Laboratorio di estrazione e sintesi dei farmaci - Appunti

Laboratorio di chimica organica I

Docente: Prof. Fabrizio Fabris, fabrisfa@unive.it

Collaboratori tecnici: Dr. Matteo Bertoldini, Dr. Aldo Talon

Indice

• Cromatografia su strato sottile (TLC) pag. 3
• Prima esperienza: Cromatografia su colonna pag. 6
• Seconda esperienza: Saggi di riconoscimento di alcuni gruppi funzionali pag. 8
• Terza esperienza: Estrazione liquido-liquido pag. 12
• Quarta esperienza: Ricristallizzazione pag. 17
• Quinta esperienza: Estrazione solido-liquido (Soxhlet) pag. 21
• Sesta esperienza: Distillazione frazionata pag. 23
• Settima esperienza: Distillazione a pressione ridotta pag. 25
• Ottava esperienza pag. 27
• Nomogramma di correlazione pressioni-temperature
• Reazione di Diels-Alder (Cicloaddizione) pag. 28
• Nona esperienza: Reazione di acetalizzazione pag. 30
• Decima esperienza
• Undicesima esperienza: Esterificazione di Fisher pag. 32 pag. 35
• Lista delle sostanze utilizzate nel corso delle esperienze 2

Laboratorio di Chimica Organica I fabrisfa@unive.it

Prima esperienza

Cromatografia su strato sottile (TLC)

Thin Layer Chromatography

La cromatografia su strato sottile può risultare estremamente utile in chimica organica al fine di stabilire:

• Il numero di sostanze presenti in un campione;
• L'identità delle sostanze presenti in un campione;
• La stabilità di un composto sulla silice;
• Il miglior eluente per una cromatografia su colonna;
• L'esito di una separazione cromatografica su colonna;
• Il grado di avanzamento di una reazione.

Materiale necessario

Carta da filtro, barattoli con coperchio a vite, cilindro graduato da 10 mL, pipette Pasteur e tettarelle, solventi (esano, diclorometano, dietiletere, acetato di etile, etanolo), miscela incognita, sostanze di riferimento (antracene, naftalene, 2-naftolo, acetanilide, benzofenone, acido benzoico), provette piccole e portaprovette, capillari, fogli da TLC, pinzette chirurgiche, lampada UV, iodio.

Determinazione del numero e dell'identità delle sostanze presenti in un campione incognito

Preparazione della camera di eluizione

Tagliare un rettangolo di carta da filtro di circa 5x10 cm, piegarlo a L e sistemarlo all'interno di un barattolo di vetro con tappo a vite. Con l'ausilio di un cilindretto graduato da 10 mL preparare la miscela di solventi che si intenda utilizzare e versarla nel barattolo. Chiudere col coperchio e agitare in modo da mescolare la soluzione, bagnando bene la carta da filtro e saturando di vapori la camera.

Quando si usi una nuova miscela eluente, si versi la precedente nel bidone di recupero dei solventi organici e si asciughi l'interno del barattolo e la carta col phon (sotto cappa). I solventi più comuni possono essere ordinati rispetto alla loro polarità in modo seguente: esano < diclorometano < dietiletere < etil acetato < etanolo.

Come primo approccio generalmente si provano, nell'ordine di polarità, le seguenti miscele:

• 100% esano;
• 50% di diclorometano in esano;
• 100% diclorometano;
• 50% di acetato di etile in esano;
• 100% acetato di etile;
• 50% etanolo in acetato di etile.

In taluni casi, può risultare conveniente variare i rapporti tra i componenti (polare e apolare) al fine di ottimizzare separazione (e.g. 3 : 7 diclorometano/esano).

Preparazione della soluzione del campione incognito e dei riferimenti

Prelevare circa 20 mg (una punta di spatola) di sostanza incognita in una provetta pulita e scioglierla in circa 3 mL di diclorometano. Fare altrettanto con le sostanze di riferimento messe a disposizione. Immergere un capillare in ogni provetta (da non scambiarsi!!).

Preparazione della lastrina

Tagliare da un foglio per TLC una striscia di circa 7x5 cm, avendo cura di non toccarla con le dita sulla superficie ricoperta di silice. A poco meno di 1 cm dalla base (lato stretto) tracciare con la matita una linea orizzontale e segnare una serie di punti corrispondenti alla miscela e ai riferimenti messi a disposizione (vedi figura 1).

Annotare sotto i punti il nome di ciò che si andrà a eluire (miscela e riferimenti) e sulla sommità della lastrina la composizione della miscela eluente che si andrà a utilizzare. Immergere la punta di un capillare di vetro nella soluzione incognita, toccare con la punta del capillare il punto segnato sulla lastrina corrispondente al riferimento, lasciando depositare il contenuto del capillare sulla silice. Asciugare il solvente soffiando leggermente sulla superficie della lastrina. Ripetere l'operazione per le soluzioni dei riferimenti.

Eluizione

Usando un paio di pinzette, immergere delicatamente la lastrina nella soluzione eluente e tappare il barattolo. Lasciare che il solvente arrivi a circa 1/2 cm dall'estremità superiore della lastrina ed estrarre con le pinzette la lastrina. Segnare subito con la matita il livello raggiunto dall'eluente e asciugare rapidamente la superficie soffiando o con un phon.

Visualizzazione

Illuminare la lastrina con la lampada a raggi UltraVioletti (ATTENZIONE! I raggi UV possono portare gravi lesioni alla vista). La superficie della lastrina risulterà illuminarsi di verde lasciando in ombra le zone ove siano presenti sostanze in grado di assorbire la radiazione UV. Segnare con la matita le macchie evidenziate dalla lampada.

Le sostanze non mostrate dagli UV potranno essere evidenziate lasciando la lastrina per alcuni minuti in un barattolo contenente iodio su gel di silice. Anche in questo caso si segneranno con la matita le macchie imbrunite dallo iodio (il processo è reversibile e dopo poco le macchie scompaiono).

Esano AcOEt

Con questo eluente:

• Posso concludere che la miscela contenga A;
• Posso escludere che la miscela contenga B;
• Non posso discriminare se contenga C o D.

Con questo eluente:

• Posso concludere che la miscela contenga C;
• Posso escludere che la miscela contenga D;
• Non posso discriminare se contenga A o B.

A B C D mix

A B C D mix

Determinazione del rapporto di eluizione (Rf)

Dopo aver evidenziato le macchie, ricavare il rapporto di eluizione delle sostanze di riferimento, per ogni miscela eluente. Tale valore si ottiene dividendo la distanza percorsa dalla macchia per la distanza percorsa dal fronte del solvente, come riportato nell'esempio seguente.

43:7 AcOEt/esano

Esempio di determinazione del rapporto di eluizione.

Limite raggiunto dal fronte del solvente (da segnare a matita).

L livello raggiunto punto di partenza dall'eluente nel barattolo.

l R = l / L = 0.35 ± 5 L R_f

(ottimale per cromatografia su colonna)

Smaltimento dei materiali

Alla fine delle esperienze le miscele di solventi devono essere gettate nel bidone “rosso” dei solventi esausti. Le provettine contenenti i campioni di riferimento vanno lavate con acetone, che va gettato nel bidone “rosso” dei solventi esausti. I fogli delle TLC usati possono essere gettati nel cestino della carta straccia.

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Seconda esperienza

Cromatografia su colonna

La cromatografia su colonna permette la purificazione di composti aventi rapporti di eluizione (Rf) sufficientemente differenti, in scala preparativa (dai pochi milligrammi a decine di grammi).

Materiale necessario

Due pinze con relativi morsetti, una colonna cromatografica munita di serbatoio, cotone, bacchetta di vetro, beuta, gel di silice, diclorometano, beacker, imbuto, anello di suberite, provetta grande, miscela di naftalene e 2-naftolo, sabbia, bilancia, pipette Pasteur e tettarelle, provettine piccole e portaprovette, capillari, fogli da TLC, camera di eluizione, lampada UV, pallone da 100 mL a collo largo, rotoevaporatore, capillari chiusi da punto di fusione, apparato per la determinazione del punto di fusione.

Separazione del naftalene dal 2-naftolo su gel di silice come fase stazionaria

Preparazione della colonna

Fissare con due pinze la colonna in modo che risulti ben verticale e a un'altezza tale da poter posizionare sotto il rubinetto una beuta appoggiata su un elevatore. Montare sulla sommità il serbatoio per il solvente e assicurarsi che sul fondo della colonna sia presente una pallina di cotone e che il rubinetto sia chiuso.

Pesare 7 g di gel di silice in un beacker da 100 mL e aggiungervi 60 mL di diclorometano. Mescolare accuratamente la silice con l'eluente, facendo in modo di eliminare bolle di aria eventualmente formate. Versare la miscela nella colonna cromatografica col serbatoio con l'ausilio di un imbuto, recuperando il solido rimasto nel beacker con due aliquote da 10 mL di diclorometano.

Con un anello di suberite dare nel contempo dei colpetti (delicati!) sulla colonna in modo da far salire le bolle d'aria eventualmente presenti nella colonna. Aprire il rubinetto, raccogliendo il liquido eluito nella beuta, fino a che il livello del liquido avrà raggiunto il livello della silice decantata. Chiudere il rubinetto e rimuovere il serbatoio per il solvente.

Caricamento della colonna

In una provetta grande sciogliere il campione (300 mg circa) nel minimo volume di diclorometano e trasferire la soluzione sulla sommità della silice con l'ausilio di una pipetta Pasteur. Aprire il rubinetto lasciando che la soluzione contenente il campione penetri nella silice.

Lavare la provetta contenente il campione con una minima quantità di diclorometano e ripetere le operazioni precedenti di trasferimento e penetrazione nella silice. Sostituire la beuta di raccolta con una provettina.

Versare sulla sommità della silice un poco di sabbia (1-2 cm) e versare delicatamente l'eluente contenuto nella beuta nella colonna fino al collo della colonna. Riposizionare il serbatoio sulla colonna e versare delicatamente il resto dell'eluente.

Raccolta delle frazioni

Lasciare fluire l'eluente attraverso il rubinetto aperto e raccogliere le frazioni in dodici provette piccole (eventualmente numerate), da riporre ordinatamente nel portaprovette. Aggiungere ulteriore diclorometano se non bastasse.

Visualizzazione dell'esito della separazione tramite TLC

Tracciare su due fogli da TLC di 5x7 cm sei punti di semina numerati (1 -> 6 e 7 -> 12). Prelevare col capillare da ogni provetta e depositare sul punto corrispondente. Eluire con lo stesso solvente utilizzato per la cromatografia su colonna ed evidenziare le macchie eluite con la lampada UV, segnando a matita le ombre osservate.

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 7 8 9 10 11 12

Esempio di separazione riuscita parzialmente (la frazione 3 contiene entrambe le sostanze).

Esempio di separazione ben riuscita, presumibilmente per l'utilizzo di un solvente troppo polare.

Raccolta dei prodotti eluiti

Le frazioni (pulite) contenenti il primo prodotto eluito sono versate in un pallone da 100 mL a collo largo. Si rimuove il diclorometano tramite rotavapor e si determina il punto di fusione del solido risultante. Analogamente si proceda per il secondo eluito.

Smaltimento dei materiali

Alla fine delle esperienze le miscele di solventi devono essere gettate nel bidone “rosso” dei solventi esausti. I campioni solidi di naftalene e 2-naftolo vanno gettati nel bidoncino dei solidi. La colonna contenente il gel di silice umida va fissata capovolta sopra un beacker sotto cappa: il gel di silice asciugandosi cadrà nel beacker e verrà gettato nel bidoncino dei solidi.

Le provettine contenenti i campioni di riferimento e i palloncini vanno lavati con acetone, che va gettato nel bidone “rosso” dei solventi esausti. I fogli delle TLC usati possono essere gettati nel cestino della carta straccia.

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Terza esperienza

Saggi di riconoscimento di alcuni gruppi funzionali

I saggi di riconoscimento sono reazioni estremamente semplici e di sicura riuscita, che permettono di confermare la presenza di alcuni gruppi funzionali in un composto incognito: tipicamente l’esito del saggio è reso evidente da marcati cambiamenti di colore o altri segnali facilmente apprezzabili, senza l’ausilio di particolare strumentazione.

Materiale necessario

Provette di varie misure, pipette Pasteur e tettarelle, cicloesene, soluzione 0.1 M di bromo in tetracloruro di carbonio, soluzione all’1% di permanganato di potassio acquoso, 1-butanolo, 2-butanolo, acido cloridrico concentrato, reattivo di Lucas [zinco(II) cloruro (20 g) in acido cloridrico concentrato (13 mL)], ter-butanolo, soluzione al 5% di argento(I) nitrato, soluzione al 10% di idrossido di sodio, soluzione all'1% di ammoniaca acquosa, benzaldeide, esanale, acetone, soluzione acquosa di KI₃ [30 g di iodio e 17 g di potassio ioduro in 85 mL di acqua].

Riconoscimento di olefine

Con bromo

In una provetta piccola versare circa 0.5 mL di composto incognito (e.g. cicloesene) e aggiungere goccia a goccia una soluzione 0.1 M di bromo in tetracloruro di carbonio (ATTENZIONE!!), osservando l'istantanea decolorazione del bromo, dovuta alla formazione del dibromuro (e.g. trans-1,2-dibromocicloesano).

Br Br + Br Br

Rosso incolore incolore

Con permanganato

In una provetta piccola versare circa 0.5 mL di composto incognito (e.g. cicloesene) e aggiungere alcune gocce di una soluzione all'1% di permanganato di potassio acquoso, agitando la miscela si osserverà il viraggio da viola a marrone, dovuto alla concomitante formazione di biossido di manganese e del diolo (e.g. cis-1,2-cicloesandiolo).

OH + + KMnO MnO₄ ² Marrone OH violetto incolore incolore

Riconoscimento di alcoli terziari, secondari e primari

Con acido cloridrico

In tre provette versare circa 0.5 mL di alcol primario, secondario e terziario (e.g. 1-butanolo, 2-butanolo, ter-butanolo) e aggiungere circa 3 mL di acido cloridrico concentrato: solo l'alcol terziario reagisce mostrando la separazione di due fasi.

Cl + – + ClOH H Cl – H O₂ immiscibile in acqua e OH OH non reagiscono

Con reattivo di Lucas

In tre provette versare circa 0.5 mL di alcol primario, secondario e terziario (e.g. 1-butanolo, 2-butanolo, ter-butanolo) e aggiungere circa 5 mL di reattivo di Lucas:

• L'alcol terziario reagisce istantaneamente, come evidenziato dalla separazione di due fasi;
• L'alcol secondario reagisce lentamente (10-20 min), dando origine a due fasi distinte;
• L'alcol primario reagisce solo a caldo (bagno-maria), mostrando due fasi immiscibili.

+ HCl·HCl ZnCl₂ ZnCl₂ O ·H O– ZnCl– HCl ClOH _{2 2}H immiscibile in acqua reagisce reagisce lentamente, OH OH istantaneamente solo a caldo

Riconoscimento di aldeidi

Reattivo di Tollens

In una provetta grande si pone 1 mL di una soluzione al 5% di argento(I) nitrato e vi si aggiunge goccia a goccia una soluzione al 10% di idrossido di sodio, fino a che non si formi più nuovo precipitato scuro. Quest'ultimo viene solubilizzato per aggiunta di una soluzione all'1% di ammoniaca acquosa.

2 NHNaOH 3 Ag(NH ) OHAgNO AgOH 3 23 - NaNO solubile3

In una provetta piccola versare 3 gocce di composto incognito (e.g. benzaldeide, esanale) e aggiungere circa 0.5 mL di reattivo di Tollens: le aldeidi reagiscono riducendo il complesso di argento ad argento metallico, ossidandosi a loro volta ad acidi carbossilici. I chetoni rimangono inalterati. [Preparare due provette contenenti l'aldeide aromatica e quella alifatica]

O O + H O₂ Ag 3 NH₂ Ag(NH ) OH + NH + ++ 233 2 4–R H R O+1 02 Ag 2 Ag–2 e+1 +3CC

Attenzione!! Il reattivo di Tollens lasciato asciugare forma composti esplosivi: diluire abbondantemente con acqua le miscele da gettare nel bidone delle “acque di primo lavaggio”.

Riconoscimento di α-metilchetoni

Reazione dello iodoformio

In una provetta grande si pongono 1 mL di α-metilchetone (e.g. acetone) in 5 mL di idrossido di sodio al 10%. Si aggiunge lentamente una soluzione acquosa di KI₃ (addotto tra iodio e potassio ioduro, che aumenta la solubilità dello iodio in acqua), fino a persistente colorazione bruna.

Lo iodoformio si separa dalla soluzione sotto forma di solido che precipita sul fondo e che può essere filtrato su Gooch, lavato con acqua ed essiccato (il p.f. riportato in letteratura è di 118-120 °C). Il test dà esito positivo con chetoni recanti almeno un α-metile. Consegnare lo iodoformio ottenuto al docente.

OO O OI–OH ₂ –I –I–R CH IR CH R CH R CH23 2 2IO O O– –I IOH, OH,2 2IR CH R CHI R CI– –I I2 2 3– –I IO OO–OH C CHI+ + 3 iodoformio R CI I R OR OH3 (giallo e insolubile in acqua)

Smaltimento dei materiali

• Alla fine del test di riconoscimento con il bromo la provetta va lavata con acetone, che va gettato nel bidone “rosso” dei solventi esausti;
• Alla fine del test di riconoscimento con il permanganato di potassio la provetta va lavata con abbondante acqua, che va gettata nel bidone “acque di primo lavaggio”, quindi può essere buttata nel bidone della vetreria;
• Alla fine del test di riconoscimento con acido cloridrico e con il reattivo di Lucas le provette vanno lavate con acqua, che va gettata nel bidone “acque di primo lavaggio” e quindi con acetone, che va gettato nel bidone “rosso” dei solventi esausti;
• Alla fine del test di riconoscimento con il reattivo di Tollens le provette vanno lavate con abbondante acqua, che va gettata nel bidone “acque di primo lavaggio”, quindi possono essere buttate nel bidone della vetreria rotta o conservate per proprio piacere;
• Alla fine del test di riconoscimento con iodoformio la provetta va lavata con acqua, che va gett