Recherche sur les caractéristiques racémiques des fibres végétales anciennes et nouvelles
Une première version article a été présenté lors du symposium organisé par le CIELT (Centre international d’études sur le Linceul de Turin) à Rome, du 10 au 12 juin 1993.
Puis une version plus détaillée dans « Collegamento pro Sindone » – Mars/Avril 1996
1993. CIELT – Rome
RECHERCHE SUR LES CARACTÉRISTIQUES RACÉMIQUES DES FIBRES VÉGÉTALES ANCIENNES ET NOUVELLES
Les auteurs souhaitent évaluer les transformations des sucres présents dans les fibres en étudiant leur racémisation.
De telles transformations pourraient s’avérer utiles pour dater historiquement le Suaire de Turin.
Les mélanges racémiques sont toujours obtenus lors de synthèses chimiques conduisant à des composés asymétriques, car les deux configurations optiques opposées ont la même probabilité d’être produites.
La méthode consiste à effectuer une hydrolyse acide à une température de 180 °C (356 °F) pendant deux heures.
La détermination des racémiques dans les mélanges optiquement opposés repose sur l’utilisation de substances optiquement actives comme réactifs, qui sont toujours présentes à la fin de toute réaction.
La solution contenant l’acide dépolymérise les sucres et inverse les opposés : glucose et fructose.
Les sucres se décomposent en dextrogyres et lévogyres.
La valeur différente (gradation) est mesurée à l’aide d’un polarimètre.
La valeur résultante est la somme algébrique de tous les sucres ou acides aminés présents.
Les substances optiquement actives peuvent faire tourner le plan de vibration de la lumière polarisée selon un certain angle, mesurable avec un polarimètre.
Pour expérimenter avec des substances optiquement actives, on utilise une lumière purement monochromatique, généralement la lumière jaune d’une lampe au sodium.
La lumière est dirigée à travers un polariseur (généralement un prisme de Nicol) qui sert de premier filtre polaroïd.
La lumière qui sort du Nicol est polarisée.
L’échantillon à analyser est placé dans le tube d’analyse après avoir été traité chimiquement de manière appropriée.
Les éventuels changements dans la substance testée sont ensuite lus et quantifiés.
Par conséquent, les substances optiquement actives peuvent induire le déplacement du plan de polarisation de la lumière croisée vers la droite ou la gauche.
Après avoir constaté que certaines substances organiques sont optiquement actives, le phénomène est expliqué en tenant compte de la structure moléculaire de la substance.
La cause du pouvoir rotatoire d’une substance réside dans sa structure moléculaire, ce qui a été expérimentalement prouvé et pris en compte par les chercheurs.
Des échantillons de sucres dégradés ont donné divers résultats par rapport aux standards de référence.
Le concept de racémisation dépend généralement d’une perte d’activité optique dans la substance analysée.
Des tests de contrôle ont été réalisés sur différents échantillons de cellulose, avec des résultats conformes à ceux attendus.
1996 – Collegamento pro Sindone » – Mars/Avril
Activité optique et racémisation
Plusieurs substances organiques, dont beaucoup sont d’origine naturelle et biologiquement valables, présentent une propriété fondamentale appelée activité optique.
Généralement, la lumière, et en particulier la lumière solaire, est composée, comme phénomène ondulatoire, de nombreux rayonnements vibrant dans tous les plans perpendiculaires à la direction de propagation. Le rayonnement de propagation qui vibre sur un seul plan est dit polarisé.
Les substances dotées d’une activité optique (optiquement actives) sont celles capables de tourner d’un certain angle, vers la droite ou vers la gauche, le plan de vibration de la lumière polarisée qui les traverse.
L’instrument capable de mesurer un tel écart est appelé polarimètre. Un appareil polarimétrique est constitué d’une lampe à lumière monochromatique ; pour expérimenter avec des substances optiquement actives, il faut utiliser une lumière particulièrement pure : la lumière jaune d’une lampe au sodium.
La lumière est dirigée à travers un polariseur (généralement un prisme Nicol), qui sert de première lentille polaroïd.
La lumière émise par le Nicol est polarisée. L’échantillon à analyser est placé en solution dans le tube d’analyse de l’instrument après avoir subi un traitement chimique approprié. Les modifications éventuelles de la substance à analyser sont lues et quantifiées.
Dans le polarimètre, l’échantillon à tester, en raison de sa composition, tourne la lumière vers un certain angle que l’œil de l’observateur évalue sur une échelle graduée à l’intérieur de l’appareil.
L’instrument est donc composé d’un analyseur rotatif (car la lumière le traverse) avec l’échelle de mesure de l’angle ; d’un plan de lumière tourné ; d’un tube en verre analytique dans lequel est placé l’échantillon solubilisé à analyser ; du plan de lumière polarisée ; du polariseur et enfin de la lampe à sodium. Le point d’observation optique de l’instrument se trouve du côté de l’analyseur rotatif, car c’est de ce point que la lumière le traverse.
L’angle de rotation qu’il faut imprimer à droite ou à gauche à l’analyseur Nicol du polarimètre chargé d’une substance à tester optiquement active représente, dans des conditions expérimentales déterminées (type de lumière, température de l’expérience, conditions de luminosité), une constante fixe caractéristique de la substance examinée.
L’angle de rotation (alpha) dépend de nombreux facteurs : de la nature de la substance et de celle de son solvant ; de la quantité de substance en solution traversée par la lumière polarisée ; de la longueur d’onde de la lumière avec laquelle l’expérience a lieu ; de la température à laquelle le test est réalisé.
En déterminant expérimentalement l’angle alpha pour chaque substance active, lorsque la substance est analysée en solution, sa rotation spécifique est calculée à l’aide de l’équation suivante :
où alpha est l’angle de rotation mesuré à travers le polarimètre ;
C est la concentration de la substance examinée exprimée en mg/ml ;
l est la longueur en dm du tube contenant l’échantillon ;
20 indique que la température est de 20 degrés centigrades pour la lecture ;
D révèle la longueur d’onde (montrant la ligne spectrale caractéristique de la lumière jaune du sodium).
La rotation caractéristique de chaque substance optiquement active peut être positive ou négative selon le signe de l’angle de rotation alpha. On suppose que celui-ci est positif pour indiquer que la substance optiquement active est dextrogyre, et négatif si elle est lévogyre.
Après tout, si la substance optiquement active fait tourner le plan de lumière polarisée vers la droite, elle est dite dextrogyre, sinon elle est lévogyre ou lévogyre.
Après avoir découvert que certaines substances organiques sont optiquement actives, le phénomène est expliqué en considérant la structure moléculaire de la substance.
L’étude de la cause du pouvoir rotatoire d’une substance dans sa structure moléculaire a débuté par des essais expérimentaux. Des échantillons de sucres dégradés ont donné des résultats variés, comparés à des étalons de référence.
Le concept de racémisation repose généralement sur une perte d’activité optique de la substance étudiée.
Résolution des racèmes dans leurs opposés optiques
En utilisant des substances optiquement actives comme réactifs de départ, on observe toujours, à la fin de chaque réaction, des quantités plus ou moins importantes de racèmes, tandis que, inversement, des quantités plus ou moins importantes de l’un des opposés optiques sont observées. De plus, les mêmes opposés optiques présents dans les produits de synthèse ont tendance, lors des processus d’extraction et de purification, à se racémiser.
Dans les synthèses chimiques conduisant à des composés asymétriques, on obtient toujours des racèmes pour des raisons d’équiprobabilité de formation des deux configurations optiquement opposées.
Les modifications racémiques à l’état liquide, gazeux ou en solution ont des propriétés identiques (évidemment par rapport à une référence symétrique) à celles des opposés optiques isolés. Généralement, le concept de racémisation est lié à la perte d’activité optique d’une substance, ce qui se produit lorsqu’il s’agit de molécules ne possédant qu’un seul atome de carbone asymétrique ou présentant une dissymétrie moléculaire. Dans les molécules possédant plusieurs atomes de carbone asymétriques, il n’y a racémisation que lorsque tous les centres chiraux subissent des processus entropiques. L’un d’eux consiste à utiliser des réactions conduisant à la rupture réversible d’une des liaisons asymétriques de l’atome de carbone.
Un mélange à parts égales de deux opposés optiques constitue une modification racémique qui, bien évidemment, sera optiquement inactive. Elle est indiquée par le symbole (±) ou D, 1 précédant le nom du composé.
Exemples : l’acide tartrique (ou D, 1) est un mélange à parts égales des isomères 45 et 46 ; si l’on ajoute le réactif de Grignard à l’aldéhyde acétique, on obtient l’alcool secondaire 53, qui possède un atome de carbone asymétrique.
Les modifications racémiques à l’état liquide, gazeux ou en solution présentent des propriétés similaires à celles des opposés optiques individuels et présentent le même spectre infrarouge, un indice de réfraction et une densité différents.
Pour les composés comportant des groupes fonctionnels et peu réactifs ou dépourvus de groupes fonctionnels, la résolution peut être obtenue par la préparation de complexes moléculaires ou d’inclusion avec des réactifs. La chromatographie sur absorbants dissymétriques (lactose) ou symétriques (gel de silice traité) peut également être utile.
Méthodes de résolution
Le succès d’une résolution de modification racémique est estimé en déterminant la pureté optique de la solution examinée.
Naturellement, si la séparation des substances est complète, les deux énantiomorphes devraient avoir une pureté optique équivalente à 100 %. Une pureté optique inférieure, par exemple 80 %, indiquera que le produit est constitué à 80 % de cet énantiomorphe et que les 20 % restants sont une modification racémique.
La méthode d’examen consiste à déterminer la pureté optique et à contrôler le pouvoir rotatoire spécifique de la substance examinée. La pureté optique est donnée par le rapport :
Pour l’application de la méthode, il est nécessaire de réaliser une hydrolyse acide de l’échantillon à analyser par de l’acide chlorhydrique binormal à une température de 180 °C pendant au moins 120 minutes, suivie d’une filtration sur septum poreux. Les fibres naturelles à analyser sont déshabillées et pesées avec précision (au milligramme près).
La solution acide dépolymérise les sucres par inversion en hexoses, glucose et fructose.
Les sucres dextrogyres se séparent des sucres lévogyres. La valeur du déplacement (gradation) est mesurée à l’aide d’un polarimètre. La valeur obtenue est la somme algébrique de tous les sucres présents.
Des tests expérimentaux ont montré que les fibres optiquement actives peuvent être séparées, alors que les fibres anciennes ou très anciennes ne présentent pas d’activité optique, ou se racémisent.
L’échantillon à pH contrôlé doit être examiné par polarimétrie. La phase expérimentale a été appliquée à des échantillons de différentes périodes historiques, présentant une dégradation moyenne selon leur état de conservation. Les différentes mesures au polarimètre ont permis de mettre en évidence les caractéristiques (dégradation ou non) de la substance examinée.
Pour l’étude expérimentale, on a appliqué le polarimètre COSMO Type-K 0032 (0-32%) avec double échelle – échelle de sucre 0-95% – ND.20 de 1,333 à 1,530. Précision 0,2% entre 0 et 50%; 0,1% entre 50 et 100%. Code WT-1; WT-4; WyF5090 avec graduation de l’échelle.
Au laboratoire, des fibres de différentes époques ont été analysées, parmi lesquelles des fibres égyptiennes, égypto-coptes, romaines et médiévales.
Un échantillon de fibres naturelles optiquement actives pesant 50 mg, analysé en laboratoire et daté historiquement du premier Moyen Âge, a montré un pouvoir rotatoire spécifique de 41,2 degrés et une densité mg/ml de 0,861 dans un tube planimétrique de 20 cm.
Un autre échantillon d‘époque égyptienne, prélevé sur des bandages de momies, s’est révélé dépourvu d’activité optique ;
un échantillon datant du premier siècle a quant à lui donné des valeurs de référence supérieures à celles de l’échantillon égyptien, mais considérablement inférieures à celles du Moyen Âge. Le pouvoir rotatoire spécifique de cet échantillon était de 18,6 degrés.
La méthode appliquée, outre celle de « dépolymérisation », peut donc confirmer les pertes d’intégrité dues à la dégradation chimique des fibres.
Les résultats ont été très intéressants et ont mis en évidence les conditions de dégradation morphologiques et structurelles, dépendant également de leur état de conservation.