UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E BIOLÓGICASDEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Valor Total = 2,50
Nota:
3ª AVALIAÇÃO DE QUÍM. ANAL. INSTRUM. (QUI-346) - 08/08/16 - Prof. Mauricio X. Coutrim
nome: ____________
GABARITO
____________________ assinatura ________________________
1. Vários princípios ativos utilizados para tratamento de resfriados foram separados por HPLC. As seguintes condições foram utilizadas:
Coluna EVO C18 100 Å, 100 x 4,6 mm, 2,6 m;
Fase móvel: A = 0,1% de ác. tereftálico em água
e B = 0,1% de ác. tereftálico em acetonitrila, indo de 98% de A a 70% de A em 6 minutos, depois até 0% de A em 5 min., terminando em 0% de A.
Vazão FM: 1,25 mL/min.; Detecção: UV (254 nm).
Na tabela a seguir são apresentadas as estruturas dos compostos 4, 11 e 17 mostrados no cromatograma da figura.
Paracetamol (4) AAS (11) Ibuprofeno (17)
Com relação às informações acima responda as seguintes questões:
a. Sabendo que a base da fase estacionária (FE) é sílica, qual o radical orgânico ligado à sílica? Qual o diâmetro de partícula da FE? Qual o tamanho médio dos seus poros? Qual o comprimento da coluna? Qual o seu diâmetro interno?
Estrutura química ligada à sílica: radical orgânico n-octadecil (C18); diâmetro de partícula da FE: 2,6 m = 2,6.10-6 m; tamanho médio dos seus poros: 100 Å = 1.10-10 m; comprimento da coluna: 100 mm = 0,100 m; diâmetro interno: 4,6 mm = 0,0046 m.
b. Quais os compostos que compõem a fase móvel (FM)? Qual o modo de utilização da FM? Qual o tempo total do processo cromatográfico (corrida)?
Compostos que compõem a FM: água, ácido tereftálico e acetonitrila; modo de utilização da FM: gradiente
de polaridade; tempo total da corrida: 11 min. (6 min. + 5 min.).
c. Pelas estruturas químicas dos três compostos justifique a ordem de eluição deles. Essa é uma cromatografia em fase normal ou em fase reversa? Qual o mecanismo de separação? Justifique.
A fase móvel é bastante polar (água e ácido tereftálico) enquanto que a fase estacionária é pouco polar (C18), caracterizando uma cromatografia de fase reversa. A fase estacionária líquida indica que o mecanismo de separação é a partição (solubilização) dos analitos entre a FE e a FM. Os compostos com mais grupos alquilas e com menos formação de dipolos na molécula apresentam maior afinidade pela fase estacionária (C18), permanecendo mais tempo na coluna (maior tempo de retenção). As três estruturas apresentam um grupo carboxila e um anel benzênico, no entanto, o ibuprofeno apresenta um radical alquila com 4 carbonos (bem menos polar que os demais), o AAS apresenta um grupo éster e o paracetamol um fenol e um nitrogênio amínico (bem mais polar que os demais). Com base nessas observações, considerando que a FE é muito pouco polar (C18, apolar) a ordem de eluição desses três compostos é: primeiro o paracetamol (o mais polar), depois o AAS (de polaridade intermediária) e finalmente o ibuprofeno (o menos polar), conforme observado no cromatograma.
d. Justifique o tipo de detector utilizado com base nos três compostos e no seu princípio de funcionamento.
O detector espectrofotométrico na região do UV-visível gera sinal a partir da diferença de energia proveniente de uma fonte de luz monocromática passando pelo solvente (fase móvel) e pelo analito (sistema de duplo feixe). Essa diferença de energia se deve à absorção de energia pelas moléculas do analito devido à transições eletrônicas de ligações que apresentam orbitai . (são transições de orbitais não ligantes para orbitais ou de orbitais para orbitais *). Todos os três compostos apresentam diversas (4) ligações com orbitais sendo, portanto, sensíveis ao detector utilizado.
0,25 0,25
0,25
e. Nomeie e explique o funcionamento de três partes importantes do equipamento utilizado para essa análise.
A = sistema de degaseificação da fase móvel (serve para retirar as bolhas de gases presentes nos solventes constituintes da FM) e/ou controlador de gradiente (serve para alterar a composição da FM no tempo conforme programação).
B = sistema de bombas (serve para aspirar a(s) solução(ões) constituintes da FM sob pressão para dentro da coluna cromatográfica na vazão desejada).
C = sistema de injeção da amostra – injetor (local onde a amostra é inserida para dentro do sistema cromatográfico sendo carreada pela fase móvel para a coluna).
D = pré coluna e coluna cromatográficas (a pré-coluna recheada com material semelhante ao da coluna serve para impedir a passagem da maioria dos compostos não desejados e presentes em grande quantidade na amostra com a finalidade de proteger a coluna cromatográfica aumentando a sua vida útil. A coluna cromatográfica contém a fase estacionária adequada pela qual os analitos constituintes da amostra vão percolá-la em um maior ou menor tempo dependo das diferenças de afinidades entre esses analitos, a fase estacionária e a fase móvel, possibilitando a separação dos mesmos.
E = Detector (possibilita que os analitos de interesse, ao serem eluídos da coluna, sejam detectados de modo que o sinal relativo à detecção seja proporcional à massa do analito possibilitando, assim, a quantificação dos analitos de interesse presentes na amostra cromatografada).
F = Sistema de aquisição e tratamento de dados (local onde o sinal do detector é tratado , com ajuda de software, afim de que possa ser utilizado na determinação dos diversos parâmetros cromatográficos, inclusive a integração dos picos do cromatograma, permitindo principalmente a quantificação dos analitos presentes na amostra).
2.
Para análise por cromatografia de uma mistura contendo cinco compostos de piridina dissolvidos em 3-metilpiridina, injetou-se 0,1 L da solução numa coluna CP-Sil 43 CB (10 m x 0,10 mm x 0,2 m) mantida a 110 oC, utilizando N2 como gás de arraste a uma velocidade igual a 16 cm.min-1. Utilizou-se detecçãopor ionização em chama.
Com relação às informações acima responda as seguintes questões:
a. Porque o composto 2,6-dimetilpiridina elui antes que a 3-metilpiridina nessas condições? Considere as propriedades físicas e químicas dessas espécies na sua justificativa.
Em cromatografia a gás, processo de separação de substâncias voláteis, a temperatura de ebulição tem muita influência na ordem de eluição dos componentes da mistura. Porém, não obstante a 2,6-dimetilpiridina ter um ponto de ebulição maior do que a 3-metilpiridina, esta última elui depois nas condições da análise. Isso de deve à maior afinidade da 3-metil piridina pela FE utilizada. As interações entre as piridinas e a fase estacionária ocorrem entre os anéis aromáticos do grupo fenila da FE e os aneis aromáticos das piridinas, além das interações dos radicais alquílicos desses compostos que possibilitam interações com os grupos metilas da FE e essas interações são mais fortes quanto mais distantes esses radicais estiverem do nitrogênio do anel aromático (possibilitando uma maior atração do nitrogênio – composto com grande capacidade de aceitar elétrons – pela fase estacionária). Isso explica porque a 4-metilpiridina tem maior interação com a FE do que a 2,6-dimetilpiridina ficando, assim, mais retidas na FE (maior tempo de retenção).
Esse comportamento pode ser confirmado pelos valores das constantes de McReynolds: essa FE apresenta o maior valor para a constante de McReynolds relativa ao nitropropano (indicando que compostos que apresentam fortes orientações de dipolo ficarão mais retidos), seguido justamente pela constante de McReynolds relativa à piridina (composto com grande capacidade de aceitar elétrons) explicando a influência do nitrogênio do anel aromático sobre a retenção, que é maior quanto mais longe os grupos alquilas do anel estão do nitrogênio.
b. Qual a vazão do gás nitrogênio, em L.min-1, nas condições descritas?
Sendo o comprimento da coluna igual a 10 metros (1000 cm) e a velocidade linear do gás de arraste igual a 16 cm.min-1, se deduz que o gás levará 62,5 minutos (1000 cm / 16 cm / min) para percorrer toda a coluna. Sendo o volume da coluna igual a 0,0785 mL [3,142 x (0,010 cm / 2)2 x 1000 cm = 3,142 x 2,5.10-5 cm2 x 1000 cm = 0,07854 cm3], tem-se que, o volume de gás (volume da coluna) que passa pela coluna em 62,5 min é a vazão desse gás e é igual a 1,26 L/min (0,0785.10-3 L / 62,5 min = 1,26.10-3 mL/min).
c. Explique sucintamente o princípio de funcionamento do detector utilizado. Porque esse detector não detecta tetracloreto de carbono, nem dissulfeto de carbono e nem amônia?
O detector por ionização em chama é baseado na geração de elétrons oriundos da reação de combustão dos analitos com o oxigênio de uma chama, que tem como produto também íons CHO+ (CH + O CHO+ + e-). Esses elétrons alteram a ddp pré estabelecida (linha de base) gerando uma corrente elétrica (sinal) proporcional à massa de analito. Quanto maior a quantidade de ligações C-H na molécula maior a sensibilidade desse detector. Os três compostos citados não apresentam ligações C-H em suas estruturas, não sendo, assim, sensíveis a esse detector (o detector não gera sinal porque não ocorre a reação, não formando elétrons que produzirão a corrente elétrica necessária para gerar o sinal).
0,25
0,25
0,25
Piridina
Temp. Ebulição (oC) 1) 115 2) 129 3) 144 4) 149 5) 141 6) 145
d. Sabendo que o ruído médio da linha de base do cromatograma obtido correspondeu a uma concentração de 7,40 nmol.L-1 de piridina, determine a massa mínima de piridina detectada nessas condições, em pg. Responda com base no limite de detecção da análise.
Sendo o limite de detecção (LD) definido como a concentração equivalente a três vezes aquela do ruído, então, o LD é igual a 22,20 nmol.L-1 (= 3 x 7,40 nmol.L-1). Considerando que o volume injetado é igual a 0,1 L
(= 1.10-7 L) tem-se que nesse volume será detectado no mínimo 2,22 fmol (22,2.10-9 mol.L-1 x 1.10-7 L = 2,22.10-15 mol) de piridina, ou seja, 0,176 pg (= 2,22.10-15 mol x 79,1 g.mol-1 = 1,76.10-13 g = 0,176.10-12 g).
e. Como se obtêm os valores da eficiência da eluição do 2º composto e da separação entre este e o 3º composto? Qual a importância da determinação destes parâmetros em separações cromatográficas?
Tanto a eficiência quanto a separação são determinadas a partir do tempo de retenção (tR) e da largura do
pico cromatográfico medida na base (wb), relacionada à dispersão das moléculas do analito dentro da coluna.
A eficiência da eluição do segundo composto pela coluna pode ser avaliada pelo número de pratos teóricos (N) que representa os estágios de equilíbrio entre o analito e a fase estacionária, obtido a partir do tempo de retenção (tR) e da largura do pico cromatográfico medida na base (wB). N pode ser calculado conforme a
equação a seguir:
A separação dos compostos 2 e 3 pode ser avaliada pela resolução (Rs) entre o segundo e o terceiro picos
cromatográficos (compostos 2 e 3, respectivamente), calculada conforme a equação a seguir, onde os índices 1 e 2 subscritos se referem ao terceiro e ao segundo composto, respectivamente:
É possível tratar os dois parâmetros (resolução e eficiência) conjuntamente (na mesma equação), obtendo a resolução (R) a partir da eficiência (N), considerando a seletividade (, fator de seletividade) e a retenção (k, fator de retenção) dos compostos, conforme a equação a seguir:
R = (
N / 4) x (k / (k + 1)) x ((
- 1) /
)
A eficiência (N) e a resolução (RS ou R) são parâmetros que fornecem informações complementares.
Processos cromatográficos eficientes (picos estreitos e com tempos de retenção maiores) permitem que uma maior quantidade de analitos presentes na amostra possa ser separada numa mesma corrida cromatográfica e com boa resolução (picos resolvidos na base). Quanto menor a resolução, desde que não interfira na confiabilidade da quantificação pelo valor da área do pico (Rs > 1,5, picos separados na linha de base) mais rápido ocorrerá a separação (mais rápido o processo cromatográfico) implicando ganhos nas análises.
0,25
FORMULÁRIO______________________________________________________________________
Go = -R.T.lnKp (Kp é admensional) Kc = Kp.(R.T) n; P.V = n.R.T Conc. molar = n.V(L)-1; d = m.V-1 n = m(g).MM-1 Para: ax2 + bx + c x = -b b2 – (4ac ) x (2a)-1 D = KD / {1 + ( Ka / [H+](aq))} KD = [S]org / [S]aq %E = {([S]o .Vo) / ([S]o.Vo + [S]a.Va)} . 100 %E = {(100.D / (D + 1)}, quando Vo = Va D = K ([HR]norg / [H+]naq) t’R = tR - tM ; (V’R) = VR - VM; Rf = dR / dM Kc = [A]S / [A]M = (wS / wM ) x (VM / VS); k = ws / wm ; = VM / VS ; Kc = k x ; k = K / = t’R / tM; = kB / kA = t’RB / t’RA; N = 16 x (dR / wb)2 = 16 x (tR / wb)2 = 5,54 x (tR / wh)2 Nef = 16 x (tR’ / wb)2 ; = t’RB / t’RA = kB / kA RS = 2 x (tR2 - tR1) / (wb2 + wb1) = 2 x tR / (wb2 + wb1); RS = (N / 4) x (k2 / (k2 + 1)) x ((- 1) / ); NR = 16RS2 x ((- 1))2 x ((k + 1) / k)2; VFM = (Vcoluna / tM)Massa não extraída = maq {Vaq / (D x Vorg + Vaq)}n
Para uma reação de 1a. ordem:
1) ln ([ ]o x [ ]-1) = k x t; 2) [ ] = [ ]o x e-kt
A operação inversa de log x = 10x e de ln x = ex pH = -log [H+]; pH + pOH = 14
Eq. Henderson: pH = pKa + log ([HA] x [A-]-1)
pOH = pKb + log ([BOH] x [BA+]-1)
íon acetato = CH3COO
íon benzoato = C6H5COO
íon amônio = NH4+
Constantes: R = 8,314 J.mol-1.K-1 R = 0,0820 L.atm.mol-1.K-1 Ka (ácido acético a 25oC) = 1,8.10-5
Ka (ácido benzóico a 25oC) = 6,3.10 -5
Kw (a 25oC) = [H+].[OH-] = 1,0 10-14
n = quantidade de analito extraído
K = constante de distribuição fibra / amostra Vf = volume da fibra (fase polimérica)
VS = volume da amostra
C0: conc. inicial do analito na amostra
GLP: gás liquefeito do petróleo (mistura de substâncias não retidas pela coluna em CG)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
IA VIIIA
1
1 H
1,00794 IIA IIIA IVA VA VIA VIIA
2 He 4,00260 2 3 Li 6,941 4 Be 9,01218 5 B 10,81 6 C 12,01115 7 N 14,0067 8 O 15,9994 9 F 18.9984 10 Ne 20,179 3 11 Na 22,98977 12 Mg
24,3050 IIIB IVB VB VIB VIIB
VIIIB IB IIB 13 Al 26,98154 14 Si 28,086 15 P 30,97376 16 S 32,06 17 Cl 35,453 18 Ar 39,948 4 19 K 39,0983 20 Ca 40,078 21 Sc 44,95591 22 Ti 47,88 23 V 50,9415 24 Cr 51,9961 25 Mn 54,93805 26 Fe 55,847 27 Co 58,93320 28 Ni 58,6934 29 Cu 63,546 30 Zn 65,38 31 Ga 69,72 32 Ge 72,59 33 As 74,9216 34 Se 78,96 35 Br 79,904 36 Kr 83,80 5 37 Rb 85,4678 38 Sr 87,62 39 Y 88,90585 40 Zr 91,224 41 Nb 92,90638 42 Mo 95,94 43 Tc 98,9062 44 Ru 101,07 45 Rh 102,90550 46 Pd 106,42 47 Ag 107,868 48 Cd 112,40 49 In 114,82 50 Sn 118,69 51 Sb 121,75 52 Te 127,60 53 I 126,9045 54 Xe 131,30 6 55 Cs 132,9054 56 Ba 137,327 57 *La 138,9055 72 Hf 178,49 73 Ta 180,9479 74 W 183,85 75 Re 186,207 76 Os 190,2 77 Ir 192,22 78 Pt 195,08 79 Au 196,9665 80 Hg 200,59 81 Tl 204,37 82 Pb 207,19 83 Bi 208,9804 84 Po (210) 85 At (210) 86 Rn (222) 7 87 Fr 223,0197 88 Ra 226,0254 89 † Ac 227,0278 104 Rf 261,11 105 Db 262,114 106 Sg 263,118 107 Bh 262,12 108 Hs (265) 109 Mt (266)
