Prof. Dr. Leonardo Fernandes Fraceto Caracterização de compostos orgânicos por métodos instrumentais de análise Prof. Dr. Leonardo Fernandes Fraceto

Introdução Compostos Orgânicos Sínteses de laboratório. Há mais de 150 anos, os periódicos químicos têm reportado diversas substâncias químicas presentes em: Organismos vivos: plantas e animais Fósseis: carvão mineral, petróleo, gás natural. Sínteses de laboratório. Metade da década 1970 Mais de 5 milhões de compostos Cada ano: milhares novos compostos

Indústria Produzido 6.000 a 10.000 compostos Eastman Organic Chemicals: 4.000 compostos Aldrich Chemical Company: 9.000 compostos Outras companhias: 100 a 1.000 compostos

Engenharia Ambiental ??? nem sempre o(s) contaminante(s) orgânico(s) são conhecidos sendo necessário identificá-los para verificar sua toxicidade, impacto ambiental a ser gerado, bem como, a metodologia adequada para a remediação/recuperação ambiental; b) o contaminante pode ser alterado gerando sub-produtos de maior ou menor toxicidade no ambiente; c) em um processo industrial, muitas vezes existe a necessidade de monitorar tanto a matéria-prima como os produtos e/ou sub-produtos que estão sendo formados;

d) na decomposição de uma substância contaminante é necessário verificar se ocorreu sua transformação e/ou caracterizar o produto gerado; e) em estudos de produtos naturais, por exemplo: para desenvolvimento de pesticidas naturais ou de novos produtos, fármacos etc., após o isolamento, há a necessidade de caracterizar estruturalmente a substância;

Métodos Análise elementar Espectrofotometria UV-Vis (introdução) Infravermelho Espectrometria de Massas

Determinação de Fórmula Empírica A primeira etapa envolvida na caracterização de um composto orgânico, refere-se a determinação de sua fórmula empírica. A formúla empírica mostra a número relativo ou a proporção dos átomos presentes na molécula. Ex: a fórmula empírica da glicose é: CH2O, informando que os atomos estão na proporção de 1:2:1. A determinação da fórmula empírica necessita inicialmente das porcentagens dos constituintes C, H, N, O e S presente na molécula, o que pode ser feito utilizando-se um analisador elementar

Analisador Elementar A fórmula mínima de um composto pode ser obtida a partir da quantidade de cada elemento (C, N, H, O e S) presente em um composto orgânico O método consiste na combustão completa a 900 ºC da amostra de massa conhecida do material orgânico em estudo e determinação da massa de gás carbônico (CO2) e de água (H2O) formada. O vapor produzido pela reação é passado por um tubo contendo cloreto de cálcio (CaCl2) para reter a água e depois por um outro tubo contendo hidróxido de sódio (NaOH), para reter o gás carbônico em forma de carbonato de sódio (Na2CO3), necessária para calcular a porcentagem de carbono e de hidrogênio na amostra

Para análise de nitrogênio, os produtos são arrastados com um jato de hélio através de um forno a 750oC, no qual cobre aquecido reduz os óxidos de nitrogênio ao elemento que é então separado e pesado. Para análise de enxofre, a amostra sofre combustão em uma atmosfera de oxigênio em um tubo empacotado com óxido de tungstênio (IV) ou óxido de cobre. O dióxido de enxofre seco é absorvido por um reagente de óxido de prata, separado e determinado pelo detector. O oxigênio pode ser determinado por cromatografia gasosa ou por diferença dos valores de C, H, N e S, e descontando o material inorgânico (cinzas), se houver.

Determinação da fórmula empírica Inicialmente deve-se conhecer a composição percentual em massa, isto é, a massa de cada elemento expressa como uma porcentagem da massa total: Porcentagem de massa = [m do elemento na amostra x 100]/m total da amostra Exemplo: Por séculos pessoas usaram folhas de eucaliptos para dores de garganta, devido a presença do eucaliptol. A análise de 3,16g de eucaliptol apresentou a presença de 2,46g de carbono, 0,373g de hidrogênio e 0,329g de oxigênio. Quais as porcentagens em massa de C, H e O? Resposta: 77,8 % C, 11,8 %H e 10,4 %O

Calculando o número de mol a partir da percentagem em massa Deve-se converter as porcentagens em massa, o que pode ser feito considerando a massa de amostra de 100g; A partir da massa molar de cada elemento converte-se estas massas em mols e depois encontra-se o número relativo de mols de cada tipo de átomo; Exemplo: Análise de vitamina C, relatou que a amostra tinha 40,9% de carbono, 4,58% de hidrogênio e 54,5% de oxigênio. Qual o número de mols de C e H ? Para 100 g, temos 40,9 g de carbono e 4,58 g de hidrogênio Assim, Número de mols de átomos de C = 40,9/12,01 = 3,41 Número de mols de átomos de H = 4,58/1,0 = 4,58

Qual o número de mols de C, H e O presente em 100g de eucaliptol? Em 100 g temos: 77,8 g de C, 11,8 g de H e 10,4 g de O Assim, Número de mols de átomos de C = 77,8/12,01 = 6,48 Número de mols de átomos de H = 11,8/1,0 = 11,8 Número de mols de átomos de O = 10,4/16 = 0,65 Para obter a fórmula empírica dividimos cada número pelo menor valor: C = 6,48/0,65 = 9,96 = 10 H = 11,8/0,65 = 18,2 O = 0,65/0,65 = 1 Portanto: a razào entre os átomos C:H:O são: 10:18,2:1 para transformarmos em números inteiros multiplicamos por 5: Assim, a fórmula empírica é: C50H91O5

A fórmula empírica pode ser determinada a partir da composição percentual de massa e da massa molar dos elementos presentes A fórmula empírica nos fornece as razões inteiras entre os átomos presentes na molécula. Para determinar a fórmula molecular é necessário saber a massa molecular da substância. Este valor pode ser obtido através da espectrometria de massas!

C3H4O3 = 3 x (12,01) + 4 (1,00) + 3 x (16,00) = 88,06 g/mol Determine a fórmula empírica da vitamina C a partir dos dados de porcentagem (40,9% de carbono, 4,58% de hidrogênio e 54,5% de oxigênio ) e sua fórmula molecular sabendo que a espectrometria de massa informou 176,12 g/mol C3H4O3 = 3 x (12,01) + 4 (1,00) + 3 x (16,00) = 88,06 g/mol 176,12 / 88,06 = 2,00 Logo, a fórmula molecular da vitamina C é: C6H8O6

Espectrofotometria

Espectrofotometria

Princípios de Espectroscopia de UV-Visível # Transições Eletrônicas Estado Excitado Estado Fundamental # Cromóforo – Grupo de átomos responsáveis por transições eletrônicas

Espécies contendo elétrons , e n

Transições Eletrônicas

Cromóforos Comuns Alcenos

Duplas ligações conjugadas Conjugação abaixa a energia da transição p p*

Absorção de Fenóis e Ressonância # Estrutura de Ressonância  diminui a energia aumenta o comprimento de onda de absorção

b-Caroteno

Pigmentos e Proteínas

Conjugação de Cromóforos

Aplicações Ambientais Identificação de substâncias orgânicas (pesticidas) em solo, água, etc. Quantificação de compostos orgânicos voláteis (reação de derivatização). Outros...

Introdução à Espectrometria de massas

Espectrometria de massas Aplicações Elucidação estrutural de moléculas orgânicas e biológicas; Determinação de massa e fórmula molecular; Identificação de substâncias; Análise de partículas de aerossol; Resíduos de pesticida e compostos orgânicos em geral; Monitoramento de espécies orgânicas voláteis em mananciais, etc.

Princípio da técnica É uma técnica de ionização e fragmentação de moléculas que são, depois, separadas em fase gasosa para obter um espectro segundo a razão massa/carga dos fragmentos. Como a maior parte dos fragmentos apresenta carga unitária, o espectro apresenta a massa dos fragmentos.

Instrumental A amostra passa por câmaras onde é vaporizada e ionizada Os íons resultantes são acelerados por um campo elétrico Ao passar por um imã os íons sofrem deflexões em direção ao detector Quanto mais pesada a espécie, menos ela é defletida e de acordo com o grau de deflexão é possível determinar suas massas relativas. O processo de ionização leva à fragmentação da molécula

Abundância relativa dos Isótopos

Processo de ionização

Exemplo

Exemplo

Exemplo

Principais informações que podem ser obtidas de espectros de massa: a) Obtenção da massa molecular da substância: é dada pela massa do pico do íon molecular, Em muitos casos, não é possível diferenciar claramente o pico do íon molecular. Pico do íon molecular: aquele que apresenta maior massa de uma determinada espécie que contêm todos os elementos presentes na forma isotópica mais abundante.

b) Fórmula molecular: pode ser calculada a partir da abundância das fragmentações de picos isotópicos (M+1) e (M+2) em relação ao pico do íon molecular M=83 M=84

Exemplo Exemplo: Um pico molecular com massa 84 com valores de M+1 e M+2 de 5,6 e 0,3 % de M+, sugere qual fórmula molecular? Pela Tabela, M+1 = 5,6 M+2 = 0,3 MM = 84,0575 g/mol Portanto: C5H8O

c) Caracterização/identificação da substância a partir das fragmentações, o que pode ser feito de duas formas principais: - Comparação do espectro de massas com de um padrão conhecido: injeta-se a amostra e posteriormente um padrão conhecido e compara-se as fragmentações - Comparação entre espectro obtido de uma bibloteca compilada e o experimental

Tabela de Fragmentações

Exemplo

Análise Perda de 15 = CH3+ Benzeno monosubstituídos C4H7+ = compostos aromáticos (possivelmente benzílicos) C4H3+ = compostos aromáticos Álcoois levam a perda de água

Exemplo

Álcool

Aldeído

Alcano

Amida

Amina

Amina

Aromático

Ácido Carboxílico

Éster

Éter

Haleto

Cetona