Helix-Knäuelgehalt im Poly-γ-benzyl-L-glutamat · V 6: ORD Physikalisch-chemisches...

VV 66

OOppttiisscchhee RRoottaattiioonnssddiissppeerrssiioonn ((OORRDD))

HHeelliixx--KKnnääuueellggeehhaalltt iimm

PPoollyy--γγ--bbeennzzyyll--LL--gglluuttaammaatt

V 6: ORDPhysikalisch-chemisches Fortgeschrittenenpraktikum

<2>

Inhaltsverzeichnis1) Stichwörter zum Kolloquium S. 2

2) Theorie zum Versuch S. 3

2.1) Allgemeines: Licht und optische Aktivität S. 3

2.2) Makroskopische Beschreibung der Polarisation S. 4

2.3) Polarisationsarten des Lichtes S. 5

2.4) optische Aktivität: ORD, CD und Cotton-Effekt S. 9

2.5) Drude- und Moffitt-Gleichung S. 14

2.6) Struktur von Polypeptiden S. 18

2.7) Helix-Coil-Umwandlung: Experimentelles S. 21

3) Praktische Durchführung S. 23

3.1) Aufgabenstellung S. 24

3.2) Versuchsdurchführung S. 25

1) Stichwörter zum Kolloquium

•Wesen des Lichts als elektromagnetische Welle

•Polarisationsarten des Lichts: Beschreibung und Erzeugung

- lineare, zirkulare und elliptische Polarisation

- Darstellung von linearer pol. Licht als Überlagerung zweier Zirkularwellen

- Darstellung von zirkular pol. Licht als Überlagerung zweier Linearwellen

- Erzeugung: Nicolsches Prisma, λ/4-Plättchen, Reflexion, Doppelbrechung

•Absorption und Brechung: elektronische Ursachen

•Phänomen der optischen Aktivität und deren Deutung

•Symmetrie in der Chemie (Symmetrieelemente/-operationen an Molekülen)

- Molekulare Vorraussetzungen für optische Aktivität

- Benennung von Enantiomeren (R/S, D/L-Nomenklatur)

•Optische Rotationsdispersion (ORD), Circulardichroismus (CD) und deren Deutung

- Verlauf der Dispersionskurven (ORD):

normale, komplexe und anormale Dispersion

- Empirische Beschreibung: Drude-Gleichung

- Theoretische Beschreibung: Rosenfeld-Gleichung, Wesen der Rotatorstärke

- Optische Aktivität helikaler Moleküle: Moffitt-Gleichung

•Helix-Random Coil Umwandlung: thermodynamische Betrachtungen, Einflüsse

•Durchführung und Auswertung des Experiments


<3>

2) Theorie zum Versuch

2.1) Allgemeines: Licht und optische Aktivität

In Materie unterliegt Licht (abgesehen von Reflexion) zwei physikalischen

Einwirkungen: Absorption und Brechung.

Ersteres mindert die Intensität des Lichtes, letzteres die Ausbreitungs-

geschwindigkeit. Mikroskopisch liegt dieselbe Ursache vor: Wechselwirkung der

elektromagnetischen Welle mit den Elektronen der Atome oder Moleküle.

Quantenmechanisch betrachtet wird bei der Absorption ein Elektron in ein

energetisch höherliegendes Orbital befördert, bei der Brechung kurzzeitig in einen

energetisch dazwischenliegenden Zustand (virtuelles Niveau).

Durch die Wechselwirkung mit der Materie nimmt die Amplitude der Lichtwelle um

2n

3

2

+

ab, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes um

n

1

(n: Brechungsindex).

Die physikalische Grundlage der Brechung ist die Änderung der

Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes.

Wie kommt diese Geschwindigkeitsänderung nun zustande? Durch die

Wechselwirkung der elektromagnetischen Welle mit der Materie werden deren

Elektronen verschoben, es entsteht (unter Aufnahme des Lichtquants) ein induzierter

Dipol. Analog einem Hertzs’schen Dipol strahlt die angeregte Materie zeitlich

verzögert eine Elementarwelle ab (die dem Energiegehalt des zuvor aufgenommen

Lichtquants entspricht). Durch die zeitliche Verzögerung der Abstrahlung ist das Licht

gegenüber der ursprünglichen Welle phasenverschoben, die Lichtgeschwindigkeit ist

makroskopisch gesehen verringert. Die Polarisierbarkeit ist makroskopisch mit der

Dielektrizitätskonstante ε verknüpft, und die Maxwellgleichung verdeutlicht hierbei

den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsänderung (und damit der Änderung

des Brechungsindex) und der Polarisierbarkeit: ε=n .

Auch die optische Aktivität ist im Grunde genommen nichts anderes als ein

Brechungs- (bzw. Absorptions-)phänomen. Dies wird in Kapitel 2.4 ausführlich

beleuchtet.


<4>

Da die Drehung der Ebene des polarisierten Lichts also nichts anderes als ein

Brechungsphänomen darstellt, bei dem ebenso wie bei normaler Brechung eine

Abhängigkeit von der Wellenlänge (und hier zusätzlich von der Polarisationsart) des

Lichtes vorliegt (Dispersion), wird diese als optische Rotationsdispersion bezeichnet.

Optische Aktivität kann in zwei Arten unterteilt werden, denen beide Chiralität

(Dissymmetrie) zugrunde liegt: Kristalline und molekulare Chiralität.

Die Molekulare Chiralität ist unabhängig vom Aggregatzustand: Hier liegt die

Chiralität im einzelnen Molekül begründet.

Die kristalline Chiralität findet sich in kondensierten Phasen: Hier ist der

makroskopische Kristall chiral, begründet durch die Anordnung der Bausteine (diese

können auch achiral sein; Beispiele für kristalline Chiralität sind NaClO3, Quarz,

Kalkspat, kristalline Weinsäure, kristalliner Zucker).

Chiralität als Symmetrieeigenschaft beruht auf einer einzigen Vorraussetzung: Der

betrachtete Körper darf keine Drehspiegelachse Sn besitzen (Drehung um

n

360°

und

Spiegelung orthogonal zur Drehachse). Die am häufigsten auftretenden Fälle sind

hierbei Spiegelung (S1) und Inversion (S

2). Chiralität indes ist für optische Aktivität

zwar notwendig, aber nicht hinreichend: So kann ein chirales Molekül unter

Umständen trotzdem optisch inaktiv sein.

2.2) Makroskopische Beschreibung der Polarisation

Als Maß für die optische Aktivität dient zunächst (als direkte Messgröße) der

Drehwinkel α: Er gibt die Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichtes an, die

beim Durchstrahlen der Probe zutage tritt.

Der Drehwinkel α hängt jedoch von der Zahl der wechselwirkenden Moleküle, und

damit von der Konzentration c und der optischen Weglänge l ab, so dass die

spezifische Drehung wie folgt definiert wurde:

α: gemessener Drehwinkel [°] l: Küvettenlänge [dm]

c: Konzentration [g/100 ml]

[ ]

cl

100

T

⋅

α⋅

=α

λ


<5>

Vergleicht man nun verschiedene Substanzen miteinander, so ist es sinnvoller, die

Drehung auf die Zahl der Moleküle anstatt auf die Masse zu beziehen, weshalb die

molare Rotation eingeführt wurde:

M:molare Masse [g/mol]

Für polymere Verbindungen ist es zweckmäßig, die ermittelte Drehung nicht auf das

gesamte Makromolekül zu beziehen, sondern auf eine monomere Einheit, worin sich

die mittlere molare Rotation begründet:

MMono: Molekulargewicht des Monomers

M : Mittleres Molekulargewicht des

Polymers

N: Polymerisationsgrad

Vorzeichenkonvention

Blickt man als Beobachter dem Lichtstrahl entgegen, so bezeichnet man eine

Substanz:

Als rechtsdrehend, wenn die Ebene des pol. Lichts im Uhrzeigersinn gedreht wird,

als linksdrehend, wenn sie gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird.

2.3) Polarisationsarten des Lichtes

Polarisiertes Licht tritt in drei Erscheinungsformen zutage: linear, zirkular und

elliptisch polarisiertes Licht.

Um die Änderung der Polarisationsebene des linear polarisierten Lichts durch

Dispersion verstehen zu können, ist eine fundierte Kenntnis der mathematischen

Beschreibung dieser Formen vonnöten.

Die drei Arten der Polarisation sind nicht völlig unabhängig voneinander, sondern

lassen sich durch Kombination ineinander überführen.

Wie wir im folgenden sehen werden, lässt sich linear polarisiertes Licht als

Überlagerung zweier Zirkularwellen darstellen, zirkular polarisiertes Licht als

Überlagerung zweier Linearwellen, und elliptisch polarisiertes Licht (als allgemeinster

Fall) sowohl als Überlagerung zweier Zirkularwellen als auch als Überlagerung

zweier Linearwellen.

[ ] [ ]

100

M

MTT

⋅α=

λλ

[ ] [ ] [ ][ ]

N

M

N100

M

100

M

mT

T

Mono

TT

λ

λλλ

=

⋅

⋅α=⋅α=


<6>

Lineare Polarisation

Eine lineare elektromagnetische Welle ist eine Transversalwelle, deren E- und B-

Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung sinusförmig schwingen, um 90°

gegeneinander gedreht und phasengleich sind.

Da sich E-Feld und B-Feld gegenseitig bedingen, genügt es, die elektromagnetische

Welle anhand einer dieser beiden Größen zu beschreiben.

Ändert sich der Betrag des Vektors des E-Feldes in der xy-Ebene, so kann man das

E-Feld beschreiben durch:

)

c

xn

t(coseEE

0

y0y

⋅

−ω⋅⋅=

rr

Beschreibung linear polarisierten Lichts

yE

r

: Vektor des E-Feldes0

E : Amplitude der Lichtwelle

ye

r

: Einheitsvektor ω : Winkelgeschwindigkeit des Lichtes

c0/n: Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium mit Brechungsindex n

Zirkulare Polarisation

Bei der zirkularen Polarisation bleibt der Betrag des E-Feldes konstant. Seine

Orientierung ändert sich jedoch stetig, der Vektor beschreibt eine schraubenförmige

Drehung:

linkszirkulare

Welle

Innerhalb der Wellenlänge λ vollführt das Licht dabei eine Drehung um 360°.


<7>

Vorzeichenkonvention

Blickt man als Beobachter dem Lichtstrahl entgegen, so ist das Licht

rechtszirkular, wenn das E-Feld im Uhrzeigersinn gedreht wird,

linkszirkular, wenn das E-Feld gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird.

Um zirkular polarisiertes Licht im kartesischen Koordinatensystem beschreiben zu

können, muss man es aus zwei linear polarisierten Wellen zusammensetzten, deren

Ebenen orthogonal zueinander stehen und deren Phasen um 90° gegeneinander

verschoben sind.

rechtszirkular polarisiertes Licht

Eine rechtszirkular polarisierte Welle lässt sich (da Sinus und Cosinus

gegeneinander um 90° phasenverschoben sind) wie folgt beschreiben:

⋅

−ω⋅+

⋅

−ω⋅=

0

z

0

y0rechts

c

xn

tsine

c

xn

tcoseEE

rrr

.

Für die linkszirkulare Welle ergibt sich:

⋅

−ω⋅−

⋅

−ω⋅=

0

z

0

y0links

c

xn

tsine

c

xn

tcoseEE

rrr

.

Lineare Polarisation II

Ebenso wie die zirkulare Polarisation durch Überlagerung zweier Linearwellen

entsteht, kann man die lineare Polarisation als Überlagerung zweier gegenläufiger

Zirkularwellen darstellen, da gilt:


<8>

⋅

−ω⋅⋅⋅=

⋅

−ω⋅−

⋅

−ω⋅+

⋅

−ω⋅⋅=+

0

y0

0

z

0

z

0

y0linksrechts

c

xn

tcoseE2

c

xn

tsine

c

xn

tsine

c

xn

tcose2EEE

r

rrrrr

Folgende Graphik verdeutlicht diesen Sachverhalt:

Linearwelle als Kombination zweier Zirkularwellen

Elliptische Polarisation

Elliptisch polarisiertes Licht stellt die allgemeine Form von polarisiertem Licht dar.

Der resultierende E-Vektor rotiert hierbei um die Ausbreitungsachse mit

veränderlicher Amplitude. Elliptisch polarisiertes Licht entsteht ebenfalls durch

Kombination zweier gegenläufiger Zirkularwellen, die hier aber unterschiedliche

Amplituden haben.

Die Elliptizität ist als Arcustangens des Quotienten aus Neben- und Hauptachse der

Ellipse definiert.

Grenzfälle:

aR=a

L: linear polarisiertes Licht

aR=0 oder a

L=0: zirkular polarisiertes Licht

α: Drehwinkel der Ellipsenachse des polarisierten

Lichts

Ψ: Elliptizität mit

LR

LR

A

B

aa

aa

r

r

tan

+

−

==Ψ

rA, r

B: Haupt- und Nebenachse der Ellipse

aR,a

L: Intensität des rechts/links pol. Lichts

α

ψ

Erechts

Elinks


<9>

Elliptisch polarisiertes Licht lässt sich auch als Überlagerung zweier orthogonal

zueinander stehender Linearwellen beschreiben, die um den Phasenwinkel Ψ

gegeneinander verschoben sind.

Grenzfälle:

Ψ=0°: Linear polarisiertes Licht Ψ=±90°: Zirkular polarisiertes Licht

2.4) optische Aktivität: ORD, CD und Cotton-Effekt

optische Rotationsdispersion (ORD)

Wie wir bereits gesehen haben (Kapitel 2.1), beruhen die hier besprochenen

optischen Phänomene ausschließlich auf der unterschiedlichen Wechselwirkung der

elektromagnetischen Wellen mit der Elektronenhülle von Atomen oder Molekülen,

und letztendlich auf unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten.

Um also die Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichtes erschöpfend erklären

zu können, muss dieses in zwei Teilkomponenten zerlegt werden, die mit der Materie

unterschiedlich wechselwirken. Kapitel 2.3 zeigte uns, wie dies möglich ist: linear

polarisiertes Licht wird in zwei gegenläufige Zirkularwellen zerlegt.

Denn wenn sich eine der Zirkularwellen im optisch aktiven Medium langsamer

ausbreitet als die gegenläufige, so vergrößert sich im Medium der Drehwinkel α der

resultierenden Linearwelle stetig. Außerhalb des Mediums breiten sich beide

Zirkularwellen wieder gleich schnell aus, die erreichte Drehung bleibt erhalten.

Nach dem Austritt der Lichtwelle aus dem Medium ist die Polarisationsebene also um

den Drehwinkel α gedreht:

Die Abhängigkeit des Drehwinkels von den unterschiedlichen Brechungsindizes zeigt

die (aus obigem Sachverhalt ableitbare) Fresnel-Gleichung:

λ

π

⋅−=α )nn(RL

.


<10>

Als Dispersion bezeichnet man allgemein die Abhängigkeit einer physikalischen

Größe von der Wellenlänge.

Als optische Rotationsdispersion (ORD) bezeichnet man die Abhängigkeit der

Differenz der Brechungsindices (nL

– nR) der links- und rechtszirkularen Welle von der

Wellenlänge des Lichtes.

Die Unterschiedlichen Wechselwirkungen der Zirkularwellen mit chiralen Molekülen

lässt sich wie folgt veranschaulichen:

Betrachtet man die Form von links-/rechtszirkular polarisiertem Licht, so sind die

Schraubenbewegungen ebenfalls chiral und zueinander enantiomer. Wechselwirken

diese nun jeweils mit einem chiralen Molekül (z.B. der Konfiguration R), so verhalten

sich beide Wechselwirkungen zueinander wie RR zu RS, sind also diastereomer

(und somit in ihren physikalischen Eigenschaften voneinander verschieden).

Circulardichroismus (CD)

Das Ausmaß der Absorption lässt sich gemäß Lambert und Beer wie folgt

beschreiben:

I

I

log

lc

10

⋅

⋅

=ε .

ε: molarer dekadischer Extinktionskoeffizient

I: Intensität des ausgetretenen Lichtes

I0: Intensität des eingestrahlten Lichtes

c: Konzentration der durchstrahlten Lösung

d: durchstrahlte Schichtdicke der Küvette

Genauso, wie aufgrund der Wechselwirkung mit dem chiralen Molekül die

Ausbreitungsgeschwindigkeiten gegenläufiger Zirkularwellen im optisch aktiven

Medium unterschiedlich sind, genauso ist auch das Ausmaß der Absorption für

gegenläufige Zirkularwellen unterschiedlich.

Der Circulardichroismus (CD) beschreibt diese Abhängigkeit des

Absorptionsunterschiedes (ausgedrückt durch die Differenz der beiden

Extinktionskoeffizienten, εL

– εR) von der Wellenlänge.

Die Verbindung zwischen Absorption und Brechung stellt die sogenannte Konig-

Kramers-Relation her. Sie ist eine mathematische Transformation (ähnlich der


<11>

Fourrier-Transformation), die es gestattet, den Absorptionsverlauf über die

Wellenlänge zu bestimmen, falls der Verlauf der Brechung über die Wellenlänge

bekannt ist (und umgekehrt). Brechung und Absorption sind also nur zwei

unterschiedliche Aspekte derselben physikalischen Erscheinung.

Folgende Diagramme verdeutlichen den Verlauf der Brechungen, der Absorptionen,

der ORD sowie des CD gegen die Wellenlänge im Bereich einer Absorptionsstelle:

Das gemeinsame Phänomen von CD und ORD bezeichnet man als Cotton-Effekt.

Das Maximum des Absorptionsunterschiedes manifestiert sich an der

Absorptionsstelle der optisch aktiven Substanz. An dieser Stelle gibt es keinen

Unterschied der beiden Brechungsindices.

Durch den Cotton-Effekt verändern sich also einerseits die Brechungsindizes, damit

die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts und somit der Drehwinkel α; Anderseits

werden beide Zirkularwellen unterschiedlich absorbiert, so dass diese

unterschiedliche Amplituden aufweisen.

Das Ergebnis dieser beiden Wechselwirkungen kennen wir bereits: Es entsteht

elliptisch polarisiertes Licht.


<12>

Entstehung elliptisch polarisierten Lichts

Die Elliptizität war hierbei definiert als:

LR

LR

A

B

aa

aa

r

r

tan

+

−

==Ψ

Für kleine Elliptizitäten lässt sich dies umformen in:

( )

λ

π

⋅−=ΨRL

kk (kL, k

R: Absorptionskoeffizienten)

Analog zur molaren Rotation definiert man nun die molare Elliptizität [ ]Θ :

[ ] [ ]

100

M

Ψ=Θ , mit [ ]

cl

100

⋅

Ψ⋅

=Ψ .

Durch Annahme einer speziellen Form der Absorptionskurve erhält man folgenden

Zusammenhang zwischen Elliptizität und Unterschied der Absorptionskoeffizienten:

[ ] ( )RL

3300 ε−ε=Θ .

Nach Kuhn lässt sich letztendlich sogar (aufgrund halbempirischer Betrachtungen)

der maximale Unterschied der Extinktionskoeffizienten mit dem maximalen

Unterschied der molaren Rotation (A) verknüpfen:

[ ] [ ] [ ] ( )maxRLminmax

4028AMM ε−ε⋅==−λλ


<13>

Wobei die Halbwertsbreite des CD ∆υ gegeben ist durch )(925,0minmax

υ−υ=υ∆ .

[A] ist die Amplitude des Cotton-Effekts.

Cotton-Effekt

Vorzeichenkonvention:

Der Cotton-Effekt ist positiv,

falls λmax

>λabs

,

anderenfalls negativ.

Da der Cotton-Effekt bereits bei winzigen Brechungsindexunterschieden für die

beiden Zirkularkomponenten makroskopisch messbare Auswirkungen zeigt, ist seine

Verfolgung ein empfindliches Instrument bei der Untersuchung molekularer oder

kristalliner Strukturen und Strukturänderungen.

Klassifikation der Dispersion

Einfache Dispersion

bestimmt den

Kurvenverlauf außerhalb

von Absorptionsstellen bei

niedrigen / keinen

Helixgehalten. Hier fällt α

monoton ab mit

zunehmender Wellenlänge.

Komplexe Dispersion

ergibt sich bei hohen

Helixgehalten. Die

Wechselwirkungen in der

Helix leisten zusätzliche

Beiträge zur ORD.

Anormale Dispersion

Der Kurvenverlauf bei

anormaler Dispersion

ergibt sich im Bereich von

Absorptionsstellen. Ein S-

förmiger Anteil überlagert

die normale Dispersion.


<14>

2.5) Drude- und Moffitt-Gleichung

Mithilfe der Quantentheorie (Rosenfeld, 1928 / Condon, 1937) wurde die molare

Drehung (Molrotation) [M]λ berechnet als:

[ ] ∑λ−λ

λ

⋅

+

⋅

π

=λ

i,k

2

ki

2

2

kiki

2

AR

3

2n

hc

N96

M

NA: Loschmidt-Zahl

λki: Wellenlänge der elektronischen Übergänge zwischen den Zuständen k und i

Rki: Rotatorstärke eines Übergangs zwischen den Zuständen k und i

Die Rotatorstärke ist ein Maß (wie das Übergangsdipolmoment für „normale“

Absorption) für die Übergangswahrscheinlichkeit. Bei der Wechselwirkung mit

Zirkularwellen muss neben dem Übergangsdipolmoment ki

µ

r

(also ein während dem

Übergang induzierter Dipol) wegen deren helikalen Bewegung auch ein

magnetisches Übergangsmomentki

m

r

(kreisförmige Bewegung der Ladung während

des Übergangs) berücksichtigt werden. Beide Übergangsmomente müssen zudem

geeignet zueinander orientiert sein

1

. Diese Forderungen sind in der Rotatorstärke

vereinigt:

( )kikikikikikiki

mIm)m,cos(mR

rrrrrr

⋅µ=µ⋅⋅µ= .

Summiert man über alle möglichen Rotatorstärken Rki, gilt der Thomas-Kuhn’sche

Summensatz: 0R

i,k

ki=∑ .

1

Eine tiefere Betrachtung zu den elektronischen Übergängen findet sich in

G. Snatzke, Chemie in unserer Zeit 1981, 3, 79-87.


<15>

Elektronisches und magnetisches Übergangsmoment

Drude-Gleichung

Bereits im Jahre 1900 fand Drude einen empirischen Ausdruck für die spezifische

Drehung außerhalb von Absorptionsstellen, welche obiger Rosenfeld-Gleichung stark

ähnelt:

[ ] ∑λ−λ

=αλ

i

2

i

2

ik

Drude-Gleichung

ki: Konstanten (proportional zu R

ki)

λi: Wellenlängen der optisch aktiven Übergänge

Weitab von Absorptionsstellen vereinfacht sich diese Gleichung zu

[ ]2

c

2

A

λ−λ

=αλ

A: Konstante

λc: Dispersionskonstante

Dass die Drude-Gleichung nur eine empirische Näherung ist, erkennt man auch

daran, dass sie der Summenregel 0R

i,k

ki=∑ widerspricht.

Weitab von Absorptionsstellen wirkt sich bezüglich der optischen Drehung nur noch

eine Absorptionsstelle aus (meist die dem beobachteten Spektralbereich am

Nächsten liegende). Häufig ist ein Übergang auch sehr intensiv, dann können die

Übrigen vernachlässigt werden. In diesem Fall ist λc anschaulicherweise die


<16>

Wellenlänge des intensivsten Übergangs (ansonsten dass Gewichtsmittel aller

Wellenlängen; Analoges gilt für A).

A und λc werden bestimmt, indem man [ ]

λαλ

2

gegen [ ]λ

α aufträgt.

Eine Gerade in dieser Gleichung ist das Kriterium für die Gültigkeit Drude-Gleichung

und für sogenannte einfache Dispersion („plain curve“).

Moffitt-Gleichung

Während die Drude-Gleichung (und damit die einfache Dispersion) für isolierte

optisch aktive Chromophore zutrifft, ergibt die Auftragung von [ ]λ

αλ2

gegen [ ]λ

α für

komplexere Moleküle keine Gerade mehr. Hier wechselwirken die Chromophore

zusätzlich miteinander, man erhält komplexe Dispersion („cotton effect curve“). Eine

helikale Anordnung etwa bringt zusätzlich zur optischen Drehung der

Monomereineinheiten einen weiteren Beitrag zur Gesamtrotation, der in nicht-

helikalen Molekülen fehlt. Zwei Modelle eignen sich hierbei zur Beschreibung dieser

Situation:

• Die Chromophore stellen gekoppelte harmonische Oszillatoren dar; dadurch

spalten sich die einzelnen Peaks der Absorption in Banden auf

• Durch die helikale Anordnung der Chromophore werden diese in einer zusätzlichen

helikalen Bewegung angeregt (die wie oben [S. 15] auch in eine magnetische und

eine elektronische Komponente zerlegt werden kann: „free electron model [FEM]“).

Moffitt leitete 1956 eine dies berücksichtigende Gleichung her. Aus jedem Band der

Absorption liefern zwei Wellenlängen einen Beitrag zur sog. „Mehr-Term-Drude-

Gleichung“. Die beiden Wellenlängen entsprechen je einem Übergang parallel und

orthogonal zur Helixachse. Beide Übergänge besitzen dieselbe Rotatorstärke

( 0R

i,k

ki=∑ ), die sich aber letztendlich wegen der unterschiedlichen Wellenlänge nicht

gegenseitig aufheben.


<17>

Die Wellenlänge eines solchen „aufgespaltenen Übergangs“ ist (für Wellenlängen,

die sehr viel größer sind als jene der Absorptionsbanden):

[ ]2

i

2

2

ii

a

2

i"

2

2

i"i"

a

⊥

−

⊥⊥+

−

=

λi

m

i

a

⊥

: Übergangskonstante orthogonal zur Helixachse

i⊥

: Übergangswellenlänge orthogonal zur Helixachse

2

i"

,

i"

a : dito für parallelen Übergang

Durch Einführen des Mittelwertes

2

ii"

i

⊥

λ+λ

=λ lässt sich dies (für

i

ii"

λ<<

⊥

λ−λ ) umformen in:

[ ]2

2

i

2

4

ii

b

2

i

2

2

ii

a

i

m

λ−λ

λ⋅

+

λ−λ

λ⋅

=

λ

Die Aufspaltung des Übergangs i ist dabei in bi berücksichtigt. b

i ist also ein Maß für

die Wechselwirkung der Chromophore und damit für die Helizität.

Verglichen mit der Drude-Gleichung wird die Komplexität der Dispersion also durch

den Term

2

2

i

2

4

ii

b

λ−λ

λ⋅

beschrieben.

Die Gesamtrotation (Summation über alle Übergänge) ergibt sich zu

[ ] ∑

λ−λ

λ⋅

+∑

λ−λ

λ⋅

=λ

i

2

2

i

2

4

ii

b

i

2

i

2

2

ii

a

m

Für praktische Zwecke konnten Moffitt und Yang (1956) dies zu folgender

phänomenologischen Gleichung vereinfachen:


<18>

[ ]

2

2

0

2

4

00

b

2

0

2

2

00

a

m

λ−λ

λ

+

λ−λ

λ

= Moffitt-Gleichung

b0 und λ

0 sind Funktionen des Helixgerüsts und unabhängig von der Umgebung

(Lösungsmittel, Seitenketten,…).

a0 stellt die Rotation der Lichtebene durch die isolierten Helixbausteine dar

(unabhängig von deren Anordnung). a0 ist von Wechselwirkungen mit der Umgebung

(und von weiteren Wechselwirkungen innerhalb der Helix) abhängig.

λ0 ist (wie λ

c) ein Gewichtsmittel über alle optisch aktiven Übergänge.

Die Brauchbarkeit der Moffitt-Gleichung (zur Beschreibung der komplexen

Dispersion) zeigt sich, wenn die Auftragung von [ ] ( )2

0

2

m λ−λ⋅λ

gegen

( )2

0

2

1

λ−λ

eine

Gerade ergibt. Aus dem Achsenabschnitt lässt sich a0, aus der Steigung b

0

bestimmen.

2.6) Struktur von Polypeptiden

Polypeptide sind Bestandteile der Proteine, die für den Aufbau und die Funktion

biologischer Systeme unerlässlich sind. Polypeptide sind über Amidbindungen zu

Polymeren verknüpfte Aminosäuren.

N

H

N

H

N

H

O

OR1

R2 O

Die direkte Abfolge der Bausteine (Sequenz) nennt man Primärstruktur.

Die Anordnung der Peptidkette im Raum wird Sekundärstruktur genannt, Beispiele

sind α-Helix, β-Faltblatt oder statistisches Knäuel [Random Coil, RC] als völlig

ungeordnete Struktur. Die Abfolge dieser Sekundärstrukturen im Peptid kennzeichnet

die Tertiärstruktur. Die Zusammenlagerung mehrerer Peptide (zu Überstrukturen)

bezeichnet man letztendlich als Quartärstruktur.


<19>

α-Helix. 3,6 Aminosäuren

bilden je eine Umdrehung um

360° , die Helix wird durch

Wasserstoffbrücken

stabilisiert.

ß-Faltblatt. Gezeigt ist hier eine antiparallele

Orientierung der Teilstränge. Die

Aminosäuresequenz bestimmt mitunter, welche

der Sekundärstrukturen ausgebildet wird.

Tertiärstruktur. Das vollständige Peptid ist gekennzeichnet durch die Abfolge an

Helices und Faltblättern (Pfeile), sog. Turns und Random Coil (RC) Bereichen. Die

Tertiärstruktur ist nicht völlig starr, vor allem während enzymatischen Reaktionen

kann sie sich kontrolliert ändern. Die Empfindlichkeit von Proteinen gegenüber

äußeren Einflüssen zeigt sich häufig zuerst in einer Änderung der Tertiärstruktur.


<20>

Die Vorliebe des Polypeptids für eine bestimmte Sekundärstruktur wir durch die

Abfolge der einzelnen Aminosäuren festgelegt, wofür vor allem die Natur der

Seitenkette verantwortlich ist. Weitere beeinflussende Parameter sind etwa

Temperatur, Lösemittel und die Anwesenheit (und Art) von Metallionen.

In unserem direkten Fall beschäftigen wir uns mit einem

denkbar einfachen Polypeptid: Das aus nur einem

Aminosäurederivat aufgebaute Poly-γ-benzyl-L-glutamat

(PBLG).

Die abhängig von der Temperatur gebildete Struktur von Polypeptiden kann mit der

Gibbsschen freien Enthalpie verstanden werden (∆G = ∆H-T∆S).

Bei Erhöhung der Temperatur geht eine Helix normalerweise in die RC-Form über

(∆H>0: Wasserstoffbrücken müssen überwunden werden, ∆S>0: konformative

Freiheitsgrade werden gewonnen).

Dieses Verhalten ist von der Lösemittelzusammensetzung abhängig. In aktiven

(protischen) Lösemitteln wird auch das RC durch Wasserstoffbrücken mit dem

Lösemittel stabilisiert. Die stärkere Fixierung der Lösemittelmoleküle (Verlust an

Translationsfreiheitsgraden) in der RC-Form verringert die insgesamt freiwerdende

Entropie.

Durch geeignete (protische) Lösemittel kann die Stabilität gerade umgekehrt werden:

Die Helixform ist dann erst bei höheren Temperaturen stabiler als die RC-Form.

Dieses Verhalten liegt auch in unserem Praktikumsversuch (PBLG in 4:1

Dichloressigsäure:Ethylendichlorid) der Fall.

Die Stabilisierung der RC-Form durch Wasserstoffbrücken überwiegt jene der

helixinternen Wasserstoffbrücken, die höhere Entropie der RC-Form wird

überkompensiert durch den Verlust an Translationsfreiheitsgraden des Lösemittels.

N

O O

O

O

*

*n


<21>

Bei der Helix-RC-Umwandlung handelt es sich um ein sogenanntes kooperatives

Phänomen: Die Umwandlung ist abhängig von den Nachbarn einer Monomereinheit,

d.h. sie läuft nicht isoliert ab (sonst wäre kein scharfer Umwandlungspunkt zu

erkennen). Dabei wandeln sich zusammenwirkend ganze Kettenabschnitte

gleichzeitig um (durch vergleichende kalorische und optische Messungen konnte die

„kooperative Länge“ auf 70-100 Monomereinheiten abgeschätzt werden).

2.7) Helix-Coil-Umwandlung: Experimentelles

Bei der Helix-RC-Umwandlung beobachtet

man eine deutliche Änderung der

optischen Rotation: Die RC-Form zeigt

einfache Dispersion, die Helix-Form

hingegen komplexe Dispersion. Hierbei

wird beobachtet, dass PBLG bei 21 °C in

Ethylendichlorid (EDC) praktisch nur als

Helix, in Dichloressigsäure (DCA) nur als

statistisches Knäuel vorliegt.

Neben der Lösungsmittelzu-

sammensetzung und der Temperatur ist die

Umwandlungstemperatur (RC →Helix) auch

vom Polymerisationsgrad und der

Konzentration des Polypeptids abhängig.

RC: Man beobachtet einen negativen Cotton-Effekt bei 190 nm (Amid-

Absorptionsbande) und einen sehr schwachen Cotton-Effekt bei 225 nm.


<22>

α-Helix (siehe links):

Man beobachtet einen negativen Cotton-

Effekt bei 222 nm (n-π*-Übergang).

Die CD-Bande besitzt einen positiven Peak

bei 191 nm und einen negativen Peak bei 209

nm (π-π*-Übergang, für α-Helices

aufgespalten).

Die Komponente bei 191 nm ist orthogonal, die bei 205 nm parallel zur Helixachse

orientiert.

Im Bereich 300-700 nm lässt sich die Dispersionskurve (für kleine Helixgehalte) mit

der Drude-Gleichung beschreiben. Für die reine RC-Form bei Polypeptiden ist λC ≈

180 nm.

Höhere Helixgehalte lassen sich nach Moffitt beschreiben, wobei sich bei den

meisten Polypeptiden für λ0 ≈ 212 nm eine Gerade ergibt. Die Konstante b0 gibt den

Grad an, inwiefern aus der normalen Dispersion (b0

= 0: Drude-Gleichung) eine

komplexe Dispersion wird (Moffitt-Gleichung), und eignet sich daher als Maß für die

Helizität.

Die Literaturwerte für b0 erstrecken sich für reine α-Helices von –700 bis –580, für

reine statistische Knäuel (RC) von 0 bis 100.


<23>

Bestimmung des Helixgehaltes

Den zur jeweiligen Temperatur gehörigen Helixgehalt H kann man auf mehrere Arten

bestimmen, von denen hier zwei repräsentativ behandelt werden:

a) aus dem Parameter b0 der Moffitt-Gleichung

Kennt man die Parameter der reinen RC-Form (b0,C

für H=0) und für die reine α-Helix

(b0,H

für H=1), so ergibt sich für ein bestimmtes b0 der Helixgehalt zu:

H,0

b

C,0

b

0

b

C,0

b

H

−

−

= .

b) Aus der spezifischen Drehung

Unter bestimmten Vorraussetzungen (die Seitenketten müssen in Helix- sowie RC-

Form dieselbe Stellung bezüglich des Gerüsts haben und dieselben

Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel eingehen) kann man die spezifische

Rotation aufteilen in zwei Anteile: einen der Helix, einen des statistischen Knäuels.

[ ] [ ] [ ]C,H,

T

CHλλλ

α⋅+α⋅=α

[ ]T

λα : gemessene spez. Rotation

[ ]H,λ

α & [ ]C,λ

α : spez. Rotation für reine Helix-/RC-Form

H: Helixgehalt

C: RC-Gehalt (C = 1-H)

Durch Umformen erhält man:

[ ] [ ]

[ ] [ ]C,H,

C,

T

H

λα−

λα

λα−

λα

= .

[ ]H,λ

α & [ ]C,λ

α erhält man entweder durch Extrapolation (aus [ ]T

λα gegen T) oder durch

geeignete Änderung des Lösemittels (so dass bei gegebener Temperatur nur Helix

oder RC vorliegen).


<24>

3) Praktische Durchführung

3.1) Aufgabenstellung

Zu verfolgen ist die Helix-Coil-Umwandlung einer Lösung von Poly-γ-benzyl-L-

glutamat (PBLG) in einem 4:1 Gemisch von Dichloressigsäure (DCA) und

Ethylendichlorid (EDC).

Erarbeiten Sie folgende Ergebnisse:

• Bestimmung von A und λC für PBLG in DCA (für sehr niedrige Helixgehalte)

• Bestimmung der Umwandlungstemperatur TC (bei H = 0,5)…

…aus der spezifischen Drehung:

Bestimmung der spez. Drehung von Helix (PBLG in EDC) und RC (PBLG in DCA)

Bestimmung der spez. Drehungen für PBLG in DCA:EDC

⇒ Helixgehalte für jede Temperatur und Wellenlänge

⇒ TC für jede Wellenlänge

…nach Moffitt:

Bestimmung von b0,H (PBLG in EDC) und b0,C (PBLG in DCA)

Bestimmung der Werte b0 (PBLG in DCA:EDC)

⇒ Helixgehalte für jede Temperatur

⇒ TC

• Überprüfung der Gültigkeit der Drude- /Moffitt-Gleichung (Kriterium: R

2

> 0,98)

inklusive Fehlerrechung für alle bestimmten Größen


<25>

3.2) Versuchsdurchführung

1. Vorbereitungen

- Am Thermostat: Schläuche zu den Küvetten abklemmen

- Polarimeter und Thermostat ans Netz anschließen und einschalten

- Temperaturregler auf 20 °C stellen

- Kühlwasser leicht aufdrehen

2. Ansetzen der Lösungen

- Mithilfe der Analysenwaage je 400 mg PBLG in die 10 ml-Messkolben

überführen und mit EDC sowie DCA:EDC bis zur Eichmarke auffüllen. 200 mg

PBLG in den 5 ml-Messkolben überführen und mit DCA bis zur Eichmarke

auffüllen. Durch Schütteln lösen, längere Zeit Ruhen lassen (kein Ultraschall

verwenden: Depolymerisation).

- Messküvetten wie folgt befüllen:

Küvettenlänge Inhalt3 cm reine DCA

3 cm reines EDC

5 cm PBLG in DCA

10 cm PBLG in EDC

10 cm PBLG in DCA:EDC (4:1)

3. Messen

- Wellenlänge einstellen

- Prüfen, ob Soll- und Ist-Temperatur am Thermostat übereinstimmen

- Ggf. Küvette aus Messkammer entfernen

- Durch Drehen des seitlichen Rades Nullabgleich an der Skala vornehmen

- RESET-Taste drücken: Anzeige muss 0.00° anzeigen.

- Die Thermostatierschläuche an die Messküvette anschließen. Auf sicheren

Sitz achten.

Quetschhähne entfernen und Wasserzufuhr öffnen.

- Klappe des Polarimeters öffnen und Küvette ganz nach rechts in den

Probenraum stellen. Darauf achten, dass die Thermostatierschläuche nicht

abgeklemmt werden oder abreißen.

- Warten, bis die Probe ausreichend thermostatiert ist (Kontrolle über

Nullabgleich). Nullabgleich durchführen und Drehwinkel an der Digitalanzeige

ablesen.

- Küvette aus dem Probenraum entfernen und Klappe schließen.

- Nächste Wellenlänge einstellen und Messvorgang wie oben beschreiben

wiederholen.

Auf diese Art und Weise wird (bei 20 °C) der Drehwert aller Lösungen bei allen 4

Drehwinkeln gemessen.

Vor dem Wechseln der Küvette Thermostatierschläuche abklemmen!

Die Küvette der Lösung von PBLG in DCA:EDC (4:1) wird zudem bei folgenden

Temperaturen gemessen: 20, 25, 30, 35, 38, 40, 42, 44, 46, 50, 55, 60, 65 °C.

4. Versuchsende

- Wasserkreislauf schließen, Thermostatierschläuche abklemmen

- Polarimeter und Thermostat ausschalten, Netzstecker ziehen

- Arbeitsplatz reinigen, Polarimeter abdecken


<26>

Messprotokoll

Namen: Gruppen-Nr.:

Datum: Unterschrift Assistent/in:

Vermessene Lösungen

PBLG in… Einwaage [mg]VLösemittel

[mL]

Küvettenlänge

[dm]

MPBLG

[g/mol]

Polymerisations-

grad

EDC 10 1,0

DCA 5 0,5

DCA/EDC (4:1) 10 1,0

Drehwinkel [°] der reinen Lösungsmittel bei T=

λ [nm] 437,9 495,0 589,4 619,1

DCA

EDC

Küvettenlänge: EDC = 0,3 dm DCA = 0,3 dm

Drehwinkel [°] für PBLG in reinem Lösungsmittel bei T=

λ [nm] 437,9 495,0 589,4 619,1

DCA

EDC

Drehwinkel [°] für PBLG in DCA:EDC (4:1)

T [°C] λ [nm]

Soll Ist 437,9 495,0 589,4 619,1

20

25

30

35

38

40

42

44

46

50

55

60

65


<27>

Ergebnisblatt

Namen:

Datum: Assistent/in:

Umwandlungstemperaturen

Nach Moffitt TC = ± °C

λ = 437,9 nm TC = ± °C

λ = 495,0 nm TC = ± °C

Aus der spez. Drehung λ = 589,4 nm TC = ± °C

λ = 619,1 nm TC = ± °C

Mittelwert TC = ± °C

Parameter der Drude-Gleichung

A = ± λC = ± nm

Gültigkeitsbereiche

Moffitt-Gleichung − °C

Drude-Gleichung − °C

PBLG in ( °C) Küvettenlänge: 1,0 dm Konzentration: g/100 mL

Drehwinkel spez. Drehung mittl. spez. Rot. Helixgehalt

λ α [α]λ

[m]λ

[α]λ*λ2 [m]

λ*(λ2-λ0

2) HDrude HMoffitt 1/(λ2-λ02)

[nm] [°] [°*L*cm

-1

*g

-1

] [°*L*m

-1

*mol

-1

] [10

16

*°*L*m*g

-1

] [10

18

*°*L*m*mol

-1

] [%] [%] [nm

-2

]

437,9495,0589,4619,1

λ ∆[α]λ

∆[m]λ

∆([α]λ*λ2) ∆([m]

λ*(λ2-λ0

2)) ∆HDrude ∆HMoffitt b0 a0

[nm] [°*L*cm

-1

*g

-1

] [°*L*m

-1

*mol

-1

] [10

16

*°*L*m*g

-1

] [10

18

*°*L*m*mol

-1

] [%] [%] [°*L*m

-1

*mol

-1

] [°*L*m

-1

*mol

-1

]

437,9495,0 min

589,4 max

619,1 ∆

PBLG in ( °C) Küvettenlänge: 1,0 dm Konzentration: g/100 mL

Drehwinkel spez. Drehung mittl. spez. Rot. Helixgehalt

λ α [α]λ

[m]λ

[α]λ*λ2 [m]

λ*(λ2-λ0

2) HDrude HMoffitt 1/(λ2-λ02)

[nm] [°] [°*L*cm

-1

*g

-1

] [°*L*m

-1

*mol

-1

] [10

16

*°*L*m*g

-1

] [10

18

*°*L*m*mol

-1

] [%] [%] [nm

-2

]

437,9495,0589,4619,1

λ ∆[α]λ

∆[m]λ

∆([α]λ*λ2) ∆([m]

λ*(λ2-λ0

2)) ∆HDrude ∆HMoffitt b0 a0

[nm] [°*L*cm

-1

*g

-1

] [°*L*m

-1

*mol

-1

] [10

16

*°*L*m*g

-1

] [10

18

*°*L*m*mol

-1

] [%] [%] [°*L*m

-1

*mol

-1

] [°*L*m

-1

*mol

-1

]

437,9495,0 min

589,4 max

619,1 ∆


<29>

Polarimeter: Aufbau und Funktionsweise

Zunächst muss abgewartet werden, bis das Wärmebad die Temperatur angenommen

hat. Dann ist noch etwa 15 Min. zu warten, bis auch die Probe in der Küvette

gleichmäßig temperiert ist. Vorher werden die Messungen durch Schlierenbildung

verfälscht! Die Temperatur des Wärmebades kann durch ein Kontaktthermometer

vorgewählt und über ein anderes Thermometer gemessen werden.

Prinzip

Linear polarisiertes Licht wird in optisch aktiven Proben um einen bestimmten Betrag

gedreht. Dasselbe Phänomen (Faraday-Effekt) tritt in transparenten Materialen

(beispielsweise Flintglas) auf, wenn es sie in einem axialen Magnetfeld platziert werden.

Dieses wird durch eine mit Gleichspannung betriebene Spule erzeugt. Die dabei

erreichte Drehung ist der angelegten Spannung direkt proportional.

Das vorliegende Instrument nutzt dieses Phänomen, um die durch die Probe

verursachte Drehung zu kompensieren.

S: Wolfram-Lampe

L: Linse

(zur Fokussierung)

D: Spalt

O: Linse (zur Paralleli-

sierung des Lichts)

F: Monochromator

(Interferenzfilter)

POL1, POL2: Polarisationsfilter

cell: Probenraum

Bm, Bc: Kompensatoren

Photo.M: Detektor

(Photomultiplier)


<30>

Funktionsweise

Die Polarisationsebenen der Polarisationsfilter „POL1

“ und „POL2

“ sind um 90 °

gegeneinander verdreht.

„Bc“ wird mit Gleichspannung betrieben; Drehwinkel und Vorzeichen des linear

polarisierten Lichtes beeinflussen direkt die zur Kompensation der Drehung benötige

Spannung, „Bm“ wird mit Wechselspannung (50 Hz) betrieben.

Beim Betrieb mit optisch inaktiven Proben wird, durch den Betrieb des Kompensators

„Bm“ mit 50 Hz, am Photomultiplier „Photo.M“ ein mit 100 Hz moduliertes Signal (der

mittleren Intensität Null) empfangen. Da der Vorverstärker mit einer Frequenz von 50 Hz

arbeitet, wird dieses modulierte Signal nicht verstärkt.

Wird eine optisch aktive Probe in den Strahlengang gebracht, Empfängt der

Photomultiplier ein Signal. Durch Anlegen einer Gleichspannung an den Kompensator

„Bc“ wird die mittlere Intensität des Signals auf Null reduziert. Die zur Kompensation

nötige Gleichspannung entspricht dem Drehwinkel der optisch aktiven Substanz.

Polartronic E

mit Filterwechsel für 4 Wellenlängen

Der Polartronic E mit der Seriennummer 26155 misst bei folgenden Wellenlängen:

eingravierter Nennwert genauer Wert

436 nm 437.9 nm

495 nm 495.0 nm

589 nm 589.4 nm

620 nm 619.1 nm


<31>

1. Netzanschluss und Aufstellung

Kontrollieren, ob die verfügbare Netzspannung und Frequenz mit den Daten auf dem Netzanschlussboard

übereinstimmen. Das Polarimeter nicht in der Nähe von Wärmequellen aufstellen und einen

Mindestabstand von 15 cm einhalten.

2. Einschalten

Mit dem Kippschalter ganz links am Bedienungspaneel. Unmittelbar nach dem Einschalten bleibt die

Digitalanzeige bis auf die Symbole „ . °“ dunkel. Um die Anzeige zu aktivieren, ist die RESET-Taste zu

betätigen.

3. Wahl der Messwellenlänge bei Geräten mit Filterwechslern

Der POLARTRONIC-E kann durch optionalen Einbau einer Wechselvorrichtung für Interferenzfilter auch

für Messungen bei verschiedenen Wellenlängen eingesetzt werden.

Alle Filter sind in einem Revolver untergebracht, der je nach Filterbelegung in maximal vier Stellungen

einrastet.

Durch senkrechtes Verschieben des sich an der Frontplatte (links neben dem Probenraum) befindlichen

Rändelrades wird der POLARTRONIC-E auf eine andere Wellenlänge umgeschaltet. Hierbei wird die

Anzeige bis auf einen Punkt und ein Leuchtzeichen abgeschaltet.

Durch das Drücken der Reset-Taste kann die Anzeige wieder aktiviert werden.

Die in das Rändelrad eingravierten Zahlen geben die Wellenlängen des sich jeweils im Strahlengang

befindlichen Filters in Nanometern an.

Wurde ein Filter nicht korrekt in den Strahlengang des Polarimeters eingeschwenkt, so leuchtet ein

Warnsignal in der LED-Anzeige auf. Dieses Signal leuchtet auch dann auf, wenn sich anstelle eines

Interferenzfilters eine Blindplatte im Strahlengang befindet.

Die aus physikalischen Gründen bedingten Nullpunktverschiebungen beim Wechseln der

Messwellenlängen können anhand der im Abschnitt 4 gegebenen Beschreibung beseitigt werden.

4. Nullpunkteinstellung

Den Zeiger des Anzeigeinstrumentes auf dem Bedienungspaneel mit Hilfe des Abgleichknopfes auf der

rechten Seite des Polarimetergehäuses genau in die Null-Lage (Mittelstellung) bringen. Drehrichtung des

Abgleichknopfes entgegengesetzt zur Zeigerausschlagrichtung, so als wollte man mit dem Abgleichknopf

den Zeiger zurückdrehen. Anschließend die RESET-Taste drücken.

Für eine genaue Nullpunkteinstellung ist eine parallaxenfreie Einstellung des Zeigers notwendig, was

durch einen kleinen Spiegel unterhalb der Nullmarke des Anzeigeinstruments erleichtert wird.

Der Probenraum muss bei der Nullpunkteinstellung leer sein oder eine Polarimeterröhre, die mit reinem

Wasser gefüllt ist, enthalten. (Damit eine eventuell vorhandene Eigendrehung der Röhre infolge

verspannter Deckgläser bei der Nullpunkteinstellung berücksichtigt werden kann.)


<32>

Solange die RESET-Taste gedrückt wird, erscheint in der Digitalanzeige in jeder Dezimale eine „8“. Dies

ermöglicht eine Kontrolle der Funktionsfähigkeit aller LED-Segmente.

5. Messen

Die mit der Untersuchungslösung gefüllte Polarimeterröhre in den Probenraum einlegen. Zeigerausschlag

des Anzeigeinstruments beobachten.

Bei Linksdrehung den Zeiger des Anzeigeinstruments durch Verdrehen des Abgleichknopfes an der

rechten Seite des Polarimetergehäuses im Uhrzeigersinn in die Nullstellung zurückführen.

Ein Rechtsausschlag des Zeigers erfordert ein Verstellen des Abgleichknopfes entgegen dem

Uhrzeigersinn. (Bei der Beobachtung des Zeigers sind Parallaxenverschiebungen zu vermeiden.)

Hinweis:

Wie allgemein bekannt ist, hängt die in Polarimetern gemessene Drehung der Ebene des linear-

polarisierten Lichts nicht nur von der Konzentration der gemessenen Lösung ab, sondern auch von der

Wellenlänge des bei der Messung verwendeten Lichts.

Daher ergibt sich bei jedem Wellenlängenwechsel auch eine geringfügige Verschiebung des Nullpunktes,

die jedoch leicht zu kompensieren ist.

Für die Ermittlung genauer Messwerte ist es notwendig, dass nach jedem Wellenlängenwechsel eine

Nullpunktüberprüfung bzw. eine Nullpunkteinstellung gemäß Abschnitt 4. erfolgt.

Bei einfacheren Routinemessungen kann man sich eines verkürzten Arbeitsablaufes bedienen, indem

man die Abweichung der Nullpunkte vor Beginn der Messreihe ermittelt und dann die Ergebnisse durch

Addition oder Subtraktion der festgestellten Abweichung korrigiert.

6. Sonderanzeige

Im unteren Teil des linken 7-Segment-LED-Bausteins der Anzeige erscheint das Zeichen „-“.

Dieses ist nur ein Warnhinweis, dass die Empfindlichkeitsregelung des Gerätes hoch ausgesteuert ist.

Ursache hierfür ist wahrscheinlich eine nicht exakt eingelegte Polarimeterröhre, eine zu dunkle oder eine

zu trübe Probe. Sollte sich die Polarimeterröhre in der richtigen Lage befinden, so empfiehlt es sich, die

Messung mit einer besser geklärten oder einer verdünnten Probe zu wiederholen. Empfehlenswert ist in

diesen Fällen auch die Verwendung einer kürzeren Messröhre.

Nach längerem Gebrauch können auch stark verschmutzte Schutzgläser in den Lichtaustritts- bzw.

Lichteintrittsöffnungen an den Seitenwänden des Probenraumes die Ursache für die o. g. Anzeige sein.

Die Schutzglaser sind dann an besten mit klarem Wasser, dem ggf. ein Haushaltsreinigungsmittel

zugesetzt ist, zu säubern und mit einem weichen Tuch abzutrocknen.


<33>

Literaturübersicht

Einführende Literatur

S.F. Mason, Optical Rotatory Power, Quart. Rev. (London) 1963, 17, 20

H. Ripperger, Optische Rotationsdispersion und Circulardichroismus sowie ihre Anwendung in der org.

Chemie, Z. Chemie 1966, 6, 161

G. Snatzke, Circulardichroismus und opt. Rotationsdispersion - Grundlagen und Anwendung auf die

Untersuchung der Stereochemie von Naturstoffen, Angew. Chemie 1968, 80, 15

K.-P. Wong, Optical Rotatory Dispersion and Circular Dichroism, J. Chem. Educ. 1974, 51, A573

K.-P. Wong, Optical Rotatory Dispersion and Circular Dichroism, J. Chem. Educ. 1975, 52, A9/A830

G. Snatzke, Chiroptische Methoden in der Stereochemie, Chemie in unserer Zeit 1981, 15, 78

G. Snatzke, Chiroptische Methoden in der Stereochemie, Chemie in unserer Zeit 1982, 16, 160

Theorie und Quantenmechanik der opt. Aktivitäten

H. Eyring, H. Walter, J. Kimball, Quantum Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 196110 QEl / K QD

461 1961 E

W. Kauzmann, Quantum Chemistry, Academic Press, New York, 19676, K QD 461 1967 K

W. Kauzmann, J. Walter, H. Eyring, Theories of Optical Rotatory Power, Chem. Rev. 1940, 26, 339

Konformation von Polypeptiden und deren ORD

B. Jirgensen, Optical Activity of Proteins and Other Molecules, Molecular Biology, Biochemistry and

Biophysics", Band 5, Springer, Heidelberg, 1973

P. Doty, J.T. Yang, Poly-γ-Benzyl-L-Glutamate: The Helix-Coil Transition in Solution, J. Am. Chem. Soc.

1956, 78, 498

Für besonders Interessierte

P. Urnes, P. Doty, Optical Rotation and the Conformation of Polypeptides and Proteins, Adv. Protein

Chem. 1961, 16, 401

W. Moffitt, Optical Rotatory Dispersion of Helical Polymers, J. Chem. Phys. 1956, 25, 467

B.H. Zimm, J.K. Bragg, Theory of the Phase Transition between Helix and Random Coil in Polypeptides

Chains, Chem. Phys. 1959, 31, 526

J. R. MacDonald, M. K. Brachman, Linear-System Integral Transform Relations, Rev. Mod. Phys. 1956,

28, 393

Step by Step Anleitung für V6 - ORD

1.Vorbereitung

- Thermostat holen (steht meist im Grundpraktikum); Schläuche zu denKüvetten, mit Quetschhahn abklemmen.

- Vor Beginn des Versuchs Polarimeter und Thermostat anschlie?en und einschalten; Temperaturregler auf 20?C einstellen- Kühlwasser leicht aufdrehen (Aquamobil beobachten)

2. Ansetzen der Lösungen

im Abzug arbeiten und Schutzbrille und Handschuhe verwenden !!!DCA ist eine sehr agressive Säure und greift die Haut sofort an !!!

- einen 5ml und zwei 10ml Messkolben mit Dichlorethan (EDC) spülen und trocknen.- an der Analysenwaage ca 200 mg PBLG abwiegen und in den 5ml Kolben überführen. Den Kolben mit Stickstoff spülen (die N2 Flasche steht hinter den Abzügen am Fenster, die mit rotem Isolierband unmwickelte Pipette,

Schublade V6, passt auf das Schlauchende im rechten Abzug) und mit Dichloressigsäure (DCA) bis knapp unter die Eichmarke füllen.Je ca 400 mg PBLG abwiegen und in die 10 ml Kolben überführen. DieKolben wiederum mit N2 spülen und mit EDC bzw einer Mischung aus DCA und EDC

(Verhältnis 4:1) bis knapp unter die Eichmarke füllen- alle Kolben bis zur Eichmarke auffüllen und Substanz durch Schütteln lösen kein Ultraschallbad verwenden !!! (Depolymerisation); das Aufösen dauert sehr lange. Am Schnellsten löst es sich bei der Verwendung eines Rotators, an dem die Kolben langsam gedreht werden (so was gibts in der Sektion Polymere und sicher auch in anderen Abteilungen).- die Messküvetten werden, nachdem sie sorgfältig mit N2 gespült wurden, wie nachstehend gefüllt : a) reines DCA in eine 3cm Küvette b) reines EDC in eine 3cm Küvette c) PBLG in DCA in eine 5cm Küvette d) PBLG in EDC in eine 10cm Küvette

e) PBLG in DCA/EDC in eine 10 cm Küvette- Küvetten mit Parafilm abdichten und, wenn nicht in Gebrauch im

Kühlschrank aufbewahren.

3.Messung

- durch Drehen des seitlichen Rades Nullabgleich an der Skala vornehmen- Reset Taste drücken. Anzeige muss 0.000 anzeigen.- Prüfen, ob Soll- und Ist Temperatur übereinstimmen.

Thermostatisierschläuche an Küvette anschliessen. Nicht mit Schlauchschellen befestigen, dabei gehen die Küvetten leicht kaputt !!!

- Küvette in Halterung (Schublade V6) gerade und spannungsfrei einsetzen.Probenraum öffnen und Küvette ganz rechts in den Probenraum stellen.Darauf achten, dass Thermostatisierschläuche beim Schliessen nicht abgeklemmt werden

- Nullabgleich durchführen und angezeigten Drehwinkel notieren.- Küvette entfernen und Klappe schliessen Neue Wellenlänge einstellen und Messvorgang (inklusive Nullabgleich) wiederholen.- vor dem Wechseln der Küvetten Thermostatisierschläuche abklemmen !- Folgende Messungen müssen durchgeführt werden : a) Lösungsmittel und PBLG in reinem DCA bzw EDC bei 20?C b) PBLG in Mischung bei 20,25,30,35,40,42,44,46,48,50,55,60,65?C

wichtig : Küvetten nur zur Messung ins Polarimeter setzen, nicht während des Thermostatisierens Geht einer der Schläuche im Polarimeter ab, erst Gerät ausschalten, dann Probenraum öffnen und Wasser entfernen

Helix-Knäuelgehalt im Poly-γ-benzyl-L-glutamat · V 6: ORD Physikalisch-chemisches...

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