La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU) Modulo:

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU) Modulo:"— Transcript della presentazione:

1 L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU) Modulo: Chimica analitica strumentale (4 CFU) Giorgio Bonaga GASCROMATOGRAFIA (CAS-3b) Giorgio Bonaga

2 b) LIQUIDO DI PARTIZIONE Le caratteristiche che dovrebbe avere il liquido di partizione ideale sono: bassa tensione di vapore (< 0,1 torr = 10 Pascal) per evitare lo spurgo ( bleeding ) del liquido di partizione sul detector che produrrebbe un rapporto signal/noise sfavorevole (il problema non cè se si impiegano colonne a fasi legate e/o a legami reticolati); stabilità termica alle temperature di esercizio della colonna; inerzia chimica perché il liquido deve interagir e con i soluti e non reagire ; proprietà solvente nei confronti dei soluti, per fornire appropriati valori del fattore di capacità k e del fattore di selettività Nella GC è fondamentale la scelta del sistema soluto/liquido di partizione, per la validità del principio generale il simile scioglie il simile. È pertanto utile una classificazione dei soluti e dei liquidi di partizione in base alla loro polarità. Sebbene abbia valore soltanto indicativo, lelenco è utile per razionalizzare laccoppiamento polarità dei soluti/polarità del liquido di partizione (1. molto polare/molto polare, 2. polare/polare, 3. poco polare/ moderatamente polare, 4. non polare/non polare ). Giorgio Bonaga

3 RICHIAMO DI CHIMICA PREVISIONE DELLA POLARITA DELLE MOLECOLE PREMESSA: la polarità dei legami dipende dalla differenza di elettronegatività ( E, secondo Pauling) degli atomi che li formano: 1. Legame ionico La perdita di un (o più) elettrone da parte di un atomo e il corrispondente acquisto di un (o più) elettrone da parte dellaltro atomo ( E > 1,5, pari ad una % di carattere ionico > 50%) produce una coppia di controioni che si attraggono nel rispetto della legge di Coulomb. - d + F = ± k q +. q - d 2 (k = costante dielettrica, dipende dalla densità del mezzo che separa le cariche) k Giorgio Bonaga

4 2. Legame covalente non polare Tra due atomi uguali o tra due atomi con E < 0,4 si forma un orbitale molecolare simmetrico (o quasi simmetrico) con distribuzione uniforme della densità elettronica Legame covalente polare Tra due atomi diversi con 1,5 > E > 0,4 si forma un orbitale molecolare asimmetrico con separazione del baricentro delle cariche positive ( + ) dal baricentro delle cariche negative ( - ). Giorgio Bonaga

5 La polarità delle molecole dipende dalla risultante della polarità dei singoli legami presenti nella molecola, ovvero dalla combinazione tra la polarità dei legami e la simmetria molecolare. La polarità della molecola si esprime con il momento dipolare (in Debye = 3, coulomb. m), cioè con un vettore il cui modulo è: = +. r dove: + = valore della carica (parziale) r = distanza tra il baricentro delle cariche parziali positive e delle cariche parziali negative Una MOLECOLA E POLARE se le separazioni dei baricentri delle cariche elettriche NON SONO BILANCIATE. Una MOLECOLA E NON POLARE se i suoi legami NON SONO POLARI o se le separazioni dei baricentri delle cariche elettriche SONO BILANCIATE. + - r Giorgio Bonaga

6 PROCEDURA PER LA PREVISIONE DELLA POLARITA DELLE MOLECOLE Step 1 Scrivere le ragionevole formula di Lewis della molecola (stereochimica e stereoelettronica) Step 2 Identificare di ciascun legame il carattere polare ( E > 0,4 < 1,5 tra gli atomi ) o il carattere non polare ( E < 0,4 tra gli atomi) se non ci sono legami polari la MOLECOLA E NON POLARE se ci sono legami polari passare allo Step 3 Step 3 Se cè una solo atomo centrale, esaminare gli elettroni che lo circondano: se non ci sono coppie di elettroni di non legame sullatomo centrale e se tutti i legami dellatomo centrale sono uguali, la MOLECOLA E NON POLARE se latomo centrale ha almeno una coppia di elettroni di non legame e se gli atomi o i gruppi legati allatomo centrale non sono tutti uguali, con elevata probabilità la MOLECOLA E POLARE. Passare allo Step 4. Step 4 Disegnare la geometria della molecola Giorgio Bonaga

7 Step 5 Determinare la simmetria della molecola usando i seguenti criteri: rappresentare i legami polari con una freccia vettoriale puntata verso latomo più elettronegativo, con una lunghezza proporzionale alle polarità relative dei differenti legami valutare se la disposizione delle frecce è simmetrica o asimmetrica: se la disposizione è simmetrica e le frecce sono di uguale lunghezza, la MOLECOLA E NON POLARE se le frecce sono di differente lunghezza e se non si bilanciano tra loro (con il parallelogrammo delle forze, ad esempio) la MOLECOLA E POLARE se la disposizione è asimmetrica, la MOLECOLA E POLARE ESEMPI Adottando la procedura appena illustrata prevediamo la polarità di: 1.biossido di carbonio 2.acqua 3.tetracloruro di carbonio 4.triclorofluorometano 5.diclorometano 6.acido cianidrico Giorgio Bonaga

8 1. BIOSSIDO DI CARBONIO (CO 2 ) O C O.. 2,55 3,44 E(O-C) = 0,89 O C O O H.. E(O-H) = 1,24 3,44 2,20 O H ACQUA (H 2 O) 3. TETRACLORURO DI CARBONIO (CCl 4 ) Cl C Cl C Cl E(Cl-C) = 0, ,16 2,55 Giorgio Bonaga

9 - 4. TRICLOROFLUOROMETANO (CFCl 3 ) F C Cl F C Cl E(Cl-C) = 0,61 E(F-C) = 1, Cl C H Cl H C H Cl H E(C-H) = 0,35 E(Cl-C) = 0, DICLOROMETANO (CH 2 Cl 2 ) 3,98 2,55 3,16 2,55 3,16 6. CIANURO DI IDROGENO (HCN) H C N 2,55 3,50 2,20.. E(C-H) = 0,35 E(N-C) = 0,95 H C N.. Giorgio Bonaga

10 Giorgio Bonaga CLASSIFICAZIONE DEI SOLUTI formulanote CLASSE I – MOLTO POLARI ( > 1,85) nitrili4,00RCN butilmercaptano acetonitrile3,92CH 3 COCN - dialchilammidi3,72RCONR 2 N-dimetilacetammide nitroderivati3,50RNO 2 nitropropano idrossiacidi3,00HORCOOH acido idrossiacetico alcoli2,87ROH metanolo chetoni2,70RCOR acetone amminoalcoli2,50H 2 NROH amminoetanolo idrocarburi monoalogenati2,00RX cloruro di butile esteri carbossilici1,88RCOOR acetato di etile aldeidi1,85RCHO butanale acqua1,85 - CLASSE II – POLARI ( = 1,80–1,40) glicoli1,80HORCN glicoletilenico acidi carbossilici1,74RCOOH acido pentanoico idrocarburi polialogenati1,54RX n 1,4-diclorobutano ammoniaca1,47NH 3 - fenoli1,45 OH fenolo

11 Giorgio Bonaga CLASSIFICAZIONE DEI SOLUTI formulanote CLASSE III – POCO POLARI ( = 1,30-0,30) ammine primarie1,24RNH 2 butilammina idrazina1,18H 2 NNH 2 - eteri1,15ROR etere etilico cloroformio1,15CHCl 3 - diclorometano1,14 CH 2 Cl 2 - ammine secondarie1,03R 2 NH dimetilammina ammine terziarie0,67R3NR3N trimetilammina diossano0,45 C4H8O2C4H8O2 - idrocarburi olefinici0,35CnHnCnHn - idrocarburi aromatici0,30C n H 2n-2 - CLASSE IV – NON POLARI ( = 0) benzene0C6H6C6H6 - cicloesano0C 6 H 12 - idrocarburi paraffinici0C n H 2n+2 - solfuro di carbonio0CS 2 - tetraclorometano0CCl 4 -

12 CRITERI GENERALI PER STABILIRE LA POLARITA DEI POLISILOSSANI (SILICONI: XE, XF, OV, SE, HP) polarità del liquido di partizione nm polisilossano cianopropil- fenil- trifluoropropil- CF 3 CH 2 CH 2 metil- Giorgio Bonaga

13 POLARITA DEI LIQUIDI DI PARTIZIONE Giorgio Bonaga LIQUIDI DI PARTIZIONE RANGE TERMICO (bonded e/o cross linked) MOLTO POLARI SUPELCOWAX 10 (polietilenglicole)20 – 250°C DEGS (dietilenglicole succinato)20 – 250°C DB 23 (50% cianopropil/50% dimetilpolisilossano)20 – 250°C POLARI FFAP (polietilenglicole, modificato acido)40 – 300°C OV 225 (25%fenil/25% cianopropil/50% dimetilpolisilossano)40 – 300°C OV 210 (50% trifluoropropil/50% dimetilpolisilossano)40 – 300°C XE 60 (25% cianoetil/75% dimetilpolisilossano)40 – 300°C XF 1150 (50% cianoetil/50% dimetilpolisilossano)40 – 300°C MODERATAMENTE POLARI OV 1701 (50% fenil/50% dimetilpolisilossano)40 – 300°C SE 54 (5% fenil/95% dimetilpolisilossano)40 – 300°C NON POLARI OV 1 (100% dimetilpolisilossano)- 60 – 350°C SE 30 (100% dimetilpolisilossano)- 60 – 350°C HP 1 (100% dimetilpolisilossano)- 60 – 350°C SQUALANO (C 30 H 62 ) non bonded150°C

14 Giorgio Bonaga VALUTAZIONE DEL LIQUIDO DI PARTIZIONE 1. INDICE DI RITENZIONE DI KOVATS Dal momento che il fattore di capacità k è un parametro che dipende da numerosi fattori (tipo di liquido di partizione, loading, temperatura, ecc.), esso è valido soltanto se si riproducono le stesse condizioni con le quali è stato calcolato, eventualità che a volte non è possibile. Questa difficoltà oggettiva può essere superata introducendo una scala relativa dei tempi di ritenzione, mediante la quale si possono confrontare i valori di k ottenuti in condizioni gascromatografiche diverse. Questa scala convenzionale, che non si basa sui t R effettivi di una serie omologa di n -paraffine, si ottiene moltiplicando per 100 il numero di atomi di carbonio di ciascuna di esse RI C2:0 C3:0 C4:0 C5:0 C6: t R

15 Giorgio Bonaga La scala convenzionale è la scala degli indici di Kovats (I). Una sostanza con I = 450 ha un comportamento gascromatografico corrispondente (in modo convenzionale) ad una struttura idrocarburica con un numero frazionato (= 4,5) di atomi di carbonio. Se si cambiassero tutti i parametri gascromatografici (lunghezza colonna, temperatura, flusso, ecc.), mantenendo però la stessa fase stazionaria, i t R effettivi della serie di n -paraffine sarebbero completamente diversi da quelli precedenti. Se, però si assegnano alle n -paraffine i valori convenzionali 300, 400, 500, ecc., anche la sostanza avrebbe l indice di ritenzione precedente. Il valore dellindice di ritenzione di Kovats per una sostanza A si ricava dai tempi di ritenzione corretti t R (= t R –t 0 ) dei due idrocarburi omologhi (x e x+1) e della sostanza A: I = 100. x Esiste una relazione logaritmico-lineare tra il t R e il numero di atomi di carbonio dei membri di una serie omologa, come si può verificare nel diagramma su carta semilogaritmica per la serie degli n -alcani (retta A) e la serie degli n -alcoli (retta B). log t R(A) – log t R(x) log t R(x+1) – log t R(x)

16 Giorgio Bonaga numero di atomi di carbonio log t R A B

17 Giorgio Bonaga t R (s) 1,2 6,1 9,4 12,9 propano 16,2 n -butano 25,0 29,8 33,1 unknow 20,6 t0t0 I (unknow) = , = 356 log (20,6-1,2) – log (16,2-1,2) log (25,0-1,2) – log (16,2-1,2) ESEMPIO Lanalisi GC ha fornito il tracciato seguente, con indicati i tempi di ritenzione dei picchi. Qual è lindice I della sostanza incognita ?

18 Giorgio Bonaga Lindice di Kovats è utile anche per determinare la polarità relativa di 2 fasi stazionarie diverse, attraverso il calcolo della I di una sostanza A (ad esempio n -ottanolo) nei due gascromatogrammi (vedere costanti di Mc Reynolds) x A x COLONNA 1 I = 850 COLONNA 2 I = 825 I = = -25 La colonna 2 è meno polare della colonna 1 e il n -ottanolo (A) è meno trattenuto dalla fase stazionaria.

19 Giorgio Bonaga I = = +25 La colonna 2 è più polare della colonna 1 e il n -ottanolo (A) è più trattenuto dalla fase stazionaria x A x+1 COLONNA 1 I = 850 COLONNA 2 I = 875

20 2. COSTANTI DI MCREYNOLDS Poiché nella GC il gas di trasporto non partecipa al processo di partizione, le differenze nella ritenzione dipendono dalle solubilità relative dei composti nella fase stazionaria liquida. Nella scelta della fase stazionaria la regola più semplice è che simile scioglie simile. La polarità e la selettività delle fasi stazionarie verso specifici gruppi funzionali presenti nelle molecole dei soluti possono essere valutate confrontandole con composti standard che contengano gli stessi gruppi funzionali. Il modello più usato è quello delle costanti di Rohschneider-McReynolds, dette più comunemente costanti di McReynolds, che si basa sul confronto ( ) dellindice di Kovats di un composto standard su una certa fase stazionaria con lindice di Kovats dello stesso composto su una fase stazionaria di riferimento non polare, lo squalano (C 30 H 62 ). Il dato fondamentale fornito dalle costanti di McReynolds è: tanto più elevate sono le costanti di McReynolds tanto maggiori saranno i tempi di ritenzione dei composti, ovvero tanto maggiore è la polarità della fase stazionaria. Giorgio Bonaga

21 Dei 10 composti standard impiegati originariamente per determinare le costanti di McReynolds, oggi si utilizzano soltanto quelli di seguito riportati: ESEMPIO Giorgio Bonaga SIMBOLOCOMPOSTO INDICEINTERAZIONI/CLASSI DI COMPOSTI xbenzene intermolecolari: C 6 H 5 -, C n H 2n y n -butanolo elettrofile: R-OH, R-COOH, R-CN, R-X z2-pentanone nucleofile: R 2 CO, R-O-R, RCHO, RCOOR, (CH 3 ) 2 N - unitropropano specifiche: - NO 2, - CN spiridina specifiche: basi aromatiche FASE benzenen-butanolo2-pentanonenitropropanopiridina squalano (I) dimetilipolisilossano (I) dimetilipolisilossano ( I) 15 (x) 53 (y) 44 (z) 64 (u) 41 (s)

22 Giorgio Bonaga FASE STAZIONARIA LIQUIDA xyzus Σ squalano dimetilpolisilossano (SE 30) %fenil/90%metilpolisilossano (OV 3) %fenil/50%metilpolisilossano (OV 17) %trifluoropropil/50%metilpolisilossano (OV 210) %fenil/25%cianopropil/50%metilpolisilossano (OV 225) polietilenglicole succinato (PEGS) Più elevato è il valore della somma delle costanti di Mc Reynolds tanto più elevata è la polarità della fase liquida e maggiori saranno i tempi di ritenzione dei cinque composti standard. ESEMPIO D: Quale fase stazionaria di quelle elencate è più idonea a trattenere maggiormente i chetoni rispetto gli alcoli ? R: Quella che ha un valore elevato di z e basso di y, valori deducibili dalla tabella precedente e corrispondenti alla OV 210.

23 Giorgio Bonaga 3. NUMERO DI SEPARAZIONE È una parametro che caratterizza la risoluzione di una colonna gascromatografica. Il numero di separazione ( Separation Number = SN) indica il numero di picchi gascromatografici che possono collocarsi tra i picchi di due composti consecutivi di una serie omologa con x e x+1 atomi di carbonio, ad una risoluzione prestabilita R = 1,177 (la risoluzione nella quale la sovrapposizione dei 2 picchi è < 1%). Il valore di SN si calcola in base alla formula: R = 1,177 x x +1 w 1/2(x) w 1/2(x+1) w 1/2(x) w 1/2(x+1) t R(x+1) t R(x) SN =

24 Giorgio Bonaga t R t R R = 1,5 SN = 0 R = 3 SN = 1 R = 4,5 SN = 2 R = 6 SN = SN = - 1 = SN = - 1 = SN = - 1 = SN = - 1 = 3 -

25 Giorgio Bonaga Il numero di separazione SN fornisce informazioni sullattività del supporto nella cromatografia di adsorbimento e sullo spessore della fase stazionaria nella cromatografia di partizione. Si può anche definire la risoluzione R come il numero di picchi che possono stare nello spazio compreso tra i due picchi successivi di una serie omologa. Il SN è anche correlato allefficienza della colonna dallequazione: Lequazione consente anche di calcolare, per un valore già calcolato di SN, il numero di piatti teorici necessari per separare 2 picchi che hanno una certa selettività. ESEMPIO Una colonna ha un SN = 2. Qual è il numero di piatti teorici che deve avere la colonna per separare due sostanze con selettività = 1,1 ? SN = 0,425 N = 0,425 N + 1 = N = 50 2 = 2500 N 22

26 4.TEST DI GROB Consente di valutare lefficienza di una colonna gascromatografica capillare e di caratterizzare alcuni parametri ( assorbimento, acidità/basicità, spessore liquido di partizione ). La soluzione test è una miscela di 13 componenti a concentrazioni note. COMPONENTE CARATTERE COLONNA mg soluto / 20 ml SOLVENTE SOLVENTE n -decano non polare 172 n- esano n- undecano174 n- esano n -dodecano176 n- esano decanoato di metile polare 242 n- esano undecanoato di metile236 n- esano dodecanoato di metile230 n- esano 1-ottanolo adsorbimento per legami a H 222 n- esano 2,3-butandiolo380cloroformio 2,6-dimetilanilina acido 205 n- esano dicicloesilammina204 n- esano acido 2-etilesanoico basico 242 n- esano 2,6-dimetilfenolo194 n- esano nonanalespecifico aldeidi250 n- esano Giorgio Bonaga

27 1. n -decano 2. n -undecano 3. n -dodecano 7. 1-ottanolo 4. decanoato di metile 5. undecanoato di metile 6. dodecanoato di metile 8. 2,3-butandiolo13. nonanale 9. 2,6-dimetilanilina 10. dicicloesilammina 11. acido 2-etilesanoico 12. 2,6-dimetilfenolo

28 Prima dellanalisi GC la soluzione deve essere diluita e il gascromatogramma deve essere ottenuto con una programmazione della temperatura che dipende dalla lunghezza della colonna e dal gas di trasporto impiegato, condizioni alle quali il metano deve possedere i t R riportati nella tabella: La composizione della miscela è tale per cui gli apici dei primi 6 composti devono collocarsi su ununica curva. Giorgio Bonaga LUNGHEZZA COLONNA (metri) ELIOIDROGENO t R metano (secondi) GRADIENTE TEMPERATURA (°C/min) t R metano (secondi) GRADIENTE TEMPERATURA (°C/min) 10352,50205, ,65303, ,25402, ,84601, ,63801, ,501001,0

29 Giorgio Bonaga °C SN 3 40°C (1,65°C/min) 11 TEST DI GROB (colonna di 15 metri, carrier gas: elio, t R metano = 53) picco 8 = 30% picco 7 = 86% picco 13 = 97% picco 12 = 77% picco 9 = 88% picco 10 = 97%

30 PROCEDURA TEST DI GROB 1.raffreddare la colonna al di sotto di 40°C; 2.regolare la velocità di flusso del carrier gas in modo da ottenere i t R del metano riportati nella tabella; 3.impostare il gradiente di temperatura in base ai dati della tabella; 4.portare la colonna alla temperatura iniziale di 40°C; 5.iniettare la soluzione in modo che vengano introdotti circa 2,0 ng di ciascun componente; 6.far partire immediatamente dopo il programma della temperatura in base ai gradienti riportati in tabella; 7.dopo aver ottenuto il gascromatogramma, tracciare la curva che collega gli apici dei primi 6 componenti; 8.calcolare laltezza dei picchi degli altri 7 componenti come percentuale della distanza tra la linea di base e la curva tracciata precedentemente; 9.determinare il SN per le coppie di picchi 4/5 e 5/6 i calcolare il valore medio; 10.calcolare per interpolazione la temperatura corrispondente alluscita del picco 6 (dodecanoato di metile), che deve essere compresa tra 110 e 140°C. In base a un nomogramma (*) disponibile nel kit del test di Grob. Questo dato consente di calcolare lo spessore di film liquido ( film thickness ). ___________________________________________________________________ (*) rappresentazione grafica di una funzione a più variabili. Giorgio Bonaga

31 PREPARAZIONE DELLE COLONNE COLONNE IMPACCATE Il supporto solido inerte viene sospeso in un eccesso di soluzione di fase liquida (ogni liquido di partizione ha il suo solvente idoneo in funzione della sua polarità: acetone, cloroformio, diclorometano, metanolo, acqua ). Dopo decantazione il residuo (fase stazionaria con un loading di fase liquida compresa tra 0,5-30%) viene desolventato in stufa. Il tubo vuoto di vetro spiralizzato (spire da cm), in aspirazione, viene lavato con acido nitrico (10%), acqua e acetone, poi riscaldato per eliminare le tracce di solventi. Allestremità distale viene chiuso con lana di vetro e collegato ad una bevuta (trappola) collegata alla pompa da vuoto. In aspirazione si versa la fase stazionaria nel tubo di vetro, favorendo limpaccamento tramite vibrazione meccanica del tubo (lintensità della vibrazione dipende dalla granulometria della fase stazionaria e dal grado di impaccamento che si vuole ottenere). Si chiude anche lestremità prossimale della colonna, già impaccata, con lana di vetro. Prima delluso si opera il condizionamento della colonna, ovvero si eliminano le tracce di solvente facendo fluire gas inerte alla temperatura massima del liquido di partizione per ore. Giorgio Bonaga

32 vuoto vibratore Giorgio Bonaga

33 COLONNE CAPILLARI WCOT Il tubo vuoto di silice spiralizzato (spire da cm) viene pulito/attivato ( leaching ) con HCl, per eliminare dalla superficie interna le impurezze della silice (sodio e metalli di transizione) e per trasformare i gruppi silossanici in gruppi silanolici, che successivamente verranno silanizzati. Il trattamento di leaching rende rugosa la parte superficiale della parete interna della silice e la superficie così preparata viene ricoperta ( coated ) dal liquido di partizione, in due diverse modalità: RICOPRIMENTO DINAMICO Il tubo, sotto vuoto, viene riempito per circa ¼ della sua lunghezza con una soluzione (10% in peso) del liquido di partizione sciolto in solvente basso- bollente. La soluzione, sotto la spinta di un gas inerte, si deposita sulla superficie interna del tubo come un velo e, in seguito allevaporazione del solvente ad opera del gas, rimane soltanto un film di liquido di partizione. Se il velo di soluzione rischia di essere eccessivo, si può immettere nel tubo una piccola quantità di mercurio dopo lintroduzione della soluzione e prima dellimmissione del gas inerte. Il mercurio ha una tensione superficiale così elevata che riduce lo spessore del velo di soluzione e pertanto anche lo spessore di liquido di partizione ( film thickness, espresso in m) Giorgio Bonaga

34 RICOPRIMENTO STATICO Il tubo viene riempito con una soluzione (0,3-1,0% in peso) del liquido di partizione sciolto in solvente basso-bollente. Operando sotto vuoto si ha una lenta evaporazione del solvente e linterfaccia gas/soluzione migra lungo il tubo, con deposizione del film di liquido di partizione sulla superficie interna del tubo. Lo spessore del film liquido, ovviamente, dipende dalla concentrazione della soluzione utilizzata. Giorgio Bonaga

35 COLONNE CAPILLARI SCOT Sulla parete interna del tubo vuoto di silice spiralizzato (spire di cm) viene creato uno strato poroso immettendo uno soluzione di idrossido di bario, seguita da un flusso di anidride carbonica. Avviene la reazione: Ba(OH) 2 + CO 2 BaCO 3 + H 2 O il carbonato di bario si deposita sottoforma di microcristalli sui quali si depositerà il film di liquido di partizione della soluzione immessa successivamente. Con le SCOT si raggiungono due obiettivi: maggiore superficie attiva alla ripartizione, a parità di film thickness (più elevato fattore di capacità k, quindi migliore risoluzione); più rapido (pseudo)equilibrio di partizione (riduzione dei t R, quindi minor allargamento dei picchi e, in conclusione, migliore risoluzione). Giorgio Bonaga

36 COLONNE CAPILLARI PLOT Sulla parete interna del tubo vuoto di silice spiralizzato (spire di cm) viene creato uno strato poroso immettendo uno soluzione di acido fluoridrico. Avviene la reazione: 4 HF + SiO 2 SiF H 2 O che corrode la silice per effetto della formazione di tetrafluoruro di silicio (volatile). La superficie interna possiede ora una porosità sulla quale la soluzione di liquido di partizione, immessa successivamente, deposita il film thickness. Giorgio Bonaga

37 COLONNE CAPILLARI A FASE LEGATA E A LEGAMI RETICOLARI Per dare maggiore stabilità termica al liquido di partizione, ovvero per evitare il fenomeno dello spurgo ( bleed ) di liquido durante le eluizioni (che riduce la durata della colonna e peggiora il rapporto signal/noise ), si può ancorare la fase liquida in 2 modi (sovente con entrambi). 1. FASE LEGATA ( bonded phase ) Si impiegano delle sostanze (spesso coperte da segreto industriale) che sono in grado di formare dei legami chimici tra la superficie della silice e uno strato monomolecolare di liquido di partizione XXX silice strato monomolecolare di liquido di partizione Giorgio Bonaga

38 2. LEGAMI RETICOLATI ( cross-linked phase ) La reticolazione viene fatta per step: nel liquido di partizione si incorporano dei perossidi (R-O-O-R); si procede al rivestimento della superficie interna della silice con il liquido di partizione modificato chimicamente; si espone la colonna a radiazioni per decomporre i perossidi, i cui corrispondenti radicali liberi estraggono atomi di idrogeno ai gruppi metilici del liquido di partizione con formazione di legami C-C reticolati. CH 2 raggi R-O-O-R R-O O-R H HH-O-RR-O-H Giorgio Bonaga

39 COLONNE CAPILLARI CHIRALI Per separare degli isomeri ottici (enantiomeri = immagini speculari non sovrapponibili) si fa reagire la miscela racemica con un reagente otticamente attivo, in modo da produrre una coppia di diasteroisomeri separabili con una colonna non chirale. specchio R + + R R-R + R-S S coppia di enantiomeri (proprietà chimico-fisiche identiche) coppia di diasteroisomeri (proprietà chimico-fisiche diverse) R (ectus) S (sinister) Giorgio Bonaga

40 Da alcuni anni, però, sono a disposizione delle colonne preparate con liquidi di partizione chirali (a base di amminoacidi, -destrina, ecc.). La separazione dei due enantiomeri è dovuta al fatto che le interazioni soluto/liquido di partizione si realizzano soltanto per lenantiomero del soluto otticamente omologo con quello della fase stazionaria. Limpiego delle colonne chirali è, negli ultimi anni, in rapida diffusione. * * S S -destrina Giorgio Bonaga S R

41 3. FASE MOBILE Nella GC è un gas inerte che svolge la funzione di trascinamento dei soluti, senza partecipare al processo di partizione, sebbene attraverso la diffusione longitudinale (B/ v ) il gas influisca sulla risoluzione (fattore di efficienza). Per minimizzare la diffusione longitudinale, la fase mobile dovrebbe possedere una densità (o una viscosità) elevata. Ricordando che la densità d è il peso (in grammi) dellunità di volume di gas (in cm 3 ) e che il volume molare (volume occupato da una mole) di qualsiasi gas è sempre uguale a 22,414 (litri): d = [ = ] 22,414 La densità dei 4 gas inerti (i pesi molari sono approssimati) utilizzati in GC sono: H 2 = 2/22,414 = 0, g/cm 3 He = 4/22,414 = 0,178 N 2 = 28/22,414 = 1,250 Ar = 40/22,414 = 1,780 d Giorgio Bonaga F. l A. v peso mole

42 La scelta della fase mobile è però da mettere in relazione a 5 fattori: 1. densità per ridurre la diffusione longitudinale lordine di idoneità dei gas inerti è inversa rispetto la densità (viscosità) dei gas: Ar > N 2 > He > H 2 2. fattore di efficienza (HETP) a valori molto bassi della velocità lineare media di flusso ( v ), lordine di idoneità può essere desunto dai diagrammi di Van Deemter per ciascun gas inerte: N 2 > He > H 2, ma in considerazione del fatto che per valori v leggermente superiori (scelti abitualmente per ridurre i t R ) la situazione si inverte, lordine reale è: H 2 > He > N 2 v (cm/s) Van Deemter Plot azoto elio idrogeno HETP ( m) Giorgio Bonaga

43 3. pressione in colonna con colonne lunghe e a temperature di esercizio basse, la pressione in colonna si ottiene con una facilità inversamente proporzionale alla densità del gas inerte e pertanto lordine di idoneità è: H 2 > He > N 2 > Ar 4. tipo di detector è forse il fattore più importante, perché la sensibilità del rivelatore è condizionata dal tipo di gas di trasporto impiegato. Ad esempio, confrontando i valori di conducibilità termica ( la quantità di calore trasferita nellunità di tempo in un tratto unitario, a causa di un gradiente di temperatura ) dei gas inerti: conducibilità termica ( ) (W/cm°K) W (watt) = joules/sec °K = gradi Kelvin = °C H 2 = 18, He = 15, N 2 = 2, Ar = 1, È evidente che per un TCD ( Thermal Conductively Detector ) il gas più idoneo è quello che ha una molto diversa da quella dei soluti (per i soluti organici 2, ). In questo caso lordine di idoneità è: H 2 > He > N 2 > Ar Giorgio Bonaga

44 5. reattività e sicurezza il gas di trasporto non deve reagire con i soluti e non deve essere pericoloso; in accordo con questi criteri lordine di priorità dei gas tradizionalmente impiegati in GC è : He > N 2 > H 2 (infiammabile, esplosivo). NOTA Le conclusioni non convergenti a favore di un gas o di un altro, che sono emerse nella illustrazione di questi 5 fattori, fotografano la situazione reale legata alla scelta del gas di trasporto. La risposta più ragionevole è: … dipende. La scelta del carrier gas dipende dalla colonna (lunghezza, diametro interno, rapporto, ecc.), ma anche dalla temperatura, dalliniettore e dal rivelatore scelti in base alla natura dei soluti che costituiscono la miscela da analizzare. Nonostante queste considerazioni si può concludere che, statisticamente, il gas di trasporto più utilizzato nella gascromatografia con colonne capillari è l elio. Giorgio Bonaga

45 4. TEMPERATURA (T) In generale, tanto minore è la temperatura tanto più il soluto tende a ripartirsi nella fase liquida, per effetto della diminuzione della sua tensione di vapore. E viceversa. Ricordando che k = K d. La costante termodinamica di ripartizione K d, che condiziona sia il t R che il k, dipende dal diametro della colonna e dal volume di fase liquida che impregna il supporto inerte (colonne impaccate) o che riveste la parete interna del tubo (colonne capillari), cioè dal rapporto di fase. Ma la K d (come tutte le costanti di equilibrio) dipende anche da una variabile di stato: la temperatura. Lequazione è: log K d = a + b T c dove: a, b = costanti T c = temperatura della colonna Il diagramma dellequazione (in cui sono trascurati le costanti a e b) mostra la diminuzione esponenziale di K d (e quindi di k e di t R ) allaumentare della temperatura. Giorgio Bonaga

46 K d (k, t R ) TcTc Giorgio Bonaga

47 Per comprendere leffetto che la temperatura esercita sui parametri gascromatografici occorre ricordare quali sono i tipi di legami intramolecolari, confrontati con quelli interatomici di natura covalente e di natura ionica. Tipo di interazione Raggio (r) Energia (kJ/mol) atomo/atomolegame covalente ione/ionelegame ionicor ione/specie neutra ione/dipolo permanente r ione/dipolo indotto specie neutra/specie neutra (van der Waals) legame a idrogeno-4-40 dipolo istantaneo/dipolo indotto r dipolo permanente/dipolo permanente0,5-15 dipolo permanente/dipolo indotto0,4-4

48 Dunque, in termini molecolari bisogna spiegare quale influenza esercita la temperatura sulle interazioni soluti/fase liquida. Le interazioni tra le molecole neutre sono le forze di van der Waals (forze di London, Debye, Keesom, legami a idrogeno), quelle tra ione e specie neutra sono ione/dipolo permanente e ione/dipolo indotto, quelle tra ioni sono i legami ionici. 1. interazioni dipolo istantaneo/dipolo indotto (forze di dispersione di London): dovute allinduzione tra molecole non polari. Indipendenti dalla T + - Giorgio Bonaga interazioni dipolo permanente/dipolo indotto (forze di Debye): dovute allinduzione di una molecola polare verso una molecola non polare. Decrescenti allaumentare della T

49 4. legami a H e legami donatore/accettore (legame a H, complessi ioni metallici/sistemi insaturi): dovuti a dipoli costituiti da un H legato con legame covalente molto polare e da un elemento molto elettronegativo (N,O,F) o da sistemi p e centri parzialmente positivi o cationici. Decrescenti allaumentare della T 3. interazioni dipolo permanente/dipolo permanente (forze di Keesom): dovute allinduzione (orientamento) tra due molecole polari. Decrescenti allaumentare della T (si azzerano a temperature molto alte) + - Giorgio Bonaga O H a + HC CH - +

50 5. interazioni ione/ione: dovute alla forza di attrazione coulombiana. Decrescenti allaumentare della T (per effetto dellagitazione termica) Nella GC, ovviamente, le interazioni appena descritte non si realizzano tra molecole entrambe dotate di cammino libero, ma tra molecole del liquido di partizione, ancorate al supporto solido inerte (impaccate) o alle pareti della colonna (capillari) e le molecole dei soluti spinte dal gas di trasporto. Ad eccezione dei legami ionici e dei legami accettore/donatore, le altre forze sono deboli e hanno importanza a temperature molto basse (in senso gascromatografico), ossia quando le molecole sono molto vicine. In conclusione laumento della T determina sempre una diminuzione di tutte le interazioni soluti/fase liquida, con conseguente diminuzione dei fattori di capacità k e dei t R. - + Giorgio Bonaga

51 In gascromatografia si può operare con due regimi di temperatura: ISOTERMA: la colonna è mantenuta a temperatura costante (fino alla sua temperatura massima di esercizio) e sovente, se le miscele sono complesse, queste eluizioni richiedono tempi di analisi piuttosto lunghi. GRADIENTE DI TEMPERATURA: la colonna può essere riscaldata a partire dalla sua temperatura minima di esercizio (temperatura alla quale il liquido di partizione non solidifica) fino alla sua temperatura massima di esercizio (temperatura oltre la quale il liquido di partizione volatilizza, con conseguente spurgo, e si decompone) operando degli incrementi programmati di temperatura. Fondamentalmente di possono predisporre 3 modalità di gradiente: t T BALISTICO temperatura finale temperatura iniziale gradiente esponenziale Giorgio Bonaga

52 t T LINEARE MONORAMPA isoterma finale gradiente lineare isoterma iniziale t T LINEARE MULTIRAMPA isoterma finale II°gradiente isoterma iniziale I°gradiente isoterma intermedia Giorgio Bonaga

53 La modalità a gradiente di temperatura (detta anche programmata) produce un progressivo aumento della velocità dei soluti (con riduzione di k e t R, cioè dei due indicatori del tempo necessario al raggiungimento dello [pseudo]equilibrio della cromatografia di partizione). Per realizzare la modalità a gradiente sono indispensabili due specifiche strumentali: il fornetto del gascromatografo devessere dotato di un programmatore della temperatura ( termostato timerizzato ) e deve avere una bassa capacità termica per potersi adeguare rapidamente alle variazioni di temperatura (bassa inerzia termica) fissate dal programma termico; operando a regimi di temperatura diversi, liniettore, il rivelatore e il fornetto devono essere governati da tre sistemi di termostatazione indipendenti. Giorgio Bonaga

54 b) isoterma a 145° a) isoterma a 45° c) programmata °C ° T (°C) t (min) Giorgio Bonaga


Scaricare ppt "L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU) Modulo:"

Presentazioni simili


Annunci Google