Testes Físicos e Químicos Métodos Cromatográficos Química Orgânica III UFPI//2009-2 Testes Físicos e Químicos Métodos Cromatográficos Ministrante: Prof. Dr. Sidney Lima

Química: A Ciência Central 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 Compostos Orgânicos Há mais de 150 anos, os periódicos químicos têm reportado: Organismos vivos: plantas e animais Fósseis: carvão mineral, petróleo, gás natural, turfa e linhito. Sínteses de laboratório. Metade da década 1970 Mais de 5 milhões de compostos Cada ano: milhares novos compostos

INDUSTRIALMENTE Produzidos 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 Aplicações!

Química 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 Como podemos purificar e identificar uma substância presente em uma mistura complexa? O que fazer para determinar as estruturas das moléculas em detalhes? Como podemos identificar novos produtos ou ter certeza de que isolamos um determinado produto? Como determinar a presença, quantificar determinados núcleos ou grupos em uma molécula? Como descrever a natureza do ambiente eletrônico e dizer como estes núcleos se ligam aos outros?

DETERMINAÇÃO DAS CONSTANTES FÍSICAS: ANÁLISE SISTEMÁTICA CLÁSSICA DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS Revisando 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...

2. Preparação de derivados Métodos Espectroscópicos Testes Físicos e Químicos Análise Elementar Substância Pura 1. Identificação de Grupos Funcionais 2. Preparação de derivados Identificação por Métodos Espectroscópicos

Análise Elementar Qualitativa e Quantitativa? 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% Substância Pura Análise elementar qualitativa Análise elementar quantitativa 64,6 % de C, 10,8 % de H e 24,6 % de O Presença de C, H e O

Análise elementar quantitativa Análise elementar qualitativa Química Orgânica III C7H14O2 Fórmula mínima? Em 100g de amostra: 64,6% de C = 64,6 g de C 10,8% de H = 10,8 g de H 24,6% de O = 24,6 g de O   moles de C = 64,6 de C / 12,01 g. mol-1 = 5,38 moles moles de H = 10,8 de H / 1,008 g. mol-1 = 10,78 moles moles 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 Substância pura Análise elementar quantitativa Análise elementar qualitativa 64,6 % de C, 10,8 % de H e 24,6 % de O Presença de C, H e O

Análise elementar quantitativa Análise elementar qualitativa Química Orgânica III 130 C7H14O2 C7H14O2 Massa molecular? Fórmula mínima Fórmula molecular 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 Substância pura Análise elementar quantitativa Análise elementar qualitativa 64,6 % de C, 10,8 % de H e 24,6 % de O Presença de C, H e O

IDH C3H6Cl2 Fórmula molecular Substância Pura Como Calcular IDH?

TESTES PARA GRUPOS FUNCIONAIS Quais as Indicações? Quais os objetivos?

TESTES PARA ALDEÍDOS E CETONAS PREPARAÇÃO DE DERIVADOS ? 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. PREPARAÇÃO DE DERIVADOS ?

Métodos de Purificação: Cromatografia Química Orgânica III UFPI//2009-2 Métodos de Purificação: Cromatografia Ministrante: Prof. Dr. Sidney Lima

Métodos Cromatográficos C C D Índice de refração Ponto de fusão Critérios de Pureza Rotação específica Ponto de ebulição

Métodos Cromatográficos Métodos de separação de misturas Recristalização Destilação

MODIFICADO DE FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys CROMATOGRAFIA Histórico M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e solventes variados. éter de petróleo CaCO3 mistura de pigmentos pigmentos separados Cromatografia = kroma [cor] + graph [escrever] (grego) MODIFICADO DE FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys

Modificado de Prof. Fábio Augusto - Unicamp CROMATOGRAFIA Princípio: Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás). Modificado de Prof. Fábio Augusto - Unicamp

CROMATOGRAFIA Cromatografia Líquida FM = Líquido Cromatografia Gasosa (CG) FM = Gás Cromatografia Gás-Sólido (CGS) Sólida Em CG a FE pode ser: Cromatografia Gás-Líquido (CGL) Líquida Modificado de Prof. Fábio Augusto - Unicamp MODIFICADO DE FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys

Vapor pressurizado acima da temp. supercrítica Classificação // Utilidade 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 iônica 4. 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 Óxido de alumínio ácido II e III Celulose microcristalina - Sílica gel (ác. Silícico) *Atividade na escala Brockmann Atividade I – aquecimento a 400 oC por 4 horas Atividade II – 2-3% de água Atividade 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

2 1 3 3.a 4 5

6 7 9 8 Prof. Sidney Lima

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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:

Cromatografia em Camada Delgada 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

VOLÁTEIS (=“evaporáveis”) O Cromatógrafo a Gás Quais misturas podem ser separadas por CG ? (para uma substãncia qualquer poder ser “arrastada” por um fluxo de um gás ela deve se dissolver - pelo menos parcialmente - nesse gás) Misturas cujos constituintes sejam VOLÁTEIS (=“evaporáveis”) DE FORMA GERAL: CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC e que sejam termicamente estáveis.

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

FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys INSTRUMENTAÇÃO Gás 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 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 DCE H2O, O2 hidrocarbonetos ruído no sinal de DIC FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys

FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys INSTRUMENTAÇÃO Injetor “on-column” Convencional 1 2 3 4 êmbolo corpo (pirex) agulha (inox 316) Microseringa de 10  L: 1 - Septo (silicone) 2 - Alimentação de gás de arraste) 3 - Bloco metálico aquecido 4 - Ponta da coluna cromatográfica FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys

INSTRUMENTAÇÃO Injeção “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:

FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys INSTRUMENTAÇÃO Colunas: Definições Básicas aço, Cu, Vidro ou teflon EMPACOTADA  = 3 a 6 mm L = 0,5 m a 5 m Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio) CAPILAR  = 0,1 a 0,5 mm L = 5 m a 100 m Paredes internas recober-tas com um filme fino (fra-ção de  m) de FE líquida ou sólida FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys

Gás de Arraste: N2 @ 16 cm.min-1 FASES ESTACIONÁRIAS Famílias de FE Líquidas Separação de piridinas - FE = 100 % CNpropilsilicone 1 - piridina 2 - 2-metilpiridina 3 - 2,6-dimetilpiridina 4 - 2-etilpiridina 5 - 3-metilpiridina 6 - 4-metilpiridina 3 min Coluna: CP-Sil 43CB (10 m x 0,10 mm x 0,2 mm) TCOL:110oC (isotérmico) Gás de Arraste: N2 @ 16 cm.min-1 Detector: FID Amostra: 0,1mL de solução 1-2% das piridinas em 3-metilpiridina FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys

FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys ANÁLISE QUALITATIVA Tempos de Retenção t’R = f Interações analito / FE Pressão de vapor do analito Condições 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

FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys ANÁLISE QUALITATIVA Tempos 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

FABIO AUGUSTO / © 1995 - 2002 Chemkeys ANÁLISE QUALITATIVA Índice 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

Biodiesel de Óleo de Soja Óleo Essencial

Amostra de Petróleo: Hidrocarbonetos Desidratação do 5(H)-colestanol:

Vantagens da CG Excelente poder de resolução; Analisa dezenas de substâncias de uma mesma amostra Alta sensibilidade (10-12 g dependendo do tipo de substância e detetor empregado) Baixa quantidade de amostra Excelente técnica quantitativa (concentrações variam de picogramas a miligramas) Rapidez

Incovenientes 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:

DETECTORES ARQUIVO II

CG-EM...

Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massas: CG/EM Cromatograma Gasoso Espectro de massas

Cromatograma Espectro de massas

Cromatograma Espectro de massas INJETOR FONTE DE ÍONS COLUNA QUADRIPOLO DETECTOR INTERFACE SISTEMA DE VÁCUO 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

Biodiesel de Óleo de Soja 9,12-Octadecadienoic acid (Z,Z)-

Biodiesel de Óleo de Coco de Babaçu