CONTROLLO DELLA PUREZZA

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1 CONTROLLO DELLA PUREZZA

2 Le monografie che la Farmacopea dedica ai singoli composti di uso farmaceutico riportano, oltre ai metodi di identificazione e dosaggio, anche alcuni saggi specifici per il controllo della purezza ORIGINE DELLE IMPUREZZE Processi di sintesi o di estrazione (reattivi, solventi, reazioni secondarie ) (idrolisi, ossidazione, pirolisi ) Processi di decomposizione durante la conservazione

3 Metodi di separazione Cromatografia Filtrazione Evaporazione Cristallizzazione Sublimazione Distillazione Estrazione

4 Cristallizzazione È un metodo di purificazione che permette di ottenere, da una soluzione in un opportuno solvente, la deposizione di cristalli di sostanza purificata Con la cristallizzazione i composti solidi vengono purificati dalle impurezze che li contaminano, ma può essere utilizzata per generare cristalli utili per altre analisi (cristallografia a raggi X) La cristallizzazione consiste nella deposizione di cristalli da una soluzione satura della sostanza in un solvente opportuno

5 CRISTALLIZZAZIONE SEMPLICE Separazione dei cristalli dalle impurezze (5-10%) FRAZIONATA Si utilizza per separare due o più sostanze a concentrazione e solubilità diversa attraverso cristallizzazioni ripetute

6 BASI TEORICHE DEL PROCESSO DI CRISTALLIZZAZIONE REGIONE INSTABILE Concentrazione D C B A REGIONE STABILE Temperatura Curva S: descrive la solubilità (concentrazione del soluto in soluzione satura) in funzione della temperatura Curva SP: descrive, per la stessa sostanza, la concentrazione alla quale, in funzione della temperatura, comincia la separazione spontanea dei cristalli

7 PROCEDIMENTO PRATICO DELLA CRISTALLIZZAZIONE Tecnica caldo-freddo 1. Scelta del solvente opportuno (in cui la sostanza da purificare sia solubile a caldo, ma non a freddo); 2. Dissoluzione della sostanza da purificare nel solvente di cristallizzazione a caldo; 3. Filtrazione a caldo (per eliminare le impurezze insolubili); 4. Raffreddamento della soluzione filtrata ed ottenimento dei cristalli; 5. Separazione dei cristalli dalle acque madri (filtrazione a freddo per eliminare il solvente e le impurezze in esso solubili); 6. Lavaggio ed essiccamento dei cristalli. Determinazione del punto di fusione (caratterizzazione della sostanza). In caso di purificazione si avrà variazione dei parametri chimico-fisici

8 1. SCELTA DEL SOLVENTE DI CRISTALLIZZAZIONE Il solvente ideale per la cristallizzazione: deve essere chimicamente inerte nei confronti della sostanza da cristallizzare; deve avere volatilità intermedia; se il punto di ebollizione è troppo basso si potrebbe avere rapida concentrazione della soluzione deve avere punto di ebollizione non troppo elevato (problemi per il suo allontanamento dai cristalli); La sostanza da purificare deve essere (rispetto al solvente): Ø molto solubile a caldo Ø poco solubile a freddo S PUREZZA DEI CRISTALLI RESA VELOCITÀ ABITO CRISTALLINO T

9 Solvente p.e. Solvente p.e. Etere di petrolio Ligroina C C Etere etilico Cicloesanone 35 C 156 C Esano 69 C Metiletilchetone 80 C Cicloesano 81 C Acetato di etile 77 C Benzene 80 C Etanolo 78 C Carbonio solfuro 46 C Metanolo 65 C Carbonio tetracloruro Cloroformio Cloruro di metilene 77 C 61 C 40 C Acido acetico Acido formico Acqua 118 C 101 C 100 C Per sostanze poco solubili possono essere utilizzati anche: diossano (101 C), piridina (115 C), nitrobenzene (211 C), N,N-dimetilformammide (153 C). Posso utilizzare anche miscele di solventi di cui il primo deve risultare efficace (alto potere solvente per il soluto) e l altro inefficace (basso potere solvente per il soluto): esano/acetato d etile, etanolo/acqua, acetone/acqua

10 CONSIDERIAMO ANCHE Tossicità 2. Infiammabilità* 3. Reattività 4. Miscibilità * Il flash point di una sostanza - in genere di un carburante - è la temperatura più bassa alla quale può formarsi una miscela infiammabile con aria. A tale temperatura il vapore cessa di bruciare nel momento in cui la sorgente infiammabile viene rimossa.

11 SOLVENTI DI CRISTALLIZZAZIONE Solvente p.eb. ( C) Infiammabilità Tossicità Esano Etere di petrolio Benzene Toluene CCl CH 2 Cl Et 2 O Acetone CHCl THF Diossano EtOH Ac. Acetico H 2 O 100

12 CRISTALLIZZAZIONE

13 2. DISSOLUZIONE DELLA SOSTANZA A CALDO Porre in una provetta (beuta) circa 10 mg di sostanza finemente polverizzata, quindi aggiungere 2 ml di solvente opportunamente scelto in base a dati di letteratura o prove preliminari Scaldare la provetta (beuta) fino a completa dissoluzione della sostanza (temperatura di ebollizione del solvente); nel caso in cui, anche a caldo, essa non si sciolga completamente, aggiungere altro solvente goccia a goccia (a meno che non si tratti di impurezze insolubili a caldo!) La temperatura della soluzione sovrasatura dovrebbe essere di almeno 30 C inferiore al punto di fusione del prodotto da ricristallizzare. Se questa condizione non si verifica spesso il prodotto separa come un olio anziche' formare un precipitato cristallino.

14 3. FILTRAZIONE A CALDO Se la soluzione, anche dopo la completa solubilizzazione della sostanza, appare torbida (a causa di impurezze insolubili), filtrarla a caldo. In caso di soluzioni brune si può chiarificare mediante aggiunta di adsorbenti inerti (carbone attivo 1-5% rispetto al soluto), riscaldamento e filtrazione

15 4. RAFFREDDAMENTO DELLA SOLUZIONE FILTRATA Far raffreddare lentamente la soluzione, in modo da ottenere cristalli ben formati. Non agitare

16 5. SEPARAZIONE DEI CRISTALLI DALLE ACQUE MADRI Quando si ritiene che la maggior parte della sostanza pura sia precipitata, filtrare per eliminare le impurezze solubili. FILTRAZIONE PER GRAVITA FILTRAZIONE A PRESSIONE RIDOTTA

17 FILTRAZIONE PER GRAVITA Si chiama filtrazione per gravità perché il liquido attraversa la barriera porosa (carta da filtro), lasciando il solido su di essa. La filtrazione può risultare lenta ma il filtrato ottenuto sarà limpido. La barriera porosa è rappresentata da una carta da filtro che può essere a pieghe. Le pieghe accelerano la filtrazione e riducono il contatto con l imbuto (superficie fredda).

18 FILTRAZIONE La filtrazione si esegue con filtri di carta speciale porosa, a forma di disco La grandezza del filtro da usare dipende dalla quantità del precipitato che si deve filtrare. Il cono dell imbuto deve essere poco più grande del filtro. Il liquido filtrante provoca sotto il filtro un aspirazione proporzionale all altezza della colonna liquida Gambo lungo Maggiore velocità di filtrazione

19 Piegare il filtro Inserirlo nell imbuto, umettarlo e filtrare a r.t.

20 FILTRAZIONE A PRESSIONE RIDOTTA I cristalli formati si separano dalle acque madri per filtrazione sottovuoto Questo processo è veloce e, poiché implica passaggio di una grande quantità di aria attraverso i cristalli, ne permette un certo essiccamento. Gli imbuti Hirsch, Gooch e Buchner sono usati per la filtrazione in dipendenza della quantità di solido e dal volume di soluzione. Alcuni hanno una superficie forata.

21 Imbuto Hirsh Imbuto Buchner

22 FILTRAZIONE SOTTO VUOTO FILTRO DI CARTA IMBUTO di BŰCHNER ADATTORE di GUKO BEUTA CODATA

23 FILTRAZIONE SOTTO VUOTO (effetto Venturi) RUBINETTO FLUSSO D ARIA FLUSSO D ACQUA

24 FILTRAZIONE SOTTO VUOTO Attenzione a non usare un vuoto spinto per solventi molto volatili altrimenti bollirebbero!!!!

25 ...filtrare sotto vuoto

26 CRISTALLIZZAZIONE: inconvenienti 1. Mancata separazione dei cristalli 2. Precipitazione di un olio

27 1. Mancata separazione dei cristalli Se i cristalli non si separano in seguito al raffreddamento si può: ó innescare il processo aggiungendo un cristallo di innesco del materiale grezzo di origine. Questo fornirà un nucleo su cui il cristallo può crescere; ó raschiare con una bacchetta o spatola le pareti della beuta. Questo produrrà micro-frammenti di vetro che costituiranno i nuclei per indurre la cristallizzazione. 2. Precipitazione di un olio Formazione di olio: si verifica quando la sostanza grezza è molto sporca o quando ha un punto di fusione più basso del punto di ebollizione del solvente. L aggiunta di un altro solvente o un più lento raffreddamento può risolvere il problema.

28 6. LAVAGGIO ED ESSICCAMENTO DEI CRISTALLI Tecniche speciali di essiccamento vengono usate quando i cristalli sono bagnati di acqua Per prodotti termolabili, bassofondenti o con elevata tensione di vapore (sublimabili): Sistemi a pistola seccante presentano una camera orizzontale dove si disporranno i cristalli contenuti in vials In ogni caso si possono usare degli agenti essiccanti Se il prodotto è termostabile e non ossidabile all aria, i cristalli possono essere anche essiccati all aria e in stufa (<30 C rispetto al pf)

29 La rimozione dell acqua a temperatura ambiente si effettua con l uso degli essiccatori. Tale processo viene velocizzato per connessione con il vuoto. Quando tutto il sistema è chiuso, l acqua che evapora dai cristalli viene assorbita dagli essiccanti posti sul fondo dell essiccatore (calcio cloruro, gel di silice) Liofilizzazione, evaporazione sotto gas inerte...

30 Cristallizzazione frazionata X = composto più solubile X + Y Y = composto meno solubile solvente AM + XY Più ricco di Y C1 AM1 Più ricche di X Ancora più ricco di Y C2 AM2 C2 AM2 Ancora più ricche di X C3 AM3 C3 AM3 C3 AM3 Y AM: acque madri X

31 Cromatografia Filtrazione Cristallizzazione Distillazione Estrazione Evaporazione Sublimazione

32 Sublimazione La sublimazione è il passaggio dallo stato solido a quello di vapore direttamente, senza passare attraverso lo stato liquido A pressione atmosferica, la sublimazione di una sostanza è possibile solo se essa ha tensione di vapore inferiore alla pressione del punto triplo (del suo diagramma di stato) P (atm) 1 atm 1 atm A Solido D B mp Liquido Punto triplo Vapore bp C T ( C) Diagramma di stato: permette di conoscere lo stato fisico in funzione di P e T In questo caso, fornendo calore al solido, si ha la sua completa trasformazione in vapore; sottraendo calore al vapore si ha la sua completa trasformazione in solido. Le sostanze solide con tensione di vapore bassa non sublimano.

33 I solidi, come i liquidi, possiedono tensione di vapore i cui valori, dipendenti dalla temperatura, risultano generalmente piccoli essendo le energie di legame maggiori nei solidi che nei liquidi SUBLIMAZIONE Metodo di purificazione La sublimazione è un metodo di purificazione spesso migliore della cristallizzazione, perché: sono poche le sostanze che sublimano permette di purificare anche piccolissime quantità di sostanza le rese sono quantitative

34 Diagramma di fase della CO 2 P (atm) D Liquido C 5.1 Solido B Vapore 1.0 A T ( C) L anidride carbonica sublima già a pressione ambiente. È possibile ottenere CO 2 liquida solo a pressioni superiori a 5.1 atm

35 Diagramma di fase della canfora P (mmhg) Solido D B Liquido Vapore C A pressione atmosferica la canfora passa prima allo stato liquido, fondendo a 180 C, e poi allo stato gassoso per ulteriore incremento della temperatura. Diminuendo la pressione è però possibile realizzare una sublimazione. A 180 C T ( C) Da un punto di vista pratico, la sublimazione è utilizzabile per sostanze moderatamente volatili, il cui punto triplo cade a pressioni superiori a 100 mmhg. Le sostanze organiche che presentano questa proprietà sono in genere molecole piccole e simmetriche, spesso di tipo ciclico o biciclico. Esempi: alcool terz-butilico, canfora, norcanfora, caffeina, naftalene.

36 OH Alcol terz-butilico O Canfora O Norcanfora O N N O N N Caffeina Naftalene

37 FATTORI CHE INFLUENZANO L EFFICIENZA DELLA SUBLIMAZIONE Natura del solido da sublimare (non deve avere tensione di vapore molto bassa); Pressione a cui si opera (la sublimazione deve essere effettuata a una pressione inferiore a quella corrispondente al punto triplo); Differenza di temperatura tra la superficie su cui la sostanza sublima e la superficie su cui essa ricondensa (deve essere abbastanza elevata); Distanza tra le due superfici del condensatore (deve essere piccola, generalmente 1 cm); se aumento la distanza il sublimato è più puro ma il processo è più lento;

38 Apparecchiature per la sublimazione a pressione atmosferica sostanza Per evitare la ricaduta del sublimato o le proiezioni di impurità verso l alto Vetrino di orologio Filtro di carta forato Vetrino di orologio Imbuto Cotone Strato di solido sublimato Capsula di porcellana Bunsen Bunsen Riscaldando una sostanza in un contenitore aperto ad una T < pf la sua tensione di vapore aumenta e se questa raggiunge il valore di 1 atm la sostanza inizia a sublimare Se il contenitore è chiuso la pressione aumenta durante il riscaldamento e la sublimazione non avviene o si blocca

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40 Apparecchiatura per la sublimazione a pressione ridotta 1 Ingresso acqua di raffreddamento 2 Uscita acqua di raffreddamento 3 Linea gas/vuoto 4 Camera di sublimazione 5 Sublimato 6 Composto da purificare 7 Riscaldamento esterno Il vuoto deve essere applicato lentamente per evitare schizzi di sostanza sul condensatore

41 Temperatura di sublimazione di alcune sostanze di interesse farmaceutico Sostanza p.f. ( C) Temperatura di sublimazione ( C) a 760 mmhg a 0.5 mmhg Naftalina Iodoformio Caffeina an. Teobromina Ac. Benzoico Chinina an. Saccarina Acetanilide D-alanina Anidr. Ftalica Cumarina Urea Barbital Vanillina Colesterolo Non sublima Il riscaldamento porta la tensione di vapore del solido a valori superiori ad 1 atm E necessario scaldare ed abbassare la pressione Cinconina Aspirina Cocaina Atropina Non sublima Non sublima

42 Sostanze con tensione di vapore superiore ad 1 atm al punto triplo Sublimano spontaneamente a tempeature ordinarie Sostanza Esacloroetano Acetilene Anidride carbonica Arsenico grigio Temp. Subl. ( C) Pressione 800 mmhg 912 mmhg 5.1 atm 35.8 atm 43.1 atm