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 + H 2O
HL + OH–
K ' = K·aL
Se (come accade spesso!)
lo ione M è un acido:
M + L
M + 2H2O
ML
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’
1
Reazioni di complessamento
Copresenza di reazioni competitive
M + L
ML
M + 2H2O
M(OH) + H3O+
aM cresce al decrescere del pH, e quindi:
K ' = K·aM
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 + H 2O
HL + OH–
M + 2H2O
M(OH) + H3O+
La costante condizionale a pH noto per la formazione del
complesso ML è:
K ’ = K.aL.aM
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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).
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Reazioni di complessamento
Copresenza di reazioni competitive
16
log'CdEDTA
Esempio per
il complesso
tra Cd2+ ed
EDTA
14
12
10
8
6
4
K ’ = K.aL.aM
2
0
0
5
pH
10
Ne consegue che, se sia legante che ione metallico danno
competizione acido-base, le reazioni di complessamento
sono favorite ad un pH intermedio opportuno.
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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.
5
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.
6
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?
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Reazioni di complessamento
Altro esempio farmacologico
Le tetracicline ed i chinoloni sono degli antibiotici aventi struttura
generale:
R
R
R
O
F
OH
O
R
(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.
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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+:
R
R
R
O
F
OH
M
O
R
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).
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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– + Fe2+
Fe(tc)+
ch– + Fe2+
Fe(ch)+
(tc = tetraciclina)
(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).
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Seconda parte del corso:
METODI
DI ANALISI
CHIMICA
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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:
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I metodi chimici, ed i metodi chimico-strumentali
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 €).
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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 chimicostrumentali.
(l’incidenza dell’uso di metodi chimici nei moderni laboratori di
analisi, rispetto ai metodi chimico-strumentali, è dell’ordine del 510% 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).
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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).
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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;
16
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 0.4325
g. Calcolare la quantità di Ag+ presente nel campione.
massa atomica di Ag (MAAg) = 107.87
massa atomica di S (MAS) = 32.07
17
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 0.003490 moli di Ag+
Da cui 0.003490·107.87 = 0.3765 g di Ag+
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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.
19
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.
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Analisi gravimetrica
3) Si separa il solido dalla soluzione mediante filtrazione.
21
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 .
22
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)
23
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. 0.4325 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. 0.432, o 0.43, o 0.4 g). Le
bilance tecniche si usano per pesate più approssimative.
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Analisi gravimetrica
bilancia analitica
bilancia tecnica
25
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).
26
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.
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Titolazioni
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).
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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:
[prodotti]
K = –––––––– >> 1
[A]·[t]
Quindi la reazione di titolazione è scritta con la freccia singola
verso destra:
A + t → prodotti
29
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
30
Titolazioni
31
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).
32
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!).
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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
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