Analisi dei medicinali

Saggi di solubilità

I saggi di solubilità aiutano nella valutazione del carattere acido-base della sostanza, di conseguenza delle caratteristiche delle sostanze: si misura quindi il pH —> è facile individuare le caratteristiche se la sostanza è solubile in acqua; se le sostanze sono insolubili in acqua e in etere, allora si valuta la solubilità in HCl, bicarbonato di sodio (Na₂CO₃), carbonato di sodio (NaHCO₃) e soda (NaOH).

Gruppo I e II

Per le sostanze di questi gruppi è utile valutare il pH della soluzione acquosa mediante cartina indicatrice.

Se si ottiene una soluzione acida, la sostanza può essere:

• Un acido debole, solubile in H₂O, come acido acetico, acido benzoico, acido citrico, acido ossalico: HA ⇄ H⁺ + A^-
• Un sale di una sostanza basica (cloridrato, solfato, ecc.) che disciolto in H₂O produce acidi catione per idrolisi acida (si liberano H⁺ e la corrispondente base): RNH₃Cl + H₂O ⇄ RNH₃⁺ + H₂O + Cl^-

Se si ottiene una soluzione basica, la sostanza può essere:

• Una base più o meno forte, solubile in acqua, come un’ammina: RNH₂ + H₂O ⇄ RNH₃⁺ + OH^-
• Un sale di una sostanza acida (carbossilato sodico, potassico, di litio ecc.) che sciolto in H₂O produce alcalinizzazione per idrolisi basica: RCOO^-Na⁺ + H₂O ⇄ RCOOH + OH^-

Gruppo II

Per le sostanze solubili in H₂O e insolubili in Et₂O è utile valutare cosa succede per aggiunta di NaOH 2M o di HCl 2M alle soluzioni acquose.

• Si prepara una soluzione acquosa con 30-50 mg di sostanza + 1 ml di H₂O, poi si addizionano alcune gocce di NaOH 2M.

Se si forma un precipitato, è probabile che la sostanza fosse un composto di natura basica sotto forma di sale (inorganico o organico), ad esempio il cloridrato di un’ammina insolubile in H₂O.

• Si prepara una soluzione acquosa con 30-50 mg di sostanza + 1 ml di H₂O, poi si addizionano alcune gocce di HCl 2M.

Se si forma un precipitato, è probabile che la sostanza fosse un composto di natura acida sotto forma di sale (con uno ione alcalino), ad esempio il sale sodico di un acido carbossilico insolubile in H₂O.

Gruppo III

Le sostanze appartenenti al III gruppo sono insolubili in H₂O e insolubili in etere. Sono sostanze ad alto peso molecolare, polimeri come amido, cellulosa, alcune proteine ecc.

Gruppo IV solubili

Sono sostanze insolubili in H₂O e in etere (Et₂O). In questo caso si deve valutare la solubilità in bicarbonato di sodio (sat.), carbonato di sodio (sat.), soda, infine HCl.

NaHCO₃ sat. —> Na₂CO₃ sat. —> NaOH 2M; HCl

Sostanze solubili in NaHCO₃ sat. (pK_a < 10^-6)

• Acidi carbossilici purché non contengano più di un gruppo amminico
• Acidi solfonici purché non contengano più di un gruppo amminico
• Acido picrico (2,4,6-trinitrofenolo)
• Acido barbiturico

Sostanze solubili in Na₂CO₃ sat. (10^-10 < K_a < 10^-6)

• Fenoli attivati con un gruppo elettron-attrattore (nitrofenoli, fluorofenoli)
• Solfonimmidi (saccarina)

Sostanze solubili in NaOH 2M (10^-14 < K_a < 10^-10)

• Fenoli
• Acidi idrossammici
• Ossime
• Solfonammidi
• Enoli
• Nitroalcani

Sostanze solubili in HCl 2M

Sostanze basiche con meno di 10 atomi di C.

• Ammine alifatiche
• Ammine aromatiche primarie
• Eterociclici azotati
• Idrazine

Saggi di carattere generale

I saggi di carattere generale permettono di riconoscere le caratteristiche strutturali: ad esempio la presenza dell’anello o di doppi legami carbonio-carbonio (quindi instaurazione C-C).

Per quanto riguarda la ricerca dell’anello aromatico, ci sono due saggi:

• Formazione di azocomposti: ha una validità generale: è un saggio che avviene su ogni anello aromatico. L’unica eccezione in cui il saggio non avviene è l’anello completamente sostituito: il saggio prevede l’utilizzo di un elettrofilo forte per dare una reazione di sostituzione elettrofila aromatica —> se non ci sono posizioni libere sull’anello, la reazione non avviene.
• Alchilazione di Friedel-Crafts: è un saggio più selettivo: è positivo solo se l’anello è disattivato verso la sostituzione elettrofila aromatica (SEA).

• Se l’anello ha gruppi elettrondonatori che attivano verso la SEA il saggio è positivo;
• Se l’anello ha gruppi elettronattrattori che disattivano verso la SEA, il saggio è negativo (è il caso della presenza di un gruppo nitro, un gruppo carbossilico, un chetone o un’aldeide sull’anello).

La ricerca dell’insaturazione prevede:

• Addizione di bromo in tetracloruro di carbonio (CCl₄): la reazione è sfavorita dalla presenza di gruppi elettronattrattori;
• Ossidazione con permanganato, saggio di Bayer (KMnO₄): è favorita dalla presenza di sostituenti elettronattrattori.

Ricerca dell’anello aromatico - Formazione di azocomposti

Il saggio di formazione di azocomposti si esegue mediante la sequenza di 4 reazioni:

1. Nitrazione
2. Riduzione
3. Diazotazione
4. Copulazione

Si parte da un anello aromatico: prendiamo il benzene.

1. Nitrazione

Come reattivo si utilizza una miscela solfonitrica (HNO₃ concentrato/H₂SO₄ concentrato), in cui l’acido nitrico e l’acido solforico sono in rapporto 1:1, quindi in condizioni ottimali per ottenere una buona quantità di ione nitronio in soluzione. La specie elettrofila è NO₂⁺ (ione nitronio): l’acido nitrico viene protonato dall’acido solforico. Si forma acido nitrico protonato, che elimina una molecola di acqua formando lo ione nitronio —>

Per composti particolarmente attivati o instabili in questa miscela si può usare HNO₃ conc./CH₃COOH glaciale oppure HNO₃ conc.:

HNO₃ ⇄ NO₂⁺ + NO₃^- + H₂O

Si forma quindi lo ione nitronio, la specie elettrofila che in soluzione darà reazioni di sostituzione elettrofila aromatica.

Nel 1° step (processo lento) si ha un attacco dell’elettrofilo con la formazione del complesso σ (sigma), stabilizzato per risonanza; nel 2° step, c’è la deprotonazione dell’intermedio che porta al ripristino dell’aromaticità —> l’H⁺ viene definitivamente sostituito dallo ione nitronio.

La reazione è avvenuta correttamente se si ha la formazione di un precipitato giallo: i nitroderivati hanno una colorazione giallo scura e sono insolubili in acqua e nell’ambiente acido della reazione (in base ai costituenti presenti il nitroderivato può essere solubile in fase acquosa, quindi l’importante è che sia presente una colorazione gialla).

2. Riduzione

Il reattivo è costituito da HCl 6M e stagno metallico. Si aggiunge un granulo di stagno in ambiente acido (HCl): questo porta alla riduzione del nitroderivato aromatico ad anilina. In questa reazione si consumano 3 atomi di stagno che cambiano stato di ossidazione: n.ox = 0 —> +2. L’anilina è bianca se solida, incolore se in soluzione. In questo caso, essendo un prodotto basico, essa passa in soluzione, quindi il precipitato si scioglie e la soluzione diventa incolore.

Reazione: C₆H₅NO₂ + 6HCl + 3Sn —> C₆H₅NH₂ + 3SnCl₂ + 2H₂O

3. Diazotazione

Se è ancora presente un pochino di granulo di stagno, si separa la soluzione con la pipetta. Il reattivo della reazione è nitrito di sodio (o potassio) in ambiente nettamente acido. Il nitrito di sodio in HCl dà una reazione con formazione di acido nitroso.

NaNO₂ + HCl —> HNO₂ + NaCl

L’acido nitroso poi porta alla formazione di ione nitrosonio o cloruro di nitrosile, a seconda delle condizioni di pH. L’acido nitroso si protona, si forma un intermedio, che subirà un attacco, o da parte dello ione Cl^-, con formazione del cloruro di nitrosile, o da parte del nucleofilo (ammina), che forma l’acido nitroso protonato —> l’acido libera una molecola di acqua dando uno ione nitrosonio.

Nella reazione successiva, il nucleofilo, quindi il gruppo amminico dell’anilina, attacca l’atomo di azoto, facendo uscire il gruppo uscente della specie elettrofila. La specie elettrofila viene indicata come X-N=O in foto, in cui X può essere H₂O, Cl^-, NO₂^-. —> Il lone pair dell’anilina attacca l’azoto e esce l’anione X^-.

Si ha come prima fase la reazione di addizione del lone pair dell’ammina sull’elettrofilo, poi la nitrazione dell’anilina; si forma una specie intermedia che perde uno ione H⁺ formando uno ione nitroso-anilina. Questo intermedio tautomerizza, formando l’idrossilammino derivato che elimina una seconda molecola di acqua. Si forma così un sale di arendiazonio: il sale è stabilizzato per risonanza (la carica positiva viene demoralizzata su due atomi di azoto).

Quindi:

In questa reazione l’ambiente deve essere abbastanza acido:

• Per avere un agente nitrosante più forte;
• Per protonare l’ammina libera che non ha ancora reagito per evitare che essa copuli con il sale di diazonio appena formatosi;
• Perché i sali di diazonio aromatici sono stabili in ambiente acido.

4. Copulazione

In questa reazione, il reattivo è un fenolo, in particolare un β-naftolo. La reazione che avviene è una reazione di sostituzione elettrofila aromatica: l’elettrofilo è il sale di diazonio che è un elettrofilo debole, può reagire efficacemente solo con nucleofili più forti (aromatici attivati —> ammine e fenoli). La sostituzione avviene preferibilmente in para rispetto al gruppo attivante; se è occupata può avvenire in orto.

Come nucleofilo si usa il β-naftolo, quindi la copulazione avviene in orto all’ossidrile fenolico, in particolare in posizione alfa che risente dell’attivazione dovuta alla presenza dell’altro anello aromatico.

Per avere condizioni ottimali per una reazione di sostituzione elettrofila aromatica, si va ad alcalinizzare il pH: così in ambiente acido, la reazione tra β-naftolo e sale di diazonio può essere molto lenta. Si rende il pH più alcalino per rendere più reattivo il fenolo: si porta il pH = 8, in questo modo il naftolo, in ambiente leggermente basico, si deprotona in parte e si avrà così una maggiore concentrazione di ione fenato.

Nei fenoli, la carica negativa dell’ossigeno può essere stabilizzata all’interno dell’anello aromatico: attiva due posizioni, una in alfa e una in beta. Tra le due posizioni, quella in alfa è più reattiva perché non subisce la disattivazione per la presenza del secondo anello aromatico: la reazione avverrà maggiormente in questa posizione.

Perché ci si ferma a pH = 8 e non si va a pH più alcalino?

In condizioni di maggiore basicità, la quantità di ione fenato sarebbe ancora maggiore e ancora più reattivo. Oltre allo ione fenato, aumenta in soluzione la concentrazione di ioni OH^-. E si crea così una competizione tra i due nucleofili (fenato e OH^-).

Ad ambiente troppo basico, lo ione idrossido reagisce con i sali di diazonio formando il diazoidrossido —> aumentando la concentrazione di OH^-, si consuma il sale di diazonio, che non verrà utilizzato per la reazione di copulazione.

La reazione tra lo ione fenato e il sale di diazonio può avvenire in due modi:

• Attacco da parte di O^-: il prodotto è favorito dal punto di vista cinetico, ma è meno stabile dal punto di vista termodinamico;
• Attacco da parte di C^-: il prodotto è termodinamicamente favorito, quindi è un prodotto stabile.

Ricerca dell’anello aromatico - Alchilazione di Friedel-Crafts

Questo saggio è negativo per i composti aromatici che sono disattivati verso la sostituzione elettrofila aromatica, ovvero composti che presentano gruppi elettronattrattori (-NO₂, -COOH, -COR, -COH, -CN, -SO₃H, -SO₂R, -SO₂NR₂).

Il saggio si esegue in cloroformio (CHCl₃) anidro in presenza di AlCl₃ sublimato: si mette una punta di spatola di AlCl₃ in una provetta, si scalda sulla fiamma Bunsen per ottenere un sublimato, si lascia raffreddare. Si fa poi scorrere qualche goccia di soluzione cloroformica del composto sul sublimato. La formazione di una specie colorata indica la positività del saggio:

• Gli aromatici monociclici danno una colorazione che va dal giallo-arancio al rosso;
• Gli aromatici biciclici sono color porpora;
• Gli aromatici policiclici sono verdi.

Il primo stadio della reazione prevede la formazione di un complesso fortemente polarizzato tra CHCl₃ e AlCl₃. È necessario sublimare AlCl₃ per allontanare l’acqua: l’alluminio forma facilmente legami di coordinazione —> in questo caso deve formarli con il cloroformio, quindi si deve allontanare l’acqua. Il cloro si comporta da base di Lewis (ha molti lone pair esterni), l’alluminio si comporta da acido di Lewis.

L’alluminio accetta il lone pair del cloro e si polarizza negativamente, il cloro invece si polarizza positivamente.

La fase successiva è una reazione di sostituzione elettrofila aromatica, che avviene da parte del carbonio elettrofilo sull’aromatico. Si forma un complesso sigma che in seguito si deprotona liberando l’anello aromatico con sostituente CHCl₂.

L’intermedio che si forma è più reattivo del cloroformio: la reazione va avanti con una seconda e una terza sostituzione, fino a formare il trifenilmetano.

Il trifenilmetano viene facilmente ossidato dall’ossigeno atmosferico attraverso una reazione radicalica. L’ossigeno molecolare strappa un idrogeno radicalico lasciando libero il radicale trifenilmetilico; questo dà origine alla propagazione della reazione a catena radicalica: il radicale perossido che si è formato dà origine ad un idroperossido. Infine si ha l’eliminazione di una molecola di acqua, formando il fusone (specie colorata).

Ricerca dell’insaturazione - Addizione di Br₂ in CCl₄

È una reazione di addizione elettrofila al doppio legame, favorita dalla presenza di gruppi elettroni-donatori e rallentata (o impedita) dalla presenza di gruppi elettron-attrattori.

Si aggiunge una soluzione di Br₂ alla sostanza disciolta in CCl₄, la scomparsa della colorazione ross-arancia del Br₂ indica positività del saggio.

Alcune sostanze reagiscono con Br₂ dando reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (fenoli e ammine): in questo caso si ha la decolorazione del Br₂ con sviluppo di HBr, rilevabile dal carattere acido dei vapori, rilevabili con una cartina indicatrice umida posta all’imboccatura della provetta.

Ricerca dell’insaturazione - Ossidazione con KMnO₄ (saggio di Bayer)

La reattività è invertita: se sono presenti gruppi elettron-attrattori il doppio legame reagirà più facilmente con lo ione permanganato.

Gli alcheni reagiscono con KMnO₄ in ambiente alcalino con la formazione dei corrispondenti cis-dioli. Il saggio è positivo quando si ha la decolorazione della soluzione violetta di KMnO₄ e la formazione di un precipitato marrone di MnO₂.

3RCH=CHR’ + 2MnO₄^- + 4H₂O —> 3RCHOH-CHOH-R’ + 2MnO₂ + 2OH^-

Le sostanze facilmente ossidabili, come alcuni alcoli, fenoli, tioli e tiofenoli, possono interferire reagendo con il KMnO₄ e consumandolo, decolorando così la soluzione.

Riconoscimento dei gruppi funzionali

Acidi carbossilici e derivati

Il gruppo -COOH possiede caratteristiche estremamente polari e la capacità di formare legami H come accettore e donatore sia con molecole della stessa specie che di specie diversa.

Le proprietà si riflettono sulla solubilità, sulla tensione di vapore (quindi la volatilità) e sulla struttura cristallina.

Li dividiamo in: serie alifatica e serie aromatica.

Per quanto riguarda lo stato fisico, nella serie alifatica le sostanze sono liquidi altobollenti fino a 10 atomi di C (acido formico, acetico, propionico ecc.), poi sono solidi; inoltre, il punto di ebollizione e il punto di fusione crescono all’aumentare del peso molecolare. Nella serie aromatica, le sostanze sono tutte solide; il più semplice è l’acido benzoico, che fonde a circa 121°.

Per quanto riguarda la solubilità, nella serie alifatica i primi quattro termini sono completamente miscibili in acqua, l’acido valerianico (5C) è parzialmente miscibile, dai 6C in poi sono immiscibili; sono invece tutti solubili in etere. Per la serie aromatica, le sostanze sono tutte insolubili in H₂O e solubili in etere.

Acidità

• Serie alifatica: sono tutti acidi deboli. L’acidità varia con il variare di R. I gruppi elettron-attrattori stabilizzano l’anione e aumentano l’acidità; i gruppi elettron-donatori destabilizzano l’anione e diminuiscono l’acidità.

RCOOH + H₂O ⇄ RCOO^- + H₃O⁺

• Serie aromatica: gli aromatici sono più acidi degli alifatici per l’effetto elettronattrattore dell’anello. L’effetto elettronico ha due componenti: Induttiva: attrazione o rilascio elettronico