Chimica analitica e analisi dei medicinali 1

REAZIONI DI COMPLESSAMENTO

Sono reazioni che avvengono fra un acido di Lewis e una base di Lewis, ossia fra un composto in grado di

accettare una coppia elettronica e un composto in grado di donare una coppia elettronica.

Gli acidi di Lewis sono spesso ioni metallici n+; mentre le basi, ossia i leganti, sono anioni o molecole neutre

che hanno almeno una coppia elettronica non condivisa.

Dei complessi si può calcolare il numero di coordinazione N, ossia il numero di legami formati con il metallo.

Solitamente varia da 1 a 8, anche se i più frequenti sono 4, 5 e 6 e definisce la geometria che assume il

complesso che si forma:

I leganti possono essere monodentati, bidentati, tridentati,... polidentati, ossia formano uno, due, tre o più

legami spesso con lo stesso atomo. Se la geometria è favorevole, ossia si può formare un anello a 5 o 6 termini,

il legante polidentato può formare un complesso chelato e il legante è un chelante. Questi ultimi sono più

stabili rispetto ai monodentati.

Si possono formare anche dei complessi macrociclici, ossia dei complessi chelati molto stabili sono con

determinati metalli grazie alla dimensione ottimale della cavità formata dall’anello.

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Stechiometria dei complessi

Quando in soluzione si mescolano uno ione metallico e un legante, il numero dei complessi che si possono

formare, e la loro stechiometria, possono essere qualsiasi, ossia nelle reazioni di complessamento è più difficile

prevedere quali prodotti si otterranno conoscendo in anticipo i reagenti.

Possono formare un solo complesso ML, oppure due complessi ML e ML o ancora ML e M L o molte altre

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possibilità.

Le costanti di equilibrio sono tante quante sono i complessi, per esempio, se M e L formano due complessi,

ci saranno due costanti di equilibrio. Esistono due modi per scrivere le costanti di equilibrio dei complessi:

- Costanti di equilibrio “a stadi”: in cui si scrivono le reazioni di complessamento come stadi successivi

con l’aggiunta di molecole di legante

- Costanti di equilibrio “globali”, ossia le reazioni di complessamento vengono scritte a partire dallo

ione metallico e dal legante. Si indicano con β e il numero al pedice indica il numero di leganti presenti

nel complesso

Maggiore è la K o la β, più è stabile il complesso corrispondente.

Teoria HSAB

È possibile prevedere se un complesso formato da M e L è stabile oppure attraverso la teoria HSAB (hard –

soft acids and bases) che prevede la classificazione dei metalli e dei leganti in tre categorie.

Metalli:

- Ioni metallici hard: ioni con un elevato rapporto carica/massa, tipicamente quelli con carica maggiore o

uguale a +3 come Al3+, Ga3+, Fe3+, Cr3+, Ti4+, Pb 4+

- Ioni metallici soft: ioni con un basso rapporto carica/massa, ossia con carica minore o uguale a +2 e

massa elevata come Ag+, Hg+, Ba2+, Pb2+

- Ioni metallici borderline: ioni che hanno un rapporto intermedio, ossia con carica +2 e massa intermedia

come Ni2+, Zn2+ e Fe2+

Leganti:

- Leganti hard: sono molto elettronegativi e piccoli come O e F

- Leganti soft: sono poco elettronegativi e grandi come S e P

- Leganti borderline: hanno elettronegatività e massia intermedi come N e gli alogenuri tranne F- e I-

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Di entrambi esistono delle situazioni intermedie fra due dei tre stadi.

Complessi con l’EDTA

L’acido etilendiamminotetraacetico o EDTA viene detto edetato e forma dei complessi molto stabili quasi con

ogni metallo. È un legante esadentato ed è chelante, quindi forma 4 legami con metalli “hard” e 2 legami con

metalli “borderline”.

Reazioni competitive acido – base

É possibile che le reazioni di complessamento possano essere ostacolate da reazioni acido – base competitive;

questo accade principalmente quando il legante non è solo una base di Lewis ma è anche una base di Bronsted,

ossia da una reazione basica con l’acqua:

Utilizzando il principio di Le Chatelier, è possibile prevedere cosa accade:

• Se il pH è sufficientemente basico, allora la seconda reazione è spostata a sinistra ed è come

se non avvenisse, ossia non ci sono effetti

• Se il pH è sufficientemente acido, allora la seconda reazione è spostata a destra e quindi

comporta a uno spostamento a sinistra della reazione di complessamento che diventa sfavorita;

più una reazione è acida, più è difficile che si formi un complesso.

Questo significa che a certi pH, la K1 non rappresenta in maniera veritiera l’effettiva stabilità del complesso e,

per questo, si utilizza la K ’, ossia la costante condizionale di complessamento, che si ottiene moltiplicando

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K1 per la frazione di distribuzione acido – base della specie che si trova in competizione:

Attraverso la K ’ è possibile calcolare quanto è stabile un complesso a un certo pH noto.

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Anche molti ioni metallici possono dare delle reazioni acido – base competitive, le reazioni di idrolisi in quanto

essi sono degli acidi deboli poliprotici. 16

Questo tipo di competizione vale anche nel caso in cui i metalli possano generare ioni H O+ o OH-

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- Se il pH è sufficientemente acido, la seconda reazione è spostata a sinistra ed è come se non

avvenisse, ossia non ci sono effetti sulla reazione di complessamento

- Se il pH è sufficientemente basico, la seconda reazione è spostata a destra e questo comporta uno

spostamento a sinistra della reazione di complessamento e quindi la reazione di complessamento è

sfavorita: più è basico il pH, più la reazione di complessamento non avviene.

Per quantificare questo effetto, si utilizza la K ’ in funzione della frazione α di metallo presente in forma M (specie

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più protonata):

La situazione generale è quella in cui sia il legante che il metallo danno delle reazioni competitive acido –

base:

Visto che è impossibile fare previsioni attraverso Le Chatelier perchè compaiono dei pH fra loro contrastanti, è

possibile calcolare la costante condizionale che permette di quantificare l’effettiva stabilità del complesso ai

vari pH, moltiplicando K1 per entrambe le frazioni α:

In questi casi, la costante condizionale assume un andamento a massimo a variare del pH, ossia esiste un pH

intermedio (che dipende dalle specie che formano il complesso) in cui la stabilità è massima.

EQUILIBRI DI RIPARTIZIONE

Si verificano quando una sostanza si ripartisce, ossia si suddivide fra due fasi messe

a contatto fra di loro e immiscibili fra loro:

Non avviene nessuna reazione chimica, ma comunque raggiunge una condizione di equilibrio chimico ed è

presente una costante di ripartizione:

- Se la fase liquida è polare e quella solida non è polare, le sostanze non polari hanno K grandi, mentre

le sostanze polari hanno K piccole

- Se la fase solida è polare e la fase liquida è non polare, le sostanze non polari hanno delle K piccole,

mentre le sostanze polari hanno K grandi

ANALISI CHIMICA

L’analisi chimica è un controllo che serve a determinare la composizione della materia. Un analita è il composto

che si trova sotto analisi, il campione è l’oggetto da analizzare che contiene al suo interno l’analita, mentre la

matrice è tutto quello che fa parte del campione che non è l’analita.

Un’analisi chimica può avere diversi obbiettivi:

- Analisi qualitativa: conoscere quali analiti sono presenti all’interno del campione

- Analisi quantitativa: conoscere quanto uno o più analiti sono presenti all’interno del campione

- Analisi di screening: conoscere se un certo analita è presente nel campione

Analisi quantitativa

Per svolgerla, si esegue un metodo, ossia un insieme di procedure che permettono di ottenere un risultato

finale:

- Pretrattamento del campione

- Operazioni specifiche e misurazioni 17

- Calcoli

Il risultato finale è la concentrazione dell’analita: se è liquido, si esprime attraverso moli/litro M, grammi/litro

o sottomultipli; se l’analita è solido si usano i grammi/chilo e i loro sottomultipli.

I metodi di analisi quantitativa sono due:

- Metodi chimici di analisi: come l’analisi gravimetrica e volumetrica che non richiedono l’uso di

particolare strumentazione

- Metodi chimico – strumentali di analisi che sono più complessi e richiedono una particolare

strumentazione

Bilance • Bilancia analitica:

• Bilancia tecnica:

Dispositivi per misurare i volumi

Caratteristiche dei metodi di analisi

- Concentrazione minima di analita che può rilevare, poichè tutti i metodi rilevano un analita solo se esso

supera una concentrazione limite, ossia il limite di rivelabilità LOD

- Capacità di rivelare e quantificare un analita anche se il campione contiene altre sostanze

chimicamente simili all’analita, ossia il metodo deve essere selettivo

- Rapidità, ossia il tempo impiegato per ottenere il risultato finale (più è veloce, meglio è)

- Economicità, i costi complessivi di strumenti, reagenti, manutenzione (più è economico, meglio è)

- Semplicità, facilità di esecuzione di un metodo (più è semplice, meglio è)

- Precisione e esattezza, ossia l’entità degli errori che si possono commettere (meno errori, meglio è)

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I metodi chimici hanno una scarsa selettività e dei LOD alti, mentre sono rapidi, economici, semplici e ottimi

per quanto riguarda precisione ed esattezza. Mentre i metodi chimico – strumentali hanno una buona

selettività e dei LOD bassi, però sono più lenti, più costosi, possono essere più complicati e hanno una precisione

e un’esattezza peggiori.

Quindi, se il campione o l’analita lo permettono, è meglio usare un metodo chimico.

ANALISI GRAVIMETRICA

Sono dei metodi chimici che si basano su misurazioni della massa, di solito in seguito a reazioni di

precipitazione. Se l’analita A forma un sale poco solubile (l’agente precipitante), allora per determinare la

quantità dell’analita si:

- Aggiunge un eccesso di agente precipitante

- Si forma il sale poco solubile che precipita

- Si separa il sale dalla soluzione attraverso una filtrazione

- Si pesa il sale su una bilancia analitica

- Dalla massa del sale si ottiene la massa dell’analita

Requisiti di un’analisi gravimetrica

- L’agente precipitante P deve essere in eccesso perchè se non lo è non è detto che tutte le moli

dell’analita precipitino

- L’analita e l’agente precipitante devono formare un solido molto poco solubile