16/05/2011 GASCROMATOGRAFIA (GC)

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1 GASCRMATGRAFIA (GC) Sostanze volatili possono essere analizzate (qualitativamente e quantitativamente) mediante cromatografia in fase vapore (vapour phase chromatography, VPC) detta anche cromatografia gas-liquido (gas-liquid chromatography, GLC) o, comunemente, gascromatografia (GC). è una cromatografia di ripartizione La fase stazionaria è un liquido altobollente che riveste come film sottile una colonna di vetro cava (colonna capillare) oppure impregna della silice e viene inserito in una colonna di vetro o di metallo (colonna impaccata) colonna capillare colonne impaccate metallo vetro 1

2 La fase stazionaria deve essere stabile termicamente, non reattiva e non volatile nell intervallo di temperatura a cui lavora la colonna. La fase stazionaria può essere non polare o polare. Le fasi non polari separano i composti sulla base del punto di ebollizione Le fasi polari hanno anche interazioni dipolo-dipolo di vario grado con i composti che passano sopra Non polari: idrocarburi a catena lunga non vanno bene con gli alcooli Polare: polietilen glicol va bene con composti polari (esteri, chetoni, alcooli) Mediamente polari: oli di silicone R R R R R R R R R R R R R R R R Si Si R R R R Si Si R R R R Si Si Si Si Si Si Si Si Utili per molte sostanze. Separano sulla base della volatilità La fase mobile è un gas inerte: azoto o elio, migliore, ma più costoso 2

3 INTRDUZINE DEL CAMPINE NEL GC Il campione da analizzare (composto puro o miscela) viene diluito in un opportuno solvente e iniettato con una microsiringa, attraverso un setto di gomma teflonata, nell iniettore La siringa solitamente è da 10 μl; si inietta 1 μl della soluzione Lavare MLT bene la siringa, sia prima che dopo l iniezione! L ago è molto sottile e si rompe facilmente: guidarlo con entrambe le mani toccare il setto l ago deve essere vuoto 3

4 forare il setto senza iniettare iniettare Si inietta con un movimento morbido e rapido RIVELAZINE DEL CAMPINE Il detector più usato è il rivelatore a ionizzazione di fiamma, FID (flame ionization detector) Nel detector arrivano: idrogeno, aria e una porzione del gas di trasporto. La fiamma, ottenuta bruciando H 2 in aria, è posta in un campo elettrico. Quando passa solo il gas di trasporto, si ha una fiamma che produce pochi ioni. Quando il gas di traporto contiene un composto organico, questo brucia e forma ioni, che aumentano la conducibilità elettrica. La variazione di potenziale si traduce in un segnale che viene inviato ad un registratore o ad un computer Il risultato è un gascromatogramma I picchi diventano più larghi con l aumentare del tempo di ritenzione. Il picco del solvente va fuori scala. Il tempo di ritenzione si misura tra il tempo dell iniezione e quello del picco 4

5 Il tempo di ritenzione permette di identificare un composto in confronto con un campione noto di quel composto: i tempi di ritenzione devono essere identici nelle stesse condizioni di analisi La forma ideale del picco dovrebbe essere una gaussiana. Picchi irregolari possono essere dovuti a cause diverse. picco scodato La fase stazionaria della colonna non è adatta per quel composto picco a pinna di pescecane con crescita irregolare seguita da diminuzione improvvisa La colonna è stata sovraccaricata: bisogna iniettare molto meno campione picco allargato A causa della diffusione laterale (presente in tutti i processi cromatografici) i picchi diventano sempre più larghi e bassi: con tempi di ritenzione molto lunghi si possono confondere con la linea di base Si può rimediare aumentando la temperatura della colonna in modo programmato ANALISI QUANTITATIVA L area dei picchi è proporzionale alla quantità di sostanza, ma le sostanze NN bruciano tutte alla stessa maniera e perciò non producono la stessa quantità di ioni. E perciò necessario fare delle rette di taratura con concentrazioni note e con un composto standard di elevata purezza e di concentrazione nota. 5

6 Riportando in grafico il rapporto delle aree misurato in funzione del rapporto delle concentrazioni si ottiene una retta il cui coefficiente angolare è il fattore di risposta Area campione [campione] = f Area R x standard [standard] Quando si ha una concentrazione icognita del composto, basta fare l analisi con una concentrazione nota di standard Area campione [standard] [campione]incognita = x Area standard f R CRMATGRAFIA LIQUIDA AD ELEVATA PRESTAZINE (HPLC) High Performance Liquid Chromatography Si usa in alternativa alla GC, quando le sostanze non sono volatili, oppure non sono stabili alle temperature dell iniettore del gas cromatografo. Fase stazionaria: solido finemente suddiviso (particelle anche di 5 μ) Fase mobile: liquido pompato sotto pressione attraverso la fase stazionaria L equilibrio tra l adsorbente e la fase mobile si stabilisce molto rapidamente 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. Finita la reazione, il prodotto (o i prodotti) deve essere separato dalla miscela di reazione con tecniche di separazione. gni reazione può presentare problemi diversi di separazione, ma la maggior parte delle reazioni si può lavorare ( work-up ) secondo alcuni schemi generali. Dalla miscela di reazione si separa un solido FILTRAZINE Si forma un liquido DISTILLAZINE Se i liquidi sono più di uno, si deve ricorrere alla distillazione frazionata. 6

7 Lavorazione acquosa standard metodo più comune Al termine della reazione, la miscela si versa CAUTAMENTE in acqua (o acqua e ghiaccio se il processo è esotermico): di solito il solvente organico usato per la reazione non è miscibile con l acqua e si formano due fasi, che vanno separate. 1. Lavorazione acquosa ed isolamento di un composto (solido o liquido) neutro Se il prodotto è neutro, si aggiunge un solvente organico (immiscibile con l acqua) che lo scioglie. Le due fasi si separano con un imbuto separatore aprendo il rubinetto si raccoglie la fase inferiore Etere dietilico: più leggero dell acqua: sta sopra CH 2 Cl 2 o CHCl 3 : più pesanti dell acqua: stanno sotto In acqua restano sali ed eventuali altri composti inorganici (acidi e basi compresi). La fase organica, separata, si lava (sempre con l aiuto dell imbuto separatore) con porzioni di acqua distillata, per allontanare tutti I composti solubili in H 2. 7

8 Alla fine, per togliere le tracce d acqua, alla fase organica si aggiunge un essiccante. H 2 Na 2 S 4 anidro Na 2 S H2 Si filtra (per gravità su carta) e si allontana il solvente distillandolo (evaporatore rotante o rotavapor) 8

9 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. ANALISI DEL GREZZ DI REAZINE Il grezzo di reazione si può analizzare con le tecniche cromatografiche (per es., TLC, GC): si vede quanti composti siano presenti. ppure con tecniche spettroscopiche. Particolarmente utile è il GC abbinato con lo spettrometro di massa, perché si ottiene lo spettro di massa di ogni composto separato per GC SEPARAZINE DEI PRDTTI Teoria dell estrazione SEPARAZINE MEDIANTE ESTRAZINE CN SLVENTI Se un composto A, sciolto in un solvente organico (per esempio, dietil etere) si tratta con il liquido immiscibile acqua, si ripartirà tra le due fasi, con concentrazioni regolate dalla costante di ripartizione, K R [A] Et2 [A] H2 = K R Se una miscela di due composti, A e B, viene sciolta in un solvente organico (per esempio, dietil etere) e la soluzione viene trattata con il liquido immiscibile acqua, i due composti si separano se A ha K R >>1 e B ha K R <<1 (o viceversa). Difficilmente la separazione di sostanze organiche neutre ha successo, perché la maggior parte delle sostanze organiche è più solubile nei solventi organiche che in acqua. Acidi e basi, trasformati in ioni solubili in acqua, si possono spesso rimuovere completamente dalle soluzioni organiche 9

10 Gli acidi sono estratti da una base H-A acido covalente solubile nei solventi organici, insolubile in acqua base A: - base coniugata ionica insolubile nei solventi organici, solubile in acqua Dopo l estrazione, se si vuole riottenere l acido, si acidifica la soluzione acquosa: HA, essendo insolubile in acqua, precipita e si separa. Le basi sono estratte da un acido B: base covalente solubile nei solventi organici, insolubile in acqua acido H-B + acido ionico insolubile nei solventi organici, solubile in acqua Dopo l estrazione, se si vuole riottenere la base, si alcalinizza la soluzione acquosa: B, essendo insolubile in acqua, precipita e si separa. 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. 10

11 Alla fine della reazione: miscela di reazione 1.Si tratta con acqua o acqua e ghiaccio 2.Si aggiunge un solvente organico immiscibile e si agita soluzione organica con prodotto neutro fase acquosa (si scarta) Si lava (estrae) con una base soluzione organica con prodotto neutro Si lava (estrae) con un acido fase acquosa con impurezze acide (si scarta) soluzione organica con prodotto neutro Si lava (estrae) con acqua fase acquosa con impurezze basiche (si scarta) soluzione organica con prodotto neutro 1.Si secca 2.Si evapora il solvente organico fase acquosa (si scarta) prodotto neutro Se il prodotto è acido: miscela di reazione 1.Si tratta con acqua o acqua e ghiaccio 2.Si aggiunge un solvente organico immiscibile e si agita soluzione organica con prodotto acido fase acquosa (si scarta) Si estrae con una base fase organica (si scarta) fase acquosa basica con prodotto acido 1.Si acidifica 2.Si estrae un solvente organico soluzione organica con prodotto acido Si lava (estrae) con acqua fase acquosa (si scarta) soluzione organica con prodotto acido 1.Si secca 2.Si evapora il solvente organico fase acquosa (si scarta) prodotto acido 11

12 Se il prodotto è basico: miscela di reazione 1.Si tratta con acqua o acqua e ghiaccio 2.Si aggiunge un solvente organico immiscibile e si agita soluzione organica con prodotto basico fase acquosa (si scarta) Si estrae con un acido fase organica (si scarta) fase acquosa acida con prodotto basico 1.Si alcalinizza 2.Si estrae un solvente organico soluzione organica con prodotto basico Si lava (estrae) con acqua fase acquosa (si scarta) soluzione organica con prodotto basico 1.Si secca 2.Si evapora il solvente organico fase acquosa (si scarta) prodotto acido ESTRAZINE IN CNTINU Se si deve estrarre da un solido un composto relativamente poco solubile, l estrazione con solventi si può effettuare in modo efficiente con un apparecchio Soxhlet. 12

13 SEPARAZINE MEDIANTE DISTILLAZINE FRAZINATA Se il grezzo di reazione è costituito di composti liquidi miscibili, questi si possono separare per distillazione Una coppia di liquidi miscibili, A e B, ha comportamento ideale se segue la legge di Raoult, contribuendo alla pressione di vapore totale in funzione della composizione della miscela P totale = P A + P B = x A P 0 A + x B P 0 B x A e x B = frazione molare di A e B nella miscela P 0 A e P 0 B = pressione di vapore di A e B puri ad una data temperatura Se la differenza di temperatura di ebollizione dei due liquidi è > 50 C, si può effettuare una distillazione semplice, raccogliendo prima il liquido che bolle a temperatura più bassa e poi quello che bolle a temperatura più alta (se necessario, diminuendo la pressione) Per separare liquidi con punti di ebollizione più vicini: distillazione frazionata. Mescolando quantità diverse di A e B, misurando la temperatura a cui la miscela bolle (a pressione atmosferica) ed esaminando la composizione del vapore, si ricava il diagramma dei punti di ebollizione in funzione della composizione Man mano che la distillazione procede, il punto di ebollizione sale gradualmente ed il distillato contiene una quantità minore del composto più volatile 13

14 Questo significa salire nel diagramma da XY a, per esempio, X Y Caratteristico della distillazione di una miscela di liquidi è: La composizione del liquido e quella del vapore non sono uguali Il p.e. del liquido sale gradualmente durante la distillazione. p.e. Una miscela con, frazione molare di B L 1 si scalda e raggiunge la temperatura di ebollizione. Il vapore ha composizione V 1. Se il vapore condensa, dà un liquido di composizione L 2. Se L 2 viene scaldato, raggiunge una temperatura di ebollizione (inferiore alla precedente), da cui si ottiene un vapore V 2, più ricco nel composto a p.e. più basso. Ripetendo più volte la serie distillazione-condensazionedistillazione si arriva ad A puro Le distillazioni successive necessarie per la separazione costituiscono i piatti teorici 14

15 In pratica le distillazioni successive si realizzano interponendo tra pallone e testa di distillazione una colonna di frazionamento Colonna di Vigreux Denti di vetro rientranti Colonna di Widmer Riempimento a spirale Riempimento con palline di vetro Un piatto teorico è l equivalente di una distillazione semplice. Miscele non ideali possono non essere separabili se c è una composizione della micela in cui la composizione del vapore è uguale a quella del liquido (miscele azeotropiche). 15

16 SEPARAZINE MEDIANTE CRMATGRAFIA SU CLNNA I composti organici si possono separare con la cromatografia di adsorbimento, in quantità di grammi. La separazione si basa sullo stesso primcipio della TLC Una colonna di vetro, con rubinetto, si riempie con la fase stazionaria bagnata con il solvente (per evitare la formazione di bolle d aria) In testa alla colonna si pone una soluzione dei composti da separare (minimo volume), che si fa adsorbire, facendola scendere (rubinetto aperto) Si eluisce con il solvente opportuno e si raccolgono le frazioni (attraverso il rubinetto) Il solvente può evaporare, depositando cristalli sul gambo: lavare con solvente fresco 16

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19 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi. 2. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. 7. La purezza dei prodotti si verifica con tecniche cromatografiche (TLC, GC) o spettrali ( 1 H NMR) 8. La purificazione dei prodotti si effettua con le stesse tecniche usate per i reagenti. 19