17cm x 24cm
23,5 mm
Manual de
Coordenação:
TRABALHOS LABORATORIAIS Manual de
de QUÍMICA ORGÂNICA e FARMACÊUTICA
www.lidel.pt
9 789727 577507
Madalena M. M. Pinto
Segundo o Novo Acordo Ortográfico
ISBN 978-972-757-750-7
TRABALHOS LABORATORIAIS
Madalena M. M. Pinto – Professora Catedrática desde 1993 na Faculdade de Farmácia da Universidade do Porto (FFUP), onde tem lecionado disciplinas da área de Química Orgânica e Química Farmacêutica e Medicinal e orientado várias gerações de doutorandos e mestrandos. Coordenadora do Centro de Química Medicinal da UP, responsável pelo Serviço de Química Orgânica e directora do 3.º Ciclo de Estudos da FFUP. Foi Presidente do 1.º Encontro Nacional de Química Terapêutica da Sociedade Portuguesa de Química (novembro de 2008).
de QUÍMICA ORGÂNICA e FARMACÊUTICA
No Ano Internacional da Química, a equipa do Laboratório de Química Orgânica e Farmacêutica da Faculdade de Farmácia da Universidade do Porto, tendo em conta a vasta experiência de ensino nas áreas de Química Orgânica e Farmacêutica, decidiu elaborar um Manual de Trabalhos Laboratoriais de Química Orgânica e Farmacêutica, com uma abordagem pedagógica muito própria. Assim, embora se possam encontrar manuais disponíveis visando a área da “Química”, a presente obra tem a especificidade de fazer uma integração entre trabalhos de natureza básica e a sua aplicação em experiências mais avançadas, com aplicação na área das ciências biológicas em geral e das ciências da saúde em particular. Esta obra consegue, assim, propor uma gama alargada de protocolos experimentais, desde os de simples execução (isto é, avaliação de pontos de fusão) até técnicas computacionais de moderna aplicação. Esta metodologia sequencial e remissiva permite que os estudantes possam, de uma forma simples, assimilar conhecimentos de forma integrativa, o que muitas vezes falta em livros que visam temáticas de trabalhos laboratoriais. É ainda de ressaltar que esta obra apresenta um formato inovador no panorama editorial português, que é conseguido utilizando textos introdutórios, combinados com uma apresentação explicativa do tipo “slide de aula”, em que as legendas das figuras incluem comentários adicionais, o que torna a obra mais clara, concisa e eficaz, sendo acompanhada de bibliografia de apoio. Pelas características referidas, este Manual destina-se não só a estudantes e profissionais das áreas de Química Orgânica, Química Farmacêutica e Medicinal, quer de ciências básicas quer da área da saúde, mas também a professores do ensino secundário que nesta obra podem encontrar exemplos de aplicação prática para muitas das matérias que ensinam.
Manual de
Madalena M. M. Pinto
TRABALHOS LABORATORIAIS de QUÍMICA ORGÂNICA e FARMACÊUTICA
ÍNDICE
LISTA DE AUTORES ................................................................................................
XI
AGRADECIMENTOS .......................................................................................................
XIII
PREFÁCIO ...........................................................................................................................
XV
ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................................................
XVII
I INTRODUÇÃO ..............................................................................................................
1
II CRITÉRIOS DE PUREZA, PROCESSOS DE PURIFICAÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS .............................................................................
5
II.1. CRITÉRIOS DE PUREZA .....................................................................................
© LIDEL – EDIÇÕES
TÉCNICAS
II.1.1. II.1.2. II.1.3. II.1.4. II.1.5. II.1.6. II.1.7.
7
Ponto de fusão ....................................................................................... Ponto de ebulição .................................................................................. Espectrofotometria no infravermelho ................................................. Cromatografia analítica ......................................................................... Índice de refração .................................................................................. Densidade ............................................................................................... Rotação específica ..................................................................................
8 14 17 18 19 21 22
II.2. PROCESSOS DE PURIFICAÇÃO ........................................................................
25
II.2.1. Extração ................................................................................................... II.2.1.1. Extração múltipla ..................................................................... II.2.1.2. Extração contínua .................................................................... Trabalho laboratorial II.1. – Extração contínua líquido/ /líquido ...................................................................................... Trabalho laboratorial II.2. – Extração contínua sólido/ /líquido ...................................................................................... II.2.1.3. Extração por via química ........................................................ Trabalho laboratorial II.3. – Separação dos componentes de uma mistura “insolúvel em água” através de extração por via química ............................................................................... II.2.1.4. Extração em fase sólida .......................................................... II.2.2. Destilação ................................................................................................ II.2.3. Sublimação .............................................................................................. Trabalho laboratorial II.4. – Sublimação ............................... II.2.4. Cristalização ........................................................................................... Trabalho laboratorial II.5. – Cristalização ............................ II.2.5. Cromatografia ........................................................................................ II.2.5.1. Cromatografia em camada fina ..............................................
25 27 34 35 37 38
44 46 56 59 62 63 77 78 84
VIII Manual de Trabalhos Laboratoriais de Química Orgânica e Farmacêutica
Trabalho laboratorial II.6. – Cromatografia analítica – Resolução de uma mistura de sulfamidas por CCF utilizando microplacas pré-revestidas ............................................................................ Trabalho laboratorial II.7. – Cromatografia preparativa – Purificação de uma mistura de sulfamidas ....................................... II.2.5.2. Cromatografia em coluna .............................................................. Trabalho laboratorial II.8. – Cromatografia preparativa em coluna – Separação de corantes ...................................................
103
II.3. IDENTIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS .................................................
127
II.3.1. Ensaios preliminares .................................................................................... II.3.2. Análise elementar ......................................................................................... Trabalho laboratorial II.9. – Análise elementar ......................... II.3.3. Análise funcional .......................................................................................... II.3.3.1. Ensaios de solubilidade ................................................................. Trabalho laboratorial II.10. – Análise funcional – Ensaios de solubilidade .................................................................................... II.3.3.2. Pesquisa de grupos funcionais por via química ......................... II.3.4. Preparação de derivados ............................................................................. Trabalho laboratorial II.11. – Preparação de derivados ........... II.3.5. Caracterização estrutural espectrométrica ................................................ II.3.5.1. Espectrofotometria no ultravioleta-visível ................................. II.3.5.2. Espectrofotometria no infravermelho ......................................... Trabalho laboratorial II.12. – Análise espectroscópica ......... II.3.5.3. Ressonância magnética nuclear .................................................... II.3.5.4. Espectrometria de massa ............................................................... Trabalho laboratorial II.13. – Análise de uma mistura de álcool benzílico, benzaldeído, ácido benzoico e benzoato de metilo por CG-EM .....................................................................................
128 129 136 138 138
218
III TRABALHOS LABORATORIAIS EM QUÍMICA FARMACÊUTICA ..................
221
III.1. Isolamento do ácido úsnico ................................................................................ III.2. Isolamento da cafeína .......................................................................................... III.3. Síntese do ácido acetilsalicílico .......................................................................... III.4. Análise da matéria-prima ácido acetilsalicílico ............................................... III.5. Síntese da benzocaína ......................................................................................... III.6. Análise da matéria-prima benzocaína .............................................................. III.7. Síntese da 7-hidroxi-4-metilcumarina ............................................................... III.8. Síntese da sulfanilamida ...................................................................................... III.9. Obtenção de um pró-fármaco do sulfatiazol. Simulação da libertação do sulfatiazol .............................................................................................................. III.10. Análise da ampicilina em comprimidos ........................................................... III.11. Análise do paracetamol ...................................................................................... III.12. Identificação e doseamento do metronidazol em comprimidos ................... III.13. Doseamento do cloridrato de difenidramina num xarope ............................
224 227 231 237 241 246 250 255
95 98 99
145 146 161 168 169 171 181 194 195 207
261 266 272 278 294
© LIDEL – EDIÇÕES
TÉCNICAS
Índice IX
III.14. Análise do diazepam em cápsulas .................................................................... III.15. Análise do norgestrel e etinilestradiol em drageias ....................................... III.16. Análise do acetato de prednisolona numa pomada ....................................... III.17. Pesquisa de esteroides estranhos aparentados na matéria-prima prednisona .. III.18. Ensaios de pureza do álcool ............................................................................... III.19. Pesquisa de substâncias aparentadas na matéria-prima ibuprofeno ........... III.20. Ibuprofeno racémico e (S)-ibuprofeno: análise por formação de derivados diastereoisoméricos ............................................................................................. III.21. Determinação de constantes hidrofóbicas de sulfonamidas por CCF em fase inversa. Determinação teórica do logP de sulfonamidas ....................... III.22. Pesquisa de inibidores da acetilcolinesterase .................................................. III.23. Modelo químico de estudo da influência do pH na absorção do ácido acetilsalicílico, do paracetamol e da difenidramina ............................................. III.24. Obtenção de complexos de inclusão ................................................................. III.25. Desenho e minimização energética de moléculas ........................................... III.26. Planeamento de fármacos assistido por computador ....................................
298 305 313 317 321 332
ANEXOS .........................................................................................................................
411
ANEXO I – NORMAS GERAIS E PROCEDIMENTOS DE SEGURANÇA ..................................
413
ANEXO II – MATERIAL DE LABORATÓRIO E EQUIPAMENTO .................................................
418
1. Generalidades ....................................................................................................
418
1.1. Material de vidro ....................................................................................... 1.2. Material de metal ....................................................................................... 1.3. Material de plástico e de borracha .......................................................... 1.4. Material de porcelana ................................................................................ 1.5. Outro material diverso ..............................................................................
418 421 423 424 424
2. Equipamento ..................................................................................................... 2.1. Aquecimento .............................................................................................. 2.2. Determinação de massa ............................................................................ 2.3. Outros equipamentos ................................................................................
426 426 428 429
3. Manuseamento de material e equipamentos ................................................ 3.1. Funcionamento de um bico de Bunsen .................................................... 3.2. Medição de volumes ..................................................................................... 3.3. Filtração ........................................................................................................ 3.4. Suportes, nozes e garras ............................................................................ 3.5. Vidro esmerilado ........................................................................................ 3.6. Destilações e refluxos .................................................................................
431 431 431 434 437 437 438
4. Listagem de material para os trabalhos laboratoriais ......................................... 4.1. Material para os trabalhos do Capítulo II .............................................. 4.2. Material para os trabalhos do Capítulo III ............................................. 4.3. Lista codificada do material a utilizar nos trabalhos ............................
439 439 444 452
ANEXO III – ESTRUTURA DAS FARMACOPEIAS .....................................................................
455
340 345 350 358 363 369 384
Critérios de pureza, processos de purificação e identificação de substâncias orgânicas 127
II.3. IDENTIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS IDENTIFICAÇÃO SISTEMÁTICA DE UM “DESCONHECIDO PURO” Ensaios preliminares Análise elementar Análise funcional: ● Ensaios de solubilidade ● Pesquisa de grupos funcionais por via química e via espectral (IV, RMN, EM)
Consulta de tabelas de compostos Preparação de derivados Identificação
© LIDEL – EDIÇÕES
TÉCNICAS
Figura II.3.1. Análise sistemática de um “desconhecido puro”. Na identificação das substâncias orgânicas podemos ter duas situações diferentes: substâncias de natureza química conhecida e substâncias de natureza química desconhecida. Neste capítulo vamos tratar das substâncias de natureza química desconhecida. Para a análise sistemática de um “desconhecido puro” procede-se, habitualmente às seguintes etapas: começa-se por efetuar alguns ensaios preliminares que vão desde a avaliação do estado físico da substância à determinação do ponto de fusão ou ponto de ebulição. Muitas vezes é também efetuado um ensaio à chama. Segue-se a análise elementar, onde se pesquisa a presença de nitrogénio, enxofre, iodo, cloro, bromo ou flúor. A análise funcional inicia-se pela integração da substância numa classe de solubilidade. Para isso, são efetuados estudos de solubilidade da substância em diversos solventes, que são ensaiados seguindo uma determinada ordem, e de forma a prestarem a melhor informação possível sobre os grupos funcionais presentes e sobre o esqueleto carbonado da substância. A análise funcional prossegue, com base nas informações obtidas nos estudos de solubilidade, pesquisando-se as funções químicas presentes. Nesta fase, sempre que possível, devem registar-se os espectros no infravermelho (IV), de ressonância magnética nuclear (RMN) e o espectro de massa (EM) que complementam, e/ou confirmam as informações até aqui obtidas sobre o “desconhecido puro”. De seguida, e tendo em conta toda a informação obtida, consultam-se tabelas de derivados. Estas listam as substâncias por grupos funcionais e por ordem dos respetivos pontos de ebulição ou de fusão, podendo ser agora selecionadas e propostas estruturas possíveis para o desconhecido. Finalmente, obtêm-se derivados do desconhecido em análise e determinam-se os respetivos pontos de fusão. Por nova consulta às tabelas de derivados, e tendo em conta as estruturas selecionadas e propostas, é possível identificar o “desconhecido puro”.
130 Manual de Trabalhos Laboratoriais de Química Orgânica e Farmacêutica
ENSAIO DE BEILSTEIN ● Na presença de halogéneos (X), forma-se CuX2 que arde com chama de cor verde
Figura II.3.2.2. Ensaio de Beilstein – Pesquisa de halogéneos (cloro, bromo e iodo). Este ensaio é feito com um fio de cobre com uma extremidade dobrada em ansa. O fio de cobre é aquecido à chama oxidante de um bico de Bunsen, até ficar ao rubro e não se observar chama de cor verde. Durante o aquecimento há libertação de impurezas, formando-se uma camada de óxido de cobre. O fio é arrefecido ao ar, coloca-se na extremidade em ansa uma pequena quantidade de amostra e o conjunto é aquecido à chama oxidante. Se a substância em análise contiver halogéneos, durante o aquecimento forma-se halogeneto de cobre, que, quando volátil, arde com chama de cor verde. Trata-se de um teste muito sensível para o cloro, bromo e iodo. Nas condições do ensaio, o flúor origina fluoreto de cobre que, não sendo volátil, não arde com cor verde. Apesar de se tratar de um ensaio muito sensível o resultado de um ensaio de Beilstein deverá ser sempre confirmado por outros testes, pois algumas substâncias nitrogenadas (por exemplo, derivados da quinolina e da piridina, ureia e cianeto de cobre) também ardem com chama de cor verde.
Notas
136 Manual de Trabalhos Laboratoriais de Química Orgânica e Farmacêutica
II.9
TRABALHO LABORATORIAL
PROTOCOLO EXPERIMENTAL
ANÁLISE ELEMENTAR
1. Ensaio de Beilstein. 1.1. Aqueça à chama oxidante a extremidade de um fio de cobre dobrado em ansa. 1.2. Após arrefecimento aplique um pouco de substância em análise. 1.3. Aqueça à chama oxidante do bico de Bunsen e observe. 2. Ensaio de Midleton. 2.1. Misture, num tubo de ensaio de tamanho pequeno (70 x 10 mm), cerca de 100 mg ou duas gotas da substância com o reagente de Midleton, de forma a obter uma coluna de cerca de 1 cm de altura. Adicione mais reagente até cerca de 2 cm de altura.
2.2. Inclinando ligeiramente o tubo, aqueça à chama oxidante a zona superior da mistura reacional. Quando não houver libertação de vapores coloque o tubo na vertical e aqueça o fundo até ao rubro; mantenha durante um a dois minutos. 2.3. Introduza o tubo, ainda ao rubro, numa cápsula de porcelana contendo 10 mL de água. (Tenha cuidado! O tubo quebra-se, libertando o seu conteúdo). 2.4. Agite com uma vareta e filtre. Guarde o resíduo e divida o filtrado em três partes 2.4.1., 2.4.2. e 2.4.3.: 2.4.1. Adicione ao filtrado 1 a 2 mL de solução de hidróxido de sódio a 5% e 0,1 g de sulfato ferroso pulverizado. Aqueça à ebulição durante um minuto e arrefeça. Acidifique, cuidadosamente, com ácido sulfúrico diluído (papel de Congo) e observe. Adicione uma gota de solução de cloreto férrico a 10%, observe. 2.4.2. Acidifique o filtrado, cuidadosamente, com ácido nítrico (papel de Congo), aqueça à ebulição e, após arrefecimento, adicione 1 mL de solução de nitrato de prata a 5%, observe. 2.4.3. Acidifique o filtrado, cuidadosamente, com ácido acético glacial (papel de Congo), aqueça à ebulição e, após arrefecimento, coloque uma gota sobre o papel de zircónio-alizarina, previamente humedecido com uma gota de solução de ácido acético a 50%, observe. (▪▪▪)
Critérios de pureza, processos de purificação e identificação de substâncias orgânicas 137
TRABALHO LABORATORIAL
II.9
(▪▪▪) 2.5. Adicione ao resíduo da filtração cerca de 5 mL de ácido clorídrico a 10%, receba os vapores libertados num papel de acetato de chumbo previamente humedecido, observe.
PROTOCOLO EXPERIMENTAL
▪ Reagente de Midleton: Mistura de uma parte de carbonato de sódio anidro e duas partes de zinco em pó.
▪ Papel de zircónio-alizarina: Preparado por imersão de uma tira de papel de filtro numa mistura de 3 mL de solução etanólica de alizarina a 1% e 2 mL de solução aquosa de cloreto de zircónio a 0,4%. Deixar secar.
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TÉCNICAS
Notas
Trabalhos laboratoriais em química farmacêutica 369
TRABALHO LABORATORIAL III.25
1. Desenhe a molécula fictícia usando o ChemSketch (ACD/Labs). OH
2. Efectue um ajuste na estrutura da molécula. 3. Grave a molécula como molecula.mol.
PROTOCOLO EXPERIMENTAL
DESENHO E MINIMIZAÇÃO ENERGÉTICA DE MOLÉCULAS
4. Determine as propriedades da molécula. 5. Determine o nome IUPAC. 6. Efetue uma previsão da aparência 3D da molécula no plano 2D. 7. Visualize a molécula no plano 3D. 8. Abra o ficheiro molecula.mol no software ArgusLab. 9. Faça uma minimização energética por mecânica molecular (método do force field).
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TÉCNICAS
Notas
370 Manual de Trabalhos Laboratoriais de Química Orgânica e Farmacêutica
RESOLUÇÃO
OH
Confirme que o símbolo de desenho
está selecionado na barra de ferramentas.
Para inserir um átomo, selecione o seu símbolo químico na coluna que surge do lado esquerdo.
Selecione o símbolo “C” e clique com o botão esquerdo do rato (sem largar) no ambiente de trabalho em branco do ChemSketch. Arraste o rato para a posição onde quer colocar o outro átomo “C” e largue. Terá uma ligação CH3-CH3. Continue com o processo de clicar e largar até ter toda a estrutura desenhada. Vá substituindo os átomos de “C” por “O” quando necessitar. Para converter uma ligação simples em dupla, clique uma vez sobre ela. Se clicar novamente ela passará a tripla. Se clicar mais uma vez voltará a ter uma ligação simples e assim sucessivamente. NOTE: O anel ciclo-hexano pode ser desenhado diretamente usando a tabela de radicais . Escolha o ícone e clique sobre o ambiente de trabalho do ChemSketch para que o ciclo-hexano apareça. Depois, basta clicar uma vez sobre uma das ligações para que esta passe a ligação dupla.
17cm x 24cm
23,5 mm
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de QUÍMICA ORGÂNICA e FARMACÊUTICA
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ISBN 978-972-757-750-7
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