Aula 6 1 - Cromatografia Gasosa - Definição e Instrumentação

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Cromatografia Gasosa
Definição e Instrumentação
Curso Técnico em Química 
Cromatografia
Profª Camila Nunes
Cromatografia Gasosa
Modalidades e Classificação
FM = Líquido
FM = Gás
Cromatografia
Líquida
Cromatografia
Gasosa (CG)
Em CG a FE
pode ser:
Sólida
Líquida
Cromatografia
Gás-Sólido (CGS)
Cromatografia
Gás-Líquido (CGL)
 Atualmente:
Vendas de equipamentos e acessórios para CG, na maioria das vezes, importados.
1940
1950
1960
“CGS” rudimentar
CGL proposta (Martin e Synge)
Separação de ácidos orgânicos por CGL: primeiro cromatógrafo (Martin e James)
Primeiro equipamento comercial (Griffin & George)
Detector por Densidade de Gás (Martin e James)
Detector por Ionização em Chama (McWillian e Dewar)
Detector por Captura de Eletrons (Lovelock e Lipsky)
Colunas Capilares (Golay) 1958
Cromatografia Gasosa
Histórico
É uma das técnicas de análise de maior uso;
É utilizada para a separação e quantificação de diversos produtos;
Podendo também ser usada como técnica de identificação, em casos especiais, principalmente quando acoplada a um EM(MS) ou outro detector qualitativo.
Cromatografia Gasosa
Características
Cromatografia Gasosa
Características
VANTAGENS
Alto poder de resolução (análise de muitos componentes de uma única amostra);
Sensibilidade/baixo limite de detecção (10-12 g); 
Requer pequenas quantidades de amostra; 
Excelente como técnica quantitativa (pg a mg).
DESVANTAGENS
Aplicável substâncias voláteis e estáveis termicamente (ou formar um derivado com estas características, mas nem sempre é possível); 
Requer preparo da amostra, para eliminação de interferências e contaminações da coluna cromatográfica; 
Tempo e custo elevado;
Baixa eficiência qualitativa, necessitando de técnicas auxiliares para identificação: espectrometria de massas, RMN e IV;
Dificuldade de utilização como técnica preparativa (colunas recheadas com maior diâmetro interno).
Quais misturas podem ser separadas por CG ?
Misturas cujos constituintes sejam
VOLÁTEIS/SEMIVOLÁTEIS (=“evaporáveis”)
Misturas substâncias quaisquer que podem ser “arrastadas” por um fluxo de um gás. As substâncias devem ser dissolver, pelo menos parcialmente, nesse gás.
DE FORMA GERAL:
CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC e que sejam termicamente estáveis.
Cromatografia Gasosa
Aplicabilidade
Cromatografia Gasosa
Separação
Separação ocorre na coluna
• Duas fases são envolvidas:
– Fase estacionária
– Fase móvel (gás de arraste)
• Fase estacionária reside dentro da coluna
• Fase móvel move sobre a fase estacionária
Cromatografia Gasosa
Separação
Separação baseada na distinta distribuição das substâncias da amostra entre uma fase estacionária (FE) e uma fase móvel gasosa (FM) 
A amostra é vaporizada no local de injeção;
A amostra vaporizada é introduzida numa coluna contendo a FE; 
De acordo com suas propriedades e as da fase estacionária são retidas por tempos determinados, chegando a saída da coluna em tempos diferentes (tr); 
O uso de um detector adequado torna possível a quantificação dessas substâncias.
Cromatografia Gasosa
Migração Diferencial
Interações intermoleculares atraem moléculas para a fase estacionária.
– Ex.: ligação de hidrogênio
Cromatografia Gasosa
Fatores que afetam a separação
• Estrutura química do composto (1)
• Fase estacionária (2)
• Temperatura da coluna (3)
Cromatografia Gasosa
Cromatograma Ideal
Picos se apresentam separados e simétricos
Cromatografia Gasosa
Cromatograma Ideal
Mas na prática...
Diferentes formas de picos cromatográficos:
A – Pico Gaussiano ideal;
B – Pico com cauda;
C – Pico com cauda severa;
D – Pico alargado;
E – Pico com fronte;
F – Conjunto de picos com ombro.
Mas porque isso acontece?
Separação deficiente na coluna;
Excesso de amostra injetada ou uso de colunas em temperaturas abaixo da ideal para uma determinada análise (assimetria frontal);
Falhas na técnica de injeção da amostra ou adsorção excessiva na fase estacionária ou suporte (caudas).
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1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão.
2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra.
3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna.
4 - Detector.
5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal.
6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador).
Observação - em destaque: temperatura controlada
Cromatógrafo a Gás
Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amostra - apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como GÁS DE ARRASTE
Requisitos:
INERTE Não deve reagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento. Os mais utilizados são: N2, He, H2 e Ar.
PURO Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase estacionária, prejudicar a estabilidade e a resposta do detector.
Impurezas típicas em gases e seus efeitos:
oxida / hidroliza algumas FE
incompatíveis com DCE
H2O, O2
hidrocarbonetos
ruído no sinal de DIC
Instrumentação
Gás de Arraste
CUSTO Deve apresentar baixo custo, porém elevada pureza. Gases de altíssima pureza podem ser muito caros.
COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento.
Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector:
He , H2
DCT
DIC
N2 , H2
DCE
N2 (SS), Ar + 5% CH4
CUSTO
PUREZA
A
B
C
A = 99,995 % (4.5)
B = 99,999 % (5.0)
C = 99,9999 % (6.0)
Instrumentação
Gás de Arraste
Requisitos:
Instrumentação
Alimentação de Gás de Arraste
Componentes necessários à linha de gás:
controladores de vazão / pressão de gás – manter constante a pressão na entrada do sistema.
dispositivos para purificação de gás (“traps”) – eliminar impurezas
Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica
Injeção instantânea:
Injeção lenta:
t = 0
t = x
t = 0
t = x
Instrumentação
Injeção de Amostras
• Parte do cromatógrafo a gás onde a amostra é introduzida no cromatógrafo a gás
– Vaporiza amostra (solvente + compostos alvo)
– Mistura vapor com fase móvel (gás de arraste)
– Transfere vapor para dentro da coluna
• Forma mais simples: 
– Câmara de aquecimento
– Injector liner/glass insert
– Linhas de fluxo de gás
Instrumentação
Injetores
Qualidades desejáveis para injetor CG:
• Injeção de amostra para dentro da fase móvel sem dispersão da amostra ou tailing (efeito cauda);
• Vaporizar todos solutos instantaneamente sem decomposição térmica;
• Evitar difusão de componentes da amostra na fase móvel;
• Não tenha contaminação da amostra;
• Não tenha perda da amostra.
Instrumentação
Injetores
TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas sem decomposição.
Regra Geral: Tinj = 50 oC acima da temperatura de ebulição do componente menos volátil
VOLUME INJETADO Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra
COLUNA
Amostras
Gasosas
Amostras
Líquidas
empacotada
 = 3,2 mm (1/4”)
0,1 mL ... 50 mL
0,2 L ... 20 L
capilar
 = 0,25 mm
0,001 mL ... 0,1 mL
0,01 L ... 3 L
Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução
Instrumentação
Parâmetros de Injeção
• Vantagem:
– Previne introdução de compostos não 
voláteis da amostra
• Desvantagem:
– Discriminação dos compostos com alto 
ponto de ebulição e termicamente instáveis
• Dois modos de injeção em um único injetor
Instrumentação
Injetor Split/Splitless
• Para amostras com concentrações mais altas
• Razão Split = Fluxo de que sai por Split / Fluxo da Coluna
• Vantagem:
– Pico com bom formato em geral
Instrumentação
Injetor Split
• Para compostos de nível traço
• Bom para amostras semi-voláteis (pontos de ebulição do analito são acima de ~150ºC)
Instrumentação
Injetor Splitless
Instrumentação
Glass Insert
• Por que usar glass insert:
– Eliminar contato da amostra com metal (corpo do injetor)
– Aquecimento uniforme para melhor vaporização da amostra
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1 - Septo (silicone)
2 - Alimentação de gás de arraste)
3 - Bloco metálico aquecido4 - Ponta da coluna cromatográfica
Instrumentação
Injetor “on-column” Convencional
• Toda amostra é introduzida diretamente na coluna
• Amostra pode ser introduzida a temperatura relativamente baixa
• Temperatura do injetor pode ser programada (rampa) - por ex.: 50ºC (0.1min) - 100 ºC/min - 280 ºC (20min)
• Sem discriminação dos compostos com alto ponto de ebulição
• Minimiza decomposição de compostos termicamente instáveis
• Rápida contaminação da coluna por compostos não voláteis
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1 - Ponta da agulha da microsseringa é introduzida no início da coluna.
2 - Amostra injetada e vaporizada instantaneamente no início da coluna.
3 - “Plug” de vapor de amostra forçado pelo gás de arraste a fluir pela coluna.
Instrumentação
Injetor “on-column” de Líquidos
LÍQUIDOS Capacidades típicas: 1 L, 5 L e 10 L
êmbolo
corpo (pirex)
agulha (inox 316)
Microseringa de 10  L:
Microseringa de 1  L (seção ampliada):
corpo
guia
êmbolo (fio de aço soldado ao guia)
agulha
Instrumentação
Microsseringas para Injeção
EMPACOTADA
 = 3 a 6 mm
L = 0,5 m a 5 m
Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio)
CAPILAR
 = 0,1 a 0,5 mm
L = 5 m a 100 m
Paredes internas recobertas com um filme fino (fração de  m) de FE líquida ou sólida
Instrumentação
Colunas: Definições Básicas
Tubo de material inerte recheado com FE sólida granulada ou FE líquida depositada sobre suporte sólido.
MATERIAL
DO
TUBO
ø = 3 mm a 6 mm
L = 0,5 m a 5 m
aço inox
vidro pirex
níquel
TEFLON
Granulometria
do
recheio
80 - 100 mesh
149 - 177 mm
100 - 120 mesh
125 - 149 mm
60 - 80 mesh
177 - 250 mm
MESH
dp
Eficiência maximizada com:
- Diminuição de dC
- Diminuição de dp
- Recheio regular
Limitados pela resistência à passagem de gás de arraste
Colunas Empacotadas
Definições Básicas
Tubo fino de material inerte com FE líquida ou sólida depositada sobre as paredes internas.
MATERIAL
DO
TUBO
ø = 0,1 mm a 0,5 mm
L = 5 m a 100 m
sílica fundida
vidro pirex
aço inox
Nylon
Silcosteel
Colunas de sílica são revestidas externamente com camada de polímero (poliimida) para aumentar resistência mecânica e química
Famílias de Colunas Capilares :
PLOT (Porous layer open tube) Camada de FE sólida presa às paredes internas
SCOT (Support coated open tube) Paredes internas revestidas com material de recheio similar ao das colunas empacotadas, normalmente sílica, sobre o qual se encontra a fase estacionária líquida.
WCOT (Wall coated open tube) FE líquida depositada (ligada // entrecruzada) sobre as paredes internas.
Colunas Capilares
Definições Básicas
WBOT (Wall bonded open tube) FE imobilizada às paredes internas do tubo, resultando em menor volatilização da FE com o aumento da temperatura.
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1 - Septo;
2 - Entrada de gás de arraste;
3 - “Liner” (misturador);
4 - Coluna Capilar
5 - Purga de gás de arraste;
6 - Válvula de controle de purga.
Baixa capacidade de processamento de amostra (sub-microlitro)
Injeção direta com microseringa muito difícil !!!
Injetores com divisão (“splitters”) Sistema pneumático despreza fração da amostra injetada
- Menor sensibilidade (boa parte da amostra é desprezada)
- Divisão da amostra raramente é uniforme (fração purgada dos constituintes menos voláteis é sempre menor)
- Ajuste da razão de divisão é mais uma fonte de erros
Colunas Capilares
Injeção
LÍQUIDAS Líquido pouco volátil depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas capilares)
FE
líquida
SUPORTE
Sólido inerte poroso
Tubo capilar de material inerte
SÓLIDAS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a superfície interna do tubo (capilar)
Para minimizar a perda de FE líquida por volatilização, normalmente ela é:
Entrecruzada: as cadeias poliméricas são quimicamente ligadas entre si
Quimicamente ligadas: as cadeias poliméricas são “presas” ao suporte por ligações químicas
Fases Estacionárias
Conceitos Gerais
O fenômemo físico-químico responsável pela interação analito + FE sólida é a ADSORÇÃO
A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida
ADSORÇÃO
Sólidos com grandes áreas superficiais (partículas finas, poros)
Solutos polares
Sólidos com grande número de sítios ativos (hidroxilas, pares de elétrons...)
Fases Estacionárias
FE Sólidas: Adsorção
A separação dos compostos se baseia na adsorção química e física na FE e nas diferentes volatilidades.
Substâncias com mesma capacidade de serem adsorvidas pela FE podem ser separadas se apresentarem diferentes volatilidades.
Características Gerais:
 - Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105 µm a 420 µm).
- Grandes áreas superficiais (até 102 m2/g).
Mais usados:
Polímeros Porosos Porapak (copolímero estireno-divinilbenzeno), Chromosorb, Tenax (polióxido de difenileno)
Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões ativos grafitinizados), Alumina, Peneira Molecular (argila microporosa)
GASES DE REFINARIA
Coluna:Carboxen-1000 60-80 
mesh; 15’ x 1/8”
TCOL: 35oC a 225oC / 20oC. min-1
Gás de Arraste: He @ 30 ml.min-1
Detector: DCT
Principais Aplicações:
- Separação de gases fixos (não formam líquidos na temperatura do gás)
- Compostos leves
- Séries homólogas
Fases Estacionárias
FE Sólidas
LIMITAÇÕES
Não-linearidade de isotermas de adsorção, mesmo com quantidades pequenas de amostra, resultando em picos com caudas, tempos de retenção sujeitos a uma maior variação em função do tamanho da amostra e adsorção irreversível;
Possibilidade de alterações catalíticas da amostra na presença de fases estacionárias sólidas a altas temperaturas;
A grande área superficial dessas fases resulta em tempos de retenção excessivamente longos, particularmente para moléculas grandes e polares. 
VANTAGENS
Maior estabilidade das fases estacionárias sólidas a maiores temperaturas e resistência ao ataque por oxigênio;
Com sólidos inorgânicos, não existe o problema relacionado com a sangria da coluna (volatilização constante de parte da fase estacionária).
Fases Estacionárias
FE Sólidas
Fases Estacionárias
FE Sólidas
	Fase Estacionária	Aplicação
	Polímeros Porosos 	Gases fixos e compostos apolares ou polares de cadeia curta
	Carvão Grafitinizado	Isômeros estruturais e geométricos 
	Sílica	Gases fixos e hidrocarbonetos de baixo ponto de ebulição
	Alumina	Hidrocarbonetos
O fenômeno físico-químico responsável pela interação analito + FE líquida é a ABSORÇÃO
A absorção ocorre no interior do filme de FE líquida (fenômeno INTRAfacial)
ABSORÇÃO
Filmes espessos de FE líquida
Interação forte entre a FE líquida e o analito (grande solubilidade)
Grande superfície líquida exposta ao gás de arraste
Fases Estacionárias
FE Líquidas: Absorção
O líquido deve solubilizar os componentes da amostra de maneira seletiva.
A separação dos compostos se baseia nas diferentes solubilidades na FE e nas diferentes volatilidades.
Maior parte das aplicações em CG moderna
Quatro grandes grupos estruturais:
PARAFINAS Apolares; alta inércia química; praticamente abandonadas. Principais: esqualano (C30H62), Apiezon (graxas para vácuo).
POLIÉSTERES Ésteres de diálcoois com diácidos. Polares; altamente sensíveis a umidade e oxidação; uso em declínio. Principais: DEGS, EGA, EGS.
ÉSTERES METÍLICOS DE ÁCIDOS GRAXOS
Coluna:5%DEGS-PS s/ Supel-coport 100/120 mesh; 6’ x 1/8”
TCOL: 200oC (isotérmico)
Gás de Arraste: N2 @ 20 ml.min-1
Detector: FID
Amostra: 0,5 mL de solução em clorofórmio contendo 0,5 mg de cada éster
Fases Estacionárias
FE Líquidas
POLIGLICÓIS Muito polares; sensíveis a umidade e oxidação; ainda muito importantes. Principal: Polietilenoglicol (nomes comerciais: Carbowax, DB-Wax, Supelcowax, HP-Wax, etc.)
Estrutura Química:
AMINAS ALIFÁTICAS
Coluna:4 % Carbowax 20M s/ Carbopack B + 0,8% KOH
 TCOL: 200oC (isotérmico) Gás de Arraste: N2 @ 20 mL.min-1
 Detector: FID	 Amostra: 0,01 mL da mistura de aminas
Fases Estacionárias
FE Líquidas
SILICONES (polisiloxanas)As FE mais empregadas em CG. Cobrem ampla faixa de polaridades e propriedades químicas diversas.
R1, R2 = qualquer
radical orgânico
- Ligação Si-O extremamente estável = elevada estabilidade térmica e química das FE.
- Silicones são fabricados em larga escala para diversas aplicações = minimização de custo do produto + tecnologia de produção e purificação largamente estudada e conhecida.
- Praticamente qualquer radical orgânico ou inorgânico pode ser ligado à cadeia polimérica = FE “ajustáveis” a separações específicas + facilidade de imobilização por entrecruzamento e ligação química a suportes
Fases Estacionárias
FE Líquidas
SELETIVA Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra.
Regra geral: a FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados (polar, apolar, aromático ...)
FE Seletiva: separação adequada dos constituintes da amostra
FE pouco Seletiva: má resolução mesmo com coluna de boa eficiência
Fases Estacionárias
Características de uma FE ideal
AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS DE USO Maior flexibilidade na otimização da separação.
BOA ESTABILIDADE QUÍMICA E TÉRMICA Maior durabilidade da coluna, não reage com componentes da amostra
POUCO VISCOSA Colunas mais eficientes (menor resistência à transferência do analito entre fases)
DISPONÍVEL EM ELEVADO GRAU DE PUREZA Colunas reprodutíveis; ausência de picos “fantasma” nos cromatogramas.
Fases Estacionárias
Características de uma FE ideal
Além da interação com a FE, o tempo que um analito demora para percorrer a coluna depende de sua PRESSÃO DE VAPOR (p0).
p0
Estrutura química do analito
Temperatura da coluna
Temperatura
da
coluna
Pressão
de
vapor
Velocidade
de
migração
ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR RETENÇÃO)
Instrumentação
Temperatura da Coluna
TEMPERATURA DA COLUNA
CONTROLE CONFIÁVEL DA TEMPERATURA DA COLUNA É ESSENCIAL PARA OBTER BOA SEPARAÇÃO EM CG
Instrumentação
Temperatura da Coluna
Características Desejáveis de um Forno:
AMPLA FAIXA DE TEMPERATURA DE USO Pelo menos de Tambiente até 400oC. Sistemas criogênicos (T < Tambiente) podem ser necessários em casos especiais.
TEMPERATURA INDEPENDENTE DOS DEMAIS MÓDULOS Não deve ser afetado pela temperatura do injetor e detector.
TEMPERATURA UNIFORME EM SEU INTERIOR Sistemas de ventilação interna muito eficientes para manter a temperatura homogênea em todo forno.
Instrumentação
Forno da Coluna
Características Desejáveis de um Forno:
FÁCIL ACESSO À COLUNA A operação de troca de coluna pode ser frequente.
AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO RÁPIDO Importante tanto em análises de rotina e durante o desenvolvimento de metodologias analíticas novas.
TEMPERATURA ESTÁVEL E REPRODUTÍVEL
A temperatura deve ser mantida com exatidão e precisão de ± 0,1°C.
Em cromatógrafos modernos (depois de 1980),
o controle de temperatura do forno é totalmente operado por microprocessadores.
Instrumentação
Forno da Coluna
Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:
TCOL BAIXA:
- Componentes mais voláteis são separados;
- Componentes menos voláteis demoram a eluir, saindo como picos mal definidos.
TCOL ALTA:
- Componentes mais voláteis não são separados;
- Componentes menos voláteis eluem mais rapidamente.
Instrumentação
Programação Linear de Temperatura
A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a separação:
Consegue-se boa separação dos componentes da amostra em menor tempo
TEMPO
TEMPERATURA
tINI
tFIM
TINI
TFIM
R
Parâmetros de uma programação de temperatura:
TINI Temperatura Inicial
TFIM Temperatura Final
tINI Tempo Isotérmico Inicial
tFIM Tempo Final do Programa
R Velocidade de Aquecimento
Instrumentação
Programação Linear de Temperatura
Coluna cromatográfica: série de estágios independentes onde acontece o equilíbrio entre o analito dissolvido na fase estacionária e no gás de arraste:
Ocorre um “quase-equilíbrio” entre o analito sorvido na FE e dissolvido no gás de arraste.
KC = Constante de Distribuição
[A]S = concentração do analito na FE
[A]M = concentração do analito no gás
MENOR RETENÇÃO !!!
Volatilidade
[A]M
Afinidade pela FE
[A]S
Teoria Básica
Constante de Distribuição (kC’)
Dispositivos que examinam continuamente o material eluído, gerando sinal quando da passagem de substâncias, que não o gás de arraste, proporcional à quantidade do analito.
Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA
Idealmente: cada substância separada aparece
como um PICO no cromatograma.
Instrumentação
Detectores
SENSIBILIDADE Relação entre o incremento de área do pico e o incremento de massa do analito.
MASSA
ÁREA
Fator de Resposta, S: inclinação da reta Área do pico x Massa do analito
o mesmo incremento de massa causa um maior incremento de área
Sensibilidade
S
Na ausência de erros determinados:
A = área do pico cromatográfico
m = massa do analito
Detectores
Parâmetros Básicos de Desempenho
UNIVERSAIS:
Geram sinal para qualquer
substância eluída.
SELETIVOS:
Detectam apenas substâncias
com determinada propriedade
físico-química.
ESPECÍFICOS:
Detectam substâncias que
possuam determinado elemento
ou grupo funcional em suas
estruturas
Detectores
Classificação
~ 60 detectores já usados em CG
~ 15 equipam cromatógrafos comerciais
4 respondem pela maior parte das aplicações
DCT TCD
Detector por
Condutividade
Térmica
DIC FID
Detector por
Ionização em
Chama
DCE ECD
Detector por
Captura de
Eletrons
EM MS
Detector Es-pectrométrico de Massas
Detectores
Definições Gerais
C
H
2
C
H
2
O
H
O
H
n
S
i
C
H
3
H
3
C
C
H
3
O
S
i
R
1
R
2
O
S
i
C
H
3
C
H
3
C
H
3
n
[
]
[
]
M
S
C
A
A
K
=