La cromatografia di adsorbimento liquido-solido è solitamente la più indicata per la separazione di componenti aventi polarità diverse.

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5 Cromatografia di adsorbimento liquido-solido La cromatografia di adsorbimento liquido-solido è solitamente la più indicata per la separazione di componenti aventi polarità diverse. Tale polarità come è noto deriva dalla presenza e/o posizione nella molecola di differenti gruppi funzionali. In generale, se una molecola possiede più di un gruppo funzionale, il più polare tra essi esplicherà l effetto maggiore, e determinerà il tempo di eluizione richiesto. Per questo motivo, la cromatografia di adsorbimento separa spesso miscele in classi di composti, tali classi essendo determinate dai gruppi funzionali più polari presenti nei composti stessi. Poichè il materiale adsorbente più largamente usato è il gel di silice, noi spiegheremo i principi della cromatografia di adsorbimento prendendo in considerazione come fase stazionaria questo materiale.

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7 meccanismo di adsorbimento può essere rappresentato molto facilmente considerando il processo come lo stabilirsi di un equilibrio all interno della colonna. Una fase mobile viene scelta in modo che abbia una polarità approssimativamente uguale a quella del campione (o leggermente inferiore ad essa). Una molecola del campione che viene adsorbita dal gruppo ossidrilico presente sulla superficie del riempimento, viene continuamente bombardata dalla corrente di molecole della fase mobile. Questa forma di lavaggio fisico indebolisce il legame tra campione e riempimento, e finisce con lo spostare la molecola dal suo sito trascinandola verso il basso fino al successivo gruppo OH libero, dove la sua polarità più elevata le permetterà di spostare una molecola di fase mobile ivi residente. Si può dunque vedere chiaramente che quanto maggiore è il numero di questi stadi successivi, tanto più grande è la probabilità che componenti del campione aventi cariche diverse possano trascorrere una maggiore o minore quantità di tempo,iella colonna, e venire pertanto separate.

8 La polarità della fase mobile La scelta della fase mobile nella cromatografia liquida di adsorbimento può essere fatta con l aiuto della cosiddetta scala di Hildebrand che elenca il parametro di forza solvente, di vari liquidi impiegati come fase mobile. I valori di E sono relativi al pentano, per il quale E viene definito come uguale a zero. Questi valori furono misurati in origine da Hildebrand nel 1932,ma la scala venne posta nella sua forma più utile da Snyder

9 Questi valori vennero ottenuti in origine misurando il calore svolto quando ogni solvente veniva adsorbito sull allumina. Quanto più attivo è il solvente, tanto più alta è la quantità di calore svolta (o energia di legame). Pertanto vediamo i solventi non polari elencati nella parte alta, con energia zero, o prossima a zero; i solventi clorurati nella parte centrale; gli alcoli e l acqua, con i loro gruppi ossidrilici altamente attivi, verso il fondo della lista. Sebbene i valori siano stati misurati su allumina, l attività è praticamente identica anche sul gel di silice. L unica eccezione è rappresentata dal tetraidrofurano, che ha un valore di E = 0,62 (anzichè 0,45).

10 Legame e polarità molecolare La polarità elettrica di una molecola è espressa dal suo momento dipolare. Un sistema costituito da una carica positiva +x, e da una carica negativa x, separate dalla distanza d, possiede un momento dipolare μ = d x Se x è uguale alla carica elettronica (4,80 x u.e.s.) e d è 1 Ẳ il momento dipolare μ = 4,80 D (Debye) Importante ricordare che il momento dipolare è una grandezza vettoriale poichè possiede una direzione, un verso e una grandezza ben definite. Viene qui adottata la convenzione arbitraria che i vettori abbiano un verso che va dalla parte positiva verso quella negativa del dipolo. Si può ritenere che il momento dipolare di una molecola sia uguale alla somma vettoriale dei momenti dovuti alle varie parti della molecola. Ogni molecola biatomica eteronucleare, ad es. HCl, deve avere un momento dipolare perchè i suoi due estremi sono diversi. Per quanto riguarda il valore di tale momento dipolare: Natura polare di un legame eteronucleare. Si pongano un protone ed uno ione Cl, al quale venga momentaneamente assegnata una simmetria sferica (ciò equivale a dire che esso non possiede di per sè un momento dipolare), ad una distanza di 1,27 A. Si introducano quindi i due elettroni di legame fra i due nuclei: globalmente il sistema risulta neutro. Se il centroide delle cariche di questi due elettroni di legame è posto esattamente a metà fra i due nuclei, il sistema risultante non avrà momento dipolare. Poiché gli elettroni non sono esattamente a metà del legame il baricentro delle cariche positive è diverso da quelle negative ed il momento dipolare μ = 1.0 D. Tuttavia poichè l orbitale dell idrogeno è molto più piccolo dell orbitale del cloro, il centroide delle cariche degli elettroni di legame deve essere più vicino a H che non a Cl.

11 Momenti orbitalici di elettroni non condivisi. Per la discussione i consideri l atomo di cloro all origine di un sistema di assi cartesiani, il cui asse z sia inoltre l asse internucleare. Se l atomo di cloro usa un orbitale p z puro per formare il legame, gli elettroni rimanenti, non condivisi o di non legame, non daranno alcun contributo alla polarità del sistema, poichè si trovano in una configurazione s 2 p 2 x p2 y. Infatti, gli elettroni s sono distribuiti sfericamente intorno al nucleo del cloro, e gli elettroni p x e p y si trovano in un discoide perpendicolare all asse z con il nucleo del cloro al centro. Qualora l atomo di cloro abbia una ibridizzazione sp 3 perfetta e impieghi uno di questi orbitali ibridi nella formazione del legame, le tre rimanenti coppie di elettroni giaceranno in tre orbitali ibridi equivalenti, nella forma rappresentata. Gli elettroni in questi orbitali sono più concentrati al disotto del piano xy. Ornuno dei tre orbitali originerà pertanto un momento dipolare orbitalico che può essere rappresentato da un vettore di grandezza v con la direzione dell asse dell orbitale. Tuttavia non è la pensare che il cloro utilizzi ibridi sp 3 puri, il che porterebbe al massimo il contributo delle coppie solitarie. Piuttosto, bisogna immaginare che ci sia una ibridizzazione incompleta e quindi un contributo corrispondentemente minore da parte degli elettroni di non legame. Il momento risultante del dipolo molecolare è la somma vettoriale del momento dovuto al legame e dei momenti dovuti alle coppie solitarie. Ovviamente, non vi è alcuna relazione obbligata tra il momento dipolare della molecola e la polarità di legame.

12 Le due molecole piramidali NH 3 e NF 3 hanno rispettivamente momenti dipolari di 1,5 e 0,2 D. Conoscendo gli angoli di legame (HNH = 106,75 ; L FNF = 102,5 ) i momenti dipolari del legame N H e del legame N F sono facilmente calcolabili e dovrebbero essere rispettivamente di 1,33 D e di 0,15 D. Purtroppo questi risultati sembrano poco verosimili. Se si ammette che la differenza delle elettronegatività sia la sola responsabile del dipolo di legame il Dipolo dovrebbe essere ancora più piccolo del dipolo. Anche tenendo conto della differenza delle dimensioni degli orbitali che si sovrappongono, è difficile credere che il momento dipolare di N H possa essere 9 volte più grande di quello di N F.

13 E possibile ricavare una soddisfacente spiegazione dei momenti dipolari molecolari prendendo in considerazione l ibridizzazione dell atomo di azoto e il conseguente momento dipolare orbitalico delle coppie di elettroni non condivisi sull atomo di azoto per ciascuna molecola. Gli angoli di legame sono molto maggiori di 90, anche se non arrivano ai 109 previsti per una ibridizzazione sp3, si può pensare che in ciascun caso l atomo di azoto leghi i tre atomi per mezzo di orbitali ibridi s-p con contributo s un poco minore di quello che si ha negli ibridi regolari sp3. Gli elettroni non condivisi non occupano più un orbitale s puro, nel qual caso essi sarebbero distribuiti sfericamente intorno all atomo di azoto senza contribuire alla polarità delle molecole. Sono in un ibrido s-pz e sono concentrati più sopra che sotto l atomo di azoto. Così, supponendo che la direzione e il verso dei momenti dipolari del legame N H siano quelli riportati, la polarità risultante di ciascuna molecola può essere considerata come la somma vettoriale dei momenti dipolari dei legami e della coppia solitaria. In definitiva, non si possono collegare i momenti dipolari di legame ed il momento dipolare molecolare attraverso pure considerazioni geometriche, ma si devono prendere in esame anche l ibridizzazione e i momenti dipolari orbitalici delle coppie solitarie.

14 Si scelgono, due solventi compatibili, uno dei quali è molto forte (cioè ha un valore di E molto grande) e l altro è molto debole. Si ottiene un valore opportuno di k variando il rapporto in volume tra i due. Si è trovato che un aumento del valore di E di 0,05 unità di solito fa diminuire tutti i valori di k di un fattore compreso tra 3 e 4. In questo modo sono possibili enormi variazioni in k e si possono trovare così sistemi binari che danno tempi di ritenzione adeguati per quasi tutti i campioni. Sfortunatamente E non varia linearmente coi rapporti volumetrici.

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19 in pratica, si preferisce utilizzare una definizione che tiene conto della polarità relativa delle due fasi: la cromatografia a fase normale e la cromatografia a fase inversa. Nella cromatografia a fase normale, il letto stazionario è di natura fortemente polare (per esempio silice), e la fase mobile è non polare (per esempio normal-esano ecc). I campioni polari vengono quindi ritenuti nella colonna per tempi più lunghi dei campioni non polari o poco polari. Nella cromatografia a fase Inversa avviene esattamente il contrario di ciò. Il letto stazionario ha carattere non polare (idrocarburo), mentre la fase mobile è un liquido polare, come ad esempio acqua o alcool. In questo caso quanto più il campione è di tipo polare tanto più sarà trattenuto.

20 Cromatografia di Ripartizione Cromatografia liquido liquido oppure a fase legata Nel caso della cromatografia liquida liquida la fase stazionaria liquida è legata alla superficie del riempimento per adsorbimento di tipo fisico. Nelle fasi legate la fase stazionaria è legata chimicamente alla superficie del supporto. Le fasi legate sono dominanti a causa di inconvenienti dei sistemi liquido liquido. Uno di questi è la perdita di fase stazionaria per dissoluzione della fase mobile. L uso di riempimenti a fase liquida durante l eluizione a gradiente è impedito da problemi di solubilità della fase stazionaria.

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29 Effetto della forza del solvente sui fattori di capacità. Per la cromatografia di ripartizione l indice di polarità P, introdotto da Snyder permette di variare la forza del solvente in funzione di k. Questo parametro si basa su misure di solubilità della sostanza in esame in tre solventi: diossano (accettore di protoni con basso momento di dipolo), nitrometano (accettore di protoni con un elevato momento di dipolo) ed alcool etilico (donatore di protoni con elevato momento di dipolo). L indice di polarità è una misura numerica della polarità relativa dei vari solventi. L indice di polarità varia da 10,2 per l acqua, composto molto polare, a 2 per i fluoroalcani completamente apolari. Si può ottenere qualunque indice di polarità voluto, entro questi due limiti, miscelando due solventi appropriati. Infatti l indice di polarità P AB di una miscela di solventi A e B è dato da dove P A e P B sono gli indici di polarità dei due solventi φ A eφ B sono le percentuali in volume di ciascuno dei due solventi nella miscela.

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31 In genere una variazione di due unità in P dà luogo approssimativamente ad una variazione di dieci volte di k. In fase diretta dove k 2 e k 1 sono i valori iniziali e finali di k per un soluto e P 1 e P 2 sono i corrispondenti valori per P. In fase inversa

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