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

1

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