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Testes Físicos e Químicos
Métodos Cromatográficos
Química Orgânica III
UFPI//2009-2
Ministrante: Prof. Dr. Sidney Lima
A Química é uma ciência central no desenvolvimento científico e tecnológico ocorrido no último século. Portanto, a formação de pesquisadores nesta área do conhecimento é entendida como parte do desenvolvimento estratégico de uma nação
INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO
Compostos Orgânicos Compostos Orgânicos Há mais de 150 anos, os periódicos químicos têm Há mais de 150 anos, os periódicos químicos têm
reportado: reportado: Organismos vivos: plantas e animais Organismos vivos: plantas e animais Fósseis: carvão mineral, petróleo, gás natural, turfa e Fósseis: carvão mineral, petróleo, gás natural, turfa e
linhito. linhito. Sínteses de laboratório. Sínteses de laboratório.
Metade da década 1970 Metade da década 1970 Mais de 5 milhões de compostos Mais de 5 milhões de compostos Cada ano: milhares novos compostosCada ano: milhares novos compostos
INDUSTRIALMENTE INDUSTRIALMENTE
Produzidos 6.000 a 10.000 compostosProduzidos 6.000 a 10.000 compostos • Eastman Organic Chemicals:Eastman Organic Chemicals: 4.000 compostos4.000 compostos • • Aldrich Chemical Company: Aldrich Chemical Company: 9.000 compostos9.000 compostos • • Outras companhias: Outras companhias: 100 a 1.000 compostos100 a 1.000 compostos
Aplicações!
Química OrgânicaQuímica Orgânica
Um dos principais objetivos da QO é o relacionamento dos detalhes da estrutura molecular com a função das moléculas nas reações, seja nas instalações industriais, nas síntese em laboratório, ou nos organismos vivos.
Determinação Estrutural: Passado e Presente Determinação Estrutural: Passado e Presente
1. Como podemos purificar e identificar uma substância presente em uma mistura complexa?
2. O que fazer para determinar as estruturas das moléculas em detalhes?
3. Como podemos identificar novos produtos ou ter certeza de que isolamos um determinado produto?
4. Como determinar a presença, quantificar determinados núcleos ou grupos em uma molécula?
5. Como descrever a natureza do ambiente eletrônico e dizer como estes núcleos se ligam aos outros?
Revisando
ANÁLISE SISTEMÁTICA CLÁSSICA DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS
EXAME PRELIMINAR: cor, odor, chama, pureza
DETERMINAÇÃO DAS CONSTANTES FÍSICAS:Ponto de fusão, índice de refração, densidade
ANÁLISE ELEMENTAR : combustão, fusão com sódio, tratamento com AgNO3
Após Lavosier (1772-1777) a natureza dos comp. org. foi esclarecida...
1. Identificação de Grupos Funcionais
2. Preparação de derivados
Análise Elementar
Identificação por Métodos Espectroscópicos
Substância Pura
Testes Físicos e Químicos
Substância Pura
Análise elementar qualitativa
Análise elementar
quantitativaPresença de C, H e O64,6 % de C, 10,8 % de H
e 24,6 % de O
CxHyOz + O2 (excesso) x CO2 + (y/2)H2O
9,83 mg 23,26 mg 9,52 mg n CO2 = (23,26 mg de CO2 ) / (44,01 mg.mmol-1) = 0,5285 mmoles de CO2
n C na amostra original = mmoles de CO2 = 0,5285 mmoles massa de C na amostra original = 0,5285 mmoles x 12,01 mg.mmol-1 = 6,35 mg
n H2O = (9,52 mg de H2O ) / (18,02 mg.mmol-1) = 0,528 mmoles de H2O
n H na amostra original = 2 x (mmoles de H2O) = 2 x 0,528 = 1,056 mmoles
mg de H na amostra original = 1,056 mmoles x 1,008 mg.mmol-1 = 1,06 mg %C = (6,35 mg de C / 9,83 mg de amostra) x 100 = 64,6%%H = (1,06 mg de H / 9,83 mg de amostra) x 100 = 10,8%%O = 100 – (64,6 + 10,8) = 100 – 75,4 = 24,6%
Análise Elementar Qualitativa e Quantitativa?
Química Orgânica III
Substância Substância purapura
Análise elementar qualitativa
Análise elementar
quantitativa
Fórmula mínima?
Presença de C, H e O64,6 % de C, 10,8 % de H e 24,6 % de O
C7H14O2
Em 100g de amostra:64,6% de C = 64,6 g de C10,8% de H = 10,8 g de H24,6% de O = 24,6 g de O moles de C = 64,6 de C / 12,01 g. mol-1 = 5,38 molesmoles de H = 10,8 de H / 1,008 g. mol-1 = 10,78 molesmoles de O = 24,6 de O / 16,0 g. mol-1 = 1,54 moles dando como resultado: C5,38H10,78O1,54
que, convertendo para uma razão simplificada, dá: C3,49H6,95O1,00
que corresponde a aproximadamente: C3,50H7,00O1,00
que, convertendo em números inteiros, dá a FÓRMULA MÍNIMA: C7H14O2
Química Orgânica III
Substância Substância purapura
Análise elementar qualitativa
Análise elementar
quantitativa
Fórmula mínima
64,6 % de C, 10,8 % de H e 24,6 % de O
Presença de C, H e O
Massa molecular?
130
Fórmula molecular
C7H14O2 C7H14O2
FÓRMULA MÍNIMA (Fmin): C7H14O2
MASSA DA FÓRMULA MÍNIMA (MFmin): 130
MASSA MOLECULAR (MM): 130
FÓRMULA MOLECULAR = Fmin x (MM / MFmin) = (C7H14O2) x (130 / 130)
FÓRMULA MOLECULAR = (C7H14O2) x 1 = C7H14O2
Fórmula molecular
C3H6Cl2IDH
Como Calcular IDH?
Substância Pura
TESTES PARA GRUPOS FUNCIONAIS
Quais as Indicações?Quais os objetivos?
ENSAIO DE TOLLENS - Este ensaio permite a distinção entre aldeídos e cetonas. A oxidação do aldeído pelo reagente de Tollens fornece um precipitado de prata elementar que aparece como um espelho nas paredes do tubo de ensaio. As cetonas não reagem.
R CHO Ag(NH3)2OH Ag RCOO NH4 NH3 H2O+ 2 2 + 3+ +
reagente deTollens
espelho deprata
TESTES PARA ALDEÍDOS E CETONAS
PREPARAÇÃO DE DERIVADOS ?
Métodos de Purificação: Cromatografia
Química Orgânica III
UFPI//2009-2
Ministrante: Prof. Dr. Sidney Lima
Rotação específica Ponto de ebulição
C C D
Ponto de fusão Índice de refração
Critérios de Pureza
Métodos Cromatográficos
Métodos Cromatográficos
Recristalização Destilação
Métodos de separação de misturas
CROMATOGRAFIAHistórico
M. TSWEET (1903): Separação de misturas depigmentos vegetais em colunas recheadas com
adsorventes sólidos e solventes variados.
éter depetróleo
CaCO3
mistura depigmentos
pigmentosseparados
Cromatografia =kroma [cor] + graph [escrever]
(grego)
MODIFICADO DE FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
CROMATOGRAFIA
Princípio: Separação de misturas por interação diferencial dos seuscomponentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou
sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás).
Modificado de Prof. Fábio Augusto - Unicamp
FM = Líquido
FM = Gás
CromatografiaLíquida
CromatografiaGasosa (CG)
Em CG a FEpode ser:
Sólida
Líquida
CromatografiaGás-Sólido (CGS)
CromatografiaGás-Líquido (CGL)
CROMATOGRAFIA
Modificado de Prof. Fábio Augusto - Unicamp
Classificação // UtilidadeCromatografia
Planar Coluna
Centrífuga CCD CP
Líquida CSC Gasosa
Forma física
Forma móvel
Vapor pressurizado acima da temp. supercrítica
Clássica HPLC/CLAE
Cromatografia Clássica: Cromatografia Líquida por Força da Gravidade
Utiliza colunas de vidro abertas: 1 atm
1. Líquido-sólido (adsorção)2. Líquido-líquido (partição)3. Troca iônica4. Exclusão
Cromatografia Clássica: Cromatografia Líquida por Força da Gravidade
Cromatografia em coluna (adsorção):
-Dimensões da coluna;
-A atividade do adsorvente (atividade cromatográfica) traduz a força de adsoção;
-A atividade cromatográfica aumenta sobre substâncias polares na seguinte ordem:
-CO2H -OH -NH2 -SH -CHO -COR2
-CO2R -OCH3 -CH = CH-
Cromatografia Clássica
Fases estacionárias para CC
Adsorvente Atividade* Tamanho da partícula
malha m
Óxido de alumínio básico I 70-230 63-200
Óxido de alumínio neutro I 70-230 63-200
Óxido de alumínio ácido I 70-230 63-200
Óxido de alumínio neutro II e III 70-230 63-200
Celulose microcristalina - 70-230 63-200
Sílica gel (ác. Silícico) II e III 70-230 63-200
*Atividade na escala BrockmannAtividade I – aquecimento a 400 oC por 4
horasAtividade II – 2-3% de águaAtividade III – 5-7% de água Prof. Sidney Lima
Cromatografia Clássica
1.Escolha do Eluente;
2.Enchemento da Coluna;
3.Aplicação da amostra na coluna;
4.Eluição: - Ocorre por ação da gravidade
- Isocrática ou com gradiente
- O volume das frações que a metade do volume morto
- A verificação da pureza das frações é feita por CCD
Prof. Sidney Lima
1 2
33.a
4 5
6 7
89
Prof. Sidney Lima
Prof. Sidney Lima
Cromatografia em Coluna sob Pressão
Prof. Sidney Lima
Cromatografia em Camada Delgada
Consiste na separação dos componentes de uma mistura através da migração diferencial sobre uma camada delgada de fase estacionária retida sobre uma superfície plana.
Vantagens:•Fácil compreensão e execução•Rapidez•Versatilidade•Grande reprodutibilidade•Baixo custo
Aplicações da CCD:•Comparativa ou analítica (camadas de 0,25 mm)•Preparativa (camadas de 0,5 a 1 mm)
Prof. Sidney Lima
Cromatografia em Camada Delgada
Adsorventes:Sílica, alumina, celulose e poliamida (mais usados)
Outros:- uréia e polietileno (separar ácidos graxos)- silicato de cálcio ou magnésio (separar açúcares)- gel de dextrana (separar aminoácidos e proteínas)- carvão ativado (separar fenóis)
Sílica (SiO2) - ácido silício amorfo:
- Mais usado (cromatografia por adsorção);- Altamente poroso;- Cárater fracamente ácido (Desvantagem);- Polar (fase normal)
Cromatografia em Camada Delgada
Preparação de Fase Reversa:
Si OH
O
Si OH
RSiCl3
Si O
O
Si OH
Si R
Cl
Cl
Si O
O
Si O Si(CH3)3
Si R
Si(CH3)3
Si(CH3)3
Sílica ligada Sílica ligada e encapada
1) Metanólise
2) Secar
3) (CH3)3SiCl
Sílica
Cromatografia em Camada Delgada
Si OH
O
Si OH
RSiCl3
Si O
O
Si OH
Si R
Cl
Cl
Si O
O
Si O Si(CH3)3
Si R
Si(CH3)3
Si(CH3)3
Sílica ligada Sílica ligada e encapada
1) Metanólise
2) Secar
3) (CH3)3SiCl
Sílica
Fase reversa Fase normal
Polaridade da fase estacionária Baixa Alta
Polaridade da amostra Apolar Polar
Força de eluição MeOH diminui MeOH aumenta
Ordem de eluição Mais polar 1o Menos polar 1o
Usos da CCD
- Análise de substâncias orgânicas e inorgânicas;
- Acompanhamento de reações em síntese;
- Acompanhamento de processos de purificação;
- Critério de pureza;
- Identificação de subtâncias.
Critério de pureza: Placa com uma única mancha.
Identificação de substâncias: As amostras analisadas são consideradas iguais quando apresentam o mesmo Rf (fator de retenção) e coloração após serem reveladas Prof. Sidney Lima
Reveladores
REVELADOR: UV
Prof. Sidney Lima
Quais misturas podem ser separadas por CG ?
Misturas cujos constituintes sejam
VOLÁTEIS (=“evaporáveis”)
(para uma substãncia qualquer poder ser“arrastada” por um fluxo de um gás ela
deve se dissolver - pelo menos parcialmente -nesse gás)
DE FORMA GERAL:CG é aplicável para separação e análisede misturas cujos constituintes tenhamPONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oCe que sejam termicamente estáveis.
O Cromatógrafo a Gás
O Cromatógrafo a Gás
1
2
3
4
6
5
1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão.2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra.3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna.4 - Detector.5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal.6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador).
1
2
3
4
6
5
Cromatograma
CROMATOGRAFIA
INSTRUMENTAÇÃOGás de Arraste
Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amos-tra - apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente
referida como GÁS DE ARRASTEGÁS DE ARRASTE
Requisitos:
INERTE Não deve reagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento.
PURO Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase estacionária.
Impurezas típicas em gases e seus efeitos:
oxida / hidroliza algumas FE
incompatíveis com DCEH2O, O2
hidrocarbonetos ruído no sinal de DIC
FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
INSTRUMENTAÇÃOInjetor “on-column” Convencional
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2
3
4
1 - Septo (silicone)2 - Alimentação de gás de arraste)3 - Bloco metálico aquecido4 - Ponta da coluna cromatográfica
FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
êmbolo
corpo (pirex)
agulha (inox 316)
Microseringa de 10 L:
INSTRUMENTAÇÃOInjeção “on-column” de líquidos
1 2 3
1 - Ponta da agulha da microseringa é introduzida no início da coluna.
2 - Amostra injetada e vaporizada instantâneamente no início da coluna.
3 - “Plug” de vapor de amostra forçado pelo gás de arraste a fluir pela coluna.
FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
Micros Seringas- Injeção
Seringas para microinjeção com êmbulo na agulha.
Seringas para alta pressão e gas tight.
LÍQUIDOS: Capacidades típicas: 1 L, 5 L e 10 L
Gás: Capacidades típicas: 1 mL, 50 mL e 100 mL
êmbolo
corpo (pirex)
agulha (inox 316)
Microseringa de 10 L:
INSTRUMENTAÇÃOColunas: Definições Básicas
EMPACOTADA = 3 a 6 mm
L = 0,5 m a 5 mRecheada com sólido pulverizado
(FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio)
CAPILAR = 0,1 a 0,5 mmL = 5 m a 100 m
Paredes internas recober-tas com um filme fino (fra-ção de m) de FE
líquida ou sólidaFABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
aço, Cu, Vidro ou teflon
FASES ESTACIONÁRIASFamílias de FE Líquidas
Separação de piridinas - FE = 100 % CNpropilsilicone1 - piridina2 - 2-metilpiridina3 - 2,6-dimetilpiridina4 - 2-etilpiridina5 - 3-metilpiridina6 - 4-metilpiridina
3 minColuna: CP-Sil 43CB (10 m x 0,10 mm x 0,2 m)
TCOL:110oC (isotérmico)Gás de Arraste: N2 @ 16 cm.min-1 Detector: FID
Amostra: 0,1L de solução 1-2% das piridinas em 3-metilpiridina
FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
ANÁLISE QUALITATIVATempos de Retenção
t’R = fInterações analito / FE
Pressão de vapor do analitoCondições operacionais (TCOL, FC ...)
Fixas as condições operacionais, o tempo de retenção ajustado de um analito é uma constante
AMOSTRA
PADRÃO
Comparação de cromatogramas da amostra e de uma solução padrão do
analito suspeito
FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
ANÁLISE QUALITATIVATempos de Retenção
Comparação de t’R usando dopagem (“spiking”) da amostra com
o analito suspeito: aumento da confiabilidade de identificação.
Amostra complexa: incerteza nos t’R medidos pode levar a
identificação errônea
Comparação com cromatograma da amostra dopada permite
identificação mais confiável do desconhecido
FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
ANÁLISE QUALITATIVAÍndice de Retenção de Kovàts
FUNDAMENTO Os t’R isotérmicos para uma série homóloga de
compostos dependem logaritmicamente do número de átomos de carbono na cadeia.
Separação isotérmica de uma
mistura de n-alcanos (n-C4, n-C5, ...
n-C16)
Um gráfico de log(t’R) em função do
número de átomos de carbono do
analito nC é LINEAR
FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
5.0e6
10.0e6
15.0e6
20.0e6
25.0e6 TIC
Biodiesel de Óleo de Soja
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5.0e6
10.0e6
15.0e6
20.0e6
25.0e6
30.0e6
35.0e6 TIC
Óleo Essencial
Amostra de Petróleo: Hidrocarbonetos
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
2500e3
5000e3
7500e3
10.0e6
12.5e6
TIC
9.75 10.00 10.25 10.50 10.75 11.00 11.25 11.50 11.75
25.0e6
50.0e6
75.0e6
100e6TIC
Desidratação do 5(H)-colestanol:
1. Excelente poder de resolução;
2. Analisa dezenas de substâncias de uma mesma amostra
3. Alta sensibilidade (10-12 g dependendo do tipo de substância e detetor empregado)
4. Baixa quantidade de amostra
5. Excelente técnica quantitativa (concentrações variam de picogramas a miligramas)
6. Rapidez
Vantagens da CG
- Substâncias voláteis e estáveis termicamente;
- Pré-tratamento da amostra para que não contamine a coluna (aumento do tempo e custo da análise).
Programação de temperatura:
Incovenientes da CG
60 o C
1'
3 o C/min (1 h)
240 o C
DETECTORES
ARQUIVO II
CG-EM...
5 10 15 20 25 30 35 40 450e3
500e3
1000e3
1500e3
2000e3
2500e3
3000e3
3500e3 TIC
50 75 100 125 150 175 200 225 250 2750e3
50e3
100e3
150e3
200e3
250e374
87
55
69 143227101 129 270185 199171115 157 241213
Cromatograma Gasoso
Espectro de massas
Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massas:CG/EM
50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 3000e3
250e3
500e3
750e3
1000e3
1250e3
1500e3
1750e3
67
81
41 55
95
109
123 135 150164 294263178 220191 205 234 245
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
5.0e6
10.0e6
15.0e6
20.0e6
25.0e6 TIC
Cromatograma Espectro de massas
SISTEMA DE VÁCUO
DETECTOR
INTERFACE
QUADRIPOLO
INJETOR
COLUNA
FONTE DE ÍONS
50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 3000e3
250e3
500e3
750e3
1000e3
1250e3
1500e3
1750e3
67
81
41 55
95
109
123 135 150164 294263178 220191 205 234 245
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
5.0e6
10.0e6
15.0e6
20.0e6
25.0e6 TIC
Cromatograma
Espectro de massas
Cromatografia Gasosa / Espectrometria de Massas
Métodos de detecção que fornecem informações qualitativas sobre os analitos eluídos:
Cromatografia Gasosa com Deteção Espectrométrica de Massas (CG-EM)
Cromatografia Gasosa / Espectrometria de Massas
Cromatografia Gasosa / Espectrometria de Massas
1930- Conrad aplicou pela primeira vez espectrometria de massas
em química orgânica.
ESPECTRÔMETRO - DEFINIÇÃO
É um instrumento que bombardeia um composto com um feixe de elétrons e registra quantitativamente o resultado na forma de um espectro de fragmentos iônicos positivos
50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 3000e3
250e3
500e3
750e3
1000e3
1250e3
1500e3
1750e3
67
81
41 55
95
109
123 135 150164 294263178 220191 205 234 245
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
5.0e6
10.0e6
15.0e6
20.0e6
25.0e6 TIC
9,12-Octadecadienoic acid (Z,Z)-
Biodiesel de Óleo de Soja
5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.50.0e6
5.0e6
10.0e6
15.0e6
20.0e6
25.0e6 TIC
50 75 100 125 150 175 200 225 2500.0e6
1.0e6
2.0e6
3.0e6
4.0e6
5.0e6
6.0e6
7.0e6
8.0e6 74
87
55
57 143171129101 183115 157 214199 252235
Biodiesel de Óleo de Coco de Babaçu