Analisi qualitativa dei farmaci I

28 settembre 2015

Analisi qualitativa dei farmaci I (gruppo A)

Analisi chimica qualitativa inorganica

Il farmaco è una sostanza capace di promuovere all’interno del nostro organismo modificazioni funzionali, che possono essere tipiche di alcune patologie. Lo scopo finale dell’utilizzo di un farmaco è quello di alleviare una patologia o di prevenirla. Queste modificazioni strutturali possono avvenire attraverso un’azione chimica e/o fisica.

Il farmaco è qualcosa che dall’esterno interagisce nell’organismo e provoca delle modificazioni che possono risolvere delle patologie, oppure possono essere causa di enormi problemi di tossicità. I farmaci vengono distinti in 3 grandi classi:

• Inorganici: abbiamo come componenti sali o elementi singoli (che appartengono ai metalli alcalino terrosi, alcalini, di transizione..)
• Organici: hanno come componente fondamentale C, H, N, O.
• Organometallici: sono costituiti da una parte organica e una inorganica.

Il corso si concentra sull’analisi dei farmaci inorganici o organometallici per quanto riguarda la parte inorganica. Per individuare un composto incognito dobbiamo:

• Identificare
• Distinguere
• Classificare
• Verificare la purezza

Metodi di analisi

I metodi di analisi che utilizzeremo sono analisi che prevedono metodi chimici o che prevedono metodi fisici (utilizzeremo prevalentemente metodi chimici).

Metodi fisici

Non usano reazioni chimiche ma sfruttano le proprietà fisiche degli analiti, sono in genere metodi strumentali.

Metodi chimici

Utilizzano reazioni chimiche che coinvolgono il campione da analizzare, il reattivo deve essere specifico e la reazione selettiva per l’analita. Danno una risposta determinante e selettiva.

Grado di accuratezza

Qual è il grado di accuratezza per la nostra analisi? Innanzitutto facciamo un’ulteriore distinzione e vediamo che le sostanze da analizzare possono avere un aspetto fisico differente: solide (soprattutto inorganiche) o liquide (le liquide sono quasi interamente organiche, ad eccezione del bromo e del mercurio che però non sono farmaci).

L’accuratezza dipende sia dall’aspetto fisico che dalla quantità che analizzo; posso avere infatti una quantità molto grande di sostanza o una molto piccola. Il problema dell’analista è determinare se con il metodo adottato si riesce a mettere in evidenza tutte le sostanze. La quantità di campione da analizzare permette di dividere le analisi in: macroanalisi, microanalisi e semimicroanalisi.

Sistemi di analisi

L’analisi qualitativa sistematica inorganica può avvalersi di due sistemi di analisi:

• Analisi per via secca: è fatta sulla sostanza così come si presenta, sia che sia solida sia che sia un liquido.
• Analisi per via umida: viene fatta in soluzione, il solvente maggiormente usato è l’acqua.

Analisi per via secca

L’analisi per via secca prevede due tipi di saggi:

• Saggi di ordine fisico, dove possiamo individuare saggi che prevedono la colorazione della fiamma, saggi che prevedono una determinata fusibilità o saggi che prevedono caratteristiche come la volatilità.
• Saggi di ordine chimico, nei quali la sostanza così come si trova viene fatta reagire con un’altra sostanza. Un esempio è il saggio alle perle dove la sostanza viene scaldata con un sale di sodio in cui l’anione è il metaborato (BO₂). Il nome deriva dal fatto che, durante l’analisi, riscaldando sul filo al Ni-Cr si forma una piccola pallina che darà una determinata reazione. Un altro esempio è quello di far reagire la sostanza x con una sostanza ossidante (reazione redox); possiamo inoltre riscaldare a secco con reattivi particolari.

Questi saggi sono utili nei saggi preliminari, perché così ad esempio possiamo identificare i cationi che costituiscono il nostro sale.

[Nella prima parte del corso analizzeremo metalli alcalini (Na, K, Li, Rb, Fr), alcalino-terrosi (Be, Ca, Sr, Ba, Ra) e il catione ammonio (NH₄⁺)]

La fiamma come fonte di energia termica

Nell’analisi per via secca si usa una fiamma come fonte di energia termica. Per evidenziare i cationi alla fiamma ho bisogno di una combustione. La fiamma è fornita da uno strumento (un bruciatore) che è chiamato lampada o becco Bunsen per mezzo del quale si ottiene una reazione di combustione tra metano (CH₄) ed ossigeno (O₂):

CH₄ + 2O₂ ↔ CO₂ + 2H₂O

Tutto quello che viene bruciato si trasforma in CO₂ + H₂O. La fiamma ha determinate caratteristiche, la fiamma è fondamentale come fonte d’energia. Il potere calorico della fiamma varia a seconda:

• Del combustibile usato e dell’ossidante usato (comburente, es. Ossigeno, Aria)
• Ai rapporti combustibile/ossidante

Esempi di fiamma utilizzabili in varie tecniche spettroscopiche:

Combustibile + Ossidante → Temperatura fiamma (°C)

• CH₄ + Aria → 1700-1900 (20% O₂ + altri gas non combustibili)
• CH₄ + O₂ → 2700-2800
• Acetilene + Aria → 2100-2400 (20% O₂ + altri gas non combustibili)
• Acetilene + O₂ → 3050-3150

Caratteristiche della fiamma

La quantità di ossigeno utilizzata per annientare la fiamma mi dà la capacità della fiamma di avere determinate caratteristiche.

• Un aumento della percentuale di ossigeno comporta un aumento di temperatura della fiamma ed una minore luminosità (trasparente). La fiamma con bassa luminosità e alta concentrazione di ossigeno ha caratteristiche ossidanti; si ha la combustione totale e si ottiene H₂O e CO₂ dal combustibile.
• Una diminuzione della percentuale di ossigeno comporta una diminuzione della temperatura ed una maggiore luminosità (fiamma gialla). La combustione in questo caso avviene in maniera non completa, quindi all’interno della fiamma oltre ad avere CO₂ e H₂O (prodotti finali) ho anche particelle di carbone sospese. Questa fiamma ha caratteristiche riducenti per la presenza di particelle di carbone.

Una fiamma meno luminosa è ossidante, una più luminosa è riducente. Alcune analisi sfruttano le capacità ossidanti e riducenti della fiamma.

Parti della fiamma

La parte azzurra è quella ossidante, è una fiamma meno luminosa e trasparente. Nella fiamma c’è un cono, la temperatura maggiore è all’apice mentre ai lati ho una temperatura minore. All’interno del cono ho il cono riducente schematizzato con il colore giallo. Ho una temperatura inferiore della parte ossidante perché la percentuale di ossigeno è inferiore a quella ossidante e ha caratteristiche riducenti.

Esposizione di un elemento atomico alla fiamma

Fornendo ad un atomo una opportuna quantità di energia, si può avere la transizione di uno o più elettroni esterni di un orbitale ad energia superiore (stato energetico eccitato). Quando forniamo a un dato elemento un’energia sotto forma di calore possiamo avere un passaggio energetico, quindi un salto di energia dei vari stati energetici delle sostanze. Questi passaggi energetici non sono però permanenti e quindi il passaggio dallo stato fondamentale (A) allo stato eccitato (A*) è molto veloce.

A + hv ↔ A*

Lo stato eccitato non è uno stato permanente ma in maniera molto veloce si torna allo stato fondamentale, l’elettrone tende a ritornare allo stato fondamentale emettendo l’energia assorbita sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. L’emissione che abbiamo può essere quantificata e questa analisi ci serve perché possiamo valutare la differenza di energia e misurarla da un punto di vista matematico perché questa energia avrà una certa lunghezza d’onda ed una certa frequenza. È possibile che la frequenza alla quale corrisponde l’energia di emissione, cada in un particolare range delle onde elettromagnetiche.

Onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche vanno da raggi γ, raggi x, lo spettro visibile, raggi IR, microonde, onde radio. Abbiamo quindi detto che l’energia che ottengo dal salto energetico e che porta dallo stato fondamentale un atomo allo stato eccitato avrà una certa emissione che se cade nel range del visibile tra 400 ed 800 nm può essere vista come un colore particolare. Se l’energia fornita ha un range che non rientra nel visibile non può essere vista ad occhio nudo ma deve essere messa in evidenza con altri metodi (infrarosso oppure ultravioletto).

Ci sono dei cationi che possono essere messi in evidenza sfruttando il colore delle loro radiazioni di emissione una volta sottoposti ad una fonte di energia. Posso andare a misurare l’emissione di fotoni di energia (differenza tra stato fondamentale e lo stato eccitato), ogni sostanza emette ad una determinata lunghezza d’onda perché ha una sua particolare disposizione elettronica. È una sorta di impronta digitale per il composto. La nostra analisi non deve avere dubbi, questo è un metodo per identificare alcuni cationi (non tutti) che mi permette di vedere la radiazione di emissione che cade nel visibile ad una determinata lunghezza d’onda.

Cationi evidenziabili

Il saggio alla fiamma non è selettivo per Ba, B e Cu perché danno tutti una fiamma verde, può essere fatta per Li, Na e K che hanno un’emissione diversa che corrisponde ad un colore nettamente diverso. Dato che ognuno di noi può vedere il colore in maniera diversa, in laboratorio i colori vengono identificati tramite il confronto con il colore di un sale noto. Il sodio ha una colorazione gialla, la cui particolarità è data dal fatto che se mettiamo la mano dietro alla fiamma gialla del sodio anch’essa apparirà gialla. Il potassio può essere visto a varie lunghezze d’onda ed ha una colorazione non persistente ma molto fugace.

Il calcio è difficilissimo da identificare, è consigliabile fare il confronto con un sale di calcio noto. Lo stronzio appare rosso, ma un rosso diverso da quello del litio.

Analisi per via umida

È più difficile ed è quella che si fa quando il composto viene messo in soluzione. Il solvente usato è l’acqua. Questo comporta subito un problema, perché vi sono sostanze solubili in acqua e sostanze insolubili in acqua. Quindi anche l’analisi alla fiamma su sostanze insolubili crea grossi problemi. Se per esempio ho un sasso e lo metto sulla fiamma, prima che si abbia la ionizzazione del composto sotto forma di ioni gassosi, e quindi che si abbia il salto energetico e l’emissione di energia passa molto tempo e non è detto che avvenga.

Sfruttiamo quindi le proprietà della fiamma, che ha due caratteristiche: una parte è ossidante e una è riducente.

Saggio alla fiamma

Se devo fare l’analisi di un sale di bario (BaSO₄, il Ba ha una fiamma verde) che è insolubile in qualsiasi solvente, ci vengono in aiuto le proprietà riducenti della fiamma:

BaSO₄ + 2C → BaS + 2CO₂↑

Il C è presente nella fiamma. Ho una riduzione da solfati (SO₄⁼) a solfuri (S⁼) e il carbone si ossida a CO₂; all’interno della fiamma avviene una reazione di riduzione con formazione di solfuro di bario (BaS). BaS è una sostanza che è più solubile del BaSO₄ per cui a contatto con HCl si solubilizza e forma contemporaneamente cloruro di bario (sale solubile) e H₂S, che è un gas con un odore caratteristico.

BaS + 2HCl → BaCl₂ + H₂S↑

La reazione che quindi è avvenuta sul filo al Ni-Cr è una reazione di ossido riduzione, BaSO₄ iniziale non c’è più e siamo arrivati ad avere sul filo BaCl₂, una sostanza volatile che sottoposta ad energia permette la vaporizzazione di Ba⁺²; si ha il salto energetico e possiamo vedere la lunghezza d’onda dell’emissione dell’energia colorata di verde e sento un odore caratteristico dovuto all’H₂S. In questo caso quindi posso avere due riscontri positivi per dire che il mio sale iniziale era solfato di bario.

La fiamma ci aiuta anche a far sì che sostanze non solubili possano essere solubilizzate in modo che si abbia una facilitazione nel loro trasferimento in fase gassosa e quindi ci permette fare l’analisi.

Procedura per il saggio alla fiamma

La prova viene fatta usando l’HCl concentrato, che è in grado di trasformare tutti i composti che io intendo analizzare in cloruri dei metalli alcalini ed alcalino terrosi, che sono delle sostanze che sono facilmente volatilizzabili e ionizzabili per dare colorazione in fiamma.

Il filo Ni-Cr che ci serve per mettere la nostra sostanza a contatto con la fiamma (non usiamo la spatola). Per far aderire la sostanza da analizzare sul filo si bagna il filo con una soluzione acquosa di HCl conc. al 35%. Bagno il filo dentro la soluzione di HCl e lo pongo sulla fiamma; quando inizio la mia analisi il filo bagnato con HCl messo nella fiamma deve lasciare inalterato il colore della fiamma; se questo non avviene significa che il filo è sporco e quindi deve essere nuovamente bagnato in HCl e riposto nella fiamma ossidante fino a che la fiamma non diventerà incolore.

Certe volte, soprattutto dopo aver fatto l’analisi del catione Na⁺, conviene tagliare la sommità del filo perché è difficile da eliminare il residuo.

Sali solubili e insolubili

A questo punto è stato introdotto il concetto di sale solubile ed insolubile, vediamo quindi delle indicazioni generali:

Sali inorganici solubili

• Quasi tutti i sali di: K⁺, Na⁺, NH₄⁺
• Alogenuri di: Ag⁺, Hg₂⁺², Pb⁺²
• Tutti i sali di: Cl^-, Br^-, I^-
• Sali di: NO₃^-, ClO₃^-, ClO₄^-, CH₃COO^-
• Sali di SO₄⁼ Solfati di: Ba⁺², Sr⁺², Ca⁺², Pb⁺²

Sali inorganici insolubili

• Tutti i sali di: CO₃⁼, PO₄^3-, C₂O₄⁼, CrO₄⁼, S⁼ Sali di: NH₄⁺ e cationi di metalli alcalini
• Quasi tutti gli ossidi metallici e gli idrossidi

Quindi la prima cosa da fare nell’analisi per via umida è stabilire se la nostra sostanza è solubile oppure insolubile.

2 ottobre 2015

Analisi per via umida

In questa analisi il composto deve essere sciolto, il più possibile, in acqua; a questo proposito facciamo la distinzione tra composti solubili e composti insolubili. Lo scopo di questa prima parte del corso è di selezionare i vari anioni e cationi in base alle loro caratteristiche, che possono essere di vario tipo:

• Caratteristiche di solubilità in acqua: se devo distinguere, per esempio, tra NaCl e BaSO₄ questa distinzione è molto semplice, NaCl sarà solubile. Non possiamo però fermarci a questa caratteristica perché esistono più sali solubili e insolubili.
• Reattività con l’acqua: l’acqua è un solvente ma può dare determinate reazioni. Quando abbiamo un sale solubile questo è completamente dissociato in cationi e anioni in soluzione. Può succedere che questi cationi e anioni reagiscano con l’acqua e quindi nella mia soluzione avrò una variazione di pH. Nell’acqua distillata il pH è 7, si dice che è neutro. Quando ho un sale e lo solubilizzo in acqua posso avere tre casi:

• Invariabilità del pH dell’acqua (=7)
• Una riduzione della [H⁺], quindi avrò una soluzione acquosa con pH > 7 (alcalino)
• Un aumento della [H⁺], e avrò un abbassamento di pH, pH<7 (acido).

In base alla caratteristica degli anioni e cationi di dare idrolisi li possiamo distinguere in:

• NE (non reagiscono con l’acqua)
• E (reagiscono con l’acqua).

Reazione di equilibrio con l’acqua

Vediamo cosa significa avere una reazione di equilibrio con l’acqua: l’idrolisi è una reazione molto importante che avviene in soluzione e sfrutta le caratteristiche acide o basiche dei cationi o anioni presenti in soluzione.

Cationi NE

I cationi NE non danno reazioni di idrolisi, sono quasi tutti i cationi che derivano da basi forti, e quindi i metalli alcalino e alcalino terrosi.

• Na⁺, K⁺, Li⁺, Ca⁺², Sr⁺², Ba⁺²

Sono acidi estremamente deboli e quindi non danno reazioni di idrolisi. Questi sei cationi riportati sono quelli che possono essere messi in evidenza con l’analisi alla fiamma.

Cationi E: NH₄⁺

In questa parte del corso troviamo solo il catione ammonio, NH₄⁺. Derivano da base debole, in questo caso dall’ammoniaca che è un gas. Bisogna scrivere NH₄OH perché siamo in soluzione acquosa, è l’idrato di ammonio. Per convenzione si parla di ammoniaca ma è dell’idrato di ammonio di cui realmente stiamo parlando (NH₄OH).

NH₄OH non è completamente dissociata per cui avremo il seguente equilibrio:

NH₄⁺ + H₂O ↔ NH₄OH + H⁺

Questa è una reazione di idrolisi perché il catione NH₄⁺ ha caratteristiche acide molto forti per cui dà reazioni di idrolisi in acqua. Si ha la formazione di NH₄OH più l’aumento della [H⁺]. Se misuriamo il pH di una soluzione in cui è presente il catione ammonio vediamo che è leggermente acido. Se aumenta [H⁺], il pH diminuisce, per cui ho avuto un’idrolisi acida.

Anioni NE

Non danno idrolisi con l’acqua. Se analizzo, per esempio, l’NaCl che è completamente solubile in acqua in soluzione acquosa avrò Na⁺ e Cl^-. Na⁺ non dà idrolisi con l’acqua ma neanche Cl^- perché deriva da un acido forte (HCl), Cl^- è un anione che non partecipa all'equilibrio. L'analisi deve considerare queste caratteristiche per determinare correttamente le proprietà delle sostanze.