ASPETTI PRATICI PER EFFETTUARE UNA REAZIONE CHIMICA Per effettuare una reazione chimica correttamente, si deve eseguire un certo numero di operazioni: 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. 9. Tutti le operazioni vanno descritte SUBITO in un QUADERNO DI LABORATORIO, insieme alle eventuali osservazioni che si ritengano importanti, in caso di ripetizione della reazione (ad es., variazione di colore, formazione di precipitato, sviluppo di gas, ecc.) 1
TECNICHE DI PURIFICAZIONE dei solidi I solidi volatili si possono purificare per sublimazione, processo che comporta il passaggio dalla fase solida a quella vapore e la condensazione dalla fase vapore alla fase solida Il campione si scalda sotto vuoto ed il vapore incontra una superficie fredda, dove solidifica. dito freddo 2
I solidi si purificano per CRISTALLIZZAZIONE, un processo che permette di ottenere selettivamente da una soluzione il composto solido, separandolo dalle impurezze (che non devono superare il 10%). Si basa sul fatto che sostanze diverse hanno solubilità diverse. Passaggi necessari per la purificazione per cristallizzazione 1. Scelta del solvente 2. Dissoluzione del campione 3. Decolorazione della soluzione 4. Filtrazione a caldo 5. Raffreddamento della soluzione 6. Filtrazione a freddo 7. Lavaggio dei cristalli 8. Essiccamento dei cristalli non sempre necessario passaggio più critico sempre importante; non sempre facile 1. Scelta del solvente Un solvente adatto è quello che scioglie il campione a caldo, ma non a freddo, che scioglie le impurezze anche a freddo o non le scioglie neppure a caldo. 3 2 Il solvente 1 scioglie poco sia a freddo che a caldo: non va bene Il solvente 2 scioglie molto sia a freddo che a caldo: non va bene 1 Il solvente 3 è quello giusto: scioglie bene a caldo e poco a freddo Il solvente deve avere un punto di ebollizione tra 50 C e 150 C Solventi con p.e. basso evaporano e possono separarsi anche le impurezze Solventi con p.e. alto si allontanano difficilmente dai cristalli 3
Il solvente deve avere un punto di ebollizione inferiore a quello del composto da cristallizzare Il composto può separarsi come olio e non come solido Se ci sono più solventi con le caratteristiche adatte, va scelto il MENO TOSSICO Per trovare un buon solvente di cristallizzazione si effettua una prova in piccolo, aggiungendo in una tubo da saggio circa 3 ml di solvente a circa 10 mg di composto ed agitando. Se tutto il solido si scioglie a temperatura ambiente, il solvente non è adatto. Se il solido si scioglie in parte, si scalda. Se il solido NON si scioglie tutto a caldo, il solvente non è adatto. Se tutto il solido si scoglie a caldo, si lascia raffreddare il tubicino: se si forma precipitato, il solvente è ADATTO. Se dopo il raffreddamento non si forma precipitato, provare a sfregare all interno con una bacchetta di vetro. Se continua a non formarsi precipitato, il solvente non è adatto Se non si trovasse un solvente adatto, si può provare con una miscela di solventi. Passaggi necessari per la purificazione per cristallizzazione 1. Scelta del solvente 2. Dissoluzione del campione 3. Decolorazione della soluzione 4. Filtrazione a caldo 5. Raffreddamento della soluzione 6. Filtrazione a freddo 7. Lavaggio dei cristalli 8. Essiccamento dei cristalli non sempre necessario passaggio più critico sempre importante; non sempre facile 2. Dissoluzione del campione Il solido da cristallizzare si mette in una beuta delle dimensioni giuste (il campione non deve occupare più di 1/5-1/4 del volume) beute becker beacker In un beker il solvente evapora più in fretta ed solido sale lungo le pareti e può traboccare (Erlenmeyer flask) 4
In un altra beuta si scalda del solvente che poi si aggiunge lentamente alla beuta con il solido da cristallizzare. LENTAMENTE!!! Si deve aggiungere la quantità sufficiente di solvente per sciogliere tutto il composto, più qualche cosa, per tener conto dell evaporazione aperto!! Se il solvente è molto volatile, si può usare una beuta con smeriglio ed un refrigerante 3. Decolorazione della soluzione Se la soluzione è colorata (e si è sicuri che il composto sia incolore!) la colorazione è dovuta ad impurezze, che si possono eliminare aggiungendo polvere di carbone (dopo ave raffeddato un po!) Il carbone attivo ingloba di preferenza le impurezze colorate. Se ne aggiunge una quantità piccola (1-2% in peso rispetto al campione o 1 mg per ml di soluzione), si riporta all ebollizione per qualche tempo. 4. Filtrazione a caldo La presenza di impurezze insolubili a caldo (o l aver usato il carbone attivo) rende necessaria la filtrazione a caldo. Si effettua una filtrazione per gravità, usando un imbuto ed un filtro di carta spazio per l aria soluzione senza impurezze insolubili 5
E meglio usare un imbuto a gambo corto, perché l evaporazione del solvente caldo potrebbe far cristallizzare del composto lungo il gambo La carta da filtro va piegata, in modo da favorre la filtrazione a metà ancora a metà ancora a metà Si riapre fino ad avere un semicerchio con pieghe: verso l alto verso il basso verso il basso in su in giù in su in giù a ventaglio Per adattare bene il filtro all imbuto si piegano le due facce opposte a metà: 6
Passaggi necessari per la purificazione per cristallizzazione 1. Scelta del solvente 2. Dissoluzione del campione 3. Decolorazione della soluzione 4. Filtrazione a caldo 5. Raffreddamento della soluzione 6. Filtrazione a freddo 7. Lavaggio dei cristalli 8. Essiccamento dei cristalli non sempre necessario passaggio più critico sempre importante; non sempre facile Cristallizzazione Crescita lenta dei cristalli, con un processo di equilibrio cristalli puri Precipitazione Formazione veloce dei cristalli cristalli impuri (le impurezze rimangono inglobate nei cristalli) Non bisogna raffreddare troppo in fretta. La velocità del riscaldamento determina le dimensioni dei cristalli. Cristalli molto grandi vanno evitati, perché spesso inglobano il solvente e le impurezze in esso disciolte. Cristalli troppo piccoli sono da evitare, perché è difficile lavarli bene dal solvente e dalle impurezze solubili e ci vuole più tempo ad asciugarli. Il compromesso migliore tra rapidità, convenienza e qualità dei cristalli si raggiunge lasciando raffreddare la soluzione a temperatura ambiente. NON BISOGNA AVERE FRETTA! Se I cristalli si raccolgono troppo presto, si può perdere del prodotto che ancora non è cristallizzato. Il tempo minimo per la cristallizzazione varia da minuti a giorni. Si determina solo facendo delle prove 6. Filtrazione a freddo Completata la cristallizzazione, il solido si rccoglie per filtrazione sotto vuoto, usando un imbuto Büchner o un imbuto Hirsch serve una beuta da vuoto Büchner Hirsch 7
i fori del Büchner sono coperti con carta da filtro Se il solvente è molto, se ne può decantare un po sull imbuto di solito bisogna agitare la beuta prima di versare Dopo che tutto il solvente è stato versato, spesso rimangono dei cristalli nella beuta. Si possono riprendere con del solvente fresco o con un po del filtrato. 7. Lavaggio dei cristalli Dopo aver raccolto i cristalli sul filtro, bisogna lavarli con la minima quantità di solvente fresco, per togliere il liquido che contiene le impurezze solubili. Se I cristalli sono relativamente solubile, il solvente di lavaggio deve esssere freddo Attenzione: durante il lavaggio non spostare o rompere il filtro di carta. 8. Essiccamento dei cristalli Facendo passare aria attraverso il filtro, con l aiuto del vuoto bisogna rimuovere quanto più solvente è possibile POSSIBILI INCONVENIENTI 1. Si separa un olio: la soluzione prima diventa opalescente e poi si separano le goccioline Le impurezze restano sciolte nell olio 2. Non si ha cristallizzazione dopo raffreddamento soluzione sovrassatura: la cristallizzazione si innesca sfregando con una bacchetta o mettendo un cristallo di composto puro (germe di cristallizzazione) 8
TECNICHE DI PURIFICAZIONE I liquidi (sia reagenti che solventi) si purificano per DISTILLAZIONE, un processo che porta il liquido in fase vapore vapore e poi condensa nuovamente il vapore a liquido Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore è uguale alla pressione esterna (equazione di Clausius-Clapeyron) il liquido bolle Pressione atmosferica normale Composti con calori di vaporizzazione più alti hanno pressioni di vapore più basse e quindi serve più energia per vaporizzarli (p.e. maggiore) I liquidi basso-bollenti (p.e. < 150 C) contenenti impurezze non volatili si possono purificare per distillazione semplice a pressione ambiente - Il liquido viene portato all ebollizione con un opportuna fonte di calore (EVITARE FIAMME LIBERE: i composti organici sono di solito infiammabili!!!) - il vapore viene fatto passare attraverso un tubo freddo (refrigerante), dove condensa e viene raccolto in un pallone. E importante asscurare una buona agitazione del liquido in ebollizione (ancoretta magnetica, oppure pietruzze da ebollizione) per evitare bumping, che può mandare nel pallone di raccolta del liquido non purificato. 9
Apparecchiatura per la distillazione semplice a pressione atmosferica H 2 O esce H 2 O entra 10
tubo a cloruro di calcio (se bisogna evitare l umidità) I liquidi alto-bollenti (p.e. > 150 C) contenenti impurezze non volatili si possono purificare per distillazione semplice sotto vuoto, per evitare che il riscaldamento eccessivo provochi decomposizione termica 11
Apparecchiatura per la distillazione semplice a pressione ridotta Se non si conosce la pressione (e non si può misurare), si può ricavare con l aiuto del grafico: 30 torr 95 C 195 C Conoscendo il p.e. a 760 torr, si collega il p.e. sperimentale (prima scala) con quello a pressione atmosferica (seconda scala) e si prolunga la retta fino a leggere la pressione (terza scala). 12
Se il liquido ha un punto di ebollizione molto alto (anche a pressione ridotta) ed è immiscibile con l acqua, si può ricorrere alla DISTILLAZIONE IN CORRENTE DI VAPORE. Alla temperatura di ebollizione dell acqua, il vapore di questo liquido in equilibrio con esso contribuisce al raggiungimento della pressione esterna e viene trascinato via dall acqua che bolle. Al termine della distillazione, il liquido e l acqua formano due fasi separate. 13
PER EFFETTUARE UNA REAZIONE CHIMICA 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. 2. Mescolamento dei reagenti I reagenti vanno mescolati in soluzione, in un pallone, munito di piastra magnetica riscaldante. Generalmente uno dei reagenti si aggiunge all altro (mediante imbuto di gocciolamento autoequilibrante). Se necessario, si mantiene l atmosfera inerte e/o anidra. tubo a CaCl 2 refrigerante a bolle imbuto di gocciolamento autoequilibrante bagno esterno (riscaldante o refrigerante) piastra magnetica 14
Per effettuare una reazione chimica correttamente: 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. TECNICHE PER SEGUIRE L ANDAMENTO DI UNA REAZIONE E importante poter verificare se il substrato stia reagendo (e quindi scomparendo) ed il prodotto/i si stia formando (e quindi comparendo). TECNICHE SPETTRALI Sono utili quando reagenti e prodotti hanno caratteristiche spettrali diverse (per es. un picco IR o un segnale 1 H NMR o il massimo di assorbimento UV-vis. TECNICHE CROMATOGRAFICHE Le separazioni cromatografiche si basano sul fatto che sostanze diverse si ripartiscono diversamente tra due fasi (fase stazionaria e fase mobile), generalmente sulla base della diversa polarità. Cromatografia di ADSORBIMENTO Cromatografia di RIPARTIZIONE Fase stazionaria Fase mobile tecnica Sostanze separate SOLIDO LIQUIDO ADSORBIMENTO ampia gamma di molecole alifatiche ed aromatiche Fase inversa molecole organiche polari gel permeation macromolecole a scambio ionico molecole cariche (amminoacidi) LIQUIDO LIQUIDO RIPARTIZIONE molecole organiche termicamente labili LIQUIDO GAS RIPARTIZIONE molecole organiche volatili Nella cromatografia di ADSORBIMENTO le sostanze vengono adsorbite sulla fase stazionaria, di solito un solido polare. 15
L adsorbimento è un processo fisico, con interazioni polari (legame idrogeno, interazioni dipolo-dipolo, forze di van der Waals) La fase stazionaria (l adsorbente) è un solido poroso, molto puro, in granelli di piccole dimensioni, in grado di interagire sia con solventi che con soluti Silice (gel di silice) SiO 2 Allumina Al 2 O 3 Una volta che la miscela da separare è stata caricata sull adsorbente, si eluisce con uno o più solventi (si fa passare il solvente, detto eluente, attraverso la fase stazionaria). L eluizione può essere fatta per gravità (discendente) o per capillarità (ascendente). L eluente compete con le sostanze adsorbite per i siti di interazione della fase stazionaria e di conseguenza sposta le sostanze adsorbite. Eluenti di polarità diversa hanno capacità diversa di spostare un dato soluto dal sito attivo del supporto su cui è stato adsorbito. Maggiore è la polarità del solvente, più efficientemente questo compete per l interazione con l adsorbente è più rapidamente il soluto verrà spostato Sostanze adsorbite con interazioni più deboli (composti meno polari) verranno spostati più facilmente di sostanze con interazioni più forti con la fase stazionaria (composti più polari) separazione Le proprietà eluenti del solvente hanno permesso di costruire la serie eluotropica, che li ordina dal meno polare al più polare. L ordine può variare cambiando adsorbente. 16
Serie eluotropiche dei più comuni solventi silice allumina cicloesano pentano tetracloruro di carbonio toluene (metilbenzene) cloroformio dietil etere acetato di etile acido acetico metanolo pentano cicloesano tetracloruro di carbonio toluene (metilbenzene) dietil etere cloroformio acetato di etile metanolo acido acetico POLARITA - Cromatografia su Strato Sottile, TLC (Thin Layer Chromatography) La cromatografia su strato sottile è una cromatografia di adsorbimento La fase stazionaria è stesa su un supporto solido e l eluente sale per capillarità 2 Diversi fattori determinano l efficienza di una separazione cromatografica ADSORBENTE 1 Non deve adsorbire troppo fortemente Non deve adsorbire troppo debolmente Dovrebbe essere molto selettivo verso le sostanze da separare Altrimenti tutti I composti restano vicino al punto di applicazione e non si ha separazione. Altrimenti tutti i composti si muovono con il fronte del solvente e non si ha separazione. ELUENTE Dovrebbe essere molto selettivo nella capacità di desorbire le sostanze da separare. Una proprietà importante del solvente è quella di venire adsorbito sulla fase stazionaria. Se il solvente viene adsorbito più fortemente dei composti da separare, ne prende il posto sulla fase stazionaria ed I composti verranno eluiti insieme Tutti i composti si muovono con il fronte del solvente e non si ha separazione. Se il solvente viene adsorbito meno fortemente di tutti i composti da separare, non riesce a desorbirli Tutti I composti restano vicino al punto di applicazione e non si ha separazione. 17
Se il solvente è adsorbito più fortemente di qualche composto della miscela e meno fortemente di altri, faciliterà il desorbimento dei composti che può sostituire sulla fase stazionaria, senza favorire il desorbimento degli altri si ha separazione. fronte del solvente linea di applicazione La particolare combinazione di adsorbente ed eluente che darà una buona separazione dei composti di una miscela si può determinare SOLO PER TENTATIVI Per indicare quanto abbia camminato un composto su TLC con un dato eluente, si definisce il rapporto frontale, R f distanza percorsa dal composto R f = distanza percorsa dal fronte del solvente I valori di R f dipendono molto dalla natura dell adsorbente e da quella dell eluente. Per verificare se un composto incognito corrisponda o no ad un composto noto, si devono far correre affiancati, sulla stessa lastrina, mello stesso cromatogramma: se i percorsi sono identici, ci sono buone possibilità che anche i composti lo siano. TECNICA DELLA TLC 1. Si prende una lastrina: la fase stazionaria è depositata su un supporto solido (per es., vetro o alluminio) Non toccate la fase stazionaria, ma tenete la lastrina sui lati, se non volete cromatografare quello che avete sulle dita o sui guanti! 2. Si segna una riga con la matita a circa 1 cm di altezza Non usate penna, se non volete eluire l inchiostro. Non premete con la matita: il segno deve essere leggero: se fate un solco, impedite la corretta eluizione. 18
3. Si immerge un capillare in una soluzione della miscela da esaminare, con un solvente che evapori facilmente. Il liquido sale per capillarità. 4. Si appoggia il capillare sulla linea tracciata, avendo cura di toccare appena la superficie. Soffiare leggermente sulla macchia, per fare evaporare il solvente. Appoggiare il capillare sullo stesso punto. In questo modo si aumenta la quantità della sostanza applicata, senza allargare troppo la macchia. 5. Si prepara la camera di sviluppo : un recipiente che si possa chiudere, in cui si versa il solvente adatto per la miscela in esame (trovato in precedenza per tentativi). Si inserisce un rettangolo di carta da fltro, che si bagna con il solvente. Si inserisce la lastrina e si chiude il recipiente. Per avere risultati riproducibili l atmosfera nella camera di sviluppo deve essere saturata con il solvente di eluizone. Rettangolo di carta da filtro imbevuto di solvente Il livello del solvente non deve superare il punto di applicazione delle sostanze sulla lastrina: altrimenti la sostanza si scioglie nel solvente e non viene eluita. 6. Il solvente sale per capillarità. Si interrompe quando il fronte del solvente è arrivato a circa 1 cm dalla fine della lastrina. Non lasciate che l eluente salga oltre il bordo della lastrina! Potreste perdervi una sostanza che cammina con il fronte del solvente. 7. Si toglie la lastrina, si lascia asciugare il solvente e si visualizzano le macchie sulla lastrina. a Con lampada UV Se i composti sono colorati, si vedono direttamente. Se non sono colorati vanno visualizzati Molti tipi di lastrine contenengono una sostanza fluorescente che brilla quando si mette sotto una lampada UV. La lastrina brilla e i composti si vedono come macchie scure (spengono la fluorescenza) o come macchie fluorescenti di colore diverso. b Con iodio NON guardate MAI direttamente la luce UV!!! Si inserisce la lastrina in un recipiente contenente vapori di iodio, che dà interazioni deboli con molti composti (ma non con tutti) 19
c Le macchie scompaiono lentamente, una volta tolta la lastrina dal recipiente. Visualizzazione distruttiva Si spruzza acido solforido sulla lastrina, che poi si mette in stufa a 110 C. In corrispondenza dei composti si ha una macchia carbonizzata. Dopo la visualizzazione: 1. Si misura la distanza tra il fronte del solvente ed il punto di applicazione 2. Si misura la distanza tra la macchia (centro della macchia) ed il punto di applicazione 3. Si fa il rapporto tra i due valori, ottenendo il rapporto frontale, R f, che può andare da 0,0 a 1,0 L analisi TLC permette di determinare rapidamente: -se un grezzo di reazione è una miscela di composti - l identità di un composto se è disponibile uno standard. Errori da evitare Troppa sostanza. Le macchie diffondono e non si vede separazione troppa sostanza quantità minore oppure scodano fronte del solvente troppa sostanza: lastrina sovraccarica linea di applicazione Ripetere l analisi usando una quantità minore 20
Le sostanze sono state applicate troppo vicino. La diffusione impedisce di capire di quale campione si tratta era in A o in B? Le macchie incominciano a sovrapporsi A B Macchia troppo vicina al bordo la macchia non è ben circondata da adsorbente e solvente Gli R f non sono accurati; si ha perdita di campione Talvolta le macchie non hanno l aspetto rotondo giusto, anche se applicate nella quantità corretta a b Composti con gruppi funzionali fortemente acidi o basici (es. acidi carbossilici o ammine) vengono fortemente adsorbiti e perciò sono eluiti con difficoltà Nel momento dell applicazione si è appoggiato il capillare con troppa forza e parte dell adsorbente si è staccato nel punto di applicazione: il solvente passa intorno e questo provoca uno sviluppo irregolare, con formazione di una mezzaluna c Si è usato un solvente troppo polare per applicare il campione sulla lastrina: ha provocato spostamento di parte del campione già prima dell inizio dell eluizione a b c 21
GASCROMATOGRAFIA (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 22
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 O O O O O O O O O O O O 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 O O Si Si O O Si Si O O Si Si O O Si Si O O O Utili per molte sostanze. Separano sulla base della volatilità La fase mobile è un gas inerte: azoto o elio, migliore, ma più costoso 23
INTRODUZIONE DEL CAMPIONE 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 MOLTO 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 24
forare il setto senza iniettare iniettare Si inietta con un movimento morbido e rapido RIVELAZIONE DEL CAMPIONE 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 25
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 NON 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. 26
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 CROMATOGRAFIA LIQUIDA AD ELEVATA PRESTAZIONE (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. Ogni 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 FILTRAZIONE Si forma un liquido DISTILLAZIONE Se i liquidi sono più di uno, si deve ricorrere alla distillazione frazionata. 27
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 O. 28
Alla fine, per togliere le tracce d acqua, alla fase organica si aggiunge un essiccante. H 2 O Na 2 SO 4 anidro Na 2 SO. 4 10 H2 O Si filtra (per gravità su carta) e si allontana il solvente distillandolo (evaporatore rotante o rotavapor) 29
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 GREZZO DI REAZIONE Il grezzo di reazione si può analizzare con le tecniche cromatografiche (per es., TLC, GC): si vede quanti composti siano presenti. Oppure 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 SEPARAZIONE DEI PRODOTTI Teoria dell estrazione SEPARAZIONE MEDIANTE ESTRAZIONE CON SOLVENTI 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] Et2O [A] H2O = 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 30
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. 31
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 32
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 ESTRAZIONE IN CONTINUO 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. 33
SEPARAZIONE MEDIANTE DISTILLAZIONE FRAZIONATA 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 34
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 35
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). 36
SEPARAZIONE MEDIANTE CROMATOGRAFIA SU COLONNA 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 37
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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. 40