UZUPEŁNIENIE Identyfikacja związków kwasowych: 10,9 i 11,4 10,2 0,7 9,9 3,25 7,2 4,8 4,2 0,96. Identyfikacja amin aromatycznych.

Transkrypt

1 UZUPEŁNIENIE Identyfikacja związków kwasowych: Identyfikacja związków kwasowych: związek wzór pka hydrochinon związek HO wzór OH pka 10,9 i 11,4 Kwas solny kwas trichlorooctowy Kwas azotowy (III) kwas octowy HCl CCl 3 COOH HNO 2 CH 3 COOH -7 0,7 3,25 4,8 p-hydroksyanizol fenol p-nitrofenol HO HO OMe HO NO 2 10,2 9,9 7,2 kwas benzoesowy COOH 4,2 Kwas pikrynowy O 2 N HO NO 2 0,96 Stała kwasowości: K a = [ H 3 O+ ] [ A ] [ HA ] ; pk a= - log Ka 1 O 2 N 2 związek Aminy wzór pka Identyfikacja amin aromatycznych anilina NH 2 4,6 pirydyna N 5,3 amoniak NH 3 9,3 trietyloamina (CH 3 -CH 2 ) 3 N 10,8 dietyloamina (CH 3 -CH 2 ) 2 NH 11,

2 Identyfikacja aminokwasu O OH OH + R H 2 N-CH-COOH O N O O OH O niebiesko-fioletowe zabarwienie tylko dla aminokwasów z grupą NH 2 (I rz) prolina (II rz) NH żółte zabarwienie COOH 5 6 Chromatograficzne metody rozdzielania i identyfikacji związków organicznych Identyfikacja i oznaczanie substancji. Chromatografia Fizyczna metoda rozdzielania składników mieszaniny między dwie fazy fazę ruchomą i fazę nieruchoma (stacjonarną). Otrzymywanie czystych związków chemicznych (nieodzowne przy określaniu struktury). Elementy układu chromatograficznego wzajemnie ze sobą oddziałują Metody chromatograficzne są najskuteczniejsze w przypadkach zanieczyszczeń domieszkami substancji o bardzo zbliżonych właściwościach chemicznych faza nieruchoma faza ruchoma przykład: rozdzielanie izomerów. 7 substancja 8 2

3 Elementy układu chromatograficznego: faza nieruchoma (stacjonarna) substancja porowata adsorbent (np. żel krzemionkowy, tlenek glinowy, celuloza, różne glinokrzemiany, polimery, itp.), substancja ciekła (np. woda lub związek organiczny naniesiony na nośnik nieaktywny). Poprawne określenia: stała faza stacjonarna, ciekła faza stacjonarna faza ruchoma Ciecz, rozpuszczalnik lub układ rozpuszczalników, poruszający się względem fazy stacjonarnej działaniem sił kapilarnych, na skutek swobodnego przepływu, lub pod ciśnieniem. Ciekła faza ruchoma jest nazywana eluentem. Gaz, wprowadzany pod ciśnieniem. Gazowa faza ruchoma jest nazywana gazem nośnym; Rodzaje chromatografii (podział pod względem techniki wykonania) 1) Chromatografia kolumnowa Chromatografia gazowa (GC) Chromatografia cieczowa (LC) Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC) 2) Chromatografia cienkowarstwowa (TLC) 3) Chromatografia bibułowa (PC) substancja chromatografowana (skladnik rozdzielanej mieszaniny) 9 GC Gas chromatography ; LC Liquid chromatography; HPLC High-performance liquid chromatography; TLC Thin-layer chromatography ; PC - Paper chromatography 10 Przykłady chromatografii Przykłady chromatografii PLANARNA KOLUMNOWA

4 Chromatografia (podział ze względu na mechanizm rozdziału): Chromatografia adsorpcyjna Różnice w siłach adsorpcji składników próbki do powierzchni aktywnej fazy stacjonarnej. Rodzaje chromatografii 1) chromatografia adsorpcyjna 2) chromatografia podziałowa - rozdzielcza 3) chromatografia jonowymienna 4) Chromatografia żelowa 5) chromatografia powinowactwa (afinitywna) inne Chromatografia cienkowarstwowa (TLC) faza ruchoma ciekła faza stacjonarna stała Chromatografia gazowa (GC) faza ruchoma gazowa faza stacjonarna stała 13 TLC Thin-layer chromatography GC Gas chromatography 14 Chromatografia podziałowa (rozdzielcza) Chromatografia podziałowa (rozdzielcza) Różne rozpuszczalności składników próbki w fazie stacjonarnej i w fazie ruchomej chromatografia cieczowa faza ruchoma i stacjonarna ciekłe chromatografia cieczowa (LC, HPLC) faza ruchoma i stacjonarna ciekłe chromatografia gazowa (GC) faza ruchoma gazowa faza stacjonarna ciekła Faza ruchoma - rozpuszczalnik przesuwa się pod wpływem grawitacji LC Liquid chromatography HPLC High-performance liquid chromatography

5 Chromatografia podziałowa GC lub HPLC Chromatografia jonowymienna faza ruchoma wprowadzana pod ciśnieniem faza stacjonarna ciekła; faza ruchoma gazowa lub ciekła Różnice w powinowactwie chemicznym składników rozdzielanej mieszaniny do złoża jonowymiennego - obdarzonego ładunkiem Budowa złoża jonowymiennego Chromatografia jonowymienna grupy funkcyjne A) szkielet polimerowy B) grupy funkcyjne związane z organicznym szkieletem C) przeciwjony przeciwjony Przeciwjony biorą udział w wymianie, a grupy funkcyjne pozostają związane szkielet polimerowy Szkielet polimerowy najczęściej stosuje się żywice jonowymienne lub modyfikowane celulozy. Grupy funkcyjne związane z organicznym szkieletem grupy funkcyjne kationitów mają charakter kwasowy, np.: -SO 3 H, -COOH, -PhOH; grupy funkcyjne anionitów mają charakter zasadowy: np.: -NH 2, -NHR, -NR 3. Przeciwjony - biorą udział w wymianie mają przeciwny ładunek do gr. funkcyjnej. np. przeciwjony w kationitach: H +, Na +, K + itp. przeciwjony w anionitach: OH, Cl, NO 3, CH 3 COO itp

6 Chromatografia jonowymienna Powinowactwo jonów: rośnie ze wzrostem ładunku elektrycznego jonu Chromatografia żelowa Wykorzystanie różnic w wielkości każdego składnika próbki. dla jonów o jednakowym ładunku, powinowactwo Przykład: wzrasta ze wzrostem masy jonu Rozdział białek różniących się masą cząsteczkową Rodzaje wymieniaczy jonowych lub Anionity - wymieniają aniony Kationity - wymieniają kationy Amfolity - wymieniają oba rodzaje jonów w zależności od ph Jony bipolarne - wymieniają i aniony i kationy oddzielanie białek od składników niskocząsteczkowych Chromatografia powinowactwa (afinitywna) Wykorzystanie specyficzności biologicznej każdego składnika próbki rozpuszczonej w fazie ruchomej, powodującej odmienną interakcję z Chromatografia cienkowarstwowa (TLC thin layer chromatography) ligandem związanym z powierzchnią adsorbentu; Rozdzielanie związków organicznych techniką chromatograficzną TLC najprostsze, najszybsze, najtańsze - faza ruchoma roztwór rozwijający - eluent - faza stacjonarna płytka pokryta adsorbentem Analizę wykonuje się - na płaskiej powierzchni, - pod ciśnieniem atmosferycznym, lub pod zwiększonym ciśnieniem - w temperaturze pokojowej

7 Nanoszenie roztworów substancji badanej W technice chromatografii cienkowarstwowej do nanoszenia na płytkę stosujemy rozpuszczalnik, w którym związek najlepiej się rozpuszcza Chromatografia cienkowarstwowa Komora do chromatografii poziomej Położenie plam składników określa się za pomocą współczynnika Rf: Plamki na chromatogramie po rozwinięciu 27 1 płytka chromatograficzna; 2 eluent; 3 pokrywa; 4 podstawa komory 28 7

8 Wynik chromatografii poziomej Wywoływanie chromatogramów - Identyfikacja plamek barwnych związków, - Identyfikacja plamek związków fluoryzujących w świetle UV, - Stosowanie adsorbentów z indykatorem i identyfikacja plamek w świetle UV, - Wizualizacja związków aromatycznych z wiązaniami wielokrotnymi w parach jodu, - Spryskiwanie odczynnikami wywołującymi (np. ninhydryna, FeCl 3, itp), - Działanie manganianem (VII) potasu utlenianie plamek, - Działanie stężonym kwasem siarkowym zesmalenie plamek, - Wypalanie płytek w wysokiej temperaturze, densytogram plamki na płytce Wizualizacja chromatogramów Chromatografia dwukierunkowa

9 Dobór warunków. Rodzaje TLC: Z fazą normalną, faza stacjonarna polarna (np. żel krzemionkowy), faza ruchoma mniej polarna niż faza stacjonarna Powtarzalność wartości Rf aktywność adsorbentu skład eluentu wpływ temperatury (zmiany składu fazy ruchomej, zmiany rozpuszczalności substancji). kondycjonowanie komory - nasycenie komory parami eluentu; stosowanie roztworów mieszanin rozpuszczalników po min od przygotowania; (rozpuszczalnik organiczny lub mieszanina rozpuszczalników) Z odwróconą fazą faza stacjonarna niepolarna Wpływ rozpuszczalnika Szereg eluotropowy wskazuje jak wzrasta siła wymywania eluentu. (np. krzemionka związana z długim łańcuchem reszty organicznej), Kolejność rozpuszczalników zależy od rodzaju adsorbentu. faza ruchoma polarna (mieszanina wody i rozpuszczalnika organicznego) 33 Przykład: Heksan< toluen < chloroform < eter < aceton < alkohole < woda < zasady kwasy 34 Określenie polarności rozpuszczalnika - współczynniki polarności E Szereg eluotropowy rozpuszczalników Rozpuszczalnik Współczynnik E Stała dielektryczna n-pentan 0,00 1,84 Toluen 0,29 2,38 Chloroform ,80 Aceton ,40 Metanol ,60 1- p-toluidyna; 2- p-krezol

10 Obliczanie polarności eluentu: E obl. = x E1 + x E2 +..x En x = ułamek objętościowy Wymogi względem rozpuszczalników stosowanych jako eluenty En = wartość E czystego rozpuszczalnika mają odpowiednie właściwości chemiczne (polarność), Przykład: E1 - chloroform, E2 - metanol są dostępne, niedrogie, są czyste, 25 cm 3 CHCl cm 3 MeOH są nie reaktywne (względem adsorbentu i adsorbatu), E (CHCl 3 ) = 0,40 E (MeOH) = 0,88 odznaczają się średnią lotnością. E obl. = 0,25 x 0,40 + 0,75 x 0,88 = 0,76 E obl. = 0, Chromatografia cienkowarstwowa - rozdział barwników z liści Adsorbenty. Płytki chromatograficzne. Wypełnienie kolumny Podział adsorbentów względem mocy: Aktywność adsorbentów feofityna Słabe: sacharoza, celuloza skrobia talk, węglan sodu Średnie: węglan wapnia tlenek magnezu (nieaktywowany) Silne: silikażel tlenek glinu tlenek magnezu (aktywowany) węgiel aktywowany wzrost aktywności

11 Podział adsorbentów względem polarności: Polarne: SiO 2, Al 2 O 3 Słabo polarne: MgO, CaCO 3 Niepolarne: węgiel aktywowany, talk Podział adsorbentów względem zastosowania: Adsorbent Przykłady zastosowania Tlenek glinowy zasadowy aminy, węglowodory, alkaloidy Tlenek glinowy obojętny aminy, amidy, alkaloidy, glikozydy Podział adsorbentów względem charakteru chemicznego: Kwasowe: SiO 2 Zasadowe: CaO Tlenek glinowy kwasowy Żel krzemionkowy barwniki aminy, kwasy karboksylowe, amidy, węglowodory, inne związki obojętne Amfoteryczne: Al 2 O 3 Obojętne: węgiel aktywowany Najczęściej używany adsorbent żel krzemionkowy SiO2 nh2o Silanizacja (AW DMCS) Modyfikacje żelu krzemionkowego - zastąpienie grup hydroksylowych grupami metylosililowymi 1) przemycie kwasem nośnika; 2) silanizacja dimetylochlorosilanem Si OH O Si OH Cl CH Si O CH Si O Si + 2HCl Cl CH 3 Si O CH 3 43 AW (acid washed) - przemycie kwasem DMCS dimetylochlorosilan lub dimetylodichlorosilan 44 11

12 Modyfikacje żelu krzemionkowego Silanizacja (AW HMDS) - zastąpienie grup hydroksylowych grupami metylosililowymi 1) przemycie kwasem nośnika; 2) silanizacja heksametylodisilazanem Jakim wymaganiom powinny odpowiadać dobre adsorbenty: Selektywność i specyficzność działania; 1 etap Si OH O Si OH + Si O SiMe 3 Me 3 Si-NH-SiMe 3 O + H 2 N-SiMe 3 Si OH Duża pojemność adsorpcyjna i porowatość struktury; Całkowity brak rozpuszczalności w roztworze eluującym; 2 etap Si O O Si OH NH 3 SiMe 3 Si O SiMe 3 + H 2 N-SiMe 3 O + Si O SiMe 3 Brak reaktywności względem eluentu; Brak reaktywności względem adsorbatu (badanego związku). HMDS heksametylodisilazan Fazy ruchome w chromatografii adsorpcyjnej Im silniejsza adsorpcja eluentu na fazie stacjonarnej, tym słabiej adsorbowana jest substancja. Na żelu krzemionkowym (polarna faza stacjonarna) mniej polarny rozpuszczalnik jest silniej adsorbowany ma mniejszą siłę wymywania. Polarniejszy rozpuszczalnik wykaże większą siłę eluowania chromatografowanych związków z polarnego podłoża. Chromatograficzne rozdzielanie pochodnych benzenu. DOBÓR UKŁADU DO CHROMATOGRAFII Związki polarne adsorbują się silniej niż związki niepolarne. Chromatografowanie związków polarnych wymaga stosowania słabszego adsorbentu a polarnego eluentu. Do związków niepolarnych stosujemy silniejsze adsorbenty ale niepolarne eluenty

13 Zależność: Związek adsorbent eluent Siła adsorpcji związków organicznych jest większa im większa jest ich polarność: węglowodory nasycone węglowodory nienasycone, aromatyczne chlorowcopochodne etery aldehydy, ketony, estry amidy alkohole fenole aminy kwasy karboksylowe Stopień adsorpcji rośnie ze wzrostem liczby wiązań wielokrotnych, grup funkcyjnych oraz z liczbą podstawników tego samego rodzaju. Przykład chromatografii cienkowarstwowej Na podstawie przedstawionych niżej wyników chromatografii TLC określ, którą z substancji A, B, C stanowi : kwas m-chlorobenzoesowy, którą o-aminofenol, a którą 2-metoksynaftalen. Narysuj wzory tych związków. Wytłumacz wybór. Zaproponuj schemat rozdziału mieszaniny. Adsorpcja karotenów na tlenku glinu: β-karoten (11 wiązań podwójnych) - najsłabsza adsorpcja γ-karoten (12 wiązań podwójnych) - słabsza adsorpcja likopen (13 wiązań podwójnych) - najsilniejsza adsorpcja

14 Związek naniesiono na płytkę pokrytą silikażelem. Rozwijanie acetonem wynik płytka 1. Rozwijanie cykloheksanem wynik płytka 2. Pytania: Jaki będzie wynik w mieszaninie rozpuszczalników (aceton: cykloheksan 1:1). Jaki będzie wynik gdy zastosujemy płytki pokryte celulozą. Chromatografia kolumnowa - rozdział barwników z liści W technice chromatografii kolumnowej na kolumnę nanosimy mieszaninę związków w jak najmniej polarnym rozpuszczalniku Schemat chromatografu gazowego Gazy nośne dobór Gazy nośne: rodzaj gazu ma mały wpływ na rozdział; Przykłady: wodór, azot, argon, hel, powietrze, itp.; Wybór zależy od rodzaju detektora, dostępności, czystości gazu, ceny; Przygotowanie: wygrzewanie w wysokiej temperaturze, oczyszczanie (osuszanie, odtlenianie) Regulacja natężenia przepływu powtarzalność pomiarów

15 Kolumny chromatograficzne Kolumny pakowane średnica 2-6 mm, długość kilka metrów Kolumny kapilarne średnica 0,2 0,6 mm, długość kilkadziesiąt metrów Kolumny chromatograficzne Kolumny preparatywne średnica > 6 mm, długość kilka metrów Kolumny pakowane obudowa z materiałów nieaktywnych względem wypełnień stal nierdzewna, szkło, niekiedy miedź lub aluminium; napełniane w całej objętości; Kolumny kapilarne kwarcowe lub szklane; faza stacjonarna osadzona na ściankach Adsorbenty i nośniki dla stacjonarnych faz ciekłych Wypełnienia mają wpływ na rozdział! Adsorbenty do chromatografii adsorpcyjnej Wymagania: Powierzchnia jednorodna o jednakowej aktywności. Adsorbenty i nośniki dla stacjonarnych faz ciekłych Wypełnienia mają wpływ na rozdział! Wypełnienia do chromatografii podziałowej: Stacjonarna faza ciekła na nośniku; Przygotowanie: Aktywacja kolumny wygrzewanie w wysokiej temperaturze Nośniki silikażele, Nieorganiczne np. żele krzemionkowe (Corasil, Porasil, Chromosil, itp.) analiza alkanów, alkenów C1-C4, powietrze tlenki węgla wodór; Chromosorby niesilanizowane, polarne (różnią się zdolnościa adsorpcyjną); Chromosorby przemyte kwasem i silanizowane, niepolarne; Polimerowe (np. polarne i niepolarne Porapaki, Chromosorby, Polichromy) analiza gazów i lotnych cieczy o tw do 250 o C; Węglowe (grafityzowane sadze - Carbopaki) analiza związków izomerycznych. 59 Ciekłe fazy stacjonarne gęste, oleiste, mało lotne ciecze; Wymagania odporność termiczna, odporność na działanie gazu nośnego, nieaktywność względem badanych substancji 60 15

16 Stacjonarne fazy ciekłe Fazy stacjonarne Wypełnienia mają wpływ na rozdział! Wypełnienia mają wpływ na rozdział! Ciekłe fazy stacjonarne gęste, oleiste, mało lotne ciecze; Do rozdzielania substancji niepolarnych Przykłady: należy stosować stacjonarną fazę niepolarną. Węglowodory fazy niepolarne, (skwalan, Apiezony) Chromatografowanie substancji niepolarnych, różniących się temperaturą wrzenia: Silikony fazy mało polarne z szerokim zakresem temperatury ( o C) średnio polarne - fluorosilikony eluowane są z kolumny w kolejności temperatur wrzenia (zgodnie z lotnością). polarne - nitrylosilikony; Gdy temperatury wrzenia związków są takie same, a polarność różna, najpierw Poliglikole fazy polimeryczne o różnych masach cząsteczkowych, z kolumny schodzi substancja o większej polarności, jako druga mniej polarna. (Carbowax, PEG) Inne Fazy stacjonarne Charakterystyka polarności faz stacjonarnych Wypełnienia mają wpływ na rozdział! Indeksy retencji McReynoldsa Do rozdzielania substancji polarnych należy stosować stacjonarną fazę polarną. Gdy temperatury wrzenia związków są takie same, a polarność różna, z kolumny polarnej najpierw schodzi substancja o mniejszej polarności, jako druga schodzi substancja bardziej polarna

17 Zadanie W wyniku ogrzewania kwasu propanowego (K) (tw o C; c.; W, A, E) z 1 - butanolem (B) (tw o C) w obecności katalitycznej ilości kwasu siarkowego (VI) otrzymano produkt (E) (tw o C; c.; b.t.r. W; A, E) zanieczyszczony substratami: [5części obj. produktu(e) : 1część obj. substratu (K):1część obj. substratu (B)]. Naszkicuj chromatogram GC dla mieszaniny poreakcyjnej (kolumna polarna). Zadanie W wyniku ogrzewania ze stężonym roztworem HBr alkohol neopentylowy (2,2- dimetylopropanol, tw.113 o C) dał oprócz I rzędowego bromku neopentylu (tw.105 o C) jeszcze dwa produkty A (tw. 109 o C) i B (tw. 38 o C). Mieszaninę poreakcyjną badano metodą chromatografii gazowej. Na chromatogramie oprócz pików produktów stwierdzono obecność piku substratu. Przedstaw schemat reakcji. Naszkicuj chromatogram jaki otrzymano stosując kolumnę z wypełnieniem polarnym. a? jednostki czasu 66 Wpływ temperatury kolumny na rozdział chromatograficzny Dobór temperatury kolumny zależy od: temperatur wrzenia (lotności) rozdzielanych związków, Wpływ temperatury kolumny na rozdział chromatograficzny rodzaju wypełnienia; Chromatografia podziałowa (ciekła faza stacjonarna) Chromatografia izotermiczna Temperatura kolumny niższa od t.w. składników Temperatury składników różnią się 20 o 30 o C stała temperatura kolumny Chromatografia adsorpcyjna (stała faza stacjonarna) Temperatura kolumny wyższa od t.w. składników równomierny rozkład pików

18 Wpływ temperatury kolumny na rozdział chromatograficzny Ogólna zasada: Zbytnie podwyższenie temperatury pogarsza rozdział (niektóre składniki nie ulegną rozdziałowi dają jeden pik); Zbytnie obniżenie temperatury powoduje poszerzenie i niesymetryczność pików ogonowanie pików, (rozmycie pików spowoduje niewykrycie małych ilości związku) Programowanie temperatury kolumny Programowanie temperatury kolumny

19 a) b) c) 20s 40s 60s d) 10min Zadanie Metodą chromatografii gazowej analizowano następującą mieszaninę. Temperatury wrzenia tych związków zawierają się w granicach O C. 1. kwas propionowy, 2. cyklopentanol 3. kwas akrylowy, 4. Acetyloaceton Analizę prowadzono na kolumnie polarnej, zmieniając temperaturę kolumny: 40 O C, 80 O C, 100 O C, 150 O C. Wskaż najlepszy chromatogram w jakiej temperaturze prowadzono tę analizę. Dopasuj pasma do każdego związku. Chromatografia gazowa Względne czasy retencji składników mieszaniny można zmienić przez zmianę temperatury kolumny lub zmianę polarności fazy nieruchomej Wielkości charakteryzujące rozdział Stała podziału określa podział substancji między dwie fazy K = C st C rm Czas retencji określa czas od wprowadzenia substancji do chwili pojawienia się maksimum stężenia t L R = (1+ k) u * 75 C st stężenie w fazie stacjonarnej C rm stężenie w fazie ruchomej L długość kolumny u prędkość przepływu gazu nośnego k współczynnik podziału 76 19

20 Wielkości charakteryzujące rozdział Wielkości charakteryzujące rozdział Współczynnik retencji k = k = t R t M = t M Współczynnik selektywności,,, t R t M t R1 k 1, α = = t > t k 2 t R2 liczba moli substancji w fazie stacjonarnej liczba moli substancji w fazie ruchomej R2, R1 wskazanie detektora Rozdzielczość miara skuteczności rozdzielenia składników R = S 2 x t R1 w t + w R2 1 2 t R zredukowany czas retencji t M zerowy czas retencji 77 czas 78 Wielkości retencyjne Indeks retencji I X Indeks retencji I X substancji X wykorzystuje liniową zależność: log t r = ƒ(liczba atomów węgla w n-alkanach) Indeks retencji I X Kovatsa 79 20