Laboratorio di Chimica OrganicaDocente: prof. G. IucciTesto consigliato:Seyhan Ege “Chimica Organica”, Idelson-Gnocchi., Napoli.

Lezioni teoriche Esercitazioni pratiche (CISDiC): Frequenza obbligatoria: prenotarsi!Sulle esperienze: questionario Richiesto: camice

Isomeria acido maleico-acido fumaricoAnalisi di una miscela organica con estrazione frazionataSeparazione cromatografica dei pigmenti presenti negli spinaciSintesi dell’aspirina

Sintesi e purificazione di composti chimiciProdotti di sintesiSintesi: reazione A→ BSolvente, temperaturaResa (%) = (nB

/nA

)x100PurificazioneCaratterizzazione(Controllo del grado di purezza)

1 2

Sintesi in più

stadi: A→ B → CResa tot = Resa1

x Resa2Prodotti naturali: estrazionePurificazioneCaratterizzazione

Sintesi chimiche

refrigerante

Bagno ricaldante

H2O

H2O

Reazioni in condizioni controllate:temperaturasotto agitazionein atmosfera di gas

ReagentiSolventiCatalizzatori

Recipienti di reazione:becher, beute, palloni

Filtrazioni

Per gravità

Sotto vuoto

Pompa ad acqua

aria

acqua

Estrazioni

2

1

CCK =

Ripartizione fra fasiEstrazione: da fase solida

da fase liquida

Imbuto separatore

Fase 1 Fase 2

Metodi di Purificazione:

-

Cristallizzazione (solidi)- Distillazione (liquidi)Sublimazione (solidi)

- Cromatografia

Cristallizzazione: Solubilizzazione + riprecipitazione

Es. Si scioglie in un solvente a caldoSi fa precipitare a freddo e si filtra

Se non si trova un solvente di cristallizzazioneSi scioglie il composto in un solvente in cui è

solubile (1)

Si aggiunge un solvente in cui è

insolubile (2): precipitazione (1) e (2) devono essere miscibili tra loro

Soluz. A, B

Distillazione

B

A0BB

0AA

B

A

B

A

xx

PxPx

PP

yy

≠==

0AAA PxP =

PA

=P.yA

PB

=P.yB

0BBB PxP = 0

BB0AABA PxPxPPP +=+=

PB

0PA

0

PA =xA P

A0

P B=x B

P B0

P=P A+P B

xA=1xB=0

xA=0xB=1

refrigerante

termometro

Bagno ricaldante

Apparato per distillazione

H2O

H2O

alla pompa da vuoto

acqua

Sublimazione

Passaggio solido-vapore

Pressione ridotta

Solido da purificare →

refrigerante

← sublimato

In essiccatore:CaCl2P4

O10

In stufa: fino a 300°CIn muffola: 100-1200 °C

Controllo della purezza:-Misura di costanti chimico-fisiche (punto di fusione, punto di ebollizione)- Cromatografia- Spettroscopia (IR, UV, NMR): determinazione della struttura molecolare

Essiccamento

Separazione

di miscele di composti mediante ripartizione tra fasiFase stazionaria (solido = adsorbimento, liquido = ripartizione)Fase mobile

(liquido, gas)

CromatografiaFl

usso

del

solv

ente

t0 t1 t2 t3

AM AS

Cromatografia: preparativaanalitica (qualitativa e quantitativa)

M

S

M

S

CC

[A][A]K ==

cromatogramma Tempo di ritenzione (tR

), Volume di ritenzione (VR

) Tempo morto (tM

), Volume morto (VM

) di

AM AS

Rapporto di Ritenzione

WtM

tR

Seg

nale

(con

cent

razi

one)

Tempo (volume)

M

S

M

S

CC

[A][A]K ==

tR

=tM

+tS

M

SSM

M

R

M

tt1

1tt

tttR

+=

+==

M

S

MM

SS

M

S

VVK

VcVc

tt

==

M

S

VVK1

1R+

=

Tecnica

fase

meccanismostazionaria

mobile

di distribuzione

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Colonna

solido

liquido

adsorbimentoliquido

liquido

ripartizione

HPLC

solido

liquido

adsorbimentoliquido

liquido

ripartizione

Gascromatografia

solido

gas

adsorbimentoliquido

gas

ripartizione

Strato sottile

solido

liquido

adsorbimentoCarta

liquido

liquido

ripartizione

Scambio Ionico solido

liquido

scambio ionico

GPC

solido

liquido

esclusione

Cromatografia: preparativaanalitica (qualitativa e quantitativa)

Fase StazionariaFase

mobile

interfaccia

Adsorbimento (liquido-solido)

Molecola di soluto

Ripartizione (liquido- liquido)

-

+

+

Scambio ionico Esclusione dimensionale

Meccanismi di separazione

Cromatografia su colonna (preparativa) Fasi mobiliSolido-liquido(adsorbimento)

Fasi stazionarie:Gel di silice (SiO2

)Allumina (Al2

O3

)Carboni attiviSiti attivi: –OH, -O-

Fasi staz. apolari

Esano, et. PetrEptanoCicloesanoCCl4BenzeneTolueneCloroformioEtere dietilicoAcetato di etilePiridinaAcetonePropanoloEtanolometanoloAcquasol.acidi

polarità

Si

OH

O

O

Si

OH

O

O

Si

OH

O

O

HPLC: High performance liquid chromatographyPreparativa + analitica

impaccamento di dimensioni molto inferiori, compresso in colonne sottili;

contropressioni maggiori;

tempi d’analisi contenuti.

Solido-liquido(adsorbimento)

Liquido-liquido(ripartizione)Fase inversa

HPLCcromatografia su colonna HPLC

rivelatore UV-vis

rivelatore a fluorescenza

rivelatore a indice di rifrazione (RI)

Rivelatore: selettivo universale

Schema di cromatografo HPLC

tR

NH2

NO2

NH2

NO2

NH2

NO2

serbatoiosolvente pompa iniettore colonna rivelatore

flusso dell'eluente

campione

elaboratoredatipre-

colonna

termostato

GPC (gel permeation chromatography)

GPCAnalisi di: Polimeri, Peptidi, proteine

Esclusione dimensionale

Fase stazionaria: polimero poroso

flussotR

Fase stazionaria: resine scambiatrici Fase mobile: H2

O (pH)

Anioniche: R+Y -

+ X-

→ R+X-

+ Y-

Cationiche:

R-Y+

+ X+

→ R-X+

+ Y+

Biochimica:Analisi di proteine, Peptidi aminoacidi

Cromatografia a scambio ionico

NR3 Y-+ X- NR3

X-+ Y++ +resina anionica

SO3-

CO

O-Y+

Y+ cationica

Fase mobile: gas (volatilità)

Gas carrier: N2

, Ar, Ne, H2

Gascromatografia

Rivelatori:conducibilità

termica

ionizzazione di fiamma

Cromatografia su strato sottile

TLC: Thin Layer Chromatography adsorbimentoFasi stazionarie: SiO2

, Al2

O3

eluenti: solventi organici

Cromatografia su carta:Fase stazionaria:H2

O

eluenti: solventi organici

TLC

elue

nte

Rivelatore:-Occhio umano-UV (λ1

=254, λ2

=366nm)+ indicatore fluorescenza-

reagente (es. I2

)

Rapporto di ritenzione

dsost

dref

ref

sostsost d

dR =

mix A B C mix A B C

Spettroscopia

λ= lunghezza d’onda

ν= frequenza (Hz)_ν = numero

d’onda (cm-1)

_ν

= c a

ν

= 1

λ λ_

E = h.ν

= h.c.ν

= h.cλ

Interazione tra radiazione elettromagnetica

e materia

I intensità

raggi γ raggi X UV IR onde radiomicroonde

1 pm 1 nm 1 μm 1 mm 1 mλ crescente

ν crescente visibile

400 nm 780 nm

E0

E1

E2

v0

v1

v2

r0r1r2

UV-VIS

IR

E

SCHEMADEI LIVELLI ELETTRONICI, VIBRAZIONALI EROTAZIONALI DI UNA MOLECOLA

E

hν ΔE

stato eccitato

stato fonda-mentale

Rotazione

Vibrazione

ΔE=hν

AssorbimentoEmissione

ETOT

= EElettronica +EVibrazionale +ERotazionale

Spettroscopia:-Elettronica (UV-VIS)-Vibrazionale (IR)-Rotazionale (microonde)

UV-VIS –Transizioni elettroniche

Registra-toreSorgente

Mono-cromatore

CellaPortacampione

Rivela-tore

II0

λ(nm)λmax

AI<I0

campione

riferimentochopper

Raggio singolo

I

Iref

Doppio raggio

0IIT =

logTT1log

IIlogA 0 −===

π

π∗C2H4

HOMO

LUMO

Etilene Butadiene Esatrieneλmax

(nm) 163

217 268

ΔE = hν = hcλ

auxocromi

CromoforoE

E

batocromico

OH

O-

λmax (nm)

203

211

235

E

ΔΕ1

=hν1

E

hν2 = ΔΕ2

elettronicivibrazionali

ΔΕ2

<ΔΕ1ν2

<ν1λ2

>λ1

Fluorescenza

Assorbimento

E

M →

M*

Stato eccitato(instabile)

E

Rilassamento:-termico-radiativo (hν)=fluorenscenza

Spettroscopia IR –

Transizioni Vibrazionali

H Cl

μπν k

21

=21

21

mmmm

+=μ

Evibr

=hν(n+½) n=0,1,2…_

ΔE= hν= hcν

E

n=0

n=1

n=2

Momento di dipolo

H-Cl: si; Cl-Cl no

ν=ν/c

ν(cm-1)HF

2907

HCl

2886HBr

2559

HI

2230CO

2143

NO

1876

vibrazionalirotazionali

più

vibrazioni:

Lineari 3N-5Non Lineari 3N-6

N= n. di atomi

CO2

Stretching Bending

Stretching: simmetrico antisimmetrico

bending (degeneri)/ (2230 cm-1)

667 cm-1

H2

O

Stretching: simmetrico antisimmetrico bending

Molecole poliatomiche

Posizione (cm-1)Intensità: dipende da variazione momento di dipolo

μπν k

21

=21

21

mmmm

+=μ

REGIONI DELLO SPETTRO INFRAROSSO4000 -

2700/2800 cm-1

stretching

dei legami X-H2500 -

2000 cm-1

stretching

dei legami tripli1900 -

1600 cm-1

stretching

del doppio legame1300 -

1080 cm-1

stretching

C-Oal di sotto di 1400 cm-1

zone delle impronte digitali

ZONE DI ASSORBIMENTO DI ALCUNI GRUPPI FUNZIONALI

3600 -

3000 cm-1

⎫

bande caratteristiche dell'O-H

3530 -

3060 cm-1

⎬ zone degli X-H bande caratteristiche dell'N-H3200 -

2900 cm-1

⎭ stretching

dei legami C-H2720 cm-1

assorbimento aldeidi (C-H)

2260 -

2240 cm-1

assorbimento nitrile (C≡N)2260 -

2100 cm-1

assorbimento alchini (C≡C)

1850 -

1700 cm-1

stretching dei carbonili (C=O)intorno a 1600 cm-1

stretching dello ione carbossilato1660 -

1640 cm-1

C=C non coniugato e non aromatico1620-1580 cm-1

⎤1500-1400 cm-1

⎦

stretching C=C aromatici

1300 -

1080 cm-1

stretching C-O

alcani

alcheni

alchini

aromatici

aldeidi

Chetoni

AcidiCarbossilici

gas

soluzione

R-CO

O-HC-R

O

H-O

Elettrone : spin ±1/2Anche i nuclei hanno uno spin →

numero quantico di spin nucleare I

momento magneticoγ=rapporto giromagnetico

Nuclei con massa dispari hanno spin semintero.I = 1/2

( 1H, 13C, 19F ), I = 3/2

( 11B ) I = 5/2

( 17O ).

Nuclei con massa pari composti da un n. dispari di protoni e neutronihanno spin intero. I = 1

( 2H, 14N ).

Nuclei con massa pari composti da un n. pari di protoni e neutronihanno spin zero ( I = 0

). 12C, 16O

In presenza di un campo magnetico B il momento magnetico può assumeren=2I+1 valorim= numero quantico magnetico nucleare

m=I, I-1, I-2……-I

I=1/2

m= ±1/2

Spettroscopia NMR

N

S

Nuclear Magnetic Resonance

I2πhγμ =

I=1/2m= ±1/2

N

S N

S1/2 -1/2

= =

B0

2πhγ2/1μ ±=

00 B2πhγ2/1μBE ±=−=

hνB2πhγE 0 ==Δ 0B

2πγν =

E

+1/2-1/2

+1/2

-

no campo campo

E

B0

-1/2

+1/2

ΔE=hν

Spettrometro NMR

http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/nmr/nmr1.htm

e-

B0

Bi

Beff

=B0

-Bi

Chemical shift

B0

effB2πγν =

Nucleo schermato

B0 CCH

HH

Hprotonideschermati

Bi

B0 CC

H

H

protonischermati

Bi

B0protonideschermati

Bi

http://www.pianetachimica.it/NMR/nmr.htm

Riferimento:TetraMetilSilano (CH3

)4

Si

Chemical shift in ppm (δ)

Posizione dei segnali: chemical shift (intorno chimico)

Area dei segnali: (n.di protoni)

Spectral Database for Organic Compounds, SDBSNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Japan http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng

Accoppiamento spin-spin

a b

a b a b

a b

a b

1 2 1

a

H-C-C-H

a b

a b

a

a b

b

Jab Jab

Accoppiamento spin-spin

CH C HH

H

CH C HC

H

CC C HC

C

CC C HC

H

0

1

2

3

singoletto

1:1doppietto

1:3:3:1

1:2:1tripletto

quadrupletto

n+1 11n

Protoni chimicamente equivalenti

Protoni su eteroatomi

Spectral Database for Organic Compounds, SDBSNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Japan http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng

Spectral Database for Organic Compounds, SDBSNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

(AIST)

Japan http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng

Chemical shift→intorno chimicoArea → numero di protoni equivalentiAccoppiamento spin-spin → numero di protoni adiacenti

Esp. 1 Isomeria

C

CH

H C

CH

H

acido maleicoZ (cis)

acido fumaricoE (trans)

COOH

COOH

COOH

HOOCK=

[Ac. fumarico] [Ac. maleico]

C

CH

H

COOH

COOH

+ BrC

CH

H

COOH

COOH

Br

Proprietà

acido maleico

acido fumaricoSolubilità

in acqua (25°

C)

788 g/l

7 g/l

Punto di fusione

130°

C

286°

C*

C4

H4

O4

Ac. maleico Ac. fumarico

ΔG°

= -RTlnK = -7 Kcal/mole

Br2 2 Brhν

C

CH

H

COOH

HOOC

+ BrC

CH

H

COOHBr

HOOC

Esp. 2 Analisi di una miscela organica

Estrazione con solventi (ripartizione tra fasi)Fenoli: Ar-OH ArO- + H+

ambiente acido

ambiente basico

Solubilizzazione in etere etilico (sol. A)Estrazione sol. A con NaOH 2M in H2

O (sol. B)Acidificazione sol. BEstrazione sol. B con etere etilico (sol. C)

La solubilità

del β-naftolo in H2

O dipende dal pH

OH

β-naftolo difeniletere

O

Analisi miscela + A + C con TLC

mixA C mixA C

Eluizione

Fronte delsolvente

Separazione cromatografica dei pigmenti degli spinaci

β-carotene

clorofilla

Esperienza 3

CH3 CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3CH3

CH3CH3

1)

Estrazione dei pigmenti dalle foglie degli spinaci(etere di petrolio:acetone=4:1)

2) Impaccamento della colonnafase stazionaria Al2

O3

(dispersione in etere di petrolio)3) eluizione: a)

etere di petrolio:acetone=9:1 per il β-carotene

b)

acetone: alcol metilico =30:1 per la clorofilla4) Analisi spettrofotometrica

β-carotene Clorofilla a e b

Esp. 4 Sintesi aspirina

CO OH

OC

O

CH3

Acido salicilico Acido acetilsalicilico

Acido salicilico + Anidride acetica → Acido acetilsalicilico + Acido acetico

H+

Reazione acido-catalizzata (H2

SO4

)Solvente: Anidride acetica

CO OH

OH

-

Reazione-

Isolamento (precipitaz. da H2

O)- Cristallizzazione da EtOH/H2

O- Essiccamento in stufa-

Controllo purezza (punto di fusione)

- Resax100

n.molin.moliresa(%)

Ac.Salic.

Ac.Acetil.=

Ac.Acetil.

Ac.Acetil.Ac.Acetil. PM

gn.moli =Ac.Salic.

Ac.Salic.Ac.Salic. PM

gn.moli =iniziali finali

OCO

CH3CO

CH3

H+

OCOH

CH3CO

CH3

+

OCOH

CH3CO

CH3

+O

COH

CH3CO

CH3 +

CO OH

OHO

C OH

CH3

C OCH3

+C

O OH

O C+

CH3

HO

CO

CH3

OH- H+

CO OH

OCO

CH3

HOC O

CH3+

3500 3000 2500 2000 1500 1000

*

*

trasm

ittan

ce (%

)

wavenumber (cm-1)

COH

OHOC

O

OHO

C

O

CH3

O-H

C=O