Optische Rotationsdispersion (ORD) und Circulardichroismus (CD) Spektroskopie im IR- und UV/VIS-Bereich http://www.analytik.ethz.ch

Spektroskopie

im IR- und UV/VIS-Bereich

Optische Rotationsdispersion (ORD) und Circulardichroismus (CD)

Dr. Thomas Schmid HCI D323

schmid@org.chem.ethz.ch

http://www.analytik.ethz.ch

Enantiomere

Enantiomere sind Stereoisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten und sich durch Drehung nicht zur Deckung bringen lassen.

Moleküle mit mindestens einem chiralen Zentrum (C mit 4 verschiedenen Substi-

tuenten) können Enantiomere bilden. (S)-Milchsäure und (R)-Milchsäure

Enantiomere haben fast identische physikalisch-chemische Eigenschaften. Ausnahmen sind:

•  Wechselwirkung mit anderen chiralen Molekülen

z.B.: Die beiden Enantiomere binden unterschiedlich stark an chirale Enzyme und Rezeptoren Aus diesem Grund kann die Wirkung der beiden Enantiomere eines pharmazeutischen

Wirkstoffs sehr unterschiedlich sein.

•  Wechselwirkung mit polarisiertem Licht

•  Optische Rotationsdispersion (ORD) (oder allgemeiner: zirkulare Doppelbrechung)

•  Circulardichroismus (CD)

Optische Rotationsdispersion (ORD)

•  Links und rechts zirkular polarisierte Lichtwellen haben in chiralen Medien unterschiedliche Geschwindindigkeiten v und daher auch unterschiedliche Brechungsindices n.

•  Linear polarisiertes Licht kann man als Überlagerung zweier gegenläufig zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen auffassen.

•  Durchläuft linear polarisiertes Licht eine chirale Probe, haben die beiden gegenläufig zirkular polarisierten Komponenten unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten und werden deshalb gegeneinander phasenverschoben.

•  In der Summe erhält man aus beiden Komponenten wieder linear polarisiertes Licht, bei dem sich allerdings die Polarisationsebene gegenüber dem ursprünglichen Strahl gedreht hat.

Unter ORD versteht man die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, das durch eine chirale Probe läuft (optische Drehung oder optischer Drehwert).

Polarisator Küvette Analysator Detektor

n

≠ n

v

≠ v

Optische Rotationsdispersion (ORD)

! = 180 ° ! d

! ( ⁿ

^{" n}

)

Drehwinkel (absoluter Drehwert):

α Drehwinkel (abs. Drehwert) in Grad d‘ Schichtdicke in dm

λ Wellenlänge in dm

n_L Brechungsindex von links zirkular polarisierten Lichts in der Probe n_R Brechungsindex von rechts zirkular

polarisiertem Licht in der Probe

[ ] !

T

= "

! d c !

Spezifischer Drehwert / Drehwinkel:

c' Konzentration in g/cm³

Molarer Drehwert / Drehwinkel: [ ] !

⁼ [ ] ^"

^{" M}

100 = 100 " "

d " c

M Molare Masse in g/mol c Konzentration in mol/L d Schichtdicke in cm

Optische Rotationsdispersion (ORD)

L-(+)-Milchsäure D-(-)-Milchsäure

[ ] !

20

= + 2.6 ° [ ] !

20

= ! 2.6 °

Der spezifische Drehwinkel wird immer mit der Temperatur T

und der Wellenlänge λ angegeben, bei der er gemessen wurde.

In diesem Beispiel sind T = 20°C und λ = 589 nm. Das „D“ anstelle einer

Wellenlängenangabe weist auf die Natrium-D-Linie als Anregungsstrahlung hin, die

im Spektrum bei 589 nm liegt.

Circulardichroismus (CD)

•  Linear polarisiertes Licht kann man als Überlagerung zweier gegenläufig zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen auffassen.

•  Durchläuft linear polarisiertes Licht eine absorboerende chirale Probe, haben die beiden gegenläufig zirkular polarisierten Komponenten unterschiedliche Extinktionskoeffizienten und werden deshalb unterschiedlich stark abgeschwächt.

•  In der Summe erhält man aus beiden Komponenten erhält man elliptisch polarisiertes Licht, wobei die Elliptizität als Arkustangens des Verhältnisses von kleiner zu grosser Halbachse der Polariationsellipse definiert ist.

Wird bei einer Wellenlänge gemessen, die von chiralen Proben-

molekülen absorbiert wird, kann es sein, dass links und rechts zirkular polarisiertes Licht unterschiedlich stark absorbiert werden.

ε

≠ ε

Messung:

Bestimmung der Extinktionen

von links und rechts zirkular

polarisiertem Licht in einer

chiralen Probe.

Optische Rotationsdispersion (ORD)

! = ln 10 ( )

4 " 180°

! ^{" # c " # d "} ( !

$ !

)

Elliptizität:

Ψ Elliptizität in Grad c‘ Konzentration in g/cm³ dʻ Schichtdicke in dm ε_L Molarer dekadischer

Extinktionskoeffizient von links zirkular polarisiertem Licht in M^-1 cm^-1

ε_R Molarer dekadischer

Extinktionskoeffizient von rechts zirkular polarisiertem Licht in M^-1 cm^-1

[ ] !

T

= !

"

d c "

Spezifische Elliptizität:

Molare Elliptizität: [ ] !

⁼ [ ] ^"

^{# M}

100 $ 3298 ( !

% !

)

M Molare Masse in g/mol

Anwendungen

Die häufigsten Anwendungen der sogenannten chiroptischen Methoden ORD und CD sind

•  Bestimmung der Enantiomeren- reinheit bei chiralen Stoffen

•  Konzentrationsbestimmung bei chiralen Stoffen

•  Unterscheidung von R- und S- Enantiomer (bzw. „+“ und „-“)

•  Bestimmung von Sekundärstruktur- elementen in chiralen Polymeren (z.B. DNA, Proteine, ...)

Beispiel: CD-Spektren von Poly-L-Lysin in Abhängigkeit von der Sekundärstruktur.

Mo la re El lip tizi tä t × 1 0

Wellenlänge (nm)

Verwirrt??

Anschauliche Erklärungen mit Animationen für

•  linear polarisiertes Licht

•  zirkular polarisiertes Licht

•  Circulardichroismus

•  Optische Rotationsdispersion (zirkulare Doppelbrechtung) findet man unter:

http://www.enzim.hu/~szia/cddemo/dedemo0.htm