Notions de base de polarimétrie

La polarimétrie est la clé pour comprendre les molécules chirales en termes d'activité optique. Les molécules chirales se caractérisent par leur capacité à faire tourner le plan de la lumière polarisée. C’est pourquoi on les appelle optiquement actives. L'effet causé par cette propriété est appelé rotation optique.

La propriété géométrique d'une molécule analysée à l'aide d'un polarimètre est appelée chiralité ; ainsi, les molécules ayant des géométries en image miroir sont dites chirales. Elles ne peuvent pas être superposées à leur image miroir. Les images miroir sont appelées énantiomères lévogyres et dextrogyres. Les molécules chirales sont généralement des molécules organiques et des biomolécules, telles que les sucres, l'amidon, les arômes et les huiles essentielles, les principes actifs pharmaceutiques (API), les acides aminés et diverses autres biomolécules. 

Les molécules chirales se caractérisent par leur capacité à faire tourner le plan de la lumière polarisée. Cette propriété est appelée activité optique Les énantiomères lévogyres et dextrogyres font tourner le plan de polarisation dans des directions opposées. L'angle par lequel le plan de polarisation est tourné est appelé rotation optique. Elle est mesurée en degrés [°OR] à l’aide d’un polarimètre.

Les molécules chirales se caractérisent par la constitution en image miroir de leurs atomes. L'image miroir d'un tel composé ne peut pas être superposée à l'original. (voir Fig. 1) Cela contraste avec un objet achiral, comme par exemple une fiole symétrique, dont l’image miroir peut être superposée à l’original^[1].

Figure 1: Objets chiraux et achiraux. La main gauche ne peut pas être superposée à son image miroir, la main droite. Elle est chirale. L'image miroir d'un flacon symétrique peut être superposée à l'original. C'est achiral^[2].

Une condition préalable à la chiralité d’une molécule est la présence d’un atome portant au moins quatre substituants différents, présentant des configurations physiques distinctes. Un tel atome est appelé un centre chiral. Un exemple pratique serait un carbone saturé : Avec quatre substituants différents liés à un carbone, la molécule est asymétrique. L'échange d'un substituant du centre chiral conduit à trois substituants différents (deux substituants sur quatre sont identiques). Cela crée des molécules qui peuvent être superposées avec l'original (voir Fig. 2).

Figure 2 : La configuration physique distincte des substituants conduit à des molécules asymétriques / chirales. Le bromochlorofluorométhane (a) est un atome de carbone chiral (*). Son image miroir (tournée de 180°) ne peut pas être superposée à la molécule originale. Le dichlorofluorométhane (b) est achiral avec seulement trois substituants différents. L'image de (b) tournée de 180° peut être superposée à l'original².

La plupart des substances chirales sont des molécules organiques, qui se caractérisent par un carbone asymétrique. Les substances chirales ne se rencontrent pas seulement en chimie organique, mais peuvent également être constituées de tout type d'atome pouvant lier au moins quatre substituants différents, par exemple le phosphore ou le soufre. Des exemples de substances chirales sont les sucres / glucides, les acides aminés, l'ADN ou les pénicillines.

Toute molécule avec un centre chiral peut exister dans l'une des deux structures stéréoisomériques, qui sont liées entre elles comme une image et son image miroir. Ces composés sont appelés énantiomères. Les énantiomères de la même substance sont composés des mêmes composants atomiques et liaisons chimiques. Par conséquent, ils diffèrent à peine dans leurs propriétés physiques et chimiques. Cependant, ils diffèrent à un point défini dans leur géométrie. Comme indiqué ci-dessus, la polarimétrie peut être appliquée pour étudier la géométrie des molécules. Le rapport de deux énantiomères, ainsi que leur pureté et leur concentration, peut être analysé par l'application de la polarimétrie. Pour en savoir plus sur la chiralité, regardez cette vidéo :

Le plan de polarisation est tourné par des composés optiquement actifs : les énantiomères. En fonction du sens dans lequel la lumière est tournée, l'énantiomère est dit dextrogyre (d ou + ; latin : droite ; dans le sens des aiguilles d'une montre) ou lévogyre (l ou - ; latin : gauche ; dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). L'activité optique des énantiomères s’additionne. Si différents énantiomères coexistent dans une même solution, leur activité optique se cumule. Les solutions contenant la même concentration des deux énantiomères d'un composé chiral sont appelées mélange racémique. Les mélanges racémiques sont optiquement inactifs, car les rotations optiques dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse se neutralisent. La concentration et la rotation optique des substances optiquement actives dans la solution sont proportionnelles. Lorsque la concentration d’un échantillon est connue, la polarimétrie peut être utilisée pour déterminer sa rotation spécifique (une propriété physique) afin de caractériser une nouvelle substance.

Regardez ces vidéos pour plus d'informations sur la polarisation et la rotation optique :

Figure 4 : Système de mesure d'un polarimètre circulaire modulaire moderne par Anton Paar et ses principaux composants

La polarimétrie est la mesure de la rotation optique des substances à l'aide d'un polarimètre. Un polarimètre est un instrument qui mesure l'angle de rotation en faisant passer de la lumière polarisée à travers une substance optiquement active (chiral). Pour mesurer la rotation optique, une diode électroluminescente(LED)produit un faisceau de lumière ordinaire. Cette lumière passe d'abord par un polariseur (filtre de polarisation) afin d'obtenir une orientation définie du plan de polarisation. La lumière polarisée traverse ensuite la cellule d'échantillon. Si l'échantillon est optiquement actif, le plan de polarisation subit une rotation. La lumière avec le plan de polarisation ainsi tourné traverse un analyseur; il s'agit en fait d'un deuxième filtre de polarisation. Le polarimètre fait tourner le premier polariseur jusqu'à ce que le photorécepteur mesure un minimum de transmission. Si l'échantillon est optiquement inactif, le polariseur et l' analyseur sont maintenant orientés perpendiculairement l'un à l'autre. Si l’échantillon est optiquement actif, le polarimètre fait tourner le polariseur jusqu’à ce que le plan de polarisation derrière la cellule d’échantillon soit à nouveau perpendiculaire au plan de polarisation de l’analyseur. Le degré de rotation obtenu est une mesure directe de la rotation optique de l'échantillon. La longueur d'onde correcte pour la mesure est sélectionnée avec précision par un filtre d'interférence placé dans le faisceau devant le récepteur photo. En cas de Polarimètre Circulaire Modulaire (MCP), le premier polariseur est fixe. La lumière polarisée passe en outre à travers des bobines électromagnétiques (modulateur de Faraday) pour améliorer encore la résolution angulaire. Ainsi, une oscillation est superposée au plan de polarisation par le biais de l'effet Faraday. Le modulateur de Faraday est situé devant la cellule d'échantillon (voir fig. 6). Après la transition de la lumière polarisée à travers la cellule d'échantillon, l'analyseur est automatiquement tourné jusqu'à ce que le minimum de transmission soit atteint.

Pour en savoir plus sur le principe de mesure de la polarimétrie, regardez la vidéo suivante :  

De plus, les polarimètres ne peuvent pas distinguer entre un tour unique et plusieurs tours du plan de polarisation à l'intérieur de l'échantillon (c'est-à-dire un "vis" avec une rotation de X °OR + n x 360 °OR). Cependant, certains fabricants affirment avoir une plage de mesure de +/-360 °OR. Sans extrapolation supplémentaire et étapes de calcul, cela ne conduit pas directement à des résultats sans ambiguïté : l'utilisateur doit savoir dans quel quadrant le résultat est attendu. La rotation optique estimée de l'échantillon doit être connue pour enfin avoir une idée si la valeur est supérieure à 90 °OR, 180 °OR, ou 270 °OR. Pour cette raison, il n'existe aucune norme officielle pour les rotations optiques supérieures à 90 °OR disponibles, et les instruments mesurant au-dessus de 90 °OR ne peuvent pas être certifiés. 

La rotation spécifique est la rotation optique pour une concentration de 1g/100 mL et une longueur de tube de 100 mm. Pour la pénicilline, cela signifie qu'un polarimètre peut déjà détecter de faibles concentrations. Pour les concentrations plus fortes, des tubes de polarimètre plus courts peuvent être utilisés afin que la valeur mesurée se situe à ±89,9° OR(cela permet également de réduire le volume d'échantillon et d'obtenir ainsi une meilleure transmission et un meilleur signal). Comme la pénicilline a une rotation spécifique de 223 °OR, elle peut être mesurée avec un polarimètre MCP même si elle n'a qu'une plage de mesure de ±89,9 °OR seulement. En réduisant la longueur de chemin de la cellule d'échantillon de 100 mm à par exemple 2,5 mm ou en réduisant la concentration de l'échantillon, le résultat sera compatible avec la plage de mesure du polarimètre. Pour déterminer la rotation spécifique d'une substance, le polarimètre MCP peut utiliser un tube de polarimètre inférieur à 100 mm. Une méthode prédéfinie calcule automatiquement l'échelle à 100 mm.

La mesure de la rotation optique d'un échantillon s'appelle "polarimétrie" et est effectuée à l'aide d'un polarimètre. À partir de la rotation optique, la rotation spécifique, une constante matérielle d'une substance peut être dérivée. C'est la rotation optique pour une concentration donnée, la longueur de la cellule d'échantillon, la température et la longueur d'onde.
À son tour, si vous connaissez la rotation spécifique de la substance, la concentration peut être déterminée à partir de la mesure de la rotation optique. La valeur mesurée dans un polarimètre est la rotation optique, α [°OR]. À partir de la rotation optique, d'autres valeurs peuvent être dérivées : a)     Concentration (générale) lorsque la rotation spécifique de la substance est connue b)    Concentration en sucre (pour des rotations spécifiques connues) c)     Rotation spécifique (constante matérielle) lorsque la concentration est connue d)    Pureté (en combinaison avec l'indice de réfraction) e)     Échelles définies par l'utilisateur

La rotation spécifique est une constante matérielle. Ceci est la rotation optique pour un nombre spécifique de molécules optiquement actives présentes dans le chemin de la lumière à travers l'échantillon. Le nombre de molécules que le faisceau lumineux rencontre est déterminé par :

• La concentration  de la substance optiquement active, c [g/mL] → plus elle est élevée, plus il y a de molécules
• La longueur de la cellule d'échantillon  l [mm] → plus elle est longue, plus il y a de molécules sur le chemin
• La température, T [°C] → elle influence la densité par l'expansion thermique et peut provoquer des changements dans la structure moléculaire avec des effets sur la rotation optique 

Un autre paramètre qui influence la rotation optique mesurée est la longueur d'onde de la lumière, λ [nm]. La rotation spécifique des substances $\left[\alpha \right]^T_\lambda$ est définie comme la rotation optique pour :

• Concentration c = 1 g/mL
• Longueur de la cellule de mesure l = 100 mm
• Température T = 20 °C
• Longueur d'onde λ = 589 nm (correspondant à la ligne Na_d)

La relation entre la rotation optique, °, et la rotation spécifique,$\left[\alpha \right]^T_\lambda$ est résumée par  la loi de Biot :

Pour déterminer la rotation spécifiqued'une substance, nous devons :

•  mesurer la rotation optique $\alpha$
• connaître la concentration c à partir de la préparation de l'échantillon
• connaître la longueur de la cellule l de l'instrument :

À partir des paramètres d’entrée, le polarimètre calcule automatiquement la rotation spécifique. Pour plus d'informations sur la rotation spécifique, regardez cette vidéo :

Pour utiliser le polarimètre pour les mesures de concentration nous devons :

• mesurer la rotation optique $\alpha$
• connaître la rotation  spécifique $\left[\alpha \right]^T_\lambda$​ du constituant optiquement actif dans l’échantillon, et
• connaître la longueur de la cellule de l’instrument l :

À partir des paramètres d’entrée, le polarimètre calcule automatiquement la concentration :

• concentration de saccharose
• Concentration de glucose
• °Z de l'échelle internationale du sucre
• % pureté (en combinaison avec l'indice de réfraction)

La polarimétrie est idéale pour mesurer la concentration de substances optiquement actives dans les industries pharmaceutique, cosmétique, chimique et médicale, ainsi que pour la R&D. Les composés mesurés peuvent, par exemple, être des principes actifs (ingrédients dans les médicaments pharmaceutiques) dans les départements de formulation et de validation. De plus, la polarimétrie est utilisée dans l'industrie sucrière, par exemple dans les laboratoires de paiement pour mesurer la teneur en sucre des échantillons de betterave à sucre et de canne à sucre entrants, ou dans les sucreries pour le contrôle de la qualité à chaque étape de la production du produit brut, intermédiaire et final.

Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur comment et où la polarimétrie est utilisée :