Introduzione al laboratorio di organica

Tecniche di laboratorio

Laboratorio di sintesi organiche

Tecniche di laboratorio che si utilizzeranno in laboratorio.

Tecniche di purificazione e separazione: separazione con solvente, distillazione, cromatografia, cristallizzazione e sublimazione. Tecniche di caratterizzazione: punto di fusione e di ebollizione.

Analisi qualitativa organica (come riconoscere i gruppi funzionali che si stanno trattando): test di solubilità, test di riconoscimento dei principali gruppi organici e analisi elementare (saggio di Lassaigne).

Tecniche spettroscopiche applicate ai composti organici (spettroscopie di massa, NMR protonico e ¹³C, IR e UV).

I pittogrammi identificano dei pericoli; nei prodotti chimici si trovano gli elenchi delle frasi di pericolo e dei consigli di pericolo, che vanno considerate e a cui va prestata attenzione.

L’evaporatore rotante (rotavapor) è uno strumento che serve per allontanare il solvente dalla soluzione, ed ha collegato una serpentina con il liquido refrigerante che permette la successiva liquefazione del solvente in pallone di raccolta. Il pallone con la soluzione è immerso in un bagnomaria, e la macchina è collegata ad una pompa per il vuoto → per far evaporare il solvente ad una temperatura minore di quella che sarebbe a pressione atmosferica. Il pallone con il solvente viene sottoposto a rotazione.

Il refrigerante a bolle e di Liebig hanno una camicia esterna dove corre il liquido refrigerante (acqua generalmente) e una camicia interna dove scorre il solvente. Il refrigerante a bolle ha una superficie maggiore a contatto con la camicia esterna → condensazione più efficiente dei vapori.

Il grezzo di reazione che si ottiene viene sottoposto a procedure di separazione, dopo essere stato purificato; infine vengono identificati i prodotti (punto di ebollizione/fusione, ma anche NMR…).

I metodi di separazione di miscele sono l’estrazione con solvente (per solidi e liquidi), cromatografia e distillazione. I metodi di purificazione sono la cristallizzazione, la sublimazione e la distillazione.

Le caratteristiche fisiche della sostanza pura si determinano in base a quale grandezza si vuole misurare: il punto di fusione e di ebollizione sono le più semplici.

Filtrazione

La filtrazione serve per due scopi: eliminare impurezze solide da un liquido, e separare un solido cristallizzato da una soluzione; ci sono due principali modi di filtrare: per gravità o sottovuoto.

La filtrazione per gravità utilizza la forza di gravità che spinge il liquido attraverso la carta assorbente, è utile usare un imbuto a collo corto e/o largo per evitare che il solido si intasi (cristallizzazione del liquido a contatto con vetro freddo).

La carta assorbente può essere a cono (più semplice, utile quando il solido raccolto deve essere usato successivamente) o a pieghe (più complesso, aumenta la velocità di filtrazione perché: aumenta la superficie di carta attraversata dal solvente e poi lascia passare l'aria dai lati, mantenendo la pressione costante).

La filtrazione sottovuoto è più rapida della filtrazione per gravità. Per questa tecnica serve una beuta codata che viene collegata alla pompa del vuoto tramite un tubo di gomma, l’imbuto Büchner viene appoggiato alla sommità della beuta con un collo di gomma; il fondo piatto dell'imbuto viene ricoperto con carta da filtro (viene mantenuto fisso dall’aspirazione). Alternativamente viene usato l'imbuto Hirsch, che funziona con lo stesso principio del Büchner ma è più piccolo (per quantità minori di solido).

Estrazione con solvente

I principali solventi organici sono piuttosto tossici e quasi tutti infiammabili. NB: l'etere di petrolio è una miscela di idrocarburi in cui predominano quelli a 5 e 6 carboni, ma non è un etere perché non presenta composti ossigenati nella miscela.

Si ha una miscela di due sostanze A e B che sono nella stessa fase, nel momento in cui si aggiunge un solvente organico, immiscibile alla fase in cui sono mischiate le due sostanze (come solvente organico e acqua), A e B si ripartiscono nei due solventi in funzione dei loro (rapporto tra coefficiente di ripartizione le concentrazioni della sostanza in esame nel solvente organico / concentrazione della sostanza in esame nella fase non organica)

Se k < 1 la concentrazione del soluto in esame è maggiore in acqua (cioè il soluto è più solubile in acqua), se k > 1 la concentrazione del soluto in esame è maggiore nel solvente organico. Se k = 1 le due sostanze si ripartiscono equamente nelle due fasi.

L’estrazione con solvente viene effettuata tramite un imbuto separatore, nella quale si trovano le due fasi separate (quando il secondo solvente viene aggiunto si deve agitare e sfiatare il tutto per permettere la separazione; durante l’agitazione tenere bene il tappo che a causa dell’aumento di pressione dovuto alla somma dalle tensioni di vapore dei solventi potrebbe saltare).

La fase che sta sotto (la più densa) si fa gocciolare, mentre la fase che sta sopra si versa dall’altra parte (tramite il collo femmina) [NB: togliere il tappo dell’imbuto quando si separa]. La fase organica viene poi lavata con un agente disidratante per essere purificata, successivamente si separa l’agente disidratante con un filtro a pieghe.

La formazione di emulsioni (tra uno strato e l’altro) è dovuta alla troppo energica agitazione, le particelle organiche sono mantenute in sospensione in una soluzione acquosa → l’emulsione rende lunga e complessa la separazione.

I solventi organici clorurati sono molto più densi dell’acqua (e in generale tutti quelli alogenati).

I più comuni sali anidrificanti/agenti disidratanti sono: sviluppa composti clorurati pericolosi

Solitamente gli essiccanti sono sali inorganici anidri che hanno la capacità di adsorbire acqua a contatto con una soluzione umida o con aria umida (la soluzione è umida se il sale viene depositato in fondo al recipiente e/o se la soluzione è torbida).

Si supponga di avere due sostanze di cui una delle due è acida/basica e l’altra è neutra → l’estrazione è semplice. I sali che si formano sono generalmente più solubili dei componenti di partenza (acidi/base) perché sono composti ionici.

In questo caso dopo la separazione la fase acquosa viene trattata per “liberare” l’acido o la base che c’erano in partenza (analita), che sono idrosolubili.

Nel caso in cui si ottenga una sostanza oleosa dopo questo passaggio si fa una seconda estrazione con imbuto separatore.

Cromatografia

La cromatografia si basa sulla separazione di una miscela di due o più composti diversi per distribuzione tra due fasi una delle quali è stazionaria (solitamente un gel o un liquido) mentre l’altra è in movimento (che fluisce in continuo attraverso la fase fissa).

Ci sono diverse tecniche cromatografiche, classificabili in base alla natura delle fasi: solido-liquido (su colonna, su strato sottile su carta), liquido-liquido e gas-liquido; inoltre c’è la cromatografia a esclusione molecolare, che viene usata per la separazione di polimeri in base al peso molecolare. Tutte dipendono dalla diversa solubilità dei componenti nelle due fasi (un po' come l’estrazione con solvente).

La tecnica è gravimetrica, ciò che si ottiene è una linea verticale con le diverse sostanze a diversa altezza.

La qualità della separazione è dovuta alle interazioni delle componenti della fase a e b con la fase fissa cioè sulla polarità dei composti rispetto a quella delle due fasi. Le interazioni sono di diversi tipi: adsorbimento (interazioni forti dei componenti con la fase stazionaria) / desorbimento (componenti che passano nuovamente nella fase mobile); interazioni dipolari (nel caso in cui ci siano molecole con momenti di dipolo permanenti) oppure interazioni dipolo-dipolo, dipolo istantaneo-dipolo indotto; legami a H. Esse determinano l’intensità, così come la ripartizione e lo scambio ionico (nel caso in cui la fase stazionaria sia composta da resine cationiche o anioniche).

Per la cromatografia su colonna serve una colonna con capo aperto e nel fondo un rubinetto e uno strato poroso alla fine, all’interno della colonna serve un materiale assorbente (silice o altro, un solido che non si sciolga nella fase liquida) coperto dall’eluente. Si pone la miscela da separare sopra il materiale assorbente. Ci sono due diverse tecniche di riempimento: a umido (si prepara una soluzione di materiale assorbente ed eluente, che viene inserita dalla sommità della colonna) o a secco (prima viene deposta la silice nella colonna, e poi viene bagnata successivamente con l’eluente. Per velocizzare questo processo lo si compie sotto vuoto).

La separazione si basa sulle interazioni che i componenti hanno con la fase fissa (nella colonna l’eluizione avviene per gravità): la sostanza più in basso avrà maggiori interazioni con la fase mobile, mentre la fase che sta sopra avrà meno interazioni con la fase mobile e più con la fase stazionaria.

La deposizione del campione deve essere omogenea, così come quella della silice, quindi può essere deposta in soluzione con l’eluente oppure con la fase fissa.

Per recuperare il campione separato si apre il rubinetto, e si divide in diverse beute.

La TLC, o cromatografia su strato sottile, è un’altra tecnica di ripartizione solido-liquido. Si usa una lastrina con della silice già deposta che viene bagnata in seguito con una soluzione che contiene le componenti da separare. Essa segue però gli stessi principi della cromatografia su colonna, infatti nella colonna si possono vedere diversi strati separati, così come sulla lastrina si possono vedere diversi puntini separati.

Per la cromatografia su strato sottile si pone la miscela da separare su una lastrina che poi viene immersa nell’eluente; alla fine del processo si hanno i diversi punti, ma rispetto a quella su colonna i colori saranno invertiti: il componente più affine all’eluente viene trattenuto di meno (quindi compare più in alto) → antigravità (capillarità). Questa tecnica è utile per la determinazione qualitativa dei componenti di un miscuglio, ma non quantitativa (ovviamente).

Un parametro indicativo è il retention factor, il rapporto della distanza percorsa dalla sostanza dall’inizio alla fine dell’eluizione / distanza percorsa dal solvente. Quando le condizioni sono specificate il fattore Rf è una caratteristica fisica del composto → può essere usato per identificare un composto incognito (ma deve essere confermato).

Anche la TLC richiede la scelta corretta dell’eluente, le due tecniche, su colonna e TLC, vengono spesso usate assieme.

Per visualizzare le macchie che compaiono sulla lastrina dopo una separazione TLC si possono spruzzare delle sostanze colorate, usare la luce ultravioletta (grazie alla fluorescina), usando vapori di iodio oppure reattivi specifici. I reattivi ossidanti sono quelli più rivelatori.

Un altro utilizzo della TLC è quello del riconoscimento qualitativo di diverse sostanze in una miscela di cui non si conoscono i componenti: si cerca quale sia il componente che ha lo stesso Rf di una sostanza pura.

I parametri che influenzano la separazione cromatografica sono:

1. La natura dell’assorbente (quale fase fissa si utilizza. Colonne apolari con eluente molto polare oppure colonne con fase fissa polare ed eluenti poco o non polari) [Flash chromatography (cromatografia sotto pressione con una sottile polvere di silice)].
2. Solvente o miscela di solventi (in gradiente, la miscela aumenta gradualmente di polarità, o costante).
3. Dimensioni del supporto della fase fissa → quantità di fase fissa in rapporto al grezzo.
4. Velocità di eluizione (flusso di eluizione).

Fase fissa. Solventi.

Per scegliere quale fase fissa e quali solventi utilizzare bisogna conoscere le interazioni che intervengono tra i componenti ed essi. L’interazione che si instaura tra le sostanze che si utilizzano sono in equilibrio dinamico, cioè sono interazioni reversibili → l’eluente deve avere delle relazioni reversibili per far sì che avvenga.

Fattori importanti per una buona separazione sono:

• La dimensioni della colonna.
• Quantità di adsorbente.
• Velocità del flusso di eluizione.
• Riempimento della colonna (a umido o a secco, importante che la fase stazionaria sia ben bagnata dall’eluente).
• L’introduzione del campione.

È importante tenere presente il peso molecolare → un composto che ha un peso molecolare maggiore ha più interazioni rispetto ad un composto di polarità analoga ma peso molecolare minore, e quindi sarà trattenuto di più dalla fase stazionaria.

Sequenza di eluizione di composti organici

• Idrocarburi → eluizione più rapida (eluiti da solventi non polari).
• Aldeidi.
• Eteri.
• Idrocarburi alogenati.
• Aromatici.
• Chetoni.
• Aldeidi.
• Esteri.
• Alcoli.
• Ammine.
• Acidi e basi forti → eluizione più lenta (richiedono solventi polari).

Le isoterme di adsorbimento servono per mettere in relazione i coefficienti di distribuzione dell’analita, legano la concentrazione di esso nella fase fissa rispetto alla concentrazione dello stesso nella fase solida ad una data temperatura.

Il grafico rappresenta in ordinata m cioè la quantità di sostanza (di analita) per unità di massa adsorbente, plottata con la concentrazione dell’analita in soluzione di eluente.

Le curve rappresentano i casi limite delle isoterme di adsorbimento → come varia la quantità di sostanza adsorbita per quantità di massa adsorbente in funzione della quantità di sostanza nella fase mobile:

• 1 = In modo lineare → variazione costante, cioè m2=2m1, c2=2c1 quindi il coefficiente di distribuzione è indipendente dalla concentrazione di analita (la pendenza rappresenta l’affinità dell’analita per la fase mobile o stazionaria, maggiore è la pendenza maggiore è l’affinità per l’eluente).
• 2 = In modo logaritmico → l’analita viene trascinato dalla fase mobile (viene trascinato da essa).
• 3 = In modo parabolico → l’analita viene trattenuto maggiormente dalla fase fissa.

I (grafico dell’eluizione in funzione del tempo o del volume) associate alle isoterme sono cromatogrammi quelli sotto riportati:

Nel primo si nota che l’eluizione dei due componenti avviene in tempo zero e in funzione dell’affinità del componente per l’eluente (prima A e poi B); nell’isoterma convessa l’eluizione è subitanea, ma dato che il prodotto viene trascinato dalla fase mobile la fine è più lunga; nel caso dell’isoterma concava la situazione è speculare rispetto al precedente.

Queste situazioni sono ideali perché l’eluizione in tempo 0 (cioè concentrazione massima in un solo punto) è impossibile dato che l’analita deve fare un percorso nella colonna.

Gascromatografia

Il principio fisico di questa tecnica è molto simile a quello della cromatografia su colonna, ma le due tecniche sono diversi sotto 3 punti:

1. La ripartizione avviene tra una fase gassosa in movimento e una fase liquida stazionaria.
2. La solubilità di qualsiasi composto nella fase gassosa è funzione solo della sua pressione di vapore.
3. La temperatura può essere controllata perché l’apparecchio è inserito in un forno isolato.

L’apparecchiatura per eseguire questa cromatografia è il gascromatografo; l’analisi viene fatta intentando il cambio nella macchina dove viene immediatamente vaporizzato e diluito nel gas di trasporto, che serve per portare il campione in una colonna (fatta di rame o acciaio inossidabile), contenuta in un forno a temperatura controllata (la temperatura elevata serve per permettere la miscelazione tra il componente e il gas → quindi permettere l’attraversamento della colonna), dove sono presenti particelle di assorbente liquido (fase stazionaria). Il campione nella colonna viene sottoposto a processi di ripartizione gas-liquido e così separato nelle sue componenti, ogni componente che lascia la colonna viene riconosciuto da un rilevatore elettrico che riporta il segnale ad un registratore, il quale lo riporta su un foglio di carta (o su un file elettronico).

Il dato importante che si ricava dalla gascromatografia di un campione è il tempo di ritenzione, cioè il tempo che passa dall’iniezione all’uscita del campione dalla colonna. Questo valore, se calcolato in condizioni controllate può essere usato per identificare il composto che ha superato la colonna confrontandolo con dati certi.

Cristallizzazione

È una tecnica di separazione e purificazione dei composti solidi. Si esegue avendo una sostanza impura e sciogliendola a caldo con un solvente nella quale l’impurità non è solubile, successivamente si esegue una filtrazione a caldo; la soluzione che si ottiene è una soluzione con la sostanza pura, che viene lasciata raffreddare a temperatura ambiente, in questo passaggio si nota la formazione di cristalli (prodotto puro) → per filtrazione si ottiene il prodotto puro.

Il fenomeno può essere cristallizzazione se avviene in tempi più lunghi (dell’ordine delle ore, non dei giorni) ed è selettivo (forma un prodotto purissimo), oppure è precipitazione se il processo è rapido (dell’ordine dei secondi) e non è selettivo (essendo così rapido può inglobare impurità).

La scelta