La rotation optique, telle que définie par la Pharmacopée Européenne, est une propriété physique critique des substances chirales, qui peuvent faire tourner le plan de la lumière polarisée.
Cette caractéristique est vitale dans l'industrie pharmaceutique car elle aide à identifier le bon énantiomère d'un médicament, garantissant l'efficacité thérapeutique et la sécurité des produits pharmaceutiques qui peuvent exister sous des formes chirales.
Les énantiomères sont caractérisés par leur propriété à tourner le plan d'une lumière polarisée linéairement. Ils sont donc dits optiquement actifs et leur propriété est désignée par le terme de rotation optique. Les substances optiquement actives peuvent être des médicaments, des arômes et des parfums, des acides aminés, des sucres, et de nombreuses autres biomolécules.
La rotation optique peut être déterminée par polarimétrie. En polarimétrie, la lumière polarisée plane est appliquée. Des sources de lumière telles qu'une ampoule, une diode électroluminescente (LED) ou le soleil émettent des ondes lumineuses électromagnétiques. Leur champ électrique oscille dans tous les plans possibles par rapport à leur direction de propagation.
Si la lumière rencontre un polariseur, seule la partie de la lumière qui oscille dans le plan défini du polariseur peut traverser. Ce plan est appelé le plan de polarisation (Figure 1).
Figure 1 : Polarisation de la lumière avec un polariseur. Lorsque la lumière non polarisée frappe un polariseur, seule la composante oscillant dans l'orientation du polariseur peut passer.
Un polarimètre, l'instrument utilisé pour mesurer la rotation optique, comprend plusieurs composants clés :
Source de lumière : Historiquement, la polarimétrie était réalisée à l'aide d'un instrument où l'étendue de la rotation optique est estimée par la correspondance visuelle de l'intensité des champs divisés. Pour cette raison, la ligne D de la lampe sodium à la longueur d'onde visible de 589 nm était le plus souvent utilisée.
Il est désormais courant d'utiliser d'autres sources de lumière telles que des diodes électroluminescentes (DEL) ou des lampes au xénon ou halogènes au tungstène, avec des filtres appropriés, au lieu de sources de lumière traditionnelles, car ces sources de lumière contemporaines peuvent offrir des avantages en termes de coût, de longue durée de vie et d'une large gamme d'émission de longueurs d'onde.
Polariseur : Filtre la lumière entrante de sorte que seule la lumière polarisée dans un seul plan passe, qui est ensuite soumise à rotation par l'échantillon.
Analyseur : Aligné avec le plan de polarisation pour mesurer l'angle par lequel le plan de lumière a été tourné par l'échantillon.
Cellule de mesure : Généralement fabriqué à partir de quartz ou d'autres matériaux transparents, il contient la solution d'échantillon. Il est conçu avec une longueur de chemin typiquement d'environ 1,00 dm, sauf indication contraire.
Détecteur : Capture la lumière après qu'elle soit passée à travers l'analyseur et calcule le degré de rotation.
Le plan de polarisation est tourné par des composés optiquement actifs. Selon le sens de rotation de la lumière, l'énantiomère est dit dextrogyre (d ou + ; latin : droite ; sens des aiguilles d'une montre) ou lévogyre (l ou - ; latin : gauche ; sens inverse des aiguilles d'une montre). L'activité optique des énantiomères s’additionne. Si différents énantiomères existent ensemble dans une solution, leur activité optique s'additionne.
Les solutions contenant la même concentration des deux énantiomères d'un composé chiral sont appelées mélange racémique. Les mélange racémiques sont optiquement inactifs, car les rotations optiques dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse se neutralisent.
La rotation optique est proportionnelle à la concentration des substances optiquement actives en solution. La polarimétrie peut donc être appliquée pour des mesures de concentration des échantillons énantiomères purs. Avec une concentration connue d'un échantillon, la polarimétrie peut également être appliquée pour déterminer la rotation spécifique (une propriété physique) lors de la caractérisation d'une nouvelle substance.
La propriété géométrique d'une molécule qui est analysée avec un polarimètre s'appelle la chiralité. 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.
Le nom chiralité vient du grec cheir (main) et reflète une propriété d'une molécule dont la structure miroir ne peut pas être superposée à l'originale – tout comme les mains gauche et droite.
La condition préalable à la chiralité au sein d'une molécule est un atome avec au moins quatre substituants différents. 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. Via l'échange de deux substituants au centre chiral, une molécule est créée qui ne peut pas être superposée à l'original.
Figure 2 : 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'original.
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.
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 :
Un autre paramètre qui influence la rotation optique mesurée est la longueur d'onde de la lumière, λ [nm].
La rotation spécifique des substances $[\alpha]^T_{\lambda}$ est définie comme la rotation optique pour :
La relation entre la rotation optique, °, et la rotation spécifique,$[\alpha]^T_{\lambda}$ est résumée par la loi de Biot :
$$\alpha = \frac{[\alpha]^T_{\lambda} \cdot l \cdot c}{100}$$
Pour déterminer la rotation spécifiqued'une substance, nous devons :
Étant donné les paramètres d'entrée, l'instrument calcule automatiquement la rotation spécifique (sélectionner la rotation spécifique à la méthode).
La Pharmacopée Européenne spécifie des procédures standardisées pour mesurer la rotation optique, ou la rotation spécifique, afin d'assurer une traçabilité cohérente entre les laboratoires :
La rotation optique spécifique, $[\alpha]_{\lambda}^t$ est calculée en utilisant les formules :
Liquides soignés :
$$[\alpha]_{\lambda}^t = \frac{\alpha}{l \cdot \rho_t}$$
Où $\rho_t$ est la densité (ou densité relative) à la température t.
Solutions :
$$[\alpha]_{\lambda}^t = \frac{1000 \alpha}{l \cdot c}$$
Où c est la concentration en grammes par litre.
Ici :
Si des limites pour la rotation optique ou la rotation spécifique sont spécifiées pour la substance sèche, anhydre ou sans solvant, les résultats doivent être corrigés pour la perte par séchage, la teneur en eau ou la teneur en solvant, selon le cas.
Substances nécessitant des tests de rotation optique selon les pharmacopées internationales
Les mesures de rotation optique sont un moyen non destructif et efficace de surveiller en continu la qualité des substances. Ils sont utilisés dans les processus de contrôle de la qualité pour détecter les impuretés et s'assurer que le bon énantiomère est présent dans un médicament chiral. Si des limites pour la rotation optique ou la rotation spécifique sont spécifiées pour la substance sèche, anhydre ou sans solvant, les résultats doivent être corrigés pour la perte par séchage, la teneur en eau ou la teneur en solvant, selon le cas.
Les polarimètres Anton Paar sont conçus pour effectuer des mesures précises de rotation optique, en conformité avec les exigences strictes de la Pharmacopée Européenne 2.2.7. Ces instruments sont largement utilisés dans des domaines nécessitant une analyse chirale précise, tels que le contrôle de qualité pharmaceutique.
La conception modulaire des polarimètres Anton Paar leur permet de s'adapter aux exigences spécifiques de longueur d'onde imposées par la Pharmacopée Européenne 2.2.7. Ces polarimètres offrent des configurations qui prennent en charge les mesures à 589 nm, la ligne D du sodium, qui est la longueur d'onde standard spécifiée pour les mesures de rotation optique. Cela garantit que les instruments sont conformes aux critères de la pharmacopée et peuvent être ajustés pour de futurs changements ou exigences supplémentaires.
Le contrôle de la température est crucial pour des mesures précises de rotation optique car les variations de température peuvent affecter significativement les résultats. Les polarimètres Anton Paar disposent d'un système de contrôle de température Peltier avancé qui maintient la température de l'échantillon dans une plage précise (10 °C à 45 °C), comme l'exige la pharmacopée. Ce système permet des ajustements de température rapides et stables, garantissant des résultats de mesure cohérents et fiables.
Les polarimètres Anton Paar incluent des technologies comme le FillingCheck™, qui fournit une documentation visuelle en temps réel du processus de remplissage de l'échantillon. Cette fonctionnalité est essentielle pour détecter et corriger des erreurs telles que des bulles ou des traces qui pourraient compromettre la précision des mesures. Les instruments stockent automatiquement ces images avec les résultats de mesure, offrant une documentation détaillée qui soutient la traçabilité et la conformité aux normes de la Pharmacopée Européenne.
Assurer l'intégrité des données est essentiel pour se conformer aux normes de la Pharmacopée Européenne. Les polarimètres Anton Paar sont équipés d'un logiciel qui prend en charge la traçabilité complète des données, la gestion sécurisée des utilisateurs et les enregistrements électroniques. Les instruments sont capables de s'intégrer parfaitement aux systèmes de gestion des informations de laboratoire (LIMS), facilitant le transfert et la gestion efficaces des données. Cette intégration soutient la conformité aux Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF) et aux Bonnes Pratiques de Laboratoire (BPL), qui sont souvent requises en parallèle des normes de pharmacopée.
En respectant les exigences spécifiques de la Pharmacopée Européenne 2.2.7, les polarimètres Anton Paar offrent une solution efficace pour la mesure précise de la rotation optique, garantissant conformité et fiabilité dans des environnements où la précision est primordiale.
1. Pourquoi la rotation optique est-elle cruciale pour les médicaments chiraux ?
La rotation optique est essentielle pour les médicaments chiraux car elle identifie et caractérise les énantiomères, qui diffèrent souvent par leur activité pharmacologique. Il garantit la présence du bon énantiomère (eutomère) et détecte les impuretés ou les mélanges racémiques qui pourraient affecter l'efficacité ou la sécurité. La rotation optique est corrélée à l'activité biologique puisque les interactions médicament-récepteur sont stéréospécifiques. C'est une méthode non destructive utilisée dans le contrôle de la qualité, la conformité réglementaire et les tests de stabilité pour confirmer l'intégrité stéréochimique tout au long de la durée de conservation d'un médicament. Des exemples comme la thalidomide et la L-Dopa soulignent l'importance dans la vérification de l'énantiomère thérapeutique afin d'éviter des effets indésirables associés au distomère.
2. Comment la rotation optique affecte-t-elle la sécurité des médicaments ?
La rotation optique garantit la sécurité des médicaments en confirmant la présence du bon énantiomère dans les médicaments chiraux, car les énantiomères peuvent avoir des effets biologiques très différents. L'énantiomère souhaité (eutomère) offre des avantages thérapeutiques, tandis que l'autre (distomère) peut être inactif ou nocif. La rotation optique détecte les impuretés énantiomériques ou les mélanges racémiques qui pourraient compromettre l'efficacité et la sécurité. Il est également essentiel de surveiller la stabilité stéréochimique pendant le stockage, empêchant la formation d'isomères dangereux. En veillant à la conformité avec les normes de pharmacopée pour la stéréochimie, la rotation optique joue un rôle vital dans le maintien de la pureté, de la qualité et de la sécurité des médicaments chiraux pour les patients.
3. Quelles sont les exigences spécifiques pour les mesures de rotation optique selon Ph. Eur. 2.2.7 ?
La section 2.2.7 de l'European Pharmacopoeia décrit les exigences spécifiques pour les mesures de rotation optique afin d'assurer des tests précis et standardisés. Ces exigences sont les suivantes :
