Éducatif
Qu'est-ce que la polarimétrie ?
Explication simple : la polarimétrie est une méthode de mesure optique de la rotation du plan d’oscillation de la lumière polarisée lorsqu’elle traverse une substance optiquement active. Le plan d’oscillation de la lumière est la direction dans laquelle les ondes électromagnétiques de la lumière vibrent lorsqu’elles se déplacent dans l’espace. La lumière polarisée est une lumière dont les vibrations sont orientées dans une direction particulière.
Qu'est-ce que la polarisation ?
En physique, la lumière est décrite comme une onde électromagnétique dont les oscillations sont orientées dans toutes les directions. Lors de la polarisation, le plan d’oscillation de la lumière est déterminé, c’est-à-dire que toutes les oscillations en dehors d’un certain plan sont filtrées. Pour ce faire, on utilise des filtres de polarisation.
Que sont les substances optiquement actives ?
De nombreuses substances organiques et inorganiques, comme les sucres, l’amidon et les huiles essentielles, sont optiquement actives à l’état cristallin, liquide ou dissous. Cela signifie qu’elles peuvent influencer la direction de la lumière polarisée. Ces substances font tourner la direction de la lumière polarisée d’un certain angle.
Les substances optiquement actives ont besoin d’un centre d’asymétrie, ce qui signifie qu’elles possèdent un atome de carbone avec quatre substituants différents. De telles molécules sont appelées chirales. Elles se comportent l’une par rapport à l’autre comme l’image et le reflet et ne peuvent pas être alignées par rotation. Nos mains en sont un exemple simple.
Si deux molécules ne se distinguent que par la disposition de leurs substituants, on parle d’énantiomères. Aussi bien leur formule brute que la plupart de leurs propriétés physiques, comme le point de fusion et le point d’ébullition, sont identiques. Ils se distinguent toutefois par leur activité optique, car ils font tourner la lumière polarisée linéairement de la même quantité, mais dans des directions différentes (rotation à droite + ; rotation à gauche -). De même, leurs réactions lors de réactions chimiques sont différentes et ont des modes d’action différents. Ceci est particulièrement important dans le domaine pharmaceutique. Si un mélange 1:1 d’une paire d’énantiomères est présent, celui-ci n’est pas optiquement actif. Les rotations optiques des deux énantiomères s’annulent mutuellement.
Comment fonctionne un polarimètre ?
Un polarimètre permet de mesurer l’activité optique d’une substance et se compose au minimum des éléments suivants :
- Source de lumière
- tube d’échantillon
- filtre polarisant (analyseur)
- détecteur
La lumière non polarisée est polarisée par un premier filtre polarisant. Ensuite, la lumière polarisée traverse la substance à analyser dans le tube à échantillon.
La lumière qui sort de la substance passe à travers un autre filtre polarisant (analyseur), dont la rotation peut être modifiée.
Comment s'effectue la mesure avec un polarimètre ?
Si le deuxième filtre de polarisation est placé parallèlement au premier, la direction d’oscillation de la lumière polarisée est conservée et parvient au détecteur (transmission de 100%). Si le deuxième filtre de polarisation est tourné de 90°, l’onde lumineuse est bloquée et aucune lumière n’arrive au détecteur (0% de transmission).
Pour mesurer l’activité optique (l’angle de rotation), l’analyseur est tourné jusqu’à la position de compensation. Dans la position de compensation, la rotation du plan de polarisation de la lumière est entièrement compensée par l’échantillon, ce qui signifie que la lumière transmise est soit maximale soit minimale. La rotation optique est mesurée en degrés d’angle. C’est pourquoi ces appareils sont appelés polarimètres circulaires.
Pour déterminer avec précision la position de compensation (orientation spécifique de l’analyseur), SCHMIDT + HAENSCH utilise la modulation de Faraday comme amplification électronique. Sans transmission mécanique par courroie trapézoïdale ou engrenage, nous utilisons dans tous les appareils de mesure un couplage direct entre le codeur optique et l’unité d’analyse.
Cela garantit une grande précision sur toute la plage de mesure. De plus, ces principes garantissent des temps de mesure courts et l’absence d’usure mécanique. On obtient ainsi une sensibilité maximale et un temps de compensation très rapide sur toute la plage de mesure. La mesure continue permet également de surveiller la mutarotation (transformation spontanée d’une molécule chirale entre ses deux énantiomères).
Stabilité des valeurs mesurées
L’angle de rotation observé dépend des facteurs suivants :
- de la nature de l’échantillon
- de la concentration des composants optiquement actifs
- de la longueur d’onde de la lumière
- de la température de l’échantillon
- de la longueur du tube d’échantillon
De plus, la précision de la mesure est influencée par les composants suivants :
- la fiabilité et la précision du polarimètre
- la préparation de l’échantillon (solvant, température, homogénéisation)
- la pureté de l’échantillon
- la stabilité de l’échantillon
- des conditions de mesure constantes
Quels sont les domaines d'application de la polarimétrie ?
La polarimétrie trouve des applications dans la recherche, l’industrie et l’assurance qualité. Elle est utilisée dans la chimie, la pharmacie, l’industrie alimentaire, la biologie et la biochimie, les sciences environnementales et le contrôle des processus industriels.
Exemple d'applications polarimétriques dans l'industrie pharmaceutique
Le contrôle de la qualité et de la pureté joue un rôle particulièrement important pour les médicaments, car ils sont généralement composés d’énantiomères. Chaque énantiomère peut avoir des effets physiologiques différents. C’est pourquoi la séparation de ces énantiomères est très importante pour la plupart des médicaments actuels.
En 1957, la substance thalidomide a été mise sur le marché comme somnifère sous le nom de thalidomide. Cependant, au cours de la fabrication, il n’y a pas que la thalidomide qui a été produite, mais aussi l’énantiomère 2-(2,6-dioxopipéridine-3yl)iosindol-1,3-dione, qui a entraîné des malformations chez environ 10.000 nouveau-nés. Le médicament a donc été retiré en 1961.
La détermination du rapport énantiomérique d’un mélange de substances s’effectue de la manière la plus fiable avec les polarimètres pharmaceutiques, par exemple de SCHMIDT + HAENSCH.
Exemple d'applications polarimétriques dans l'industrie sucrière
Dans l’industrie sucrière, on souhaite autant que possible n’extraire que le disaccharide saccharose de la canne à sucre et de la betterave sucrière. Le saccharose est composé d’une molécule d’a-glucose et d’une molécule de b-fructose. Tous les types de sucre sont chiraux et donc optiquement actifs. Le saccharose a un angle de rotation spécifique de +66,4°, le glucose de +52,7° et le fructose de -92°. Les solutions de sucre ne sont pas stables et se décomposent rapidement en leurs composants.
L’analyse de la pureté du sucre est réalisée à l’aide d’une combinaison de polarimètre et de réfractomètre de SCHMIDT + HAENSCH.
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Sources
Bruice P. (2011) Organische Chemie, 5e édition, Munich, Pearson
Clayden J., Greevs N., Warren S. (2013) Organische Chemie, 2ème édition, Heidelberg, Springer-Spektrum, pp. 333 – 343
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