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IQ-UFBA Departamento de Química Orgânica QUI-B37 – Química Orgânica Básica Experimental I-A 2018.2 RELATÓRIO DE ATIVIDADES Título: Identificação de Substâncias Orgânicas Coloridas por Cromatografia em Coluna e Cromatografia em Camada Delgada Data: 20 de Setembro de 2018 Autor (a): Olívia Christiane Dias Santos Alcântara 1. Introdução 1.1 Objetivos ● Conhecer os fundamentos da técnica de cromatografia em coluna(CC) e cromatografia em camada delgada(CCD); ● Utilizar a técnica de cromatografia em camada delgada para identificar os compostos presentes numa mistura; ● Determinar índices de retenção para uma série de amostras e relacionar esses valores com a polaridade das mesmas; ● Conhecer métodos utilizados para visualização de diferentes amostras em cromatografia em camada delgada; ● Escolher sistemas de solventes adequados para a separação levando em conta o perfil da mistura a ser separada. ● Realizar a separação de componentes orgânicos em mistura por cromatografia em coluna; ● Analisar qualitativamente as frações obtidas na cromatografia em coluna. 1.2 Fundamentação teórica Cromatografia é uma técnica de separação que também é utilizada para identificação e quantificação de componentes químicos. É constituída basicamente por dois componentes, uma fase estacionária e uma fase móvel. Essa técnica permite a separação físico-química dos componentes de uma mistura através da distribuição de componentes em duas fases que estão em contato íntimo. Uma das fases permanece estacionária, enquanto a outra se move através dela. Durante a passagem da fase móvel sobre a fase estacionária, os componentes da mistura são distribuídos pelas duas fases de tal forma que cada um deles é seletivamente retido pela fase estacionária, o que resulta em migrações diferenciais desses componentes. A cromatografia pode ser classificada em relação a vários fatores, tais quais, mecanismo de separação envolvido, estado físico das fases utilizadas, local de impregnação da fase estacionária, etc. Dessa forma, a cromatografia pode ser de adsorção, partição, exclusão; gasosa, líquida e em coluna ou planar. nisso, a cromatografia pode ser dividida em cromatografia em coluna e cromatografia planar. A cromatografia líquida em coluna divide-se em dois grupos: cromatografia liquida “clássica”,feita com colunas de vidro, sob pressão atmosférica com o fluxo da fase móvel mantido pela força da gravidade, e cromatografia líquida que normalmente utiliza colunas metálicas e pressões de fase móvel elevadas, obtidas com auxílio de uma bomba de alta pressão. A cromatografia em camada delgada consiste na separação dos componentes de uma mistura através da migração diferencial sobre uma camada delgada de adsorvente (fase estacionária) retido sobre uma superfície plana. Logo,o processo de separação está fundamentado, principalmente no fenômeno de adsorção. Essa técnica possui a vantagem de ser simples, rápida, reprodutível e de baixo custo. O mercado dispõe de uma grande variedade de adsorventes para a fins cromatográficos, os quais podem ser adquiridos para a confecção de placas no próprio laboratório ou com placas pré-fabricadas. Entre os adsorventes mais utilizados em CCD estão a sílica, a alumina, a celulose e a poliamida. Em geral, dá-se preferência a placas cromatográficas pré-fabricadas, pois, apesar de ser em mais caras, dispensam a fase de preparação e são bem mais uniformes e homogêneas. Essas duas últimas características auxiliam no rendimento da corrida cromatográfica, melhorando a separação e tornando os valores de Rf(fator de retenção) mais reprodutíveis. O Fator de retenção é um parâmetro frequentemente utilizado em cromatografia. Ele é definido como a razão entre a distância percorrida pela mancha do composto e a distância percorrida pelo eluente. Portanto: Rf = dc / ds Onde: dc = distância percorrida pelo composto da mistura (analito). ds = distância percorrida pelo eluente. 2. Parte experimental 2.1 Resumo do experimento (procedimento e/ou fluxograma) 2.1.1 – Cromatografia em Coluna (Demonstrativa) Na cromatografia em coluna(CC) foram separados os componentes de uma mistura colorida de fluoresceína e vermelha de metila (Vide figura 1) em uma coluna cromatográfica, contendo sílica gel como fase estacionária. Cada etapa de realização da técnica é descrito abaixo: A) Preparo da coluna: Com o auxílio de um funil de vidro, encheu-se a coluna cromatográfica, já presa a um suporte universal com sílica gel, à aproximadamente 2/3 de sua altura. Em seguida, essa quantidade de sílica foi transferida para um erlenmeyer contendo hexano formando-se uma suspensão. Transferiu-se essa suspensão para a coluna de vidro para empacotamento da coluna, abriu-se a torneira e esperou-se o “assentamento” da silica na coluna. B) Preparo de amostra: Adicionou-se algumas gotas de metanol e diclorometano na mistura de fluoresceína e vermelho de metila. Transferiu-se pequena quantidade de sílica e algumas gotas da solução da amostra para um frasco de penicilina, homogeneizou-se e colocou-se na estufa até a completa secagem do solvente. C)Aplicação da amostra e preparo do eluente Com um funil de vidro adiciounou-se à coluna a mistura contendo amostra e silica.Com o auxílio de uma proveta de 25 mL, preparou-se uma solução de Hexano e clorofórmio 1:1. Adicionou-se a mistura eluente à coluna de forma continua e cuidadosa para não deformar a camada de sílica e abri-se a valvula inferior dando inicio à corrida. Observou-se. O segundo sistema eluente utilizado foi uma solução clorofórmio: metanol 98%:2%, preparado com proveta de 25 mL. Adicionou-se à mistura e observou-se. Preparou-se o terceiro sistema eluente com 2,5 mL de metanol e 22,5mL de clorofórmio, homogeneizou-se, transferiu-se para coluna e observou-se. Preparou-se novamente a solução metanol:clorofórmio (1:9) e adicionou-se gotas de ácido acético, homogeneizou-se e adicionou-se à coluna. Observou-se. A medida que os componentes da mistura foram eluindo à coluna, eles foram recolhidos e reservados. 2.1.2 Cromatografia Em Camada Delgada Na cromatografia em camada delgada(CCD) analisou-se e identificou-se os componentes coloridos na mistura de vermelho de metila(VM) e4-Carboximetil-(9)10H-acridinona(ACR) a partir da comparação dos tempos de retenção com padrões das duas substâncias citadas. Seguiu-se as seguintes etapas: Preparação das amostras e placa: Com o auxílio de um lápis, foi feita uma marcação na placa , a 1 cm de distância da base inferior, para ser local de aplicação da amostra e padrões. Estes já foram entregues na forma de solução, de modo que estavam prontos para a aplicação. Aplicação das amostras: Aplicou-se as amostras na altura da marcação feita em uma mesma placa cromatográfica, lado a lado, usando um capilar. O capilar era limpo com solvente, após cada aplicação de cada amostra. Preparação da câmara cromatográfica: Transferiu-se 3mL do eluente (clorofórmio) em uma câmara cromatográfica contendo um pedaço de papel de filtro e fechou-se com uma tampa de vidro. E esperou-se o papel ficar umidecido sinalizando a saturação dacâmara. Inseriu-se a placa com as amostras aplicadas na câmara e esperou-se até o solvente ascender à placa, mas não completamente. A placa, então foi retirada da câmara e a marca de “corrida” do solvente foi marcada com lápis. A placa foi revelada em câmara de ultravioleta. Em seguida repetiu-se esse procedimento usando uma mistura de solventes (1:9-metanol: Clorofómio) e a placa obtida foi revelada novamente. O procedimento foi realizado outra vez com o mesmo sistema eluente e uma placa de alumínio ao invés da placa de vidro. 2.2 Desenho da aparelhagem Figura 1: Eluição na Coluna Cromatográfica Figura 2: Cromatografia em Camada Delgada Figura 3: Medida do RF 2.3 Materiais i) Reagentes e solventes (substâncias químicas); • Hexano • Sílica gel • Clorofórmio • Acetona • Metanol • Vermelho de Metila(VM) • Fluoresceína(FLC) • 4-Carboximetil-(9)10H-acridinona(ACR) ii) Vidraria; • Coluna de vidro • Béquer • Capilar de vidro • Conta-gotas • Bastão de vidro • Funil de vidro • Proveta • Frasco de penicilina iii) Materiais diversos; • Placas de cromatografiade7,5 x 2,5cm • Pinça • Régua • Lápis • Papel de filtro • Algodão iv) Equipamentos. • Câmara de luz ultravioleta(UV) 2.4 Tabela de propriedades físicas 2.6. Tabela de propriedades toxicológicas Substância Propriedades (riscos à saúde, inflamabilidade, reatividade) Hexano Provoca irritação à pele com ressecamento e vermelhidão. Provoca irritação aos olhos com lacrimejamento, dor e vermelhidão. Pode causar dermatite com ressecamento por exposição repetida ou prolongada. Não é esperado que provoque sensibilização respiratória. Pode provocar defeitos genéticos. Pode provocar leucemia. Clorofórmio Nocivo por Ingestão. Irritante para a pele. Possibilidade de efeitos irreversíveis. Risco de efeitos graves para a saúde em caso de exposição por inalação e ingestão. De composição ocorre sob efeito de aquecimento ou em contato com a chama livre. Possibilidade de efeitos cancerígenos. Reage violentamente com oxidantes fortes. Diclorometano O produto é prejudicial à saúde. Nocivo por inalação e ingestão. Efeitos ambientais:Miscível com água podendo contaminar esgotos, rios, córregos e outras correntes de água. Perigos físicos e químicos: Decomposição térmica em produtos tóxicos e corrosivos Silica Gel Produto não perigoso Vermelho de Metila Produto não perigoso Fluoresceína Produto não perigoso Metanol Irritante. A exposição contínua pode causar lesões nos olhos, podendo evoluir para cegueira ao 'dissolver' a retina.Tóxico. Irrita as membranas da mucosa. Pode causar intoxicação e cegueira (que pode ser permanente), Dose fatal: 20 - 25 ml. Ácido Acético Glacial Corrosivo, tóxico e inflamável 4-Carboximetil-(9)10H- acridinona Não é considerado perigoso. Não é inflamável 3. Resultados, observações, discussão e conclusões 3.1 Resultados e observações Cromatografia em Coluna: Durante a eluição do primeiro sistema eluente adicionado à coluna (hexano: clorofórmio 1:1) observou-se pouca, ou quase nenhuma migração dos componentes da mistura. Conforme pode ser visto na figura 4, a seguir Figura 4: Coluna cromatográfica durante eluição com clorofórmio: hexano 1:1 Com a adição do segundo sistema eluente: Clorofórmio: metanol (98:2), passou a haver a separação dos componentes da mistura, podendo ser viazualizado frações de diferentes cores (amarelo e vermelho), conforme figuras 5 e 6, abaixo: Figura 5: Início da eluição com clorofórmio:metanol 98:2 Figura 6: Durante a Eluição com Clorofórmio: metanol (98:2) Com a adição do sistema 3 de eluição (metanol: clorofórmio 1:9), houve melhora imediata na separação dos componentes da mistura. Pode-se visualizar nitidamente três frações na coluna (duas de coloração amarela e uma vermelha). Durante a eluição com esse sistema, houve o recolhimento da fração de coloração vermelha. Conforme figuras 7, 8 e 9 abaixo: Figura 7: Durante eluição com sistema clorofórmio:metanol 9:1 Figura 8: Após o recolhimento da fração vermelha (Vermelho de Metila) Figura 9: Vermelho de Metila após ser recolhido Com a adição da 4ª solução como fase móvel (clorofórmio:metanol 9:1 + 1 gota de ác. acético), aumentou-se a velocidade da eluição e recolheu-se as duas frações amarelas em erlemneyer (fluoresceína). Conforme figura 10, a seguir: Figura 10: Eluição da fluoresceína durante o 4º sistema eluente Cromatografia em Camada Delgada Após a revelação da placa eluída em clorofórmio, verificou-se que essa fase móvel não foi eficiente, visto que boa parte das amostras aplicadas correram muito pouco a placa. A fase movel utilizada posteriormente (clorofórmio: metanol 9:1) foi mais eficiente e promoveu o arraste satisfatório dos compostos. (vide figura 12). Além disso, pode-se comprovar visualmente, com base na comparação das alturas percorridas, que a mistura continha o padrão ACR e VM. Figura 11: Amostras aplicadas na placa Cromatográfica de vidro (aplicadas na ordem: ACR, Mistura e Vermelho de metila) Figura 12: Placa revelada após corrida com clorofórmio: metanol 9:1 A Utilização da placa cromatográfica de alumínio levou a uma separação ainda melhor dos componentes, havendo inclusive, distinção entre duas manchas nos padrões. O que não ocorreu com a corrida anterior. Após a revelação, a placa de alumínio foi marcada com lápis para posterior cálculo do Fator de Retenção. (vide figura 12 e 13) Figura 13: Placa revelada em luz UV após corrida em sistema clorofórmio metanol (9:1) em placa de alumínio Figura 14: Placa marcada após revelação Conforme visto na figura 14, acima, a utilização da placa de alumínio possibilitou melhor separação entre os componentes, de modo que até mesmo nos padrões ACR e VM (manchas da esquerda e direita da placa, respectivamente) houve a separação entre duas substâncias. Acredita-se que essas manchas mais inferiores em cada padrão sejam impurezas.Portanto, elas não foram utilizadas para o cálculo de Fator de retenção. Tabela 3: Distâncias percorrida pelas amostras e solvente Manchas da Placa Distância Percorrida(cm) Mancha superior do Padrão ACR 3,3 Mancha amarelada da Mistura 3,2 Mancha Vermelha da Mistura 2,8 Mancha do Padrão do Vermelho de Metila 2,9 Distância percorrida pelo solvente 4,8 3.2 Discussão e conclusões Cromatografia em Coluna: A melhora na separação entre os componentes da mistura com a mudança da fase móvel, está relacionado com o aumento gradativo de polaridade da fase móvel e, portanto, aumento do poder eluente e também é explicado pela natureza das substâncias presentes na mistura. Ao se observar a série eluotrópica, na figura 15, a seguir, verifica-se que o hexano tem baixo poder eluente, enquanto que o metanol tem alto poder eluente. É possível concluir que houve um aumento gradativo do poder eluente comparando-se as soluções utilizadas como fase móvel ( clorofórmio:hexano 1:1; clorofómio:metanol 98:2 e clorofórmio: metanol 9:1). Com o aumento do poder eluente, os compostos são mais arrastados ao longo da coluna. Figura 15: Série Eluotrópica Além disso, observando-se a estrutura do vermelho de metila e da fluresceína, pode-se notar que ambas são relativamente polares , de maneira que esses compostos têm afinidade e interagemmelhor com outros compostos polares. A fase estacionária utilizada, silica, é altamente polar, sendo assim, solventes de baixa polaridade não interagem tão bem com essas substâncias, fazendo com que elas fiquem mais adsorvidas na fase estacionária. Foi o que ocorreu na fig 1, com a fase movel (clorofórmio:hexano 1:1). Figura 16: Estrutura dos componentes da mistura Figura 17: Estrutura da Silica Gel: observa-se inúmeros grupos hidroxila que a caracterizam como composto relativamente polar Apesar dos dois componentes da mistura serem relativamente polares, há uma diferença de polaridade entre eles. Observa-se na figura 16 que a fluoresceína apresenta mais grupos que conferem polaridade: átomos de oxigênio, altamente eletronegativos, e grupos hidroxíla os quais permitem interação por interação de Hidrogênio nos sítios da sílica. O vermelho de metila por sua vez, apresenta apenas um grupo carboxílico e átomos de nitrogênio relativamente impedidos estericamente. Sendo assim, o vermelho de metila pode ser considerado menos polar e possui menor afinidade pela sílica quando comparado com a fluoresceína. Por essa razão é que o vermelho de metila eluiu mais rapidamente a coluna, enquanto que a fluoresceína ficou mais adsorvida a sílica, sendo recolhida por último. Cabe ressaltar que após a retirada dos componentes da coluna, eles tiveram variação de coloração. O vermelho ficou laranja e o amarelo ficou mais claro. Isso ocorre porque estes pigmentos são indicadores de pH. A silica apresenta caráter ácido, de forma que enquanto eles estão em contato com ela eles apresentam a coloração característica da indicação desse pH. Ao ser recolhido, perde-se o contato com a substância ácida e ocorre a mudança de coloração observada. Cromatografia em Camada Delgada Ao se examinar as estruturas do Vermelho de metila e do ACR, figura 18, verifica-se que ambas são substâncias polares e assim, elas tem uma afinidade química com a Sílica. O Clorofórmio, sendo um solvente apolar, não tem muita afinidade pelas substâncias citadas, de maneira que elas ficaram mais adsorvidas à silica, não percorrendo a placa satisfatoriamente. Com o aumento do poder eluente e polaridade da fase móvel, mediante a utilização da solução clorofórmio:metanol 9:1, os compostos da mistura e padrões foram mais arrastados ao longo da placa e melhor separados justamente pela maior afinidade com a fase móvel mais polar. Figura 18: Estrutura do Vermelho de Metila e do ACR Em relação à melhor resolução da placa de alumínio em comparação com a placa de vidro, essa observação está relacionada com o fato da camada de sílica na placa de alumínio ser mais delgada e uniforme do que a da placa de vidro. A maior uniformidade da placa contribui para maior eficiência da técnica de CCD. Tabela 4: Análise dos Fatores de Retenção obtidos da placa cromatográfica de alumínio Manchas da Placa Distância Percorrida(cm) Fator de Retenção Mancha superior do Padrão ACR 3,3 0,69 Mancha amarelada da Mistura 3,2 0,68 Mancha Vermelha da Mistura 2,8 0,58 Mancha do Padrão do Vermelho de Metila 2,9 0,60 Distância percorrida pelo solvente 4,8 ------- Retomando a figura 14, de onde foi feita a medição das manchas e obtidos os fatores de retenção observa-se que a mistura (manchas do centro) apresentou uma mancha amarela na mesma altura da mancha do padrão ACR (mancha à esquerda). Os valores de retenção dessas, conforme a tabela 4, são, respectivamente, 0,68 e 0,69. Esses valores foram muito próximos indicando que a mistura contém a substância ACR. A mancha mais avermelhada da mistura foi obtida praticamente à mesma altura da mancha do padrão VM (mancha a direita), comparando-se os fatores de retenção dessas (0,58 e 0,60, respectivamente), verifica-se que foram muito próximos indicando que na mistura contém vermelho de metila. Figura 14 Ressalta-se que as impurezas presentes nos padrões, parecem também estar presentes na mistura, pois estão praticamente a mesma altura, podendo-se assim inferir que provavelmente a mistura foi proveniente da mistura de um pouco desses padrões utilizados na prática. Conclusão Com base no experimento realizado foi possível seprarar uma mistura de fluoresceína do vermelho de metila utilizando cromatografia em coluna e foi possivel separar e identificar com base na comparação dos fatores de retenção com padrões as seguintes substâncias: 4- Carboximetil-(9)10H-acridinona (ACR) e vermelho de metila em outra mistura. Também pode-se perceber a importância em se escolher adequadamente os solventes a serem empregados em cada técnica,sendo essa seleção por vezes a diferença entre uma separação bem sucedida e uma mal sucedida. Isso pode ser observado na separação inadequada de 4- Carboximetil-(9)10H-acridinona e vermelho de metila com clorofórmio na analise de cromatografia em camada delgada. Ressalta-se também a importancia de se realizar a gradação de polaridade na cromatografia em camada delgada para melhor resolução das frações. Desta forma, conclui-se que a cromatografia em camada delgada e em coluna são técnicas de grande aplicação e importância para separação e identificação orgânica, havendo um grande destaque para a sua versatilidade e amplitude de aplicações, além de serem de baixo e de fácil execução. Respostas do Questionário 1. Cite os principais tipos de forças que fazem com que os componentes de uma mistura sejam adsorvidos pelas partículas de um sólido. Os principais tipos de forças são de sorção-adsorção ou absorção (partição), fundamentadas principalmente em atrações dipolares (forças de Van der Waals) ou coulômbicas, incluindo a forma de ligação de hidrogênio. 2. Cite as características que um solvente deve apresentar para lavar ou arrastar os compostos adsorvidos na coluna cromatográfica. O solvente deve possuir interações com os grupos funcionais dos compostos que devem ser separados de maneira mais eficiente que a interação destes compostos com a fase estacionária e de preferência devem ser voláteis. 3. Porque se deve colocar papel filtro na parede da cuba cromatográfica? Para que haja a saturação dos vapores do eluente na cuba cromatográfica e facilitar a ascensão do solvente na placa. 4. Se os componentes de uma mistura, após a corrida cromatográfica, apresentam manchas incolores, qual o processo empregado para visualizar estas manchas na placa? Pode ser utilizado uma câmara de iodo ou uma câmara de ultravioleta. Isso porque os vapores de iodo são capazes de reagir com muitos compostos orgânicos formando complexos de cor café ou amarela. Pode ser usado, ainda nitrato de prata, para derivados halogenados,2 ,4-dinitrofenilhidrazina, para cetonas e aldeídos, verde de bromo cresol para ácidos, ninhidrida para aminoácidos. Já a câmara de UV revela os compostos que apresentam grupos cromóforos capazes de exibir fluorescência. 5. O que é e como é calculado oRf? Chamado de fator de retardamento, é definido como a razão entre a distância percorrida pela mancha do composto e a distância percorrida pelo eluente. É calculado pela fórmula: Rf = dc / dsOnde: dc = distância percorrida pelo composto da mistura (analito) ds= distância percorrida pelo eluente 6. O valor de Rf pode ser considerado absoluto na caracterização de uma amostra? Sim, pois quando as condições práticas são completamente especificadas, o valor de Rf é constante para qualquer composto dado e correspondente a uma propriedade física. 7. Quais os usos mais importantes da cromatografia de camada delgada(CCD)? Os usos mais importantes para a cromatografia em camada delgada são para a separação rápida e análise qualitativa de pequenas quantidades de material. Usada também para determinar a pureza de um composto, identificar componentes de uma mistura e acompanhar o curso de uma reação através do desaparecimento do(s) reagente(s) limitante(s) e aparecimento do(s) produto(s). 8. QuaiscompostossãoosmaispolaresentreosparesC1,C2 eC3? No par C1, a fluoresceína é mais polar. Já no par C2 o DNB é o mais polar. No par C3, o vermelho de metila é o mais polar. 9. Nas análises de CCD deve-se buscar sempre que o Rf da amostra fique entre 0,45e 0,55,ou seja, preferencialmente no meio da placa cromatográfica.Explique por que não é desejável que uma mancha fique muito próxima da base ou da Ds. Isso porque se a mancha ficar muito retida as machas não irão se separar adequadamente, podendo ficar compostos coeluídos. Nessa situação fica dificultada a identificação de cada composto, pois eles podem ficar unidos em uma só mancha. Bibliografia • COLLINS,C.H.,BRAGA,G.L.,BONATO,P.S.Fundamentosdacromatografia. Campinas. Editora da Unicamp, 2006 • Ficha desegurança(FISPQ), Sigma- Aldrich.Diclorometano,2010.Disponívelem: <http://sites.ffclrp.usp.br/cipa/fispq/Diclorometano.pdf>.Acesso em: 12 de set 2018 • Ficha desegurança(FISPQ), Sigma-Aldrich,Clorofórmio,2009Disponívelem: <http://sites.ffclrp.usp.br/cipa/fispq/Cloroformio.pdf>.Acessoem: 12 de set 2018 • Fichade segurança(FISPQ), Sigma-Aldrich, Hexano, 2011 Disponível em: <http://sites.ffclrp.usp.br/cipa/fispq/Hexano.pdf>.Acesso em: 12 de set 2018 • Ficha de segurança (FISPQ), Sigma-Aldrich, Metanol Disponível em: <http://sites.ffclrp.usp.br/cipa/fispq/Alcool%20metilico.pdff>.Acesso em: 12 de set 2018 • Ficha desegurança(FISPQ),Anidrol,Vermelho de metila, 2015Disponívelem: <http://www.anidrol.com.br/fispq/VERMELHO%20DE%20METILA%20A-1450.pdf>.Acesso em: 12 de set 2018 • Ficha desegurança(FISPQ), EEL,Fluoresceína,2010Disponívelem: <http://www.qeelquimica.com.br/fispqs/FISPQ-%20Fluoresceina%20Sodica.pdf>.Acesso em: 12 set 2018 • Ficha de segurança (FISPQ), Labysinth, Sílica gel, 2010 Disponível em: < https://www.fca.unicamp.br/portal/images/Documentos/FISPQs/FISPQ- %20Silica%20Gel.pdf>.Acesso em: 10 set 2018