Análisis de diferentes disoluciones enantioméricas mediante un polarímetro funcional casero
Autoras: Beatriz Pérez Gomariz, Clara Isabel Guzmán y Marta Serrano López Fecha: 17/03/2019
IES Saavedra Fajardo 2ºBtoC 1
Índice 1. Resumen y abstract…………………………………………………………………………3 2. Introducción………………………………………………………………………………...4 3. Antecedentes…………………………………………………………………………….......5 3.1. Prioridad de los grupos y reglas de de Cahn Ingold Prelog…………………….6 3.2. Racematos y mutarrotación………………………………………………………….8 3.3. Polarimetría……………………………………………………………………………9 3.4 El polarímetro………………………………………………………………………....11 4. Hipótesis del trabajo y objetivos…………………………………………………………..11 5. Materiales y métodos………………………………………………………………………..12 6. Resultados……………………………………………………………………………………15 7. Conclusiones………………………………………………………………………………...18 8. Agradecimientos………………………………………………………………………….....19 9. Bibliografía y webgrafía…………………………………………………………………...19 10. Anexo y tablas…………………………………………………………………………......…22
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1. Resumen Los polarímetros son instrumentos de medida empleados para determinar la concentración de diferentes enantiómeros en una disolución. Estos presentan isomería óptica y tienen la particularidad de que cada molécula de la pareja (son imágenes especulares la una de la otra) es capaz de rotar el plano de la luz polarizada el mismo número de grados en el sentido contrario que su contraparte. El resto de características físico-químicas de estas son iguales, pero dentro de entornos quirales (como el propio cuerpo humano) pueden actuar de maneras diferentes. Por esto es importante ser capaces de diferenciar una forma de la otra. En el presente trabajo, continuación de Las moléculas que reflejan nuestra historia trataremos los pasos que tuvimos que dar para poder perfeccionar nuestro propio polarímetro al máximo con los recursos de los que disponíamos. También cómo nos cercioramos de la funcionalidad y exactitud de este a través de la toma de medidas de distintas disoluciones de enantiómeros. A pesar de no poseer una lámpara de sodio, conseguimos comparar nuestros resultados con los teóricos gracias a una fórmula que relacionaba directamente la longitud de onda con la rotación observada. Por último, también queríamos determinar la influencia de factores como la temperatura, el tiempo transcurrido desde que la disolución se creó y la filtración de esta respecto a la rotación experimentada por la luz. Abstract Polarimeters are measuring instruments for measuring the concentration of enantiomers in a solution. Enantiomers are optical isomers that are known to be the mirrored images of the other molecule that makes up the pair of isomers. They are able to rotate the polarized light in the same way that it counterpart does, but in the opposite direction. Their physical and chemical properties are the same, but if they engage in a chiral atmosphere (like the human body, for example) they can behave in different ways. That’s why it is important to be able to tell the difference between the two of them. In this project, the successor of Las moléculas que reflejan nuestra historia we will address the steps we had to follow in order to be able to improve our own polarimeter to its fullest with the materials we had at hand in the laboratory. We will also explain how we made sure that it worked fine through the measurements we took of the enantiomers solutions. Although we didn’t have a sodium-vapor lamp, we were able to compare our results with the theoretical ones. We made this introducing the data in a formula that related the wavelength with the rotation. Finally, we also wanted to determine how different factors like temperature, the amount of time that passed between the first time we measure the solution and the last and its filtering could affect the rotation of the polarized light.
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2.Introducción El trabajo previo a este, Las moléculas que reflejan nuestra historia, se centró en desarrollar un polarímetro plenamente funcional con el que realizar medidas de diversas sustancias. Si bien se hizo un gran avance, la estructura final seguía siendo, en cierto modo, precaria. Esto es lo que nos ha traído a iniciar este proyecto, como continuación de nuestra anterior investigación. Como parte de este trabajo, cumpliremos con nuestro objetivo de crear un polarímetro lo más preciso posible. Las mejoras se llevaron a cabo principalmente en la estructura de soporte. La inestabilidad e imprecisión del último prototipo creado, nos llevó a replantear el diseño de nuestro polarímetro. Así, nos centramos en modificarlo de manera que pudiésemos trabajar con el aparato sin depender de las pinzas y soportes de laboratorio. Pretendíamos crear un ente estable y funcional que garantizase medidas exactas. No solo pretendíamos mejorar la funcionalidad de nuestro polarímetro, sino que esto estaba hecho para poder ponerlo en funcionamiento para realizar diferentes medidas de la rotación de la luz polarizada por acción de los enantiómeros. Estos son isómeros, sustancias con el mismo número de átomos de los diferentes elementos que los forman, pero con una estructura espacial diferente. La característica especial de los enantiómeros es que poseen un tipo de isomería óptica, y la diferencia entre ambos es que son una imagen especular (de espejo) el uno del otro. Si bien este era el objetivo inicial de nuestro anterior trabajo, debido a la dificultad de construir el polarímetro, tuvo que ser relegado a un segundo plano. En esta investigación, debido a que habíamos hecho tantos avances respecto a su estructura, nos dispusimos a indagar más en la actividad óptica de los enantiómeros. Para ello decidimos tomar medidas de las sustancias con las que habíamos trabajado el año anterior, siendo estas la glucosa, la sacarosa, maltosa y lactosa. No solo la rotación observada dependería de la longitud de onda, la temperatura ambiente y la concentración, parámetros que eran fáciles de determinar, sino también de una posible mutarrotación experimentada por los compuestos. Este proyecto, a diferencia de su predecesor, se centrará en el trabajo de campo: la mejora del polarímetro, la selección de compuestos adecuados para el estudio, la realización de disoluciones y la observación de la actividad óptica de éstas. A esto se le une su posterior documentación en la memoria del trabajo, así como la información general y propiedades de las diversas sustancias.
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3.Antecedentes Enantiómeros Los isómeros son compuestos que a pesar de tener el mismo número de átomos de los distintos elementos que los conforman tienen una estructura diferente. Si lo que varía es la constitución, es decir, los enlaces que se forman entre los átomos y la distribución de estos, entonces se trata de isomería constitucional o isomería plana. Esta denominación es debida a que las variaciones que se producen se pueden explicar y mostrar de forma clara en el plano. Dentro de esta categoría encontramos la isomería de cadena (varía el tipo de cadena, cíclica, lineal o ramificada); de posición (varía el lugar de los grupos dentro de la molécula); y de función (el grupo funcional cambia). En estos casos, dependiendo del isómero, el compuesto tendrá unas características físico-químicas diferentes, ya que estas no dependen únicamente del grupo funcional principal que presente, sino que también es relevante la interacción que establezca con otros compuestos (y con sí misma si la molécula es de gran tamaño, como una proteína) debida a sus radicales. Sin embargo, hay otro tipo de isomería, la isomería geométrica, que no hace referencia a algo que se pueda expresar en el plano, sino a la conformación. La conformación es la disposición de los átomos en el espacio en una molécula de la que forman parte. Las diferentes conformaciones generalmente dependen de las rotaciones entorno a enlaces sencillos carbonocarbono. Aun así, son igual de importantes los dobles enlaces, que impiden la rotación libre de los carbonos a los que enlaza. Hay diferentes tipos de isomería geométrica, pero principalmente se pueden clasificar en isómeros conformacionales, geométricos y ópticos. Los isómeros geométricos son aquellos que quedan determinados por una estructura que no deja libertad de movimiento y rotación a los carbonos que la forman. Este es el caso de moléculas cíclicas o que presentan dobles o triples enlaces. También existe la isomería óptica que es aquella que presentan las moléculas con uno o más carbonos tetraédricos que si bien pueden rotar sus grupos, es imposible que recreen la disposición espacial del otro isómero. Los enantiómeros son compuestos con isomería óptica que poseen un carbono tetraédrico unido a cuatro grupos diferentes. Este carbono se suele llamar carbono quiral o centro quiral. Esto es debido a que estos isómeros a pesar de poseer la misma fórmula molecular son la imagen especular el uno del otro. Este fenómeno implica que si se pudiese poner la molécula en un espejo, la imagen que se vería reflejada sería el otro enantiómero. De esta manera, no es posible superponer ambas moléculas, ya que se tratan de imágenes invertidas. Si bien en este estudio nos vamos a centrar en los enantiómeros, hay otro tipo de isómeros ópticos que son los diasteroisómeros. Esta clase de compuestos muestran una variación en la orientación de los carbonos asimétricos, en lugar de una variación de la orientación de la molécula completa. En el caso de que solo uno de los carbonos asimétricos sufra esta desviación con respecto a su isómero, se dirá que ambos son epímeros el uno del otro. Una de las razones de que el estudio se centre principalmente en los enantiómeros es el hecho de que estos epímeros suelen diferenciarse unos de otros y reciben nombres propios. Esto significa que dejan de ser los mismos compuestos y no interactúan de la misma manera. Así, la galactosa es un epímero de la glucosa, por ejemplo. Está claro que sus propiedades no serán las mismas. La unión por un enlace beta O-glucosídico de dos glucosas da como resultado una 5
celobiosa. Mientras tanto, la unión por el mismo tipo de enlace de una galactosa y una glucosa da como resultado la lactosa. Sin embargo, los enantiómeros son isómeros que poseen las mismas características físico-químicas, diferenciándose únicamente en cómo se comportan en un medio quiral. Esto, aunque parezca una diferencia poco significativa, es de gran relevancia, ya que el cuerpo humano, entre otros, es un medio quiral. Es por esto que la naturaleza es estereoselectiva, es decir, los isómeros que se encuentren en la naturaleza siempre se encontrarán de una determinada forma. Esto es debido a que para que tomen parte en el metabolismo de los diferentes seres vivos es necesario que así sea. De esta forma, los aminoácidos encontrados en los seres vivos siempre serán la forma L (excepto la que no tiene ningún carbono asimétrico) y los monosacáridos la forma D en todos los casos. Así, sus derivados como son los alcaloides (provienen de aminoácidos) mantendrán esta naturaleza esteroselectiva. Este es el caso de la Lnicotina y la L-cocaína, las únicas formas de estos compuestos que se pueden encontrar en el medio. También se puede dar el caso de que aparezcan los dos isómeros en la naturaleza pero tengan propiedades organolépticas diferentes debido al medio en el que se encuentran. Este es el caso del limoneno. El D-limoneno es aquella molécula que poseen los limoneros y naranjos, haciendo que desprendan un olor a cítrico fresco, anaranjado. Mientras que esto es así, otra planta tan dispar como es la menta posee la contraparte de esta sustancia, el L-limoneno, que le aporta una fragancia más potente y fresca, con cierta semejanza a la del pino, pero con una nota a limón (López. J.I., 2015). Esto suele ocurrir fundamentalmente en los lípidos.
3.1Prioridad de los grupos y reglas de Cahn Ingold Prelog Es importante la clasificación de los enantiómeros y su nomenclatura. Así, hay dos principales formas de nombrar los enantiómeros. Por una parte encontramos la nomenclatura DL y por otra la R-S. Si bien ninguna de las dos es incorrecta, la segunda es más concreta y específica, aunque es muy común confundir ambas y su uso es muy extendido. La nomenclatura D-L suele emplearse para nombrar a los dos enantiómeros de una molécula con un solo centro quiral, ya que se facilita el proceso de distinguirlas de esta manera. Sin embargo, también se usan para otras moléculas sencillas como monosacáridos o aminoácidos. Se emplea para ello una molécula tipo, que generalmente es el gliceraldehído. La D se emplea para designar el enantiómero que posee el grupo principal a la derecha y el L para el que lo tiene en la izquierda. Dependiendo de la molécula, este grupo varía, en el caso de los monosacáridos es el grupo OH del carbono asimétrico más alejado del grupo aldehído o el grupo cetona. Para los aminoácidos el grupo –NH es el que determina esto. Se puede apreciar fácilmente en la proyección de Fischer la distribución de los átomos de carbono y sus sustituyentes, de forma que es sencillo nombrar los diferentes enantiómeros. Para nombrar a los enantiómeros con su nomenclatura R-S debemos determinar su conformación. Ya ha sido descrito el concepto de conformación, aunque también debemos aclarar que si dos átomos se encuentran en lugares opuestos (formando un ángulo de 180º) estos se encuentran eclipsados. Normalmente esta se usa para nombrar enantiómeros con más de un carbono asimétrico y generalmente que no poseen una proyección de Fisher determinada. Es por esto que es preciso conocer la conformación. Se descubrirá su configuración absoluta, es 6
decir, con este tipo de nomenclatura lo que se hace es que se dice si cada carbono asimétrico es R o S. Para utilizar esta nomenclatura primero debemos clasificar los grupos enlazados al carbono asimétrico según su prioridad. Esta queda determinada por la masa atómica de estos, de forma que los de mayor masa atómica tienen una mayor prioridad. Tras esto la molécula se debe visualizar de forma que el grupo con la menor prioridad se encuentre eclipsado por el átomo de carbono y posteriormente numerar en orden los grupos visibles. Tras esto, si el orden del 1 al 3 va en el sentido de las agujas del reloj, el átomo será de la forma R. Si ocurre lo contrario, será de la forma S. A partir de esta configuración absoluta se puede tratar la conformación de cualquier compuesto que presente isomería óptica, por muy complicada que sea, aunque generalmente se aplica a moléculas lineales o ramificadas. También debemos destacar las formas meso, que es el nombre dado a moléculas con carbonos asimétricos pero que sin embargo no poseen isómeros ya que son simétricas respecto a un plano horizontal de simetría. Esto suele ocurrir en moléculas con número par de carbonos asimétricos, lo cual no suele ser infrecuente. Asimismo, se sabe que hay 2n esteroisómeros de una molécula, donde n es el número de carbonos asimétricos. Esto es en una molécula, si el compuesto no se puede dividir en dos mitades. Si así es y el número de carbonos es par, el número es 2(n-1), siendo estas solo las formas activas de la molécula. Otra forma de distinguir a los enantiómeros cualitativamente es a partir de la rotación que producen en la luz polarizada. Si bien este fenómeno se explicará en mayor detalle en el apartado destinado al polarímetro, básicamente la luz polarizada es un medio quiral sobre el que tienen influencia estas sustancias. Así, si el plano polarizado de la luz rota en el sentido de las agujas del reloj, nos encontraremos ante el enantiómero dextrógiro (+). Si por el contrario la luz es rotada hacia la izquierda, el enantiómero será levógiro (-). Esta nomenclatura no tiene relación con que el enantiómero sea el D o el L, de forma que un enantiómero L también puede ser dextrógiro, por ejemplo. Esto es debido a que su capacidad de rotar la luz polarizada depende de su conformación, pero no siempre tiene que coincidir con el lugar en el que se encuentre el grupo principal. Por otra parte, si las moléculas como los monosacáridos, forman estructuras cíclicas (como los monosacáridos en disolución) se crea una nueva forma de isomería, la anomería. Al formarse los enlaces hemiacetal o hemicetal queda un carbono, el C 1 que es lo que se denomina un carbono anomérico. Dependiendo de dónde quede localizado el grupo OH entonces, se estructurará la forma alfa (si este grupo queda por debajo del plano de la hexosa) o beta (si queda por encima del plano). Así, este es un proceso muy común, ya que el 95% de las moléculas de monosacáridos en disolución se presentan como ciclos. Existen equilibrios conformacionales entre las diferentes formas de la molécula. Esto es debido a que las estructuras son estables dentro de este equilibrio dinámico, lo que significa que no siempre se encuentran en la misma conformación sino que van variando. Vienen dadas por las fuerzas de Van der Waals que actúan en estas moléculas entre los átomos de hidrógeno.
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3.2Racematos y mutarrotación Si bien, como en el apartado anterior hemos mencionado, se forman equilibrios conformacionales, estos no deben ser confundidos con los racematos. Los racematos (en mezclas homogéneas) o mezclas racémicas (en el caso de sólidos diferenciados) son combinaciones de los dos enantiómeros que se encuentran en la misma concentración y cantidad. De esta forma, estos compuestos no son ópticamente activos, ya que el efecto de uno de los enantiómeros en el medio quiral contrarresta al otro. Esto, sin embargo, solo se aprecia cuando la luz polarizada atraviesa su disolución, ya que no rotará. Por otra parte, si este medio quiral es el cuerpo, esto no significa que ninguno de ellos vaya a tener efecto por esto. Al contrario, fármacos quirales tales como el ibuprofeno se comercializan en forma de su mezcla racémica. Por una parte el S-ibuprofeno tiene cualidades antiinflamatorias y es el centro activo, mientras que el R-ibuprofeno es totalmente inactivo. Sin embargo, lo que se produce es el racemato porque dentro de este entorno quiral el R-ibuprofeno puede experimentar mutarrotación. La mutarrotación es el proceso que experimentan algunos enantiómeros por el cual cambian su estructura y pasan a ser el isómero complementario. Esto suele ocurrir tras un tiempo de haber creado la disolución. Es por esto que a partir de una mezcla normal se puede obtener un racemato y viceversa. Esto significa que si bien lo más normal es que esto ocurra en un medio quiral, puede suceder también en otro que haya estado expuesto a la interacción de las moléculas con tal medio. No se puede verificar que sin esta interacción se pueda producir también la mutarrotación, ya que para cuantificar cualquier clase de cambio primero la disolución debe ser observada con un polarímetro, lo cual la puede alterar. La mutarrotación no se da solo en estos casos, sino que en muchas ocasiones es debido a los anómeros que se forman con la ciclación de ciertos compuestos. Así, en el caso de la glucosa uno de sus anómeros comienza con una rotación específica mayor a la típica y se va reduciendo hasta alcanzar valores normales, mientras que con su contraparte ocurre lo contrario, de manera que comienza con una rotación específica muy baja hasta que se estabiliza y llega a los valores normales. La importancia de esta mutarrotación viene dada por sucesos como los del ibuprofeno o fármacos que causaron tragedias como las de la Talidomida. Si bien esta no pudo ser comercializada tras lo ocurrido con las mutaciones porque el enantiómero teratogénico podía surgir a partir del inocuo (para más información consultar nuestro anterior trabajo Las moléculas que reflejan nuestra historia), el ibuprofeno es uno de los fármacos más usados del mundo. Como ya se ha dicho anteriormente, actualmente consumimos una mezcla racémica que, sin embargo, se activa dentro de nuestro cuerpo para tratar las inflamaciones que nos afligen. En un experimento realizado por los laboratorios Bagó comparando la eficacia del racemato y el enantiómero S puro se pudo comprobar la ventaja que el segundo representaba. Tanto es así que en pacientes reumáticos la cantidad de racemato que debían consumir para experimentar el mismo alivio que aquellos que tomaban el enantiómero puro era 3 veces mayor. Teniendo en cuenta los efectos adversos a largo plazo del consumo de ibuprofeno y las pruebas no solo cualitativas sino cuantitativas (en referencia a la concentración del fármaco en sangre, que fue mayor y cuyo nivel se alcanzó más rápidamente) se puede hablar sin temor a dudas de una ventaja en el tratamiento con el enantiómero puro.
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Es obvio que los laboratorios no hacen esta diferenciación en su producto ya que la mezcla racémica es mucho más sencilla de obtener. Sin embargo, ya se conocen métodos para separar ambos isómeros en estos casos y son muy efectivas. La más común consiste en exponer el compuesto a una cantidad de moléculas ópticamente activas de otro enantiómero (ya que en ese momento teóricamente la mezcla es inactiva). Así, se formarán dos diasteroisómeros, que ya tienen propiedades distintas, y podrán ser separados por su punto de ebullición. Tras su posterior cristalización, se separarán de nuevo los antiguos enantiómeros de la sustancia que tuvo que ser añadida para que se llevase a cabo todo este proceso.
3.3Polarímetría Como ya hemos explicado en el anterior punto una de las principales características de los enantiómeros es su capacidad de reaccionar en entornos quirales, lo que hace que se puedan distinguir ambos isómeros, ya que el resto de sus características físico-químicas son iguales. Es debido a este hecho que se usan los polarímetros, aparatos de medida que emplean la luz polarizada para determinar el enantiómero que se está analizando. Ambos enantiómeros reaccionarán en este medio, cada uno rotando la luz en un sentido distinto, pero el mismo número de grados. Es esto lo que hace posible discernir una de las formas de la otra. Sin embargo, actualmente el uso principal de los polarímetros es el de determinar la pureza de las sustancias que son analizadas. La luz polarizada es un tipo especial de luz, ya que mientras que la luz normal es un tipo de onda electromagnética que se propaga por el espacio en todas direcciones con un mismo sentido, las ondas de la luz polarizada solo oscilan en una dirección. Para conseguir esto se debe colocar una fuente de luz frente a un polarizador, una lente que se encarga de impedir la propagación de la onda más que en la dirección deseada. Generalmente es representado como una rendija, ya que visualmente es más claro, como podemos apreciar en la segunda imagen. Si bien hay muchos tipos de polarímetros, su funcionamiento básico es conocido y común a todos ellos. En términos sencillos, está formado por cuatro componentes principales. Para empezar, es necesaria una fuente de luz que pueda ser polarizada y se desvíe con la disolución del enantiómero. La segunda parte es la primera lente polarizadora, que se encarga de hacer que la luz pase solo en una dirección. En el caso del dibujo de muestra, verticalmente. Posteriormente, se debe colocar un tubo donde pueda introducirse la disolución. Este debe ser cubierto por otra superficie de manera que sea opaco y no se vea alterado por la luz exterior. Por último, encontramos al final de la estructura otra lente polarizadora, que en este caso es el analizador. Esta lente es móvil y se debe girar para determinar los grados que la luz ha sido polarizada. Para que las medidas sean más precisas se dispondrá de un goniómetro en este extremo, para medir los grados de rotación.
(Estructura simple de un polarímetro- Brian M. Tissue,2000) 9
En los polarímetros comerciales convencionales la lente al final de este (donde el observador se encuentra) suele encontrarse dividida en tres partes. En un principio ambas lentes polarizadoras se encuentran en la misma posición, de forma que sin haber ninguna disolución o líquido de por medio se pueda ver la luz polarizada claramente tras atravesar ambas. Tras colocar una disolución del enantiómero en el tubo del polarímetro, la luz polarizada habrá rotado. Es por esto por lo que se apreciará que alguna parte de la imagen se encuentra más oscura que el resto. La segunda lente, el analizador, se girará hasta que las tres partes vuelvan a presentar su máximo brillo. Los grados que este giro hayan supuesto serán la rotación que la luz ha experimentado.
(Estructura de un polarímetro-Enrique Castaños, del blog “Lidia con la química”,2015) Fórmulas relacionadas con la polarimetría Gracias a la investigación realizada se han podido determinar una serie de fórmulas matemáticas que relacionan diferentes aspectos involucrados en la polarimetría. La primera de ellas y la más usada, consigue relacionar la rotación observada con la rotación específica, además de con la concentración. Esta es especialmente útil en la industria y en diversas experiencias de laboratorio ya que permite calcular la concentración de un determinado enantiómero en una muestra de pertenencia o molaridad desconocidas. En el caso de nuestro estudio ha sido de especial relevancia al emplear la rotación específica, unos valores estándar que han sido determinados y contrastados experimentalmente y que se corresponden con la observación de una muestra de concentración 1g/ml. Tanto la fórmula como la tabla con los valores de las rotaciones específicas a 20ºC y observados con la longitud de onda de la luz proveniente de una lámpara de sodio (la conocida como línea D) los hemos obtenido del documento Aplicación de la polarimetría a la determinación de la pureza de un azúcar (García Martínez E., Universidad de Valencia). La fórmula es la siguiente: [a]λT = Donde [a]λ T corresponde a la rotación específica a una temperatura y con una longitud de onda concretas, a es la rotación observada, l la longitud del tubo de muestra en decímetros y c la concentración de la disolución en g/ml. La segunda fórmula que tuvo gran importancia en este proyecto y que ha sido determinada por los expertos al igual que la anterior, relaciona la longitud de onda con la rotación observada. Esta fórmula se dedujo a partir de la propiedad de que para que una molécula sea ópticamente activa es necesario que tenga índices de refracción distintos para la luz polarizada que gira hacia la derecha y la que lo hace para la izquierda.
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[a]= donde [a] es la rotación observada, λ es la longitud de onda y (nL-nR) la diferencia entre los índices de refracción de izquierda y derecha. 3.4El polarímetro Como hemos indicado en la introducción, el presente trabajo se trata de una continuación de Las moléculas que reflejan nuestra historia, proyecto en el que estuvimos trabajando el año pasado y que pretendíamos mejorar y perfeccionar. En este, nuestro principal objetivo era la construcción de un polarímetro funcional y lo más preciso posible con los materiales y medios de los que disponíamos para ello. A continuación relataré los cambios que realizamos en este respecto a la estructura inicial para poder conocer su estado cuando comenzamos nuestro segundo objetivo. Inicialmente nos dispusimos a buscar los principales componentes de un polarímetro básico, es decir, las lentes polarizadoras, una fuente de luz y un tubo que sirviese para contener la disolución. Los polarizadores los encontramos en el laboratorio, ya que pertenecían a un kit de óptica entre el que se incluía un experimento similar al nuestro. Por otra parte, al no poder conseguir un generador y una lámpara de sodio, tuvimos que emplear lo que más cercano teníamos a una fuente de luz amarilla: un puntero láser verde. Este, a pesar de producir una luz con una longitud de onda diferente, era lo más similar de lo que disponíamos y nos permitiría observar la rotación. Por otro lado, no había ninguna clase de tubo o probeta que cumpliese con las especificaciones necesarias para que sirviese como contenedor apropiado para las disoluciones a estudiar. Nuestra tutora consiguió encontrar, sin embargo, un estrecho cilindro de vidrio que unido a una base de vidrio transparente, cumpliría perfectamente con la función. Nosotras nos encargamos de diseñar un goniómetro que se adaptase a las lentes que teníamos para poder medir con precisión la rotación. Tras las primeras pruebas fallidas, fue uno de los profesores del departamento el que preparó para nosotras una estructura de madera para que todas las partes pudiesen asegurarse y ser más estables. Esta ha sufrido modificaciones al igual que el resto de componentes hasta el día de hoy. En resumen, cuando este proyecto entró en pausa por las vacaciones todavía dependíamos de las pinzas de laboratorio y una estructura muy precaria (esta tambaleaba en ocasiones y al cogerla a veces nos clavábamos astillas). Estas pinzas y soportes de laboratorio servían para mantener tanto el láser como el analizador. Uno de los últimos cambios que realizamos fue el de sustituir la anterior estructura que permitía girar la lente por una de plástico especialmente destinada para ello. Esto fue una gran mejora y permitió una toma de medidas más precisa. Sin embargo, se seguía sin solucionar problemas muy serios como la inestabilidad del láser y la continua desviación de su haz de luz.
4.Hipótesis del trabajo y objetivos de la investigación Con este proyecto pretendemos poner fin a la investigación que el año pasado comenzamos con nuestro trabajo Las moléculas que reflejan nuestra historia sobre los efectos de la Talidomida en la sociedad y a raíz de esta, de los enantiómeros. Para poder estudiar estos, que no éramos conscientes que se encontraban en tantísimas sustancias cotidianas, debíamos disponer de un polarímetro, que haría que pudiésemos discernir entre mezclas racémicas, sustancias puras y los diferentes isómeros. Esto es lo que había hecho que se retirase un 11
peligroso fármaco del mercado, entre otras cosas, así que nos parecía importante. Es por ello que a partir de materiales de uso común y propios del laboratorio, comenzamos a construir un polarímetro vertical que nos permitiese observar estas disoluciones. Sin embargo, debido a nuestra inexperiencia respecto a este tema, nuestro polarímetro mejoró mucho durante sus meses de desarrollo, pero no se acercaba a lo que nosotras pretendíamos conseguir. Cada vez que nos disponíamos a realizar medidas, debíamos poner todas sus partes juntas, como los soportes y pinzas de laboratorio que teníamos que usar para poder mantener en su sitio varios objetos fundamentales, como el láser. No solo esto, sino que la mayoría de nuestras medidas o directamente no podían ser realizadas o eran incoherentes. Solo algunas de las últimas tomadas parecían tener una conexión de forma que parecía que de verdad funcionaba nuestro aparato. Lógicamente, lo que sí pudimos comprobar era el sentido de rotación de la luz, lo que ya nos pareció un hito en sí mismo y era un importante paso. No queriendo dejar dicho proyecto sin acabar, decidimos llevar a cabo este trabajo, donde nos centraríamos más en los enantiómeros como tal, relegando ahora la Talidomida puesto que ya era un tema que habíamos abordado con creces. Así, mientras que nuestra hipótesis sigue siendo la misma, la de construir un polarímetro totalmente funcional a partir de estos objetos de los que disponíamos, los objetivos han cambiado. Puesto que nos habíamos acercado tanto a poder conseguir desarrollar el polarímetro por completo, veíamos una prioridad comprobar su efectividad además de cómo otros factores podían afectar a esta. De este modo, nuestro primer objetivo consiste en no solo la optimización del polarímetro mediante las diferentes mediciones realizadas a las distintas disoluciones, sino en comprobar la veracidad y exactitud de estas. El segundo objetivo consiste en la determinación de los factores ambientales que modifican la actividad de los enantiómeros y nuestra observación de esta. A partir de esto dar explicaciones plausibles de una posible medición o actividad extraña derivada de estos. Entre estos factores se encuentra la mutarrotación, un fenómeno de gran interés que pretendemos medir mediante la comparación de las diferentes medidas tomadas a lo largo de la investigación. 5.Materiales y métodos Mejoras del polarímetro Se le fueron añadidas dos partes al polarímetro: una en su parte inferior para poder colocar el láser y que se encontrase fijo y otra en la parte de arriba para poder sujetar el soporte de la lente que contenía el goniómetro. El cilindro de madera que se aprecia y que sostiene el láser fue anteriormente el soporte de la lente, hasta que nos dimos cuenta de su poca funcionalidad e inexactitud. Fue entonces reemplazado por uno de plástico del que retiramos la anterior lente que ahí se encontraba. El principal cambio del modelo fue en su estructura, debido a la poca productividad de nuestro aparato anterior, por su inestabilidad y por la poca precisión que nos aportaba. Tuvimos que realizar un nuevo prototipo más estable y funcional para poder realizar medidas exactas. Nuestro nuevo prototipo se basaba en una estructura de madera la cual se podría describir en tres partes: una parte de abajo, dónde se situaba el láser sujeto a la estructura cilíndrica de madera ya mencionada; una en medio de la estructura dónde habíamos creado un espacio para colocar el tubo de nuestro polarímetro; y por último en la parte de arriba el soporte de nuestra lente.
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El susodicho soporte fue incluido con la finalidad de ser capaz de incorporar tanto el soporte de la lente como una pequeña pantalla donde veríamos reflejada la luz del láser. Esto es debido a que no éramos capaces de mirar directamente el haz de luz ya que su intensidad podría dañar nuestra retina. Asimismo, para que el láser no se viese alterado por una fuente externa de luz, disponíamos de un tubo de PVC opaco para tapar el tubo de muestra. Este nuevo prototipo acabaría siendo nuestra estructura final, ya que gracias a la estabilidad y a la precisión que nos otorgaba, pudimos obtener resultados más exactos.
Toma de datos Era imperativo solucionar los problemas acontecidos con las disoluciones. Debido a nuestra falta de experiencia, originalmente realizamos cálculos sin tener en cuenta la solubilidad de las diferentes sustancias. Esto provocó que hubiese una saturación en las disoluciones y su posterior filtración para intentar solucionarlo. Sin embargo, esto hizo que variase la concentración original, cambiando así los resultados teóricos. Otro factor que también dificultó el desarrollo del trabajo y el estudio de las sustancias fue que las disoluciones fueron realizadas a partir de cálculos donde primábamos el ángulo de rotación. Unido a esto está el carácter perecedero de los solutos, que iniciaron un proceso de putrefacción por el cual perdieron sus cualidades. Para solucionar este problema tuvimos que realizar diferentes disoluciones del mismo soluto, pero variando su concentración. Así reducíamos las probabilidades de que las disoluciones se deteriorasen y nos permitía estudiar la variación de los resultados en función de la concentración del soluto. Nuestro trabajo de campo se basó en 10 días de laboratorio en los que pudimos realizar nuestras disoluciones (glucosa, maltosa, sacarosa y lactosa) para estudiarlas posteriormente con el polarímetro. Desde un principio supimos que nuestros resultados iban a variar respecto a los teóricos ya que había varios factores que podrían alterar los resultados, tales como la temperatura. Esta cambiaba, ya que para los resultados teóricos era de 20ºC y en el laboratorio la temperatura oscilaba entre unos 13 y 17 grados centígrados. Otro factor es la longitud de onda de nuestro láser, que resultaba más corta que la longitud teórica. Y por último teníamos que tener en cuenta que nuestros datos en la zona de máximo brillo podrían ser muy imprecisos ya que determinar esta zona a simple vista era muy complicado y nos daba un margen de error muy amplio. La temperatura afecta a los resultados, ya que cuanto más alta sea, mayor será la solubilidad. De igual forma, según la teoría de colisiones sabemos que con la temperatura aumenta la energía cinética de las partículas de la disolución. Esta, a pesar de ser una teoría que hace referencia a los solutos de reacciones químicas, también se puede aplicar a nuestro caso. Sobre la longitud de onda, según fuentes bibliográficas, es inversamente proporcional a la rotación experimentada (G. Salamanca G. Rotación específica en mieles). Asimismo, en todas las muestras observadas, hemos podido determinar que el enantiómero presente era el dextrógiro. Durante los tres primeros días de laboratorio estudiamos la rotación de la glucosa. Para esto realizamos tres disoluciones de glucosa con diferentes concentraciones (1M,0´5M y 0 13
´25M). Para preparar la disolución 1M utilizamos 18g de glucosa pura y posteriormente añadimos agua destilada hasta los 100 ml. A raíz de esta disolución pudimos hacer la 0´5M y la 0´25M. Tras esto, analizamos todas las disoluciones con el polarímetro y en este caso los resultados variaron bastante entre ellos. Esto podría ser debido a la temperatura, ya que en los tres días de laboratorio nos encontrábamos a 13ºC, 16ºC y 15ºC respectivamente y dado que acabábamos de comenzar con la investigación, nos resultaba muy difícil medir la luz máxima. Posteriormente, dedicamos otros tres días de laboratorio a la realización de las disoluciones de maltosa (1M, 0´5M y 0´25M). Para hacer la disolución 1M, utilizamos 68,4g de maltosa pura y añadimos agua destilada hasta los 100ml. A parte de los factores anteriormente mencionados que podrían hacer que nuestros resultados variasen (temperatura de 16ºC-17ºC), nos encontramos con el problema de la necesidad de filtrar la disolución 1M de maltosa, debido a que se había degradado, reduciendo así notablemente su concentración y variando los resultados. Aún así, pudimos realizar dos disoluciones (0´5M y 0´25M) de la disolución 1M antes de ser filtrada. Dedicamos un día de laboratorio para realizar las disoluciones de sacarosa (1M, 0´5M y 0´25M). Esta vez, el principal factor que podría hacer que variasen nuestros resultados era la temperatura (17ºC). A pesar de esto, los resultados obtenidos con las medidas de las diferentes disoluciones se asemejaban bastante. Al hacer las disoluciones de lactosa (1M, 0´5 y 0´25M), sólo pudimos obtener medidas de la disolución 0,25M (a 17ºC en el laboratorio), ya que las demás disoluciones eran opacas y era imposible realizar las medidas con el polarímetro. Por último, empleamos dos días más en el laboratorio para comprobar medidas de maltosa (1M y 0´5M ) y de glucosa (1M y 0´5) para tener más datos. Así seríamos capaces de estudiar cómo variaban los resultados de las mismas disoluciones respecto al tiempo.
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6. Resultados
En la gráfica obtenida con los resultados de la rotación de la glucosa respecto a su concentración, hemos podido observar que la rotación aumentaba junto a la concentración del soluto, acercándose así a la rotación teórica. Esto es debido a que como ya hemos especificado en los antecedentes, el valor de la rotación específica se corresponde con una disolución de concentración 1g/ml. La gráfica obtenida de la rotación de la glucosa 1M respecto al tiempo nos aporta información sobre cómo afecta la temperatura a la rotación. En la primera medida, nos encontrábamos a 13ºC; en la segunda, a 15ºC; y en las demás la temperatura era similar, oscilando sobre los 16ºC. Podemos observar que la rotación de las disoluciones que se encontraban a temperaturas similares, se asemejan más. La gráfica de la disolución de glucosa (12/03), que compara la rotación observada frente a la concentración, nos aporta datos que ya esperábamos. La rotación aumenta respecto a la concentración, ya que el valor de la concentración específica se corresponde con una disolución 1g/ml. Del mismo modo, la gráfica de la disolución de maltosa filtrada (6/2), confirma que la rotación específica aumenta respecto a la concentración. Con la gráfica de la disolución sin filtrar de maltosa (19/02) podemos llegar a la misma conclusión mencionada en la gráfica de la maltosa filtrada (6/02), la rotación observada aumenta proporcionalmente a la concentración, debido a que la rotación específica se corresponde con una disolución de concentración 1g/ml. Los resultados obtenidos en la gráfica de maltosa 0´5M respecto al tiempo nos aportan información sobre cómo varía la rotación de una disolución sin filtrar, debido a los microorganismos que habrían podido crecer en ella afectando así a los resultados. Llegamos a la conclusión de que estos podían ser los posibles causantes de un comportamiento anómalo de la 15
disolución tras filtrarla. Esta filtración se dio no solo por el enturbiamiento de la muestra, sino que los productos del metabolismo de estos seres podían llevar a algún tipo de interacción con la muestra inicial. De esta manera, tras filtrar la disolución, al contrario de lo que pudiese parecer lógico, al disminuir la cantidad de soluto la rotación observada aumentó. Es esta la razón de que pensemos que esta interacción es la causante de este dato singular. Una vez la disolución fue filtrada, con este nuevo valor como referencia, podemos ver un descenso de la rotación observada respecto al tiempo por una posible mutarrotación, de forma que parte del dextrógiro se habría podido convertir en levógiro. Hemos llegado a esta conclusión debido a que es el único factor que podría explicar estos resultados, ya que la temperatura al realizar estas medidas se asemejaba bastante. Asimismo, debemos añadir que esta gráfica está realizada a partir de datos con longitudes diferentes y por tanto, no es directamente proporcional. Es por esto por lo que creemos que lo que ha afectado a la rotación es la actividad de los microorganismos que habitan la disolución puesto que a menor longitud, menor rotación observada. Sin embargo, podemos ver que se cumple lo contrario y esto es lo que nos lleva a afirmarlo. Comparación de rotaciones teóricas y aquellas obtenidas en el laboratorio para determinación de la exactitud del polarímetro A partir de una fórmula obtenida mediante los medios bibliográficos de los que disponíamos comparamos los datos del laboratorio con los datos teóricos. Esto nos permitiría conocer la exactitud de nuestro polarímetro. [a]= Donde [a] es la rotación observada, λ es la longitud de onda y (nL-nR) la diferencia entre los índices de refracción de izquierda y derecha. Puesto que nuestras medidas fueron tomadas con un laser de longitud de onda de 532 nanometros, y los datos teoricos de los que disponíamos fueron tomados con una lámpara de sodio con longitud de onda de 589,3 nanómetros, no podíamos hacer una comparación directa. Dado que la longitud de onda es inversamente proporcional a la rotación del plano de la luz polarizada, decidimos emplear esta fórmula porque nos permitía comparar nuestros resultados mediante la obtención de una constante: la diferencia de la refracción de la sustancia por la izquierda y por la derecha. [a]λT = Donde [a]λT corresponde a la rotación específica a una temperatura y con una longitud de onda concretas, a es la rotación observada, l la longitud del tubo de muestra en decímetros y c la concentración de la disolución en g/ml. Así, empleando esta fórmula (que relaciona la rotación específica, la rotación observada y la concentración) determinamos cuál sería la supuesta rotación observada con las concentraciones que preparamos y una determinada longitud. Despejando:
a=[a]λT l c
Posteriormente, trasladábamos este dato a la otra fórmula, de forma que obteníamos la constante de la diferencia. Tras esto, con las rotaciones que obtuvimos en el laboratorio, sustituimos en la segunda fórmula, pero esta vez, empleando la longitud de onda del láser verde
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en lugar de la de la línea D. A partir de estos datos pudimos confeccionar una tabla donde se encuentran expuestos. Despejando la primera fórmula para obtener la constante: (nL-nR)= Para poder compararlos de manera global, creamos una tabla y realizamos la suma de todos los valores de la columna de los datos teóricos y de igual forma en la columna de los datos obtenidos en el laboratorio. Tras realizar la diferencia entre ambos, dividimos esta cifra entre todos los datos, de forma que obtuvimos la media.
La media es de 3,7 10-4. El dato que más se alejaba de su valor teórico fue el de la disolución de glucosa 0´25M (8/01/19) ya que la desviación era de 1,966 10-3, mientras que el día que menos se desvió fue el (06/2) con la disolución de maltosa 1M, cuya desviación con el dato teórico es de 2,96 10-5. La desviación es bastante considerable, pero dentro de lo esperado es menor, ya que al obtener unos resultados tan dispares en nuestro anterior trabajo creíamos que si bien perfeccionaríamos el polarímetro, no llegaría a alcanzar tales valores. Si bien esto es así, no debemos pasar por alto la desviación que se ha producido, puesto que sigue siendo un valor determinante. Esto es debido a que aunque estas son muy pequeñas, los valores de la diferencia de refracción también lo son. Sin embargo, debemos tener en cuenta que la temperatura es determinante en la rotación teórica, ya que para el cálculo de esta es necesaria la rotación específica que está en función de la temperatura. Por tanto, es muy probable que la desviación venga dada por esto. Lo que se puede afirmar con total certeza es que la temperatura ha influído en los valores obtenidos en mayor o en menor medida. Prueba de esto son los valores que más y que menos han variado. Aquel que lo ha hecho en mayor medida fue tomado un día en el cual la temperatura ambiente era de 13,4ºC, la cual difiere considerablemente con la temperatura de 20ºC estándar de la bibliografía. Por otro lado, han sido las medidas tomadas a una temperatura de 17ºC (mucho más cercanos a la temperatura que debíamos alcanzar) las que han presentado 17
una menor diferencia respecto a sus contrapartes teóricas. Si bien esto es así, este no fue el día donde la temperatura alcanzó su máximo, ya que esta fue la jornada donde medimos las disoluciones de sacarosa. Nuestras hipótesis sobre por qué esto es así, son dos principalmente. La primera está relacionada con la longitud que se introdujo en la fórmula. Creemos que al tomar la medida de la disolución solo llenando el tubo hasta los 8cm la luz pudo llegar más fácilmente al analizador y a la pantalla superior que si estuviese más lleno como ocurrió con la disolución de sacarosa. Por otro lado, la razón que consideramos más plausible es la de las fluctuaciones de temperatura acontecidas en el laboratorio. Así, la diferencia de temperatura en las distintas horas del día podría determinar una temperatura de la disolución que no se correspondiese con la temperatura ambiente.
7. Conclusiones El balance de este proyecto ha sido muy positivo con respecto a nuestras expectativas y los resultados obtenidos en la anterior investigación. Esto es debido a nuestra incertidumbre inicial sobre el funcionamiento del polarímetro. Aunque este había mejorado notablemente, al no contar con las condiciones adecuadas, no sabíamos con certeza si sería posible obtener resultados concluyentes y que nos mostrasen que el polarímetro actuaba como debería. A pesar de esto, hemos sabido solucionar los problemas iniciales, mejorando la estructura del polarímetro y realizando las diversas disoluciones necesarias. Hemos pasado de tener un polarímetro inestable e impreciso, a tener una estructura estable que nos podía dar más seguridad a la hora de determinar los datos resultantes. Hemos podido establecer una conexión directa entre la concentración del soluto y la rotación del isómero, aumentando la rotación a la par que la concentración. Asimismo, hemos facilitado nuestro trabajo en el laboratorio, calculando la rotación observada a partir de la concentración y no del revés. Así es como lo habíamos hecho en nuestro anterior proyecto, por lo que nuestro trabajo de campo ha sido más efectivo, más rápido y con objetivos más claros. Gracias a nuestro amplio estudio sobre los isómeros, hemos podido ser conscientes de su abundancia y variedad en la naturaleza, así como de su importancia, ya que estos determinan muchas características de numerosas sustancias. Así, hemos aprendido más sobre la conformación de las distintas moléculas, un tema directamente relacionado con la bioquímica y de gran relevancia, ya que permite la diferenciación de estas, algo que es clave en procesos como la fabricación de medicamentos. De esta forma, con estas conclusiones cerramos lo que originalmente fue inspirado por el proceso farmacológico y su influencia en la sociedad de bienestar. Para finalizar, hemos llegado a la conclusión de que si en un futuro continuásemos con el proyecto, para obtener las medidas concretas y exactas y contrastar por completo el funcionamiento inequívoco del polarímetro, debemos seguir un cierto procedimiento. Debemos trabajar con una temperatura constante y que concuerde con aquella de los datos teóricos (20ºC), ya que así los resultados no serán tan diversos. También deberemos realizar las medidas nada más se hayan realizado las disoluciones para evitar que experimenten mutarrotación, ya que esta hace que varíe la concentración de los distintos isómeros. 18
8. Agradecimientos Nos gustaría dar nuestro especial agradecimiento a los profesores del departamento de Física y Química por todo su apoyo y cooperación. Asimismo, gracias a nuestra profesora de investigación Virginia Verdú Tortosa por ayudarnos en todas las partes del proceso, así como a nuestros profesores que comprendían el trabajo que supone hacer estos proyectos. A Ana Lannelongue por ayudarnos a traducir el resumen y por ultimo pero no menos importante a nuestras familias por su apoyo incondicional en nuestros estudios.
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10. Anexos y tablas Imágenes del polarímetro 21
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Tablas y grรกficas de la rotaciรณn observada
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