kiral syntese, hvor målet er kun at fremstille den ene af to mulige spejlbilledformer ud fra to reagerende stoffer A og B. Ideen består i at det kunstige enzym skærmer den venstre side af molekylet A, så der kun kan ske en reaktion på højreside med molekylet B. der dannes derfor kun (+) formen af produktet. (+) angiver at molekylet drejer planpolariseret lys til højre altså med uret.

Det kunstige enzym indeholder ofte et metal, hvor metalatomet sørger for at øge reaktionshastigheden, mens proteindelen fungerer som afskærmning. Det er ikke blot i biologiske reaktioner at der er stor interesse for kirale katalysatorer, men også inden for produktion af polymere stoffer har det stor interesse at kunne styre deres 3D struktur.

Øvelse 1 – Laserlys

Forsøgsbeskrivelse

Vi skulle som gruppe, måle vha. laseren og polarisationsfiltre en rækkes stoffers optisk aktivitet. Vi skulle starte med almindelig postevand for at bevise at det ingen optisk aktivitet havde.

Analysefiltret roteres hver gang i 10 graders interval. Forsøget skulle gentages med opløsninger af saccharose, fructose, glucose.

Formålet var at undersøge om laserlys er planpolariseret.

Side 6

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Polarisation af laserlys

Laseren

Se bilag 1 fig. 1.

Ud fra grafen er der to muligheder for at finde dets maksimum, og derved finde ud af hvor meget det er drejet. Man kan ud fra toppunktet på grafen, plotte det ind på et CAS-værktøj

(lommeregner eller program) og derved få den til at lokalisere toppunktet. Mulighed nr. 2 er at differentiere funktionen og løse den til 0.

Ved at bruge metoden nr. 1 har jeg fundet maksimummet for grafen i punktet (149;3853), dvs at

                      o
laserlyset bliver drejet 149 .

Postevand

Se bilag 1 fig. 2.

Vi undersøgte postevands optiske aktivitet.

Regner ud hvor meget afbøjningsvinklen afviger:

31,00 − 30,90

31,00

= 0,32%

Ud fra det kan vi se at postevand ikke er optisk aktivt.

Optisk aktivitet i sukkeropløsningerne

Saccharose

Se bilag 2 fig. 3.

Når man aflæser på grafen er b-værdien 37. Dvs. vores opløsning drejer lyset:

31^{o} – 37^{o} = -6^{o}

Tabelværdien for saccharoses specifikke drejningsvinkel er: (Se tabel)

[ α]_{λ}^{20} = +66,37

° 𝑑𝑚 ∗ 𝑔/𝑚𝑙

Bestemmer hvor meget opløsningen burde dreje lyset:

α = [ α]_{λ}^{20} ∗ c ∗ l = 66,37 ∗ 0,25g/mL ∗ 0,5dm = 8,29°

°

dm ∗ g/mL

Regner ud hvor meget afbøjningsvinklen afviger:

Kulhydrat Specifik drejningsvinkel:

| |/°·dm^{-1} ·(g/mL)^{-1}

α

Saccharose 66,37

Glucose 52,7

Fructose 92,4

Side 7

2.x

Kirale forbindelser - SRO

8,29° − 6°

8,29°

∗ 100% = 27,62%

Glucose

Bilag 2 fig. 4

Proceduren er den samme som ved sacharose:

Den specifikke drejningsvinkel:

−51,4

°

dm ∗ g/ml

Bestemmer hvor meget opløsningen burde dreje lyset.

α = [ α]_{λ}^{20} ∗ c ∗ l = −51,4 ∗ 0,25g/mL ∗ 0,5dm = −6,425°

°

dm ∗ g/mL

Regner ud hvor meget afbøjningsvinklen afviger:

−10,2° − (−6,425°)
−10,2°

∗ 100% = 37,01%

Fructose

Bilag 3. fig. 5

Den specifikke drejningsvinkel:

[ α]_{λ}^{20} = −92,4

°

dm ∗ g/mL

Bestemmer hvor meget opløsningen burde dreje lyset

α = [ α]_{λ}^{20} ∗ c ∗ l = −92,4 ∗ 0,5dm ∗ 0,25g/mL = −11,55°

°

dm ∗ g/mL

Regner ud hvor meget afbøjningsvinklen afviger:

−11,55° − ( −8,9°)
−11,55°

∗ 100% = 22,94%

Side 8

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Øvelse 2 – Isolering af limonen

Forsøgsbeskrivelse

Vi skrællede 4 appesiner og proppede de små stykker af skallen ned i destillationskolben, vi medtog kun et tynd lag af den yderste orange skal. Efter det, tilsatte vi 100 mL vand. VI samlede destillationsapparatet og begyndte at destillér. Vi blev ved med at tilsætte vand i perioder, for at opretholde de 100 mL som vi startede med. Tilsidst fik vi en væske, som var en bladning af vand og limonen, men da de to stoffer ikke kan opløses, brugte vi en skilltrage og fik det skilt. Derefter målte vi brydningsindekset og opløste limonen i heptan og derefter i ethanol og målte den specifikke drejningsvinkel.

Formålet var at finde ud af om det var korrekt, at R-limonen findes i appelsiner og S-limonen findes i citroner.

Brydningsindekset

Brydningsindekset målte vi til 1,463. Vi slog det op i databogen til 1,473. Det bekræfter at vores isolerede stof er limonen.

Nu ved vi at vores stof er limonen, men vi ved ikke endnu om det er R eller S formlen. Derfor skal vi bruge vores laser (Se bilag 3 fig. 5).

Vores limonen som vi isolerede fra appelsinnerne

Se bilag 3 fig. 6.

Som man kan se er drejningsvinklen den samme som i frit luft. Og i gruppen underede vi os også over det. Det skyldes nok at vores skilletragt-fase ikke blev lavet ordentlidt. Vi kunne nemlig ikke vores limonen i heptan, hvilket skyldes at der var for meget vandi opløsningen. Vi kunne dog godt opløse det i ethanol. Vores brydningsindeks passer dog nogetlunde med og det var, fordi den dråbe jeg tog til den måling var fra bunden af glasset og derved var det bedre end hele væsken.

Vi kan dog godt bekræfte at det er R-formlen for lugten stemmede overens med rent limonen.

Rent R-Limonen opløst i heptan 1:1

Se bilag 4. fig. 7

Bestemmer koncentrationen

1:1 = 5mL: 5mL
Densitet = 0,841 g/mL

Side 9

2.x

Kirale forbindelser - SRO

c = = 0,42g/mL

5mL ∗ 0,841g/mL

10mL

Den specifikke drejningsvinkel er:

[ α]_{λ}^{20} = +125,6

°

dm ∗ g/mL

Det svarer til at lyset burde drejes:

α = [ α]_{λ}^{20} ∗ c ∗ l = 125,6 ∗ 0,4205g/mL ∗ 0,5dm = +26,407°

°

dm ∗ g/mL

Bestemmer hvor meget lyset drejes:

124° − 142,5° = −18,5°

Bestemmer afvigelsen:

26,407° − 18,5°

26,407

∗ 100% = 29,94%

Side 10

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Konklusion

Efter mange forsøg og tid brugt kan vi konkludere at det var R-formlen vi havde isoleret.

Men det var ikke pga. drejningsvinklen, men vha. lugten. Vores fejlkilder og dårlige målinger overskygger desværre stor del af opgaven. Det er selvfølgelig ærgerligt, men sket er sket og det kan vi ikke lave om på. Det vi har prøvet er at få det bedst mulige resultat ud af det og fokusere på det. Som sagt er vores afvigelser store

29,94%, 22,94%, 37,01% .

                                                                            o
Vi kan dog konkludere at laserlys er planpolariseret og at fructose drejer lyset mest med 11,5 .

Side 11

2.x

Kirale forbindelser - SRO

Litteraturliste

da.wikipedia.org/wiki/Limonen

www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og.../limonen

Lectio arktiklerne – Kemi i 3D