Chimica analitica farmaceutica

1° Anno, II Semestre, CTF Unimore

Rossato Matilde

INTRODUZIONE

obiettivo determinare tipologia o quantità di componenti presenti all’interno di un campione. Si può determinare

→

l’analisi qualitativa, che tipo di composti sono presenti nel campione

● analisi quantitativa, determinare la concentrazione di un certo composto che sto analizzando

●

analita solitamente si trova all’interno di una matrice più complessa, il campione.

→

Di cosa si occupa un chimico analitico? di andare ad applicare e sviluppare metodi e strategia che servono per ottenere

info su composizione quantitativa e qualitativa e caratteristiche chimiche o fisiche dei campioni in esame.

in tutte le aziende farmaceutiche è presente un laboratorio di controllo qualità dei farmaci venduti, per verificare che la

concentrazione sia coerente rispetto a ciò che c’è scritto nella scatola del farmaco.

Vengono utilizzate anche in ambiti alimentari, forense..

1. approccio all’analisi quantitativa

2. equilibri acido base

3. equilibri di solubilità

4. equilibri di complessazione

5. equilibri di ossidoriduzione e potenziometria

6. analisi dei dati

7. calibrazione

Pre requisiti:

- reattività degli atomi

- struttura di Lewis di molecole semplici

- principi base degli equilibri acido-base, precipitazione e ossidoriduzione

- conoscere proprietà di logaritmi

- rappresentazione grafica di un sistema lineare x-y

- risoluzione di equazioni di primo e secondo grado

- risoluzione di semplici sistemi di equazione

esame

- 4 esercizi preparazione soluzione tampone, calcolo pH di acido/base poliprotiche, calcoli di una

→

determinazione analitica con cifre significative e equilibrio di precipitazione

- 2 domande a risposta aperta elaborazione dati analitici, altri argomenti di teoria non trattati negli es

→

3 appelli a giugno/luglio

1 appello a settembre

1 appello a dicembre

2 appelli a gennaio/febbraio 0

FASI DEL PROCESSO CHIMICO ANALITICO

Il processo chimico analitico è costituito da diverse fasi che permettono di passare dalla formulazione di una domanda

scientifica fino all’ottenimento di un’informazione chimica utile. Le principali fasi sono:

1. Formulazione del problema analitico

Prima ancora di iniziare l’analisi vera e propria è necessario porsi alcune domande fondamentali. Bisogna capire qual è

l’analita, qual è la sua natura e che tipo di informazione si vuole ottenere.

Analita è il composto che deve essere identificato e quantificato attraverso un’analisi. Esso si trova all’interno

● →

di un campione, che contiene sia l’analita sia la matrice.

Matrice è la parte del campione diversa dall’analita. Per esempio, in uno sciroppo farmaceutico sono presenti

● →

il principio attivo (analita) e diversi eccipienti, come acqua, saccarosio, aromatizzanti e conservanti (matrice).

In questa fase bisogna anche stabilire che tipo di analisi si vuole effettuare:

analisi qualitativa serve a conoscere la natura degli analiti (per esempio: è presente piombo?);

● →

analisi quantitativa serve a determinare la concentrazione di una sostanza (per esempio: qual è la

● →

concentrazione di piombo?).

È inoltre necessario capire che tipo di sistema si vuole analizzare, ad esempio se si tratta di un farmaco, di acqua o di aria.

Dopo aver chiarito queste informazioni si costruisce una strategia analitica da seguire.

A volte può accadere che la matrice interferisca con la misura, producendo un segnale che NON dipende dall’analita ma

da altri componenti del campione. Quando succede questo si prepara un bianco è un campione che contiene tutti i

→

componenti presenti nel campione reale (cioè la matrice) nelle stesse quantità, ma senza l’analita di interesse. Il bianco

ideale è costituito dalla stessa matrice in cui normalmente è contenuto l’analita.

2. Campionamento

Il campionamento è l’insieme delle strategie utilizzate per scegliere quali campioni analizzare e quanti campioni

utilizzare. Comprende tutte le procedure necessarie per la selezione, manipolazione, conservazione, trasporto e

preparazione delle singole porzioni che vengono rimosse da una popolazione per essere utilizzate come campioni.

Il campionamento include anche la definizione di:

numero delle porzioni da prelevare

● localizzazione delle porzioni

● dimensione delle porzioni

● istruzioni per ridurre il numero e la dimensione dei campioni fino a una scala adeguata per l’analisi di laboratorio.

●

È fondamentale che i campioni analizzati siano rappresentativi della popolazione, cioè che contengano tutte le possibili

sorgenti di variabilità.

Per esempio, se si sta analizzando la presenza di microplastiche nei pesci di un lago e su una sponda del lago è

presente una discarica, non sarebbe corretto prelevare tutti i campioni vicino alla discarica perché il campionamento

non sarebbe rappresentativo. Allo stesso modo non sarebbe corretto prenderli tutti nella parte opposta del lago.

Una strategia più corretta sarebbe prelevare 2 campioni vicino alla discarica, 2 campioni verso il centro del lago e 2

campioni lontani dalla discarica. In questo modo il campionamento rappresenta meglio l’intero ambiente.

Si distinguono inoltre 2 tipi di campione:

campione omogeneo ha la stessa composizione in ogni sua parte;

● →

campione eterogeneo NON è uniforme in tutta la sua estensione.

● →

Spesso, dopo aver prelevato il campione analitico, questo viene suddiviso in aliquote è una porzione fisica di un

→

campione che ha la stessa composizione del campione originale.

Per esempio, se si vuole determinare la concentrazione di ioni sodio in un sacchetto di patatine, si può effettuare un

campionamento casuale scegliendo 4 patatine. Successivamente si fa in modo che tutto il sodio presente in ogni

patatina vada in soluzione. Si potrebbe analizzare direttamente ciascuna soluzione, ma è generalmente consigliato

suddividere ogni campione in più aliquote. Per esempio, se ciascun campione ha un volume di 600 mL, può essere

diviso in 3 aliquote da 200 mL.

Le aliquote presentano due vantaggi principali permettono di effettuare analisi replicate e possono essere conservate

→

per analisi future. 1

Analisi in laboratorio

3.

Una volta effettuato il campionamento, il campione viene analizzato in laboratorio utilizzando la metodologia scelta in

precedenza. Il risultato dell’analisi è generalmente un valore di concentrazione dell’analita. Le fasi tipiche di un processo

chimico analitico comprendono:

pretrattamento dipende strettamente dagli analiti di interesse, dalla matrice e dalla tecnica analitica scelta. Tra

● →

gli esempi di operazioni di pretrattamento troviamo dissoluzione, precipitazione, filtrazione, centrifugazione…

separazione

● identificazione (analisi qualitativa)

● quantificazione (analisi quantitativa)

●

dei componenti presenti nel campione.

Le tecniche analitiche possono essere suddivise in 2 grandi famiglie: tecniche classiche e tecniche strumentali.

Tecniche classiche possono essere eseguite senza Tecniche strumentali richiedono l’utilizzo di strumenti

→ →

l’utilizzo di strumentazione speciale. Tra queste troviamo: e forniscono un segnale analitico, cioè una grandezza

fisica proporzionale alla concentrazione dell’analita.

tecniche gravimetriche = sfruttano una reazione di

● precipitazione tra l’analita e un determinato reattivo. Tra queste rientrano:

Si forma un precipitato che viene filtrato e pesato; tecniche elettroanalitiche (es. l’elettrodo a vetro)

●

dalla massa ottenuta si può risalire alla tecniche spettroscopiche

●

concentrazione dell’analita; tecniche cromatografiche

● altre tecniche strumentali

●

tecniche volumetriche = in cui l’analita si trova in

● soluzione e reagisce con un reattivo anch’esso in

soluzione. In questo caso si misura il volume del

reattivo utilizzato e da questo dato si ricava la

concentrazione dell’analita.

4. Elaborazione dei dati

L’ultima fase del processo chimico analitico consiste nell’elaborazione dei dati ottenuti dall’analisi. In questa fase il valore

di concentrazione ottenuto dall’analisi viene interpretato e trasformato in un’informazione chimica, che permette di

rispondere al problema analitico iniziale.

Nel caso delle analisi quantitative, è sempre necessario misurare e registrare la quantità di campione utilizzata per

l’analisi. Il modo in cui questa quantità viene misurata dipende dallo stato fisico del campione:

campione solido viene pesato utilizzando una bilancia;

● →

campione liquido generalmente si misura il volume (più raramente si effettua una pesata);

● →

campione gassoso si misura il volume in condizioni note di temperatura e pressione.

● →

La quantità di campione da utilizzare dipende dalla concentrazione presunta dell’analita e dall’intervallo di lavoro della

metodica analitica utilizzata Se la quantità di analita risultasse troppo bassa per essere misurata con sufficiente

precisione, è necessario misurare una quantità maggiore di campione e successivamente effettuare un frazionamento

utilizzando strumenti di adeguata precisione, come ad esempio matracci e pipette tarate. 2

STRUMENTI DI LAVORO

Bilance

Sono strumenti utilizzati per misurare la massa di un campione e si

distinguono in base alla precisione con cui effettuano la misura:

bilance tecniche permettono di ottenere un risultato fino al

● →

centesimo di grammo, con un’incertezza di ± 0,01 g.

Ad esempio, se si pesa una compressa con una bilancia tecnica si potrebbe

ottenere un valore di 2,37 g. L’incertezza è legata all’ultima cifra misurata,

quindi il valore reale sarà compreso tra 2,36 g e 2,38 g.

bilance analitiche sono molto più precise e hanno un’incertezza di

● →

circa ± 0,000(0)1 g, sempre riferita all’ultima cifra del valore misurato.

Queste bilance sono dotate di pareti trasparenti che racchiudono il

piatto di pesata: questo perché anche piccoli movimenti d’aria o

spostamenti nell’ambiente potrebbero influire sulla misura, causando

variazioni significative nel risultato.

Becker

È un recipiente di forma cilindrica, realizzato in vetro o plastica e nella

parte superiore è presente un beccuccio che facilita il versamento dei

liquidi. Sulla parte frontale invece sono presenti tacche graduate che

indicano il volume contenuto, ma solo in modo approssimato.

I becker vengono utilizzati principalmente per mescolare tra loro diverse

soluzioni.

Beute

Hanno una forma caratteristica con collo ristretto e sono utilizzate per

mescolare soluzioni. La forma particolare serve ad evitare la fuoriuscita

del liquido durante l’agitazione e a limitare la fuoriuscita di eventuale

schiuma.

Anche in questo caso sono presenti tacche graduate, ma permettono solo

misure di volume molto approssimative e non precise.

Cilindri graduati

Vengono utilizzati per effettuare misure di volume con discreta precisione

e nella parte superiore presentano un beccuccio che facilita il versamento

dei liquidi. Sullo strumento sono indicate la capacità massima (cioè il

volume massimo misurabile) e la precisione della misura (ad esempio, ci

possono essere indicazioni come 100 mL ± 1 mL oppure 5 mL ± 0,1 mL…).

Pipette tarate

Sono strumenti utilizzati per prelevare una quantità precisa di liquido e

hanno una forma particolare che permette di prelevare un volume fisso

(per esempio, se si vuole prelevare 10 mL, si utilizza una pipetta tarata da

10 mL).

Sulla pipetta è presente una tacca che indica il punto fino al quale deve

arrivare il liquido e l’incertezza della misura è di circa ± 0,01 mL, riferita

all’ultima cifra.

Per utilizzarla è necessario applicare all’estremità una propipetta, che

permette di aspirare il liquido.

Pipette graduate

Le pipette graduate servono anch’esse per prelevare liquidi, ma a

differenza delle pipette tarate permettono di prelevare volumi variabili, ad

esempio si possono prelevare volumi compresi tra 1 mL e 25 mL, con una

precisione di circa ± 0,1 mL. 3

Matracci

I matracci vengono utilizzati per effettuare misure di volume fisso con

elevata precisione, con un’incertezza di circa ± 0,01 mL. Sono utilizzati

soprattutto per preparare soluzioni a titolo noto, cioè soluzioni con

concentrazione ben definita.

Esistono matracci di diverse capacità, ad esempio 10 mL, 50 mL, 100 mL,

a seconda del volume di soluzione che si vuole preparare.

Sul collo del matraccio è presente una linea di riferimento che indica il

livello che il liquido deve raggiungere. In questa operazione è importante

osservare il menisco, cioè la superficie curva del liquido: esso infatti deve

toccare esattamente la linea di riferimento, formando una curva simile a

una parabola.

Burette

Sono strumenti utilizzati per erogare volumi variabili di liquido con elevata

precisione, generalmente con un’incertezza di ± 0,01 mL; nella parte

inferiore della buretta è presente un rubinetto che permette di controllarne

l’erogazione.

Il funzionamento è il seguente: la soluzione viene inserita nella buretta

dall’alto e, aprendo il rubinetto nella parte inferiore, è possibile far uscire la

quantità di liquido desiderata (spesso in una beuta). Una volta erogato il

volume necessario, il rubinetto viene richiuso.

Sulla parte anteriore della buretta sono presenti tacche graduate che

permettono di calcolare il volume erogato, mentre nella parte posteriore è

presente una linea verticale che aiuta a leggere con precisione il volume

del liquido. ESPRESSIONI DELLA CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE

Per concentrazione si intende la quantità di sostanza contenuta in un determinato volume oppure in una determinata

massa. Esistono diversi modi per esprimere la concentrazione di una soluzione.

Molarità (M)

La molarità è definita come il rapporto tra le moli di soluto e i litri di soluzione ⇒ =

La concentrazione può essere espressa anche con sottomultipli della molarità:

-3

mM (millimolare) 10 M millimoli di soluto / litri di soluzione

● → →

-6

µM (micromolare) 10 M micromoli di soluto / litri di soluzione

● → →

-9

nM (nanomolare) 10 M nanomoli di soluto / litri di soluzione

● → →

Molarità (m)

La molalità è definita come il rapporto tra le moli di soluto e i chilogrammi di solvente puro → =

Normalità (N)

La normalità è definita come il rapporto tra il numero di equivalenti di soluto e il volume della soluzione espresso in litri

()

equivalenti soluto massa equivalente

→ →

= () *

varia a seconda del tipo di sostanza che stiamo considerando:

→

+ + 2-

n riferito ad un acido = n di protoni H che l’acido rilascia (es. H2CO3 2H + CO3 n = 2)

● → ⇒

+ -

n riferito ad una base = n di ossidrili OH- che la base rilascia (es. NaOH Na + OH n = 1)

● → ⇒ 2+ 2-

n riferito ad un sale = n cariche + o - che si formano dalla sua dissociazione (ZnSO3 Zn + SO3 n = 2)

● → ⇒

La definizione di equivalente dipende sia dal tipo di sostanza considerata sia dal tipo di reazione in cui questa è coinvolta.

Il numero Z (o fattore di equivalenza) indica quante unità reattive vengono scambiate dalla sostanza nella reazione. 4

ACIDI E BASI OSSIDANTI E RIDUCENTI SALI

Un equivalente corrisponde alla Nelle reazioni redox, il valore Per i sali, il valore corrisponde al

quantità di sostanza che cede o corrisponde al numero di elettroni numero totale di cariche positive o

+

acquista 1 mole di ioni H . scambiati nella reazione. negative che si formano nella

dissociazione.

In questo caso il valore corrisponde

Esempio:

+

al numero di protoni H ceduti Esempio:

2+ 3+ −

→ +

dall’acido oppure al numero di gruppi 2+ 2−

→ +

• il perde , quindi

1 = 1

- 4 4

OH rilasciati dalla base. • si formano cariche di valore 2, quindi

• quindi se la soluzione è

= ·

Esempio: allora =2

0, 32 = 1 · 0, 32 = 0, 32

+ 2− • quindi se la soluzione è

→ 2 + = ·

2 4 4 allora

0, 3 = 2 · 0, 3 = 0, 6

• libera 2 protoni

• quindi se la soluzione è

= ·

allora

0, 5 = 2 · 0, 5 = 1

Composizione percentuale

La composizione di una soluzione può essere espressa in diversi modi, a seconda del tipo di grandezza utilizzata (m o v).

()

%P/P w/w, è la più comune;

● → →

· 100

()

()

%V/V v/v

● → →

· 1