Analisi dei medicinali II

ANALISI DEI MEDICINALI II

METODI FISICI E CHIMICO-FISICI PER IL RICONOSCIMENTO DELLE SOSTANZE

ORGANICHE

Il riconoscimento delle sostanze organiche può essere effettuato mediante l’utilizzo di metodi basati sulle

proprietà chimiche.

Metodi basati sulle proprietà fisiche o chimico-fisiche:

- Spettroscopia→ consente di ottenere informazioni sulla struttura di una determinata sostanza senza

la necessità di disporre di un campione noto. Tecniche

:

• Risonanza magnetica nucleare (RMN, NMR) (permette di distinguere gli enantiomeri e gli

isomeri→ permette di costruire la molecola)

• Spettroscopia infrarossa (consente di ottenere informazioni sul gruppo funzionale della

molecola. Non esistono due molecole sovrapponibili→ mai due spettri uguali anche sono

simili (tipo impronta digitale))

• Spettroscopia ultravioletto-visibile (consente di ottenere informazioni sulla coniugazione

della molecola)

• Spettrometria di massa (consente di ottenere il PM della molecola, si frammenta una

molecola con un campo magnetico ad alta intensità e così analizzando i frammenti riesci a

risalire alla struttura)

• “fotografata” la molecola, si usa per molecole solide, per composti che

Raggi X (viene

possono cristallizzare in un determinato modo)

sicuri (non dipendono dall’operatore→

I metodi fisici sono più meno errori).

RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

La radiazione elettromagnetica (luce) è una forma di energia che si trasmette nello spazio ad enorme

velocità. Molti e diversi fenomeni avvengono per interazione tra radiazione elettromagnetica e materia:

un’onda)→

- Alcuni sono razionalizzati medianti la teoria ondulatoria classica (radiazione è

rifrattometria (indice di rifrazione), polarimetria (come ruota il piano della luce→ potere ottico

rotatorio)…

- Altri dalla teoria quantistica (radiazione fascio di particelle che portano energia)→ assorbimento ed

emissione di energia radiante

TEORIA ONDULATORIA CLASSICA

La radiazione elettromagnetica è rappresentata da un campo elettrico e un campo magnetico che oscillano

su piani perpendicolari in modo sinusoidale.

Radiazione monocromatica polarizzata→ vettore che oscilla in un unico piano perpendicolare alla direzione

di propagazione.

Definizioni:

- Ampiezza→ lunghezza del vettore, al massimo della curva

Lunghezza d’onda

- (λ)→ distanza lineare tra due massimi o due minimi

numero di onde che passa nell’unità di tempo

- Frequenza→

Moltiplicando la lunghezza d’onda per la frequenza otteniamo la velocità→ v=λxν

m/s) e nell’aria, e

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La velocità è massima nel vuoto (3x10 cambia molto nei mezzi condensati (es. nei

liquidi). Questa differenza è alla base del fenomeno della rifrazione.

TEORIA QUANTISTICA

La radiazione elettromagnetica è un fascio di particelle distinte dette fotoni o quanti la cui energia è

direttamente proporzionale alla frequenza della radiazione.

L’energia è direttamente proporzionale alla frequenza e indirettamente proporzionale alla lunghezza

d’onda.

ASSORBIMENTO

È un processo in cui una specie chimica posta in un mezzo trasparente attenua in modo selettivo

frequenze di un’onda elettromagnetica.

determinate

Ogni sostanza ha un determinato set di stati di energia, in condizioni normali la molecola sta nel set di

riposo, quello a minore energia. Se viene fornita energia arriva allo stato eccitato, che però è instabile e

quindi tende a tornare allo stato di riposo molto rapidamente (→ rilassamento). Per spostarsi allo step

successivo devo fornire esattamente l’energia necessaria (né di più né di meno) l’assorbimento è

(→

possibile solo se l’energia del fotone è esattamente corrispondente alla differenza di energia tra lo stato

ΔE=hν).

eccitato e lo stato fondamentale→

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

lunghezza d’onda tra 100 e 800nm

- Ultravioletto→ (perturbazione grande, si rompono i legami)

- Infrarosso→ gli elettroni non cambiano orbitale, si allungano/accorciano i legami (si deformano)

- Microonde→ varia lo spin nucleare (viene invertita la rotazione)

→

- Radiofrequenza→ usata nella risonanza magnetica, uguale a quella di sopra

Abbiamo una sorgente di radiazione

che emette radiazioni a lunghezze

d’onda crescenti in un certo intervallo.

Il raggio emesso dalla sorgente si

divide in due (il raggio di riferimento e il

raggio incidente che attraversa il

campione). Il rilevatore serve per percepire una differenza tra i due raggi quando il campione assorbe la

Quando la radiazione emessa dalla sorgente arriva alla lunghezza d’onda corrispondente

radiazione.

all’energia corrispondente alla differenza tra lo stato fondamentale e quello eccitato il raggio trasmesso

avrà un’intensità diversa da quella del raggio di riferimento.

Questa differenza viene percepita dal rilevatore e

io ottengo un picco nel grafico (sulle x ho

lunghezza d’onda, frequenza o numero d’onda,

sulle y la trasmittanza o assorbanza).

SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE

È utile per studiare la struttura elettronica delle molecole e per misurare l’entità della loro coniugazione.

Quando una molecola viene colpita/ interagisce con una radiazione avviene una transizione elettronica→ si

rompono dei legami.

La transizione si definisce HOMO (orbitale molecolare occupato ad energia più alta) e LUMO (orbitale

molecolare non occupato a energia più bassa).

la regione dello spazio in cui c’è la massima probabilità di trovare l’elettrone.

Un orbitale è Dal punto di

vista matematico è una funzione che definisce una regione dello spazio.

Quando due atomi si legano per raggiungere l’ottetto, e quindi la stabilità, si forma un legame covalente. Se

due atomi condividono un doppietto elettronico non si parla più di orbitali atomici, ma molecolari che hanno

una propria forma. Derivano dalla combinazioni delle funzioni d’onda che descrivono gli orbitali atomici.

2 (uno dalla combinazione in fase delle due funzioni d’onda→

Gli orbitali molecolari che si formano sono

legante, e uno che deriva dalla combinazione fuori fase→ antilegante).

Es. H ha 1 elettrone nell’orbitale 1s→ si combinano due atomi per raggiungere la combinazione del gas

Nell’orbitale sigma gli elettroni

nobile He. Si forma un orbitale di legame sigma e uno di antilegame sigma*.

stanno nella zona di fusione, in quello di antilegame stanno esterni.

dall’orbitale

Quando viene assorbita la radiazione un elettrone passa a energia più bassa a quello ad

energia più alta.

L’energia degli orbitali sigma e sigma* sono caratteristici dell’atomo.

es. CH4 ho gli orbitali 1s dell’idrogeno e

In una molecola con un legame pigreco quelli sp3 del C, sul C

rimane un orbitale p ciascuno con un elettrone, questo per sovrapposizione laterale forma legami (sopra e

sotto il piano del legame), e l’orbitale molecolare che si forma è di tipo pigreco. Energia dell’orbitale

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pigreco/pigreco* è intermedia rispetto a quelli sigma. (il metano usa orbitali ibridi sp per fare legami)

che richiede un’energia

La transizione HOMO-LUMO non è più sigma-sigma*, ma pigreco-pigreco* minore

rispetto al sigma.

Gli orbitali sigma derivano da qualsiasi interazione frontale, anche s-p o sp-sp o p-p…

Orbitali con la stessa energia si chiamano degeneri.

Le regioni studiate sono: lunghezza d’onda 100-200nm

- UV lontano o nel vuoto→ ed E= 286-145Kcal/mol (in cui possono

(poco usata, c’è interferenza

avvenire le transizioni sigma-sigma*) con i gas)

lunghezza d’onda

- UV vicino→ 200-400nm ed E= 145-72Kcal/mol (transizioni pigreco-pigreco* e

un’altra che porta gli come O, N, alogeni…)

orbitali di non-legame degli eteroatomi

lunghezza d’onda 400-800nm

- Visibile→ ed E= 72-36Kcal/mol (assorbono i composti colorati)

La sostanza assorbita di solito si presenta con delle grandi bande, non ha una grande risoluzione perché la

transizione elettronica accompagnata da transizioni rotovibrazionali.

Lo stato elettronico fondamentale e quello eccitato sono divisi in stati energetici più piccoli in cui il legame

non si rompe, ma si stira o cambia l’angolo di legame. In teoria posso passare in uno qualsiasi dei

sottostrati fondamentali a uno qualsiasi di quelli eccitati e questo determina un allargamento delle bande

(con la stessa energia posso avere diverse transizioni).

In ordinata l’assorbanza o la trasmittanza e sulle ascisse la lunghezza d’onda→ c’è scritto

nella monografia

quali sono i massimi assorbimenti e a quali lunghezze d’onda e qual è il coefficiente di estinzione molare

della sostanza (mol/L). Misurazioni nel matraccio.

Regole di selezione:

1. Regola di selezione di simmetria→ non sono consentite transizioni tra situazioni descritte da

funzioni d’onda con diversa simmetria (gli orbitali n non hanno orbitali di antilegami possono andare

sia a sigma che a pigreco)

2. Sono consentite transizioni tra stati di uguale molteplicità

3. Sono consentite transizioni monoelettroniche

Definizioni: gruppo insaturo responsabile dell’assorbimento nell’UV vicino/visibile(es. carbonile)

- Cromoforo=

- Auxocromo= gruppo saturo che legato ad un cromoforo determina un aumento della lunghezza

d’onda e del coefficiente di estinzione molare

spostamento del massimo di assorbimento verso lunghezze d’onda più

- Spostamento batocromico=

alte spostamento del massimo di assorbimento verso lunghezze d’onda più

- Spostamento ipsocromico=

basse

- Effetto ipercromico= aumento del coefficiente di estinzione molare

- Effetto ipsocromico= diminuzione del coefficiente di estinzione molare

GRUPPI CHE ASSORBONO

es. alcani, ho solo orbitali di tipo sigma quindi l’unica transizione possibile è

- Molecole sature→

hanno un’E= 300-350 sono nella regione dell’UV lontano

sigma-sigma*, Kcal/mol, (non si usano,

bisognerebbe lavorare nel vuoto→ assorbono anche gas atmosferici) (E più bassa), per l’O

- Composti con eteroatomi→ possono fare transizioni sigma-sigma* e n-sigma*

siamo ancora nella regione dell’UV lontano, per N, S e alogeni all’inizio dell’UV vicino (si vedono)

- Molecole insature→ possono fare transizioni sigma-sigma* o pigreco-pigreco* (E più bassa), per

composti non coniugati cade nella regione UV lontano, per quelli coniugati nell’UV vicino (elettroni

(la coniugazione diminuisce l’energia necessaria per la transizione

delocalizzati per risonanza)

aumentando la lunghezza d’onda e lo spettro si sposta) cade nella regione dell’UV lontano

- Cromoforo etilenico→ può fare transizioni pigreco-pigreco*, cade nell’UV vicino

- Cromoforo etilenico coniugato→ può fare transizioni pigreco2-pigreco3*,

Più sono coniugati più l’effetto aumenta.

Aumentando il numero di doppi legami l’energia richiesta per la transizione HOMO-LUMO a minore energia

diventa sempre più piccola fino ad arrivare ad uno spostamento batocromico e un effetto ipercromico e si

arriva ai composti colorati (sopra 400nm→ a 450 rosso-arancio, a 550 violetto, a 650 blu)

- Sistema aromatici:

• Benzene→ 3 insaturazioni che entrano in coniugazione tra loro (3 orbitali leganti pigreco di

cui 2 con la stessa energia e uno con l’energia più bassa, in questi ci sono i 6 elettroni,

specularmente ci sono i 3 orbitali di non-legame). Le transizioni possibili sono diverse (tra

qualsiasi pigreco di legame e qualsiasi di non-legame). Tipicamente dà origine a 3 bande:

banda E1 lunghezza d’onda 180nm (UV lontano) e coefficiente 600000, banda E2 204nm

(inizio UV vicino) e 7900, banda B 256nm (UV vicino, più intensa) e 200. Lo spettro è

influenzato dalla coniugazione e dalla presenza di sostituenti

- Molecole insature→ con C, H, O, da sigma a sigma* UV lontano, da pigreco a pigreco* E più bassa

(risente della coniugazione), da n a pigreco* UV vicino (E più bassa, ma molto poco intenso→

avviene tra due orbitali che sono perpendicolari tra di loro (py fa il legame, px e pz hanno due

elettroni ciascuno→ orbitali n, perpendicolari)) (risente del tipo di sostituzione) (es. gruppo

carbonilico→ gruppo cromoforo (orbitali n dati dai doppietti di O hanno energia intermedia tra

pigreco e pigreco* dati dai 2p di O e C)).

Se il cromoforo carbonilico è coniugato si alzano entrambe le bande e compare una terza banda

che va a lunghezze d’onde maggiori (la epsilon rimane piccola)

Non tutte le sostanze che assorbono nell’UV hanno questo dato nella monografia.

DENSITÀ

La densità relativa è il rapporto tra la massa di un volume della sostanza in esame e la massa di uno

stesso volume di acqua entrambi pesati a 20°C (rapporto tra le densità assolute). (d = 0,998230g/ml)

H20

Per determinare la densità relativa si usa il picnometro (recipiente di vetro) (noi useremo un matraccino da

1ml). Si fanno 3 pesate (o tutte con tappo o tutte senza tappo): matraccino vuoto, matraccino + sostanza e

−

=

poi matraccino + acqua (dopo aver lavato e fatto raffreddare)→ (d relativa x d

20−

assoluta H20= d assoluta sostanza).

POLARIMETRIA la branca che studia l’interazione tra la radiazione

Segue la teoria ondulatoria (come la rifrattometria). È

elettromagnetico e le sostanze otticamente attive (quelle che interagiscono con una radiazione

monocromatica polarizzata, modificano il piano di rotazione di un angolo alfa). Devono essere per forza

sostanze chirali. da onde di lunghezza d’onda variabile che vibrano in tutti i

- Luce bianca ordinaria→ caratterizzata

piano possibili perpendicolari alla direzione di propagazione

radiazione caratterizzata da un’unica lunghezza d’onda, si ottiene per

- Radiazione monocromatica→

mezzo di filtri o utilizzando sorgenti luminose polari, vibra su tutti i piano possibili perpendicolari alla

direzione di propagazione ha una sola lunghezza d’onda che oscilla su un solo piano

- Radiazione monocromatica polarizzata→

perpendicolare alla direzione di propagazione dopo c’è un

Il polarimetro ha una sorgente luminosa che emette una radiazione monocromatica,

polarizzatore (tipo griglia verticale) che seleziona solo un piano di oscillazione (→ diventa monocromatica

polarizzata), poi attraversa il campione. Se interagisce modifica il piano di oscillazione altrimenti rimane

uguale. Dopo la cella ho un’altra griglia verticale come la prima (mobile)→ se non interagisce passa

direttamente, se ha interagito ne passa meno (ha un’intensità diversa), per renderla uguale ruoto la

seconda griglia finché non è nella nuova direzione della seconda e così posso capire quanto è stata

ruotata. La griglia possono essere filtri polaroid o prismi di Nicol (questi sono nello strumento) (costituito da

due cristalli di calcite CaO tagliati e incollati secondo angoli precisi e tenuti insieme dal balsamo del

Canadà).

Quando l’onda monocromatica incide sul primo cristallo il fenomeno della rifrazione porta ad avere il

passaggio di due vettori perpendicolari tra loro, nel secondo uno viene riflesso e l’altro passa→ ottengo

un’onda polarizzata monocromatica. La seconda griglia è un altro prisma di Nicol che però può ruotare.

Lunghezza d’onda di riferimento→ 589.3nm (del Na).

dà l’angolo direttamente, l’altro in cui devi ruotare

Esistono due polarimetri in laboratorio→ uno che

manualmente finché non vedi la stessa intensità luminosa.

L’angolo che ottengo dipende dalla concentrazione della soluzione, dalla lunghezza d’onda e dalla

temperatura. In farmacopea trovo il potere ottico rotatorio specifico, caratteristico della sostanza, ed è dato

dall’angolo letto fratto la concentrazione (g/ml) per la lunghezza della cella del polarimetro (1 dm).

Devo sapere la concentrazione quindi preparo la soluzione nel matraccio (10ml). Se ho una sostanza

liquida riempio la cella direttamente con la sostanza e al posto della concentrazione metto la densità (g/ml).

Serve anche una beuta con il solvente e basta per andare al polarimetro in laboratorio.

Il potere ottico rotatorio è utile per determinare la purezza ottica di una sostanza→ ciò che differenzia i due

enantiomeri è l’interazione con la luce. =

La purezza ottica si esprime in % è data da

100→ potere ottico rotatorio specifico sperimentale fratto quello ottico

l’80% è

rotatorio specifico teorico (riportato sulla FU), tutto per 100. (es. se è 80% vuol dire che

l’enantiomero L e il 20% il racemo che non fa ruotare il piano ottico). La % dell’enantiomero prevalente si

100− 100−

+

calcola facendo , quello meno presente è .

2 2

RIFRATTOMETRIA

L’indice di rifrazione si bas