Olga Bagatin, Fernanda Ibanez Simplício, Silvana Maria

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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 21, MAIO 2005Rotação da luz polarizada: Abordagem histórica com proposta experimental

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Recebido em 17/11/03; aceito em 16/2/05

HISTÓRIA DA QUÍMICA

Esta seção contempla a história da Química como parte da história da ciência, buscando ressaltar como o conhecimentocientífico é construído.

A importância fundamentalque substâncias

opticamente ativasassumem na constituição efuncionamento dos seresvivos é explicitada, por

exemplo, nos mecanismosde ação enzimática

Um entendimento mais significa-tivo dos aspectos que envol-vem a Química Orgânica pas-

sa, necessariamente, pela noção deisomeria óptica e por conceitos comoisômeros ópticos, atividade óptica, luzpolarizada e outros. A importânciafundamental que substâncias optica-mente ativas assumem na constitui-ção e funcionamento dos seres vivosé explicitada, por exemplo, nos me-canismos de ação enzimática (tipochave-fechadura). Diversos outrosexemplos podem ser colhidos noestudo de fármacos (Barreiro, 2001).

Existe uma série de substânciasde mesma fórmula molecular, mas cu-jos arranjos espaciais dos átomossão tais que suas estruturas são rela-cionadas entre si como a imagemuma da outra refletida num espelho,não sendo sobreponíveis. Estas duasestruturas espaciais são conhecidascomo pares enantioméricos e cadauma delas é um enantiômero. Estasespécies são isômeros entre si e,mais especificamente, são classifica-das como estereoisômeros. É o cam-po da Estereoquímica que se ocupade estudar as diversas possibilidades

de arranjo espacial das moléculas esuas conseqüências.

É interessante notar que cada umadas moléculas de um par de enantiô-meros pode exercer efeitos comple-tamente diferentes em um organismovivo. Um exemplointeressante é dadopelo aspartame.Uma de suas formasenantioméricas temsabor adocicado [aforma (S,S)-aspar-tame], enquanto seuenantiômero [a for-ma (R,R)-aspartame]tem sabor amargo (ver Esquema 1).Também muitos medicamentos têmcomo princípio ativo apenas uma dasformas enantioméricas, cuja substitui-ção por aquela que é sua imagemespecular pode levar ao desapare-cimento da atividade biológica oumesmo trazer conseqüências dano-sas ao organismo.

A discussão sobre as causasmoleculares da rotação da luz polari-zada não será feita aqui, nem o deta-lhamento sobre a estereoquímica decompostos. Neste caso sugere-se ao

leitor a consulta dos excelentes tra-balhos sobre o assunto publicadosem um número dos Cadernos Temá-ticos de Química Nova na Escola, emespecial aquele sobre fármacos equiralidade (Coelho, 2001), e ainda o

trabalho de Lima(1997) bem como aobra de Romero(1998).

Pelo exposto aci-ma, percebe-se queé fundamental a ca-racterização e sepa-ração de pares enan-tioméricos. Entretan-

to, métodos clássicos, tais comoponto de fusão, ponto de ebulição,solubilidade, índice de refração eoutras, não permitem sua diferencia-ção e separação pois, para cada umdos enantiômeros individuais, estaspropriedades são idênticas. Por outrolado, cada enantiômero tem a pro-priedade de girar o plano da luzpolarizada em direções opostas.

O uso de luz polarizada para estu-dar substâncias opticamente ativas eenantiômeros iniciou-se com JeanBaptiste Biot e Louis Pasteur, cujostrabalhos, em especial os deste últi-mo, serão mais bem detalhados.

A polarização da luz foi observada

Olga Bagatin, Fernanda Ibanez Simplício, Silvana Maria de Oliveira Santin e Ourides Santin Filho

A rotação de luz polarizada é uma propriedade física importante apresentada por moléculas quirais. Ela serve, por exemplo,para diferenciar pares de enantiômeros entre si, o que não é possível a partir de medidas clássicas de laboratório tais comoponto de fusão e ebulição, densidade, índice de refração, solubilidade e outros. Este artigo faz uma abordagem acerca dotrabalho de Louis Pasteur sobre a rotação de luz polarizada por cristais e propõe um experimento simples que permitevisualizar de modo qualitativo a rotação da luz polarizada por uma solução de substância quiral, comparando-se o resultadocom aquele obtido em água e em solução de substância aquiral.

atividade óptica, luz polarizada, Louis Pasteur

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Figura 1: O polarímetro de Biot, utilizadopara observar rotação da luz polarizadapor moléculas quirais. Cortesia ÈcolePolytechnique; Paris.

Figura 2: Um polarímetro moderno. Compare com oaparelho de Biot (Figura 1). Cortesia Quimis do Brasil.

primeiramente por Malus em 1808 epor Huygens, ao estudar o compor-tamento atípico da luz que atraves-sava cristais de espato da Islândia(uma das formas cristalinas doCaCO3). Em 1812, Jean Baptiste Biotobservou que, quando luz polarizadaatravessava um cristal de quartzoconvenientemente cortado, seu planode polarização era rotacionado emum ângulo proporcional à espessurado cristal. Ele observou também quepara alguns cristais a rotação ocorriapara a direita e para outros a rotaçãoera para a esquerda. Interessado nofenômeno, Biot estudou-o mais a fun-do e percebeu efeitos similares quan-do a luz polarizada atravessava certoslíquidos, como a terebintina e algunsóleos naturais (extrato de limão elouro). Mas, o mais surpreendente éque o mesmo efeito foi observado emsoluções alcoólicas de cânfora, dealguns açúcares e de ácido tartárico.O que se constata nesses casos éque não são apenas cristais ou lí-quidos puros que causam rotação daluz, mas também soluções de algu-mas moléculas, o que indica que ofenômeno não se deve à estruturacristalina ou a um arranjo especial do

líquido, mas é decorrente da estruturamolecular em si; isto é, algumas mo-léculas exibem atividade óptica.

O aparelho inventado por Biot paraobservar esses fenômenos, chamadode polarímetro (Figura 1), foi aperfei-çoado por Ventzke em 1842, queadaptou um prisma de Nicol ao mes-mo, separando o feixe de luz em doiscomponentes com polarizações per-pendiculares entre si, aproveitandosomente um dos feixes de luz. Por fim,Mitscherlich introduziu o uso de luzmonocromática nas observações.

O desenvolvimento técnico e co-mercial dos polarímetros ocorreu demodo simultâneo na França e na Ale-manha. O instrumento mostrou serum excelente aliado na análise deaçúcares, em especial quando, em1860, o governo da Prússia resolveutaxar e controlar a qualidade do açú-car refinado. Essa taxação foi rapida-mente adotada por outros países,elevando a importância estratégica daboa qualidade das análises. Foi Biotque construiu o primeiro polarímetroespecializado na análise de açúcares,o sacarímetro. Basicamente ele é umpolarímetro comum, com escala indi-cando valores já corrigidos parapercentual em massa de sacarose.Aplicações modernas dosacarímetro incluem espe-cialmente a análise de ali-mentos. As indústrias têmque oferecer aos órgãos desaúde pública, laudos técni-cos da composição dos ali-mentos que pretendem co-locar no mercado. Amostrasdestes são enviadas a labo-ratórios credenciados queprocedem a diversas análi-ses, entre elas de compo-sição e quantidade de açú-cares no alimento. Conside-remos o caso de um acho-

colatado. No labo-ratório de análise, oproduto passa pri-meiro pela remoçãode gorduras. Depoisremovem-se os co-rantes e outros pos-síveis componentesque podem afetar aanálise com luz

polarizada, tais como flavorizantes,fibras e outros. Posteriormente proce-de-se à identificação dos açúcarescontidos na amostra (glicose, saca-rose ou outros) e, por fim, os mesmossão quantificados no sacarímetro. Ummoderno polarímetro está mostradona Figura 2: nota-se que a disposiçãodos componentes ópticos não mu-dou muito desde os tempos de Biot.

O trabalho de PasteurO tártaro, ou tartarato ácido de po-

tássio, era há muito conhecido pelosvinicultores, pois, com a fermentaçãodo vinho, ele surge como um depósitono fundo dos tonéis. Também dasuvas conhecia-se o ácido tartárico, nasua forma dextro-rotatória. Por voltade 1820, Charles Kestner, fabricantede produtos químicos, descobriu umaforma de ácido tartárico que nãocausava rotação no plano da luz pola-rizada. Gay-Lussac chamou-a deácido racêmico (do latim racemus:cacho de uva). Biot descobriu queseus sais eram inativos sob luz pola-rizada.

Neste ponto entra o significativotrabalho de Pasteur (Figura 3). LouisPasteur (1822-1895), foi aluno de Biote por ele foi incentivado a estudar

Esquema 1.

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Os experimentos feitos porPasteur com os tartaratosclaramente sugeriam umaestreita correlação entreconfiguração molecular,

atividade óptica e estruturacristalina. A explicação para

isso só viria mais tardepelos trabalhos de van´t

Hoff e Le Bel

materiais usando luz polarizada, en-tre os quais o ácido tartárico e seussais, facilmente obteníveis em altograu de pureza na época. Pasteurpercebeu que, enquanto os cristaisde sais de ácido tartárico produzidospela uva eram todos iguais, aquelesprovenientes do ácido racêmico eramde dois tipos diferentes. Pacientemen-te, separou os cristais com o auxíliode uma pinça e uma lupa e preparousoluções de cada um deles em sepa-rado. Pasteur notou então que umadas soluções rotacionava a luz polari-zada num sentido e a outra o faziaem sentido contrário, e que a misturade soluções com iguais quantidadesdos diferentes cristais era inativa sobluz polarizada. Em 1848, Pasteurdemonstrou que o ácido tartárico dex-tro-rotatório (ácido d-tartárico) obtidopela separação dos cristais damistura racêmica era o mesmo queaquele já conhecido a partir de uvas(Pasteur, 1848).

Pasteur continuou seus estudoscom tartaratos e seus ácidos por maisseis anos e desenvolveu dois outrosmétodos para resolver (separar)isômeros opticamente ativos (Pasteur,1861). Primeiro, ele descobriu quequando o fungo Penicillium glaucumcrescia em solução nutriente conten-do ácido racêmico, a solução torna-va-se gradativamente levo-rotatória.O fungo consumia apenas a forma

dextro, concentrando a solução como outro enantiômero (ácido l-tartá-rico). O segundo método decorreu dapreparação de diversos tartaratos,tanto de metais quanto de bases or-gânicas. Pasteur observou que asolubilidade das formas dextro e levode tartarato de sódio, amônio e anilinaeram idênticas, mas muito diferentesno caso dos sais preparados combases orgânicas opticamente ativas,tais como asparagina, quinina, quini-dina, brucina, cinconidina e estri-quinina. Suas solubilidades eram tãodiferentes que serviram de base parasua separação. O que de fato ocorrepode ser resumido no que segue:

ácido d-tartárico + l-cinconidina →d-tartarato de l-cinconidina (sal dl)

ácido l-tartárico + l-cinconidina →l-tartarato de l-cinconidina (sal ll)

Conforme dito anteriormente, osdois ácidos, enantiômeros entre si,são idênticos em muitas de suaspropriedades físicas e não podem serseparados pelos métodos clássicos,enquanto que os dois sais formados,chamados de diastereoisômeros, têmpropriedades físicas diferentes, co-mo, por exemplo, sua solubilidade emágua, podendo ser separados porrecristalização.

Os experimentos com os tartara-tos claramente sugeriam uma estreitacorrelação entre configuração mole-cular, atividade óptica e estruturacristalina. Entretanto,uma clara explicaçãopara essa proprie-dade, manifestadapor algumas subs-tâncias, somente se-ria dada pelos traba-lhos de van´t Hoff eLe Bel (Coelho,2001).

O fato de existi-rem compostos empares enantioméricos, distintos emrotacionar a luz polarizada em dire-ções opostas, levou Pasteur a lidarcom a idéia de assimetria em toda aNatureza, em função dos dois tiposde cristais dos tartaratos, que se apre-sentam como imagens especularesum do outro, sem serem sobrepo-

níveis.Pasteur viu assimetria dextrógira e

levógira em organismos vivos, poisestes produziam (nas uvas) e consu-miam (nos fungos) apenas uma dasformas enantioméricas. Ademais, se-res humanos e animais são assimé-tricos em seus órgãos internos e Pas-teur projetou essa assimetria paratoda a natureza, incluindo as forçasque atuavam no Universo. Ele argu-mentou que, mesmo sendo redonda,a Terra não é superponível à suaimagem especular, pois esta girariaem sentido contrário com relação aoSol. Tal idéia levou-o a projetar ummecanismo para inverter a direção deiluminação solar ao longo do diasobre as plantas, no intuito de verificarse as mesmas produziriam a formaoposta de substância opticamenteativa. Felizmente Pasterur abandonouesse estranho experimento para sededicar mais intensamente ao seuimportante trabalho em Microbiologia,sendo responsável por uma dasmaiores, senão a maior, revolução naárea de saúde pública: Pasteurdescobriu que os micróbios sãocausadores de sérias doenças que játinham levado à morte centenas demilhares de pessoas no mundo todo.Foi a partir do seu trabalho que sedesenvolveram estudos da causa,controle, prevenção e imunizaçãocontra micróbios patogênicos, abrin-do as portas para a cura de inúmerasdoenças.

A rotação da luzpolarizada pode serfacilmente observa-da em soluções deaçúcares, particu-larmente sacarose edextrose, disponíveisno mercado com su-ficiente grau de pure-za. Nos experimen-tos propostos abaixopode-se usar peque-

nas lâmpadas adaptadas a umsoquete, ou ainda o retro-projetor oumesmo uma pequena lanterna. Luzmonocromática pode ser obtida como uso de folhas de celofane coloridas.Alternativamente pode-se usar umapequena caneta-laser, desde que setomem os devidos cuidados a fim de

Figura 3: Louis Pasteur. Cortesia EdgarFahs Smith Collection.

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Figura 4: Arranjo experimental para obser-vação da polarização da luz por soluções.A fonte de luz pode ser uma lanternapequena, uma lâmpada colorida, umacaneta-laser ou ainda o retroprojetor.

evitar incidência direta do feixe sobreo olho. Em todos os casos recomen-da-se o uso de um difusor sobre afonte de luz, que pode ser um lençode papel.

Material e reagentes• Suporte universal• Garras• Erlenmeyer de 200 mL• Sacarose e dextrose• Glicerina (obtida em farmácias)• Água destilada• Pequena balança• Fonte de luz monocromática

(pequenas lâmpadas coloridas,de potência entre 20 W e 40 W,adaptadas em soquetes e pron-tas para serem usadas em cor-rente elétrica). As lâmpadaspodem ser substituídas por umacaneta-laser. Recomenda-se,entretanto o devido cuidado de,em hipótese alguma, permitirque o feixe direto do laser incidasobre o olho humano.

• Proveta de 100 mL com basede vidro (se possível com fundobem plano), ou com base plás-tica removível. A proveta podeser substituída por um tubo devidro ou mesmo de plástico (tipocano de PVC) de dimensõessimilares, fechado em uma dasextremidades por uma placa devidro colada com cola de silico-ne, certificando-se de que nãohaja vazamentos.

• Dois filtros polarizadores, dediâmetro superior ao da proveta.Tais filtros podem ser encontra-dos em lojas de materiais foto-gráficos. Neste trabalho foramusados filtros com diâmetro de55 mm. Os filtros giram em tornode um anel fixo, tornando fácilsua utilização no experimento.

• Como fonte de luz branca su-gere-se o uso de um retroproje-tor, coberto com cartolina preta,com fundo circular de diâmetroconveniente, ou mesmo umalanterna.

MontagemMonte o arranjo óptico conforme

mostrado na Figura 4, mantendo osfiltros polarizadores inferior e superior

perpendiculares ao eixo da proveta eao feixe de luz. Eles devem ser presoscom o uso das garras fixando-se seuanel, mas permitindo sua livre rota-ção. Use inicialmente uma fonte deluz monocromática. Prepare soluçõesde açúcar em água e de glicerina emágua (comece com cerca de 50% emmassa).

ProcedimentoCom a proveta inicialmente vazia

e a lâmpada acesa, mantenha o filtroinferior em posição fixa e gire o filtrosuperior em torno de seu eixo perpen-dicular. Observe. Ajuste o polarizadorsuperior para que o brilho observadoseja máximo. A seguir, acrescenteágua destilada. Observe se ocorrealgum efeito. Substitua por soluçãode glicerina e depois por solução desacarose. Lave a proveta com águadestilada entre cada solução. Emtodos os casos, gire o filtro superiore observe o que acontece. Procureobservar em especial se o ângulo derotação necessário para manter obrilho máximo depende da substân-cia em estudo.

Resultados e discussãoA luz emitida pela fonte luminosa

não é polarizada. Ao passar pelo pri-meiro filtro, ela sofre polarização emuma direção privilegiada, paralela aoeixo óptico do filtro (sugere-se queseja perguntado ao professor de Fí-sica como determinar a direção doeixo óptico de cada filtro). Com a pro-veta vazia, a luz atravessa o ar e, co-mo este é opticamente isotrópico, adireção de polarização da luz nãovaria. O feixe alcança então o segun-do filtro e este, com eixo óptico para-lelo ao primeiro, permite a passagemda radiação. O observador percebe,então, brilho máximo.

O mesmo resultado (e pelas mes-mas razões) é obtido no caso daágua e da solução de glicerina.

Por fim, com a solução de açúcar,o brilho se reduz. A condição de brilhomáximo é restaurada quando se girao filtro superior de um ângulo conve-niente. Isto ocorre porque a soluçãode açúcar, por conter moléculas qui-rais, tem a propriedade de girar oplano de polarização da luz. Esse ân-

gulo é encontrado mediante rotaçãodo filtro superior.

É importante salientar que o ân-gulo de rotação provocado pela solu-ção depende de uma série de fatores,sendo os mais importantes:

• poder rotatório óptico, inerentea cada substância quiral, que éfunção de seus grupamentosatômicos e do arranjo espacialdestes;

• temperatura;• concentração das substâncias

usadas;• espessura da amostra percor-

rida pela luz;• Comprimento de onda (cor) da

luz utilizada.A influência de cada um dos fa-

tores acima mencionados pode serverificada facilmente, seguindo as su-gestões de experimentos dadas aseguir.

1. Prepare soluções de mesmaconcentração em quantidade de ma-téria de sacarose e dextrose. Utilize o

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Abstract: Rotation of Polarized Light by Quiral Molecules: A Historical Approach with Classroom Work Proposal – The rotation of polarized light is an important physical property presented by quiralmolecules. It serves, for instance, to differentiate couples of enantiomers one from the other, which is not possible from classical laboratory measurements, since all the physical properties of thesesubstances are equal. This paper deals with the work of Louis Pasteur on the rotation of polarized light by crystals and proposes a simple experiment that allows visualizing the rotation of polarizedlight by a quiral-substance solution in a qualitative way, comparing the result with the one obtained in water or in an aquiral substance solution.Keywords: quiral molecules, polarized light, Louis Pasteur

mesmo volume de cada uma delasna proveta e verifique aproximada-mente o ângulo de desvio da luzpolarizada em cada caso.

2. Prepare soluções de um dosaçúcares em diferentes temperaturas(mantenha uma diferença de cercade 40 °C entre elas. Cuidado com oaquecimento!). Compare os resulta-dos obtidos.

3. Prepare soluções de diversasconcentrações (por exemplo, 10%,30% e 50% m/m de açúcar em água).Verifique em cada caso o efeito daconcentração sobre o ângulo derotação da luz.

4. Verifique o desvio da luz paraum volume de 20 mL de uma dassoluções e vá acrescentando alíquo-tas de 20 mL na proveta, medindo odesvio em cada caso.

5. Para uma única solução, subs-titua a lâmpada por outra, de outracor, e verifique o desvio da luz. Alter-nativamente, pode ser usada umalanterna ou o retroprojetor. Ambossão fontes de luz branca (ou quase),constituídas por radiação de diversoscomprimentos de onda (cores).Neste caso o efeito observado ébastante interessante. Como a luz éuma mistura de diversas cores, cadauma delas vai sofrer rotação segundoum ângulo diferente. Girando-seentão o polarizador superior (anali-sador), é possível observar diversascores, pois o ângulo de rotação de-pende do comprimento de onda. Asfotos na Figura 5 mostram o efeitoobservado. Estes resultados foram

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Figura 5: Cores observadas após a luz branca polarizada atravessar solução de sacarose50% m/m, vistas pelo topo do arranjo experimental. Em cada caso, o polarizador supe-rior foi girado segundo certo ângulo.

obtidos usando-se uma solução desacarose 50% m/m e o retroprojetor.Para atenuar um pouco a luz, umlenço de papel foi colocado abaixodo polarizador inferior, sobre o vidrodo aparelho.

Para finalizar, sugere-se que o pro-fessor de Química discuta a influênciade cada um dos fatores acima sobrea rotação da luz polarizada. A inter-venção do professor de Física tam-bém é muito bem-vinda, para explicarfundamentos da radiação e doespectro eletromagnético, bem comoprocessos de polarização da luz.

Olga Bagatin, licenciada em Química pela Faculdadede Filosofia, Ciências e Letras de Arapongas e es-pecialista em Química e suas Aplicações pelaUniversidade Estadual de Maringá (UEM), éprofessora do Colégio Estadual Pinheiros do Paraná,em Curitiba - PR. Fernanda Ibanez Simplício,,,,,bacharel em Química e mestre em Química (Formu-lação de Fármacos) pela UEM, é doutoranda emQuímica (Desenvolvimento de Fármacos) na Uni-camp. Silvana Maria de Oliveira Santin ([email protected]), bacharel em Química Industrial pelaUnaerp, mestre em Química Orgânica pela USP edoutora em Ciências (Química Orgânica) pelaUFSCar, é docente do Departamento de Químicada UEM (DQI-UEM). Ourides Santin Filho([email protected]), bacharel em Química, mestre emQuímica e doutor em Ciências (Físico-Química) pelaUSP, é docente do DQI-UEM.

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