Appunti di Analisi dei farmaci II

La solubilità: simile scioglie simile

La solubilità è la misura dell’equilibrio fra soluto e solvente; consiste nella demolizione dell’architettura del soluto ad opera del solvente.

Processo di dissoluzione

• Rottura del legame soluto-soluto +DH
• Rottura legame solvente-solvente +DH
• Solvatazione (formazione legami -DH soluto-solvente) = +DH

Una sostanza è insolubile se la sua solubilità è < 3%, poco solubile se è circa = 3%, solubile se > 3%, molto solubile se > 15% e miscibile quando è solubile in tutte le proporzioni per quanto riguarda i liquidi. Il 3% (m/V) corrisponde a 3g su 100 ml o 30mg su 1 ml.

Per determinare in laboratorio la solubilità di una sostanza, infatti, vengono prelevati circa 30mg (1 punta di spatola) di sostanza triturata e viene aggiunto circa 1 ml di solvente; si procede poi agitando e osservando. Se la sostanza si scioglie, anche lentamente con agitazione occasionale, il saggio è positivo, cioè la sostanza in esame è solubile. I solventi utilizzati possono essere: H₂O, NaCl 2N, NaHCO₃ sat. e HCl 2N.

Fattori che influenzano la solubilità

• Natura del solvente (molto polare = H₂O, poco polare = etere dietilico CH₃CH₂OCH₂CH₃...)
• Natura del soluto (soluzioni a diversa acidità, soluzioni a diversa basicità)
• Interazioni soluto-solvente (ione-dipolo, acido-base, legame idrogeno...)

Regole empiriche di previsione della solubilità in acqua

Composti ionici: la presenza di un gruppo ionico porta in soluzione qualsiasi composto, anche lunghe catene idrofobe e micelle. L’interazione che si forma è ione-dipolo. Tra questi gruppi ionici troviamo: sali inorganici (NH₄Cl, NaCl...), sali particolari tipo tensioattivi (Na-Lauril solfato), molecole organiche come Piridossina Cloridrato e Sparteina Solfato, che hanno il centro basico N per ospitare il protone (ATTENZIONE ALLE FORMULE!). Le eccezioni sono rappresentate specialmente da composti di struttura B(++) A(--), costituiti, molto spesso, da metalli Alcalino Terrosi (2^° gruppo tavola periodica): es. BaSO₄, CaCo₃, MgO etc.

Composti neutri: il tipo di interazione coinvolta è il legame ad idrogeno. In genere un gruppo polare idrofilo (donatore di legami ad idrogeno –O-H o R₂N-H) porta in soluzione in media 4C (un X alogeno legato si può considerare come un C). Tra i composti organici solubili in acqua perché scambiano legame idrogeno, i più comuni sono: amine I e II*, amidi I e II, imidi non N-sostituite, derivati degli acidi barbiturici *, acidi carbossilici, fenoli (non chelati), enoli, alcoli, nitroderivati alifatici I e II*.

Limiti generali: il rapporto tra gruppi idrofili e carboni non deve essere inferiore a 1:1. I composti solubili in H₂O che scambiano legame H devono essere moro associati. Limiti *: le amine sono poco associate e solubili in H₂O anche in rapporto > 1:6; per gli acidi barbiturici hanno 5C per anello e almeno 4C sostituenti: sono generalmente poco solubili in H₂O; solo nitrometano e nitroetano sono solubili in H₂O.

Tra i composti organici solubili in acqua perché ricevono il legame idrogeno troviamo: amine III, aldeidi, amidi III e nitrili.

Composti con funzioni acide o basiche: interazione acido-base, si instaura un equilibrio chimico, una reazione acido-base composto-acqua che forma specie solubili in H₂O (ionizzazione seguita da solvatazione ionica). Questi composti sono gli acidi solfonici, mono-esteri dell’acido solforico (=acidi alchilsolforici), mono- o di-esteri dell’acido fosforico (=acidi alchilfosforici).

Ripasso delle reazioni acido-base

• La pK_a equivale al –logK_a
• Per un acido, più piccolo è il valore di pK_a, più forte è l’acido; questo perché più è alta la concentrazione di H⁺, più forte è l’acido
• Per una base, più grande è il valore di pK_a, più forte è la base; questo perché più bassa è la concentrazione di H⁺, più forte è la base
• L’acidità in acqua di composti organici è determinata da: la forza del legame Y-H, L’eventuale legame H del gruppo Y-H, l’elettronegatività di Y, i fattori (effetti induttivi e mesomerici) che stabilizzano o meno l’anione R-Y(-) rispetto all’acido indissociato, l’ibridazione degli orbitali su Y, gli impedimenti sterici alla solvatazione e l’efficacia del solvente.
• La basicità in acqua dei composti organici è determinata da: la presenza di almeno un doppietto elettronico non impegnato su B, l’elettronegatività di B, le dimensioni (il raggio atomico) di B, l’ibridazione degli orbitali su B, i fattori (eventi induttivi e mesomerici) che stabilizzano o meno il catione R-B(+)-H rispetto alla base libera; gli impedimenti sterici alla solvatazione, l’efficacia del solvente.

Regole empiriche di previsione della solubilità in soluzioni reattive

NaOH 2N, HCl 2N, NaHCO₃ sat. Dipende dal tipo di sostanza con cui abbiamo a che fare; a seconda della tipologia il nostro composto si trasforma diversamente.

• Composti neutri: non reagiscono né con acidi né con basi, quindi la loro solubilità in soluzioni reattive acquose è uguale alla solubilità in acqua.
• Composti basici: la loro solubilità nelle soluzioni basiche è uguale alla loro solubilità in acqua (non reagiscono). In ambienti diversamente acidi rispetto all’acqua, la reazione acido-base porta alla formazione delle specie ioniche e alla solubilizzazione. La solubilizzazione, quindi, dipende da pK_a e pK_b di acido e base. Es. In HCl 2N che è un acido forte.
• Composti acidi: negli ambienti diversamente basici rispetto all’acqua, la reazione acido-base porta alla formazione di specie ioniche e alla solubilizzazione, che dipende, quindi, sempre dalla pK_a e dalla pK_b. L’acido più forte sposta l’acido più debole. Alcuni esempi comuni di solventi che reagiscono con i composti acidi sono: NaOH 2N (base forte), nel quale sono solubili tutti gli acidi organici con una K_a>10^-14 / pK_a<14, quindi acidi deboli (dichetone, nitroalcano..); Na₂CO₃ 2N, dove sono solubili gli acidi medi con una pK_a<10 (immide, tiolo, fenolo...); NaHCO₃ soluz. sat., nel quale si solubilizzano tutti gli acidi organici con K_a>10^-6 / pK_a<6, dunque acidi forti: lo ione bicarbonato può infatti agire da base accettando un protone da un acido più forte dell’acido carbonico.

Regole empiriche di previsione della solubilità in solventi organici

Danno poche informazioni e non servono per il riconoscimento di composti organici. Secondo la regola del simile scioglie simile, l’etere etilico è il solvente di elezione per le sostanze apolari. Ponendo in ordine crescente la solubilità dei composti in solventi poco polari apotrichi troviamo: nitrili aromatici, amine I e II, aldeidi e chetoni, esteri, alogenoderivati alifatici, alogenoderivati aromatici, tioli, amine III, tioeteri, eteri e idrocarburi (i più solubili).

Volatilità

Tra le altre proprietà chimico-fisiche delle sostanze abbiamo la volatilità: proprietà che indica maggiore o minore difficoltà di una sostanza all’evaporazione. Inversamente proporzionale alla temperatura di ebollizione: sostanze con t.eb.< 140° sono sostanze molto volatili (MV); sostanze con t.eb.> 140° sono sostanze poco volatili (PV). Delle prime fanno parte i composti alifatici con massimo un gruppo funzionale molto polare (mielevata: -NO₂, -CN, -CO ...) o in grado di scambiare legame H (-OH, -NH₂) e mediamente 6 carboni (3C per RCOOH); e i composti aromatici ed eterocicli con massimo 8 carboni e privi dei gruppi funzionali sopra elencati. La presenza di alcuni gruppi nella molecola aumenta il punto di ebollizione: CH₂ circa di 15-30°, F circa di 10-20°, Cl di circa 60°, Br di circa 90° e I di circa 120°.

Analisi qualitativa organica

L’analisi qualitativa organica prevede in primis un esame organolettico della sostanza; questo consiste nell’esaminazione del colore, dell’odore e dello stato fisico.

Colore

Il colore è una percezione visiva generata dai segnali nervosi inviati al cervello quando i fotorecettori della retina assorbono radiazioni elettromagnetiche di determinate lambda e intensità, nello spettro del visibile. Il colore delle molecole può essere dato da un atomo/gruppo:

• Cromoforo (complessi di metalli di transizione), quando la molecola presenta un atomo o un gruppo di atomi che conferiscono la colorazione alla sostanza tramite l’assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche nel campo del visibile;
• Auxocromo (leganti dei metalli di transizione), quando il gruppo funzionale è direttamente legato al gruppo/atomo cromoforo che a sua volta modifica l’abilità di assorbimento della luce attraverso un’alterazione della lunghezza d’onda (lambda) e dell’intensità di assorbimento.

Queste alterazioni possono essere causate da quattro diversi effetti:

• Effetto batocromico= aumento della lambda di assorbimento dovuto ad una variazione dell’energia degli orbitali di frontiera;
• Effetto ipsocromico= opposto al batocromico, dunque la variazione di energia legata alla transizione provoca una diminuzione del valore di lambda.
• Effetto ipercromico= aumenta il valore di epsilon a causa dell’aumentata probabilità di transizione;
• Effetto ipocromico= abbassa il valore di epsilon per diminuzione della probabilità di transizione.

Odore

L’odore è la percezione olfattiva dovuta a sostanze volatili con basso PM. Alcuni esempi:

• Gli alcoli che hanno un PM basso presentano un odore fruttano, mentre con PM alto il loro odore è sgradevole;
• Le ammine con PM basso hanno odore ammoniacale, con PM alto odore di pesce marcio;
• Gli esteri hanno odori gradevoli;
• Le aldeidi alifatiche possono avere odori gradevoli (nei termini complessi, specie se insaturi), floreali o fruttati, oppure sgradevoli (pungenti nei primi termini, disgustoso nei termini intermedi), come di burro rancido;
• I chetoni hanno odore gradevole nei primi termini e nauseabondo con l’aumentare del PM;
• Gli acidi grassi hanno odore pungente nei primi, disgustoso negli intermedi e più tenue ad alto PM;
• Gli zuccheri, gli amminoacidi e i sali sono inodore poiché possiedono bassa tensione di vapore.

Stato fisico

Lo stato fisico è una classificazione della sostanza in base allo stato in cui essa si presenta; è legato alle caratteristiche chimico-fisiche del composto (solido, liquido o gas). Secondo lo schema dei passaggi di stato, un solido si ottiene per solidificazione del liquido o brinamento della sostanza aeriforme; attraverso la fusione diventa un liquido, mentre, con la sublimazione diventa aeriforme. Un liquido si ottiene per fusione del solido o per condensazione di una sostanza aeriforme; dal liquido otteniamo un solido tramite solidificazione o una sostanza aeriforme per evaporazione. La sostanza aeriforme si forma per evaporazione del liquido o per sublimazione del solido; da essa si ottiene il solido per brinamento o il liquido per condensazione.

I composti a basso PM che hanno interazioni intermolecolari deboli si trovano allo stato liquido; i composti ad alto PM sono solidi e possono essere amorfi o cristallini. Ad esempio, l’acido acetilsalicilico è un costituito da cristalli a forma di aghi, mentre l’acido benzoico da cristalli a forma di piastre.

Seguendo il diagramma di stato di un acido benzoico possiamo vedere come fino ai 121°C questo si trovi sottoforma di cristalli; a 122°C (P.F.) inizia la fusione: c’è un periodo di tempo in cui abbiamo una Q (quantità di calore) latente di fusione e la temperatura è costante. Superata questa fase, abbiamo la massa fusa; la temperatura ricomincia ad aumentare fino a raggiungere il punto di ebollizione 249°C, punto dopo il quale si avrà massa fusa + vapore. Per il P.Eb. non c’è una fase di Q latente e T costante come per il P.F.

Punto di fusione

Per determinare il P.F. di una sostanza in laboratorio si possono eseguire, previa preparazione del campione nel capillare chiuso, attraverso il tubo di Thiele (e Antes), un metodo veloce (10-15°C al min.) che consiste in un bagno ad olio e raggiunge i 200°C max., o attraverso il modello Stuart a blocco metallico, cioè un apparecchio che determina un P.F. accurato, per un max. di 300°C. L’intervallo di fusione comprende 5 stadi: Quando si prende in considerazione una sostanza pura, il P.F. è netto; quando la stessa sostanza è invece impura (ci troviamo davanti ad una miscela), il P.F. sarà più basso. Questo fenomeno dell’abbassamento viene utilizzato per il riconoscimento di sostanze pure incognite all’interno della miscela. Questo procedimento avviene innanzitutto con la determinazione del P.F. della sostanza incognita: il suo valore corrisponderà al P.F. di diverse sostanze. A questo punto la sostanza incognita viene miscelata separatamente con ciascuna delle sostanze che presentano stesso P.F. e ne viene controllato nuovamente il P.F.; se questo si abbassa significa che la sostanza miscelata a quella incognita non è uguale ad essa, perciò non si tratta della stessa sostanza; se il P.F. rimane uguale, la sostanza miscelata è la stessa della incognita.

Il P.Eb. viene determinato grazie all’utilizzo di una strumentazione, nata per la distillazione e trasformata, con una semplice inclinazione di circa 45°C, in uno strumento di rivelazione della temperatura di ebollizione.

Analisi qualitativa organica

Dopo l’esame organolettico, l’analisi qualitativa organica procede con l’osservazione del comportamento alla calcinazione. Serve a stabilire la natura del composto in esame consentendo di distinguere se si tratta di un campione organico, organometallico o inorganico. La calcinazione prevede l’utilizzo del becco Bunsen. Una piccola quantità della sostanza (coccio) viene bruciata su di esso e viene osservata la reazione.

Comportamento alla calcinazione

• Composti organici: bruciano e carbonizzano, poiché il loro componente principale è il carbonio, che per effetto della fiamma si allontana come CO₂; si libera anche H₂O. La carbonizzazione ci permette di distinguerle facilmente dalle sostanze inorganiche. Se la combustione è prolungata, non rimane nessun residuo.
• Composti organometallici: (o sali di acidi organici) sono sostanze che possiamo considerare miste poiché presentano sia una componente organica che una inorganica. Il loro comportamento alla combustione presenterà quindi ambedue gli aspetti; la sostanza brucia e carbonizza (per questo nel residuo non ci sono particelle carboniose) per effetto della sua componente organica ma, a differenza delle sostanze organiche, prolungando la combustione oltre la carbonizzazione nel coccio resterà un residuo bianco sporco di ossido, carbonato o metallo proveniente dalla componente inorganica (metalli alcalini e alcalino terrosi). Es. Ca-gluconato...
• Composti inorganici: in genere rimangono inalterati, ma possono talvolta fondere lasciando un residuo o sublimare. In ogni caso, esse non carbonizzano e non lasciano un residuo carbonioso. Probabilmente per calcinazione avviene una riduzione di massa della sostanza inorganica. Es. CaCO₃, CaCl...

Prove di solubilità

Dopo l’osservazione del comportamento alla calcinazione, seguono le prove di solubilità. Considerando le regole empiriche per la solubilità osservate, si eseguono prove in acqua, in soluzioni acide e basiche e in solventi organici (non nel nostro laboratorio!).

Sulle sostanze solubili in H₂O si eseguono le prove di pH tramite cartina tornasole: dopo il contatto questa cartina diventa rossa in caso di acidità, o azzurra in caso di basicità. In particolare, vira al rosso in ambiente acido a pH inferiore a 4,4 e vira all'azzurro in ambiente basico a pH superiore 8,0.

Analisi elementare qualitativa

Il passaggio successivo è l’analisi elementare qualitativa per mezzo dei saggi chimici. Segue la consultazione della letteratura chimica: Farmacopea Ufficiale o Mark Index. Attraverso lo studio della reattività dei gruppi funzionali si esegue una analisi chimica strutturale. Infine, gli acidi e le basi vengono isolati dai loro sali (m.p. e b.p.)

Saggio di Lassaigne

L’analisi elementare qualitativa prevede l’applicazione di saggi chimici per il riconoscimento delle sostanze. Il saggio di Lassaigne si basa sulla mineralizzazione della sostanza in presenza di sodio metallico (sostanza pericolosa a contatto con H₂O), forte riducente, ad alta temperatura ed in assenza di un solvente; permette di determinare la presenza di azoto, zolfo e alogeni (cianuro, solfuro) all’interno di una sostanza incognita.

Il saggio prevede la preparazione iniziale della soluzione alcalina di Lassaigne in questa modalità: in un tubicino infusibile viene posta una punta di spatola di campione (20-30mg o 2gtt.); successivamente si pone un cubetto di Na metallico a contatto col campione (osservare se avviene una reazione di effervescenza) e uno a metà del tubicino tenuto in orizzontale. A livello del cubetto centrale avviene l’arroventamento su becco Bunsen fino alla formazione di un anello nero (e il cubetto di Na diventa nero). A questo punto spostiamo la fiamma in maniera graduale sul secondo cubetto a contatto con la sostanza incognita; la fiamma in questo caso non deve essere fissa. Se si formano fumi o scintille, togliere dalla fiamma e aspettare che termini la reazione prima di rimettere la sostanza sul fuoco. Dopodiché si passa alla mineralizzazione: il tubicino ritorna in posizione verticale e si arroventa il fondo (la fiamma rossa avvolge il tubicino) per qualche minuto (almeno 3-4). Passato il tempo necessario il tubicino viene rotto con un colpo all’interno del becker contenente 5ml circa acqua, si versa altra acqua per il residuo rimasto sul tubicino (evitare di usare troppa acqua, altrimenti...)