ANALISI DEI FARMACI I
TESTI CONSIGLIATI
Skoog - West - Holler - (Crouch): Fondamenti di chimica analitica
Harris: Chimica analitica quantitativa
Per la Conduttimetria
Cozzi - Protti - Ruaro: Analisi chimica strumentale
Porretta: Analisi di preparazioni farmaceutiche
TITOLAZIONI CON FORMAZIONE DI COMPLESSI
Nelle
reazioni
di
complessazione,
specie
elettron-
donatrici, i leganti (basi di Lewis), formano legami
covalenti dativi con uno ione positivo (acido di Lewis). Se
lo ione coordinante è idratato, la reazione consiste nello
spostamento del legante acqua da parte di un legante più
basico (base di Lewis più forte)
[M(H2O)n]z+ + nL
[MLn]z+ + nH2O
Il numero massimo n di legami covalenti dativi formati da
un catione viene chiamato numero di coordinazione.
I leganti possono essere molecole neutre (NH3, H2O, ecc.)
o ioni negativi (CN-, Cl-, SO42-, ecc.)
Le specie complesse in soluzione possono essere neutre o
possedere una carica positiva o negativa.
Esempi:
Fe3+ +
CN-
FeCN2+
Fe3+ + 3 CN-
Fe(CN)3
Fe3+ + 6 CN-
Fe(CN)63-
LEGANTI
Monodentati
Bidentati, Tridentati….
Polidentati
Vantaggi leganti polidentati:
-reazioni con i cationi più complete (punti finali più netti)
Vantaggi leganti polidentati:
-formazione complessi 1:1
I leganti monodentati formano di solito
due o più specie intermedie
Curva A: complesso tra Metallo M e
legante tetradentato in rapporto 1:1
Curva B: complesso tra Metallo M e
legante bidentato in rapporto 1:2
Curva C: complesso tra Metallo M e
legante monodentato in rapporto 1:4
Vantaggi leganti polidentati:
- stabilità dei complessi elevata per formazione di chelati
O
O
O
C
O
C
Cu
CH2
H2C
N
H2
N
H2
Complesso rame-glicina
Quanti più legami esistono tra metallo e legante, tanto più difficile è romperli tutti
Acido etilendiamminotetraacetico (EDTA)
E’ l’agente complessante di gran lunga più utilizzato!
HOOC
CH2
N
HOOC
CH2
CH2
CH2
COOH
CH2
COOH
N
CH2
Legante esadentato
_
OOC
H
+
N N
COOH
H
_
COO
+
HOOC
H 4Y
H4Y
_
OOC
H
H3Y- + H+
pK1 = 2,01
Le prime due costanti di dissociazione
hanno lo stesso ordine di grandezza
_
+
N N
HOOC
H3Y-
+
COO
H
_
COO
H3Y-
H2Y2- + H+
pK2 = 2,75
_
_
OOC
H
_
+
N N
+
OOC
COO
H
_
COO
H2Y2-
HY3- + H+
pK3 = 6,24
HY3-
Y4-
pK4 = 10,26
H2Y2_
_
_
OOC
N N
OOC
+
COO
H
_
COO
+ H+
HY3_
_
COO
OOC
_
N N
OOC
COO
_
Y4-
indica il rapporto tra la concentrazione della specie in esame e la
concentrazione totale di tutte le forme in cui essa è presente in soluzione
0
2
3
4
1
H4Y
HY3-
H2Y2-
Y4-
H3Y-
pH
Composizione delle soluzioni di EDTA in funzione del pH
L'EDTA forma complessi molto stabili in rapporto stechiometrico 1:1 con numerosi
ioni, indipendentemente dalla carica, tra i quali Ba2+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Fe2+, Fe3+,
Hg2+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Sr2+, ecc.
Struttura a gabbia di un generico complesso metallo-EDTA
12
Considerando la specie deprotonata Y4- all’equilibrio si ha:
Mn+ + Y4-
MYn-4
Kf = [MYn-4]
[Mn+][Y4-]
Costante di formazione condizionale (o effettiva)
La concentrazione di Y4- può indicarsi come:
4
=
[Y4-]
CT
dove CT è la conc. totale di EDTA non complessato
CT = [Y4-] + [HY3-] + [H2Y2-] + [H3Y-] + [H4Y]
La costante di formazione diventa
[MYn-4]
Kf = [MYn-4] =
[Mn+][Y4-]
[Mn+] 4 CT
n-4]
K
=
[MY
= K’f
f
4
[Mn+] CT
Questa nuova costante consente di descrivere la formazione
del complesso metallo-EDTA in funzione del pH
Calcolo del valore di
44 = [Y ]
CT
H4Y
H3Y- + H+
4
CT = [H4Y] + [H3Y-] + [H2Y2-] + [HY3-] + [Y4-]
K1 = [H3Y-] [H+]
[H4Y]
H3Y-
H2Y2-
H2Y2- + H+
HY3- + H+
Y4- + H+
K1
K2 = [H2Y2-] [H+]
[H3Y-]
[H3Y-] = [H2Y2-] [H+]
K3 = [HY3-] [H+]
[H2Y2-] = [HY3-] [H+]
[H2Y2-]
HY3-
[H4Y] = [H3Y-] [H+]
K4 = [Y4-] [H+]
[HY3-]
K2
K3
[HY3-] = [Y4-] [H+]
K4
[H4Y] = [Y4-] [H+]4
K1K2K3K4
[H3Y-] = [Y4-] [H+]3
K2K3K4
[H2Y2-] = [Y4-] [H+]2
K3K4
CT =
[Y4-] [H+]4
K1K2K3K4
CT = [Y4-]
(
CT = [Y4-]
4=
[Y4-]
CT
[H+]4
K1K2K3K4
(
=
+
[Y4-] [H+]3
+
[Y4-] [H+]2
K3K4
K2K3K4
+
[H+]3
K2K3K4
+
[H+]2
K3K4
+
[Y4-] [H+]
K4
+
[H+]
K4
[Y4-]
+
+
[H+]4 + K1[H+]3 + K1K2[H+]2 + K1K2K3[H+] + K1K2K3K4
(
K1K2K3K4
1
)
)
K1K2K3K4
[H+]4 + K1[H+]3 + K1K2[H+]2 + K1K2K3[H+] + K1K2K3K4
)
Conoscendo pH e costanti di dissociazione di EDTA è possibile calcolare
4
Valori di 4 per l’EDTA a valori
di pH selezionati
Curve di titolazione con EDTA
Es.: titolazione di Mn+ 0.05M con EDTA 0.05M
assumendo K’f = 1016
Regione 3
Eccesso EDTA
Regione 1
Eccesso Mn+
Regione 2
Punto equivalente
mL EDTA aggiunti
Criterio di titolabilità di un metallo: è necessario che il prodotto tra la sua
concentrazione e la K’f sia maggiore o uguale a 106
Esempio: influenza del pH sulla titolazione di Ca2+ 0,01M con EDTA 0,01M
4,9 x 108
K’f =
4Kf
1,8 x 108
2,8 x 106
1,1 x 104
Curve di titolazione di soluzioni 0,01M di vari cationi a pH 6,0 con EDTA 0,01M
KFeY - = 1.3 x 1025
KHgY 2- = 6.3 x 1021
KZnY 2- = 3.2 x 1016
KFeY 2- = 2.1 x 1014
KCaY 2- = 5.0 x 1010
pH minimo necessario per una titolazione efficace di vari cationi con EDTA
Fe3+
Fe2+
Ca2+
log Kf
Mg2+
pH
Costruzione di una curva di titolazione teorica
Titolazione di 50,0 mL di Ca2+ 0,005M con EDTA 0,01M
in una soluzione tamponata a pH 10,0
Costante di formazione condizionale per il complesso CaY2- a pH 10,0
2K’f = [CaY ] =
[Ca2+] CT
4
Kf = 0,35 x 5,0 x 1010 = 1,75 x 1010
Il valore elevato di K’f consente di affermare che la reazione
giunge a completamento ad ogni aggiunta di titolante!
Valore di pCa prima del punto equivalente
Si consideri l’aggiunta di 10,0 mL di EDTA. Trascurando Ca2+
derivante dalla dissociazione del complesso, si ha:
[Ca2+] = 50,0 x 0,005 - 10,0 x 0,01 = 2,50 x 10-3 M
60,0
pCa = -log (2,50 x 10-3) = 2,60
In modo simile si può calcolare pCa per qualsiasi
volume di EDTA prima del punto di equivalenza!
Valore di pCa al punto equivalente
Il punto equivalente si raggiunge dopo l’aggiunta di 25,0 mL di EDTA.
Trascurando la dissociazione del complesso, si ha:
[CaY2-] = 50,0 x 0,005 = 3,33 x 10-3 M
75,0
La concentrazione di Ca2+ libero è molto bassa e può essere ricavata
dalla K’f considerato che essa è uguale a CT. Pertanto:
2-]
[CaY
K’f =
= 3,33 x 10-3 = 1,75 x 1010
[Ca2+]2
[Ca2+] CT
[Ca2+] =
3,33 x 10-3 = 4,36 x 10-7 M
1,75 x 1010
pCa = -log (4,36 x 10-7) = 6,36
Valore di pCa dopo il punto equivalente
Si consideri l’aggiunta di 35,0 mL di EDTA.
Trascurando la dissociazione del complesso, si ha:
[CaY2-] = 50,0 x 0,005 = 2,94 x 10-3 M
85,0
CT = 35,0 x 0,01 - 50,0 x 0,005 = 1,18 x 10-3 M
85,0
2K’f = [CaY ] =
[Ca2+] CT
[Ca2+] =
2,94 x 10-3
= 1,75 x 1010
[Ca2+] x 1,18 x 10-3
2,94 x 10-3
= 1,42 x 10-10 M
1,18 x 10-3 x 1,75 x 1010
pCa = -log (1,42 x 10-10) = 9,85
Ca2+
Mg2+
Intervallo di transizione
del NET
pM
Intervallo di transizione
del NET
mL EDTA per Ca2+
mL EDTA per Mg2+
Curve di titolazione di Ca2+ e Mg2+ con EDTA a pH 10,0
Indicatori per titolazioni con EDTA (indicatori metallo-cromici)
Coloranti organici il cui colore varia quando chelano uno ione metallico.
Requisiti:
- reazioni cromatiche rapide, nette e sensibili con lo ione metallico
- formazione di complessi stabili con lo ione metallico, ma meno stabili di quelli EDTA-metallo
Nero eriocromo T
(NET)
H3In + H2O
H2
In-
+ H3
Gruppo solfonico
completamente
dissociato
SO3H
O2N
OH
O+
N
rosso
N
(gruppi chelanti)
OH
H2In- + H2O
rosso
HIn2- + H2O
blu
HIn2- + H3O+
K1= 5 x 10-7
blu
In3- + H3O+
arancione
K2= 2,8 x 10-12
Gruppi fenolici
parzialmente
dissociati
Un tipico esempio è costituito dall’uso del NET
nella titolazione di Mg2+ con EDTA a pH 10,0
A questo valore di pH la forma libera predominante
del NET è quella HIn2- (blu), quella complessata MgIn- (rossa)
L’EDTA complessa prima il Mg2+ libero in soluzione,
poi quello legato al NET:
Mg2+ + Y4MgIn- + Y4- + H+
(rosso)
MgY2MgY2- + HIn2(blu)
Il NET forma complessi rossi con molti ioni metallici,
ma solo le costanti di formazione di pochi sono
appropriate per la rilevazione del punto finale!
Intervallo di transizione del NET nelle titolazioni di Mg2+ e Ca2+ a pH 10,0
Consideriamo la K2 del NET e la Kf del complesso MgIn-
HIn2- + H2O
In3- + H3O+
K2= 2,8 x 10-12 = [H3O+] [In3-]
[HIn2-]
Mg2+ + In3-
MgIn-
Kf = 1,0 x 107 =
[MgIn-]
[Mg2+] [In3-]
Moltiplicando K2 per Kf si ottiene:
[MgIn-]
[Mg2+] [In3-]
.
[H3O+] [In3-]
[HIn2-]
= 2,8 x 10-5
Riarrangiando si ha:
[Mg2+]
=
[MgIn-]
[HIn2-]
.
[H3O+]
2,8 x 10-5
[H3O+] = 1,0 x 10-10 M
-]
[MgIn
Se poniamo
= 10
2[HIn ]
[Mg2+] = 3,6 x 10-5 M
-]
[MgIn
Se poniamo
= 0,1
2[HIn ]
[Mg2+] = 3,6 x 10-7 M
pMg = 5,4 ± 1,0
Intervallo di transizione
del NET
Procedendo allo stesso modo, l’intervallo di transizione per Ca2+ risulta:
pCa = 3,8 ± 1,0
(Kf CaIn- = 2,5 x 105)
Il NET è dunque un indicatore ideale per Mg2+
ma non totalmente soddisfacente per Ca2+
(vedi diapositiva precedente!)
Ca2+
Mg2+
Intervallo di transizione
del NET
pM
Intervallo di transizione
del NET
mL EDTA per Ca2+
mL EDTA per Mg2+
Curve di titolazione di Ca2+ e Mg2+ con EDTA a pH 10,0
Tecniche di titolazione con EDTA
Titolazione diretta
L’analita viene titolato con EDTA standard ad un pH al
quale si abbia:
- K’f del complesso metallo-EDTA elevata
- nessuna precipitazione dell’idrossido del metallo
- variazione di colore distinguibile al punto equivalente
Titolazione per spostamento
L’analita viene generalmente trattato con un eccesso di
MgY2- da cui sposta Mg2+ che viene successivamente
titolato con EDTA standard in presenza di NET:
Mn+ + MgY2-
MYn-4 + Mg2+
L’analita deve ovviamente formare un complesso con
EDTA più stabile di quello del magnesio
Titolazione di ritorno (o retrotitolazione)
Si aggiunge all’analita un eccesso noto di EDTA e si titola
successivamente tale eccesso con una soluzione standard
di magnesio in presenza di NET
Anche in questo caso l’analita deve ovviamente formare con
EDTA un complesso più stabile di quello del magnesio
Durezza dell’acqua
Si riferisce alla concentrazione totale di ioni alcalino-terrosi. Può essere
uguagliata a [Mg2+] + [Ca2+] essendo le concentrazioni di questi ioni molto
maggiori degli altri.
Si determina mediante semplice titolazione con EDTA a pH 10,0
in presenza di NET
La durezza viene comunemente espressa come mg CaCO3 per litro.
Acqua leggera < 60 mg CaCO3/l
Acqua dura
> 270 mg CaCO3/l