Związki organiczne zawierające siarkę. Wybrane metody analizy związków organicznych. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Transkrypt

1 Związki organiczne zawierające siarkę. Wybrane metody analizy związków organicznych. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

2 I. Związki organiczne zawierające siarkę 2

3 Organiczne grupy funkcyjne zawierające siarkę: będące analogami związków tlenu nie będące siarkowodór woda merkaptan alkohol sulfoksyd (+4) tioeter (sulfid) disulfid eter nadtlenek sulfon (+6) tiokwas ditiokwas kwas kwas kwas sulfinowy (+4) kwas sulfonowy (+6) jon sulfonowy jon oksoniowy sulfoniany (+6) 3

4 Tiole związki organicznie RSH zawierające grupę SH (tiolową/merkaptanową) związaną z atomem węgla o hybrydyzacji sp 3 siarkowe analogi alkoholi (tioalkohole) Sulfidy organiczne pochodne siarkowodoru (H-S-H), w których oba atomy wodoru zostały podstawione resztami organicznymi (siarkowe analogi eterów R-S-R ; tioetery) 4

5 Tiole i sulfidy nomenklatura (1) Tiole: 1) Nazewnictwo UIPAC: nazwy tioli tworzy się poprzez dodanie do nazwy węglowodoru o takiej samej ilości atomów węgla końcówki -tiol wraz z poprzedzającym ją łącznikiem -o- 2) Nazewnictwo podstawnikowe: etanotiol benzenotiol 2-naftalenotiol (nie etylotiol) (nie tiofenol) (nie 2-tionaftol) grupę -SH można traktować jako podstawnik - nazwy tioli tworzy się przez dodanie do nazwy węglowodoru przedrostka merkapto- kwas 3-merkapto-4-winylocykloheksanowy 5

6 Tiole i sulfidy nomenklatura (2) Sulfidy: 1) Nazewnictwo systematyczne: tworzone poprzez dodanie do słowa sulfid nazw (w formie przymiotnikowej) reszt organicznych połączonych z siarką przedziela się je myślnikiem sulfid metylowo-n-propylowy sulfid etylowo-fenylowy 2) Nazewnictwo wymienne: - atomy siarki są traktowane i liczone jak atomy węgla w nazwie węglowodoru macierzystego, a wyróżnia się je przedrostkiem tia podając odpowiednie lokanty CH 3 CH 3 2,5-dimetylo-3,6-ditianonan CH 3 CH 2 CH 2 SCHCH 2 SCHCH 3 6

7 Tiole i sulfidy występowanie (1) pełnią ważne funkcje biologiczne cysteina i metionina należącą do aminokwasów białkowych kodowanych, z których budowane są białka w pierwszym etapie ich biosyntezy grupa -SH cysteiny stanowi często centrum aktywności enzymów w reakcjach redoks i acylowania grupa -CH 3 połączona z atomem siarki w metioninie służy do metylowania innych związków w reakcjach biochemicznych L-cysteina L-metionina 7

8 Tiole i sulfidy występowanie (2) utlenienie grup -SH cysteiny powstają mostki disulfidowe łączące fragmenty białek po hydrolizie tych białek powstaje L-cystyna L-cysteina L-cystyna sulfidy - niektóre witaminy, np. B 1 i H: witamina B 1 (tiamina) witaminah (biotyna) 8

9 Tiole i sulfidy występowanie (3) ugrupowanie sulfidowe w antybiotykach ß-laktamowych: penicylinie cefalosporynie 9

10 Tiole i sulfidy występowanie (4) za zapach czosnku odpowiedzialne są między innymi prop-1-en-3-tiol i disulfid allilowy, powstające w wyniku rozkładu innych mniej lotnych związków siarki zawartych w czosnku (tioaminokwasów i tioestrów) prop-1-en-3-tiol disulfid allilowy w cebuli występuje n-propanotiol: głównymi, zapachowymi składnikami wydzieliny skunksa są tiole: (E)-but-2-en-1-tiol, 3-metylobutano-1-tiol i but-2-en-1,4-ditiol oraz ich acetylowe tioestry (E)-but-2-en-1-tiol 3-metylobutano-1-tiol but-2-en-1,4-ditiol niewielkie domieszki tioli mogą czynić zapach bardziej atrakcyjnym za aromat kawy odpowiada 800 zidentyfikowanych składników, w tym związki siarki: metional kaweofuran mrówczan 3-merkapto-3-metylobutylu 10

11 Tiole i sulfidy występowanie (5) heksan-1-olo-3-tiol i heksan-1-olo-6-tiol wchodzą w skład substancji nadających zapach niektórym naturalnym aromatom, np. owocu męczennicy oraz kwiatu guajawy heksan-1-olo-3-tiol heksan-1-olo-6-tiol (+)-trans-mentan-3-ono-8-tiol wchodzi w skład olejku liści Drzewa Buchu (Barosma Betulina), stosowany jest on do wyrobu perfum i do aromatyzowania pokarmów (dodawany w bardzo małych ilościach) (+)-trans-mentan-3-ono-8-tiol olejek owoców ciemiężycy - mieszanina stereoizomerów 2-metylo-4-propylo-1,3- oksatianu - odpowiedzialnych za siarkowo-ziołowy zapach tych owoców (-)-(2R,4S)- (-)-(2S,4S)- -2-metylo-4-propylo-1,3-oksatian 11

12 Tiole i sulfidy otrzymywanie (1) tiole powstają w reakcji alkilowania wodorosiarczków metali alkalicznych - reakcja SN 2. bromek n-oktylu oktano-1-tiol reakcja ta nie jest wykorzystywana do otrzymywania tioli tiole ulegają łatwo dalszemu alkilowaniu do sulfidów można temu zapobiec stosując duży nadmiar siarczku 12

13 Tiole i sulfidy otrzymywanie (2) sposób laboratoryjny alkilowanie tiomocznika hydroliza 1-bromoheksan tiomocznik 1-heksanotiol 13

14 Tiole właściwości fizyczne temperatury wrzenia: metanotiol gaz w temperaturze pokojowej, temp.wrzenia 5,8 o C etanotiol ciecz, temp.wrzenia = 37 o C 1-propanotiol temp.wrzenia 67 o C 2-propanotiol temp.wrzenia 51 o C. pomimo większej masy molowej są bardziej lotne od alkoholi zawierających tę samą resztę organiczną bardzo słabe wiązania wodorowe z atomem siarki: H S H nie tworzą się agregaty, tak jak w przypadku alkoholi podwyższają temp.wrzenia trudno rozpuszczalne w wodzie dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych posiadają nieprzyjemny zapach wyczuwalny przy stężeniu 1:4 x 10 8 tiole należą do silnych trucizn 14

15 Tiole i sulfidy właściwości chemiczne (1) tiole są o kilka rzędów silniejszymi kwasami od alkoholi; w reakcjach z alkoholanami zostają przekształcone w tiolany: etanotiol etanolan etanotiolan etanol pk a = 10,5 pk a = 15,9 tiolany łatwo ulegają alkilowaniu do sulfidów: etanotiolan bromek n-butylu sulfid sodu n-butylowo-etylowy fenylotiolan sodu jodek metylu sulfid fenylowo-metylowy 15

16 Tiole i sulfidy właściwości chemiczne (2) Atom siarki jest lepszym nukleofilem niż atom tlenu alkilowanie siarczków, wodorosiarczków, alkanotiolanów, sulfidów zachodzi łatwo tworzą się sole sulfoniowe: sulfid jodek jodek dimetylowy metylu trimetylosulfoniowy 16

17 Tiole i sulfidy właściwości chemiczne (3) sole sulfoniowe zawierające trzy różne podstawniki występują w postaci stereoizomerów, które można rozdzielić na enancjomery czwarty podstawnik - wolna para elektronowa siarki podobne właściwości wykazują 4 o sole amoniowe. 3 o aminy są konfiguracyjnie zbyt labilne, żeby można je było rozdzielić na enancjomery. sulfid etylowometylowy kwas bromo-octowy bromek etylometylokarboksymetylosulfoniowy 17

18 Tiole i sulfidy właściwości chemiczne (4) kation trimetylosulfoniowy jest skutecznym środkiem metylującym, ponieważ odchodząca grupa sulfidowa jest pozbawiona ładunku : reakcja metylowania za pomocą soli sulfoniowych jest wykorzystywana w procesach biochemicznych do przenoszenia grupy metylowej źródłem grupy metylowej jest metionina, występująca w postaci soli sulfoniowej ugrupowania nukleozydowego zwanego S-adenozylometioniną metionia adenina ryboza 18

19 Utlenianie tioli i sulfidów (1) Tiole mogą być utlenianie: przez odwodornienie, powstają disulfidy przez przyłączenie tlenu, powstają kwasy o różnym stopniu utlenienia disulfid kwas sulfenowy kwas sulfinowy kwas sulfonowy 19

20 Utlenianie tioli i sulfidów (2) utlenianie sulfidów prowadzi do sulfotlenków i sulfonów: sulfon sulfid dietylowy sulfotlenek dietylowy sulfotlenki otrzymuje się w reakcjach z nadtlenkiem wodoru lub kwasem azotowym: sulfid dietylowy sulfotlenek dietylowy sulfid dietylowy sulfon dietylowy 20

21 Utlenianie tioli i sulfidów (3) Dimetylosulfotlenek (DMSO) (CH 3 ) 2 SO bezbarwna ciecz temperatura wrzenia 189 o C (tt. 18,5 o C), rozpuszczalna w wodzie i w większości rozpuszczalników organicznych wysokopolarny, aprotyczny rozpuszczalnik, przydatny w wielu reakcjach 21

22 Utlenianie tioli i sulfidów (4) kwasy sulfinowe: słabe rozpuszczalne w wodzie nietrwałe otrzymuje się je nie przez utlenianie tioli, ale w wyniku redukcji chlorków kwasów sulfonowych, np. cynkiem: benzenosulfochlorek kwas benzenosulfinowy 22

23 Utlenianie tioli i sulfidów (5) kwasy sulfonowe silne kwasy (moc porównywala z mocą kwasów nieorganicznych) mersolany sole sodowe kwasów sulfonowych (detergenty) alifatyczne kwasy sulfonowe otrzymuje się: reakcji sulfonowania alkanów ditlenkiem siarki w obecności tlenu (sulfoutlenianie) poprzez hydrolizę sulfochlorków (mersoli), które powstają w reakcji alkanów z ditlenkiem siarki i chlorem (sulfochlorowanie) alkany mersole mersolany 23

24 Utlenianie tioli i sulfidów (6) aromatyczne kwasy sulfonowe otrzymuje się: przez sulfonowanie arenów kwasem siarkowym lub tritlenkiem siarki reakcja substytucji elektrofilowej SE. toluen kwas p-toluenosulfonowy 24

25 II. Wybrane metody analizy związków organicznych. 25

26 Metody rozdzielania i oczyszczania związków organicznych Metody klasyczne ekstrakcja krystalizacja destylacja sublimacja Chromatografia bibułowa kolumnowa cienkowarstwowa gazowa cieczowa wysokosprawna płynem w stanie nadkrytycznym (w układzie zostanie przekroczony punkt krytyczny ciśnienie temperatura) Elektroforeza bibułowa żelowa kapilarna 26

27 Metody zagęszczania związków organicznych zagęszczanie - operacja, wyniku której wzrasta stosunek stężeń lub ilości mikroskładników (analitów) do makroskładników (matrycy) oznaczanych substancji zależy od: własności fizycznych i chemicznych oznaczanych substancji od rodzaju matrycy próbki biologiczne:krew, mocz, tkanki itp. środki spożywcze, woda ścieki, gleba, powietrze ostatecznej metody analizy własności fizycznych i chemicznych oznaczanych substancji 27

28 Metody zagęszczania związków organicznych 28

29 Metody zagęszczania związków organicznych wymrażanie próbka ciekła zostaje częściowo zamrożona związki rozpuszczalne ulegają zagęszczeniu w pozostałej fazie ciekłej liofilizacja próbka ciekła zostaje całkowicie zamrożona czysta woda jest usuwana w wyniku sublimacji próżniowej destylacja próżniowa odparowanie wody pod zmniejszonym ciśnieniem, temp. pokojowa odwrócona osmoza ciecz tłoczona jest pod ciśnieniem przez błonę półprzepuszczalną próbka zostaje wzbogacona w składniki, które nie przechodzą przez błonę ultrafiltrcja próbkę filtruje się pod ciśnieniem przez błonę przepuszczającą składniki o niskiej masie molowej, a zatrzymującą związki wysoko cząsteczkowe zastosowanie do związków wszystkie typy związków nielotne związki organiczne związki o masie molowej < 200Da związki wysokocząsteczkowe 29

30 Metody zagęszczania związków organicznych ekstrakcja cieczą składniki próbki ulegają podziałowi pomiędzy wodę i rozpuszczalnik organiczny adsorpcja próbkę przepuszcza się przez kolumienkę z adsorbentem zagęszczone związki są uwalniane przez desorpcję termiczną lub ekstrakcję rozpuszczalnikiem wszystkie typy związków ekstrakcja do fazy gazowej składniki próbki ulegają podziałowi między fazą ciekłą i gazową lub są usuwane w strumieniu gazu, wymrażane lub adsorbowane lotne, organiczne 30

31 Ekstrakcja do fazy gazowej oznaczenie w sposób pośredni lotnych związków organicznych w próbkach ciekłych lub stałych frakcja gazowa jest w w stanie równowagi termodynamicznej z próbką w układzie zamkniętym proces zachodzi w podwyższonej temperaturze wspomagane są procesy desorpcji analitu z fazy ciekłej lub stałej do gazowej zastosowanie do oznaczania śladowych ilości lotnych składników organicznych w próbkach o złożonej matrycy, mogącej interferować z oznaczanymi związkami w próbkach zawierających związki nieorganiczne lub wysoko cząsteczkowe polimery organiczne w mieszaninach wymagających skomplikowanego oczyszczania i przygotowywania do analizy itp. 31

32 Ekstrakcja do fazy ciekłej ekstrakcja rozpuszczalnikami organicznymi metoda izolacji śladowych substancji z próbek ciekłych i stałych w układzie ciecz-ciecz może być stosowana w temperaturze pokojowej lub niższej nadaje się do izolacji substancji nietrwałych kryterium doboru rozpuszczalnika jest współczynnik podziału 32

33 Ekstrakcja do fazy ciekłej ekstrakcja poprzez wytrząsanie próbki wraz z rozpuszczalnikiem ekstrakcja przy użyciu aparatu Soxhleta próbka umieszczana jest w pojemniku w aparacie Soxhleta destylacja w zamkniętym układzie kondensat ekstrahuje substancje organiczne z próbki zamknięty obieg systemu, zastosowanie destylacji próbkę wielokrotnie ekstrahuje się świeżą porcją rozpuszczalnika czas potrzebny do zakończenia procesu - do 72 godzin 33

34 Ekstrakcja do fazy ciekłej zmydlanie- pierwszy ekstrahent - roztwór KOH w alkoholu następnie do układu dodaje się wody, filtruje i ekstrahuje za pomocą rozpuszczalnika organicznego homogenizacja badaną próbkę homogenizuje się z rozpuszczalnikiem (np.: poprzez ucieranie) następnie faza rozpuszczalnikowa jest pobierana do kolejnych analiz ekstrakcja sekwencyjna stosowana w przypadku analizy różnych związków lub mogących występować w różnych układach chemicznych z tej samej matrycy aby wyodrębnić i oznaczyć poszczególne formy analitu koniecznym jest zastosowanie kilku etapów ekstrakcji różnymi rozpuszczalnikami metoda pozwala na dokładniejszą kontrolę oraz porównanie stężenia na poszczególnych etapach ekstrakcji do wyniku oznaczenia ogólnego 34

35 Ekstrakcja do fazy ciekłej wady ekstrakcji duże zużycie rozpuszczalnika zbyt duża objętość ekstraktu w stosunku do potrzeb analizy ekstrakt należy zatężać przez odparowanie rozpuszczalnika pracochłonność straty analitu zatężony rozpuszczalnik może być źródłem zanieczyszczeń próbki końcowej minimalna obecność jego zanieczyszczeń (nawet poziomie ppb) powoduje po jego zatężeniu (np. stukrotnym) pojawienie się sygnału mogącego zdecydowanie zmienić interpretację wyników oznaczeń 35

36 Ekstrakcja do fazy stałej Solid Phase Extraction, SPE metoda ekstrakcji w układzie ciecz -ciało stałe SPE - sposób izolowania analitu w układzie ciecz - ciało stałe oparty na chromatografii przy użyciu zmodyfikowanych powierzchniowo materiałów podobnych do tych, które są stosowane w HPLC adsorbenty: żel krzemionkowy, tlenek glinowy, krzemionka modyfikowana grupami alkilowym (np. C-18), fenylowymi, cyjanowymi, propyloaminowymi i in. fazy stacjonarne stosowane w chromatografii jonowymiennej modyfikacje polimeru diwinylobenzenu (DVB). 36

37 Ekstrakcja do fazy stałej Solid Phase Extraction, SPE zasada rozdziału metodą SPE zależy od natury sorbentu siły warunkujące oddziaływania między analitem a stałym adsorbentem polarnym (np. żel krzemionkowy, tlenek glinu) są wiązania wodorowe, oddziaływania dipol-dipol, dipol indukowany-dipol oraz siły dyspersyjne (van der Waalsa) cel rozdziału metodą SPE przygotowanie próbki do analizy właściwej - wyizolowanie analitu z matrycy w maksymalnie czystej i skoncentrowanej postaci technika wyeluowanie analitu, podczas gdy zanieczyszczenia są zatrzymywane analit jest zatrzymywany na kolumnie, podczas gdy zanieczyszczenia są usuwane z kolumny 37

38 Ekstrakcja do fazy stałej Solid Phase Extraction, SPE w trakcie wymywania eluent musi posiadać silniejsze powinowactwo do analitu niż sorbent. główne eluenty metanol, aceton, izopropanol, dichlorometan, pentan, mieszaniny tych rozpuszczalników stosowane w kolumienkach SPE fazy stacjonarne wykonane na bazie materiałów krzemionkowych są stabilne w zakresie ph 2-7,5 powyżej tej wartości żel krzemionkowy może się rozpuścić poniżej mogą ulec hydrolizie wiązania między grupami silanolowymi a podstawnikami modyfikującymi żel krzemionkowy. 38

39 Ekstrakcja do fazy stałej Solid Phase Extraction, SPE Zalety kolumienek SPE: szybkość - kilkukrotnie większa niż w układzie ciecz -ciecz odtwarzalność - duża, dzięki zmniejszeniu ilości manipulacji z próbką ekonomiczność zmniejszone zużycie szkła, odczynników i nakładu pracy możliwość wielokrotnego użycia sorbentu prostota wyposażenia bezpieczeństwo znacznie zwiększone na skutek mniejszego zużycia łatwopalnych rozpuszczalników Na kolumienkach SPE można: izolować od matrycy i zagęszczać różnorodne grupy związków chemicznych w czasie jednej ekstrakcji przeprowadzać stopniową elucję pozwalającą na uzyskanie jednorodnych grup związków minimalizuje problemy w chromatograficznej analizie właściwej dzięki wysokiemu współczynnikowi podziału i małej objętości eluatu można przeprowadzić bezpośrednią jego analizę bez strat z powodu zagęszczania (ważne w analizach mikrośladów) 39

40 Ekstrakcja do fazy stałej Solid Phase Extraction, SPE Wady kolumienek SPE: tło pozostawione przez użyty rozpuszczalnik konieczność regeneracji złoża przed kolejnym użyciem czasem małe wartości odzysku analitu, spowodowane oddziaływaniami między sorbentem a substancją analizowaną zatykanie złoża poprzez zawiesiny obecne w próbce czasami słaba odtwarzalność spowodowana różnicami między kolejnymi partiami sorbentu 40

41 LITERATURA Żak I. Chemia medyczna. SLAM, k.html 41