La polarimétrie est une technique expérimentale basée sur
la mesure de la déviation du plan de polarisation d'une lumière
polarisée traversant une solution composée d'une ou de plusieurs
molécules chirales.
Cette méthode n'est applicable qu'aux molécules optiquement
actives (chirales). Elle a été découverte par Biot en 1812 sur
des cristaux puis en 1815 sur des molécules organiques.
1. Rappels succincts
On rappelle le vocabulaire de base :
- Molécule chirale : molécule possédant au moins un carbone
asymétrique (ou carbone stéréogène).
- Stéréoisomères : ce sont des molécules de formule (développée)
donnée dont la structure spatiale est différente.
- Enantiomère : on appelle énantiomère un des stéréoisomères
d'une molécule chirale.
- Solution optiquement active : solution renfermant des
molécules chirales.
- Mélange racémique : c’est une solution contenant un mélange
équimolaire de deux énantiomères. Son pouvoir rotatoire
est nul.
2. Lumière polarisée
La lumière polarisée a été découverte par Malus en 1809.
Une lumière "normale" est composée d'un champ électrique et
d'un champ électromagnétique : on parle aussi d'onde électromagnétique.
Limitons nous au champ électrique, celui auquel l'oeil est
sensible. Ce champ peut prendre n'importe quelle direction.
Dans une lumière polarisée, le champ électrique est limitée
à une seule direction.
Cette lumière polarisée s'obtient à l'aide d'un polariseur
ou encore polaroïde, composé d'un polymère filtrant les composantes
du champ électrique selon la direction perpendiculaire aux
" lignes de polymères ".
Deux lames polaroïdes placées devant une source de lumière
laisseront passer la lumière si celle-ci sont parallèles,
la bloqueront lorsqu'elles seront perpendiculaires
| Passage de la lumière |
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Blocage de la lumière
|
 |
Dans un système à deux lames polaroïdes, le premier polaroïde
est appelé polariseur, le deuxième porte le nom d'analyseur.
3. Principe de la méthode : les polarimètres
Un molécule chirale possède la propriété de faire dévier
le plan de polarisation d'une lumière incidente polarisée.
Il suffit dont de placer une solution contenant la substance
chirale entre les deux polaroïdes pour vérifier si celle-ci
fait dévier le plan de polarisation de la lumière.
Si c'est le cas, l'angle pour lequel on obtient l'extinction
correspond à l'angle de rotation propre à la substance chirale.
La mesure de cet angle est donc une caractéristique de la
substance. Ceci est le principe du polarimètre.
Il existe plusieurs sortes de polarimètres. Il y a le célèbre
polarimètre de Laurent, et d'autres construit sur le même
principe (polarimètre de Lippich, de Zeiss). Dans les polarimètres,
la source de lumière est une lampe à vapeurs de sodium placée
devant le polarimètre.
4. Loi de Biot
La loi de Biot dit que l'angle de rotation est propotionnel
à la longueur de cuve et à la concentration. La constante
de proportionnalité est appelée pouvoir rotatoire de la substance.
Elle dépend de la température et de la longueur d'onde à laquelle
l'expérience a été réalisée. On peut donc écrire la loi de
Biot sous la forme :
a= [a]T . l . c
Où :
- a : angle de rotation observé
en degrés.
- l : longueur de la cuve en dm.
- c : concentration de la solution en g / mL.
- [a]T : pouvoir rotatoire
spécifique défini à une température T et mesuré pour une
longueur d'onde donnée, exprimée en g-1.mL.dm-1.
.
L'angle de rotation étant fonction de la concentration (loi
de Biot), on pourra donc utiliser la polarimétrie pour des
suivis de cinétiques de réactions.
Remarque. Le pouvoir rotatoire
spécifique [a]T est
une grandeur caractéristique de la molécule chirale. Si
une molécule chirale possède un carbone stéréogène (c'est-à-dire
possède deux énantiomères), ses deux énantiomères auront
des pouvoirs rotatoires spécifiques de même valeur mais
de signes opposés. Ceci n'est plus vrai dans le cas de molécules
à plusieurs centres stéréogènes ou dans le cas d'épimères.