Reazioni di complessamento Copresenza di reazioni competitive

Presentazione sul tema: "Reazioni di complessamento Copresenza di reazioni competitive"— Transcript della presentazione:

1 Reazioni di complessamento Copresenza di reazioni competitive
Lo ione metallico M, il legante L, e/o i complessi, possono sottostare a reazioni competitive che spostano l'equilibrio di complessamento verso destra o verso sinistra. Per quantificare l’effetto degli equilibri competitivi (acido-base, ma anche gli altri), si definisce la costante condizionale K ‘. Se (come accade quasi sempre!) il legante L è una base: M  +  L ML L + H2O HL + OH– K ' = K·aL Se (come accade spesso!) lo ione M è un acido: M  +  L ML M + 2H2O  M(OH) + H3O+ K ' = K·aM Queste definizioni di K’ sono corrette per il complesso ML. Per complessi di stechiometria diversa le definizioni sono diverse. Le definizioni sono diverse anche per le b’

2 Reazioni di complessamento Copresenza di reazioni competitive
M  +  L ML K ' = K·aM M + 2H2O   M(OH) + H3O+ aM cresce al decrescere del pH, e quindi: In tutti i casi in cui lo ione metallico dà reazione competitiva di dissociazione acida, il pH acido favorisce la reazione di complessamento. Se vi sono reazioni acido-base a carico sia di L che di M (anche questa è una situazione molto comune): M  +  L ML L + H2O HL + OH– M + 2H2O   M(OH) + H3O+ La costante condizionale a pH noto per la formazione del complesso ML è: K ’ = K.aL.aM

3 Reazioni di complessamento Copresenza di reazioni competitive
In tutti i casi in cui il legante dà reazione competitiva di dissociazione basica, il pH basico favorisce la reazione di complessamento. In tutti i casi in cui lo ione metallico dà reazione competitiva di dissociazione acida, il pH acido favorisce la reazione di complessamento. K ’ = K.aL.aM Ne consegue che, se sia legante che ione metallico danno competizione acido-base, le reazioni di complessamento sono favorite ad un pH intermedio opportuno (che dipende da caso a caso, cioè dalle costanti di acidità dello ione metallico e del legante).

4 Reazioni di complessamento Copresenza di reazioni competitive
Esempio per il complesso tra Cd2+ ed EDTA K ’ = K.aL.aM Ne consegue che, se sia legante che ione metallico danno competizione acido-base, le reazioni di complessamento sono favorite ad un pH intermedio opportuno.

5 Reazioni di complessamento Esempio farmacologico
La capacità degli ioni metallici di formare complessi con biomolecole è sfruttata a scopo farmacologico. Un’applicazione è data dalla terapia di chelazione. In particolari condizioni patologiche, o lavorative (per es. in miniere), o con diete fortemente squilibrate o inquinate (es. pesci a Minimata, Giappone), un certo ione metallico può accumularsi nell’organismo e causare effetti tossici. I casi più comuni sono dovuti ad accumulo di Pb2+, Hg2+, Fe3+/Fe2+ Terapia di chelazione: somministrazione di un’opportuna molecola complessante per la rimozione di ioni tossici dall’organismo.

6 Reazioni di complessamento Esempio farmacologico
Il farmaco chelante è un legante forte per lo ione tossico, ed agisce così: 1) il legante viene assorbito nell’organismo come tale 2) si redistribuisce nell’organismo 3) complessa lo ione metallico tossico 4) il complesso formato passa nel circolo sanguigno 5) il complesso viene espulso dall’organismo attraverso i reni Il principale requisito del farmaco chelante è quello di formare complessi molto forti con lo ione metallico (devono essere in grado di “rompere” quelli formati dai leganti endogeni). Sono, quindi, dei leganti polidentati o macrociclici.

7 Reazioni di complessamento Altro esempio farmacologico
Le reazioni di complessamento possono essere anche dannose o indesiderate. Ad esempio, la formazione di complessi a livello gastro-intestinale può sfavorire l’assorbimento di farmaci o composti essenziali. Necessità di evitare l’assunzione contemporanea tra farmaco e farmaco, oppure tra farmaco e certi componenti della dieta (vedere istruzioni allegate ai farmaci). Esempio: Si raccomanda di non assumere contemporaneamente integratori a base di ioni metallici (Fe2+ o altri) assieme a tetracicline o chinoloni (sono degli antibiotici). Perché?

8 Reazioni di complessamento Altro esempio farmacologico
Le tetracicline ed i chinoloni sono degli antibiotici aventi struttura generale: (R = gruppi organici vari) Ai pH acidi dello stomaco le tetracicline ed i chinoloni sono nella loro forma neutra. Quindi sono ben assorbibili in maniera passiva.

9 Reazioni di complessamento Altro esempio farmacologico
Sia le tetracicline che i chinoloni sono leganti bidentati e sono in grado di formare complessi forti con ioni metallici come Fe2+: M M La forma che si lega ai metalli ha carica –1, sia per le tetracicline che per i chinoloni, dato che è quella monodeprotonata (perdita di un protone acido dal gruppo OH).

10 Reazioni di complessamento Altro esempio farmacologico
In caso di assunzione contemporanea di un integratore di Fe2+ e di una tetraciclina o di un chinolone, avviene la reazione di complessamento: tc– + Fe Fe(tc)+ (tc = tetraciclina) ch– + Fe Fe(ch)+ (ch = chinolone) In entrambi i casi si forma un complesso di carica 1+, che è scarsamente assorbibile dalle membrane cellulari. in questo modo, la persona che sta prendendo contemporaneamente integratori di ferro e l’antibiotico non assorbe né il ferro né l’antibiotico (assorbe solo la parte del componente in eccesso che non si è complessata).

11 METODI DI ANALISI CHIMICA
Seconda parte del corso: METODI DI ANALISI CHIMICA

12 Metodi di analisi chimica
Le reazioni all’equilibrio in soluzione acquosa sono il fondamento sia di reazioni chimico-farmacologiche, sia di metodi analitici usati per l’analisi dei farmaci (o anche per altre analisi). Analisi chimica: Operazione volta a determinare la composizione della materia. Per “composizione della materia” si intende: – sapere cosa c’è dentro (analisi qualitativa) – sapere quanto (componente) c’è dentro (analisi quantitativa) – sapere se (un componente) c’è dentro (analisi di screening) Alcune analisi quantitative sono argomento di questa seconda parte di Chimica Analitica. Alcune qualitative e di screening saranno argomento della parte di Analisi dei Medicinali 1. I metodi di analisi chimica quantitativa possono essere divisi in due grandi categorie: I metodi chimici, ed i metodi chimico-strumentali

13 Metodi di analisi chimica
metodi chimici: metodi chimico-strumentali: Sono dei metodi inventati (circa) un secolo fa. Sono dei metodi inventati recentemente e tuttora oggetto di ricerca scientifica. Si basano solo su reazioni chimiche in soluzione acquosa. Si basano su reazioni chimiche, ma anche sull’uso di strumentazione sofisticata. Non funzionano se le soluzioni da analizzare sono molto complicate (= ricche di componenti). Sono poco limitati dalla complicatezza delle soluzioni da analizzare. Sono semplici ed economici (solo costi di vetreria e reagenti). Sono costosi (strumenti sofisticati costano molte migliaia di €).

14 Metodi di analisi chimica
Nelle analisi di soluzioni molto complicate, come possono essere i liquidi ambientali, le acque di scarico, i fluidi fisiologici, devono (forzatamente) essere utilizzati quasi sempre metodi chimico-strumentali. (l’incidenza dell’uso di metodi chimici nei moderni laboratori di analisi, rispetto ai metodi chimico-strumentali, è dell’ordine del 5-10% sulle analisi totali). Invece, nelle analisi di farmaci in formulazioni farmaceutiche, molto meno complicate delle soluzioni ambientali e fisiologiche, possono essere utilizzati più spesso metodi chimici. In questo corso vedremo i metodi chimici di analisi I metodi chimico-strumentali sono argomento di corsi successivi (analisi dei medicinali 2, analisi dei medicinali 3).

15 Metodi chimici di analisi quantitativa
I metodi chimici di analisi quantitativa sono due: l’analisi gravimetrica le titolazioni Cominciamo con l’analisi gravimetrica. Come dice il nome (lat. “gravis”, pesante), questo tipo di analisi si basa su misure di massa (cioè di peso), e quindi sull’uso di bilance di elevata precisione. Il principio del metodo è il seguente: Supponiamo ad esempio di volere determinare un certo “analita” A presente nel “campione” da analizzare. Definizione di analita: composto sotto analisi, cioè composto del quale vogliamo sapere la quantità (o la concentrazione).

16 Analisi gravimetrica Definizione di campione: “oggetto” da analizzare, ad esempio uno sciroppo, una pastiglia, un flacone. Il campione contiene l’analita. Il principio del metodo è il seguente: Supponiamo ad esempio di volere determinare un certo analita A presente nel campione da analizzare. Se A è in grado di formare con un altro composto B un sale poco solubile: aA + bB AaBb(s) allora, per determinare quanto A è presente nel campione si può usare il metodo seguente: 1) si aggiunge al campione un eccesso di B; 2) si forma il sale poco solubile AaBb(s), che precipita;

17 Analisi gravimetrica 1) si aggiunge al campione un eccesso di B;
2) si forma il sale poco solubile AaBb(s), che precipita; 3) si separa il solido dalla soluzione mediante filtrazione; 4) si pesa il solido AaBb(s). Dalla massa di AaBb, nota la massa molecolare di A e B, si risale alla massa di A, che è appunto la quantità di A nel campione. Esempio Si vuole determinare la quantità d’argento contenuta in un campione mediante analisi gravimetrica con solfuro (formazione di Ag2S(s)). Il solido Ag2S(s) ottenuto pesa g. Calcolare la quantità di Ag+ presente nel campione. massa atomica di Ag (MAAg) = massa atomica di S (MAS) = 32.07

18 Analisi gravimetrica moli di Ag2S(s) = m(g)/MMAg2S = 0.001745
Poiché S2– è stato aggiunto in eccesso (l’agente precipitante deve sempre essere in eccesso), le moli di precipitato Ag2S(s) sono correlate solo alle moli di Ag+. La reazione di precipitazione è: 2Ag+ + S2– Ag2S(s) per cui le moli di precipitato Ag2S(s) sono la metà delle moli di Ag+. Quindi nel campione c’erano moli di Ag+ Da cui · = g di Ag+

19 Analisi gravimetrica Requisiti per poter fare un’analisi gravimetrica:
1) l’analita A deve formare un solido pochissimo solubile: Ks deve essere molto bassa. Se il sale avesse una solubilità apprezzabile, una certa frazione di A resterebbe in soluzione (in forma solubile), e questa frazione non verrebbe pesata. (se invece Ks è molto bassa, la concentrazione e quindi la massa di A che resta in soluzione è trascurabile). 2) la stechiometria del precipitato deve essere esattamente nota Solo conoscendo la stechiometria del precipitato formato dall’analita A si può ricavare i grammi di A a partire dai grammi di precipitato.

20 Analisi gravimetrica 3) Non devono avvenire co-precipitazioni
Se assieme al precipitato voluto precipita qualcos’altro, il tutto viene pesato assieme, per cui la massa complessiva pesata è maggiore di quella corretta (errore di sovrastima nell’analisi!). 4) Il precipitante deve essere in eccesso Se l’analita non precipita tutto, si sottostima la sua quantità. Operazioni manuali di un’analisi gravimetrica 1) Alla soluzione contenente l’analita A si aggiunge un eccesso di agente precipitante B. Per idrossidi poco solubili si alza il pH (=> aumenta la concentrazione di OH–). 2) Si forma il sale poco solubile AaBb(s), che precipita. 3) Si separa il solido dalla soluzione mediante filtrazione.

21 Analisi gravimetrica 3) Si separa il solido dalla soluzione mediante filtrazione.

22 Analisi gravimetrica 3) Si separa il solido dalla soluzione mediante filtrazione. .... 4) si pesa il solido AaBb(s) Tuttavia, tra il terzo ed il quarto passaggio è necessario fare alcune altre operazioni. Il solido va innanzitutto lavato con acqua distillata per eliminare eventuali impurezze solubili (spesso co-precipitano assieme al solido). Poi va asciugato, altrimenti si peserebbe anche l’acqua residua, e va eliminata anche la carta da filtro a cui il solido è attaccato, altrimenti si peserebbe anche questa .

23 Analisi gravimetrica Per fare tutto questo, si fanno due operazioni successive: essiccamento ed incenerimento. Carta da filtro + precipitato sono trasferiti in un crogiolo (contenitore di ceramica, resiste bene alle fiamme libere), che è portato sopra una fiamma bunsen. Essiccamento: eliminazione dell’acqua per evaporazione Incenerimento: si consuma la carta da filtro: bunsen Si usa una carta da filtro particolare, “a basso contenuto di ceneri”, in modo che la sua combustione sia totale: C + O2 → CO2(g)

24 Analisi gravimetrica Dopo l’operazione di incenerimento, nel crogiolo resta solo il precipitato cercato, senza acqua e senza la carta da filtro. 4) si pesa il solido AaBb(s) La pesata va effettuata usando una bilancia ad elevata precisione. Le bilance di questo tipo sono chiamate bilance analitiche. Le bilance analitiche permettono di pesare fino al decimo o centesimo di milligrammo, dunque una massa in grammi fino alla quarta o alla quinta cifra dopo la virgola (per es g). Oltre alle bilance analitiche, nei laboratori di analisi si trovano anche le bilance tecniche, che permettono di pesare fino ad 1–100 mg, dunque una massa in grammi fino alla terza, seconda o prima cifra dopo la virgola (per es , o 0.43, o 0.4 g). Le bilance tecniche si usano per pesate più approssimative.

25 Analisi gravimetrica bilancia analitica bilancia tecnica

26 Analisi gravimetrica Vantaggi e svantaggi delle analisi gravimetriche
Il materiale richiesto per lavorare è molto economico: basta una bilancia analitica (che di solito c’è sempre in un laboratorio), un bunsen, e poca vetreria. È un metodo molto lento, dato che il risultato finale si ottiene dopo un trattamento sperimentale laborioso. Di fatto, non è un metodo molto economico, poiché il grande risparmio sulla strumentazione viene parzialmente eroso dal costo elevato della manodopera (l’analista deve lavorare di più facendo un’analisi gravimetrica, di quanto lavorerebbe se usasse altri metodi più veloci).

27 Analisi gravimetrica Vantaggi e svantaggi delle analisi gravimetriche
È un metodo piuttosto delicato (= è facile fare errori), dato che è abbastanza facile che un po’ del precipitato si “perda” per strada nelle varie operazioni, oppure che altri composti lo contaminino. Le analisi gravimetriche, pur se concettualmente semplici, hanno più svantaggi che vantaggi. Se per un certo analita esiste un altro metodo oltre a quello gravimetrico, è meglio usare il primo al posto del secondo: l’analisi gravimetrica si usa poco.

28 Titolazioni Tipi di titolazione:
Un metodo di analisi decisamente migliore dell’analisi gravimetrica (come vedremo) è il metodo delle titolazioni. Principio del metodo: L’analita A in soluzione reagisce con un reattivo t (detto titolante); avviene la reazione di titolazione: A + t prodotti Tipi di titolazione: – acido-base (se la reazione A + t è acido-base); – complessamento (se la reazione A + t è di complessamento); – precipitazione (se la reazione A + t forma un precipitato); – redox (se la reazione A + t è redox).

29 Titolazioni L’analita A in soluzione reagisce con un reattivo t (detto titolante); avviene la reazione di titolazione. A + t prodotti Come si vedrà meglio più avanti, le reazioni di titolazione devono avere una costante di equilibrio K molto elevata: K = –––––––– >> 1 [prodotti] [A]·[t] Quindi la reazione di titolazione è scritta con la freccia singola verso destra: A + t → prodotti

30 Titolazioni Una titolazione consiste nell’aggiunta progressiva del titolante ad una soluzione contenente l’analita a concentrazione incognita. A + t → prodotti Il campione con l’analita A è contenuto in un bicchiere (o recipiente simile), il titolante t viene invece messo in una buretta. titolante t La buretta è un cilindro lungo e molto stretto, munito di tacche per la misurazione accurata dei volumi, e di un rubinetto in basso per l’erogazione del titolante. analita A

31 Titolazioni

32 Titolazioni Nel bicchiere, all’inizio, t è in difetto rispetto ad A.
A + t → prodotti Poi, proseguendo con le aggiunte di t, si arriva a raggiungere la “equivalenza”, cioè ad un certo punto le moli di t aggiunte (nt) sono equivalenti a quelle di A (nA) inizialmente presenti. Quando le moli di t aggiunte sono equivalenti a quelle di A inizialmente presenti, siamo al punto di equivalenza (PE) della titolazione. condizione valida al PE: nt(PE) = nA (se come capita spesso la stechiometria A/t è 1:1. Se è diversa da 1:1 la condizione è diversa: il PE è definito rispetto alla stechiometria della reazione).

33 Titolazioni condizione valida al PE: nt(PE) = nA
Le moli di titolante aggiunte al PE sono: nt(PE) = Ct·Vt(PE) dove Ct (moli/litro) è la concentrazione iniziale della soluzione di titolante, e Vt(PE) (litri) è il volume di t aggiunto quando siamo al PE. Ct è nota (la soluzione di titolante è preparata dall’analista). Se ci si “accorge” di essere al PE è noto pure Vt(PE). Vedremo che i vari tipi di titolazione (acido-base, di complessamento, ecc.) si differenziano (oltre per il tipo di reazione che avviene in soluzione) anche per il modo con cui ci si accorge che siamo al PE. Quindi si può calcolare nt(PE), dal quale si ricava nA (è l’informazione cercata!).

34 Titolazioni Esempio di calcoli:
10 mL di una soluzione contenente un analita A a concentrazione incognita sono titolati da un titolante t 0.01 M. Avviene la reazione di titolazione: A + t → prodotti Calcolare la concentrazione iniziale di A (CA), se il PE viene raggiunto dopo aggiunta di 15.5 mL di soluzione di t. Qui Ct = 0.01 M, e Vt(PE) = 15.5 mL Dunque nt(PE) = Ct·Vt(PE) = 1.55·10–4 moli La stechiometria della reazione è 1:1, dunque la condizione di PE si ha per nt(PE) = nA Quindi nA = 1.55·10–4 moli Da cui si ottiene CA = nA/VA = 1.55·10–2 M