Vybrané aspekty užití nevodných rozpouštědel v analytické chemii

Transkript

1 Vybrané aspekty užití nevodných rozpouštědel v analytické chemii Radim Knob Volodymyr Pauk Vítězslav Maier Příručka v rámci inovace výuky, FRVŠ G6 2004/2012 1

2 Obsah 1. Úvod Fyzikálně-chemické vlastnosti vybraných rozpouštědel 4 2. Dělení rozpouštědel Méně obvyklá rozpouštědla 5 3. Solvatace Aktivita 8 4. Protolytické rovnováhy v amfiprotních rozpouštědlech Vliv dielektrické konstanty rozpouštědla na sílu kyselin a zásad 4.2 Nivelizující a diferencující účinek rozpouštědla Protolytické rovnováhy v aprotních rozpouštědlech Definice ph v nevodném prostředí. Stupnice ph Potenciál poloviční neutralizace Hammettova funkce kyselosti Odměrná stanovení Stanovení vody Oxidačně-redukční rovnováhy v nevodném prostředí Nevodná prostředí ve spektrometrii UV-Vis spektrometrie Infračervená spektrometrie Nevodná prostředí v separačních technikách Tenkovrstevná chromatografie Kapalinová chromatografie Spojení kapalinové chromatografie a hmotnostní Spektrometrie 11.4 Kapilární elektroforéza Vybrané metody důkazu látek Literatura

3 1. Úvod Voda jako kapalina, která nás obklopuje a je nepostradatelná pro život, je považována za tradiční rozpouštědlo, neboť je dostupná a levná. Již ve starověku mnozí vědci věnovali mnohé úsilí hledání jiných rozpouštědel, která by byla schopná rozpouštět i látky ve vodě nerozpustné. Za staletí objevů tak byly popsány stovky různých rozpouštědel, která se liší ve svých vlastnostech. Jako rozpouštědlo je považována ta látka, která je ve směsi v nadbytku. Účelem rozpouštědla je vytvářet prostředí pro vznik stejnorodého a definovaného roztoku o určité koncentraci. Takovýto roztok může následně sloužit k velké škále použití ať již jako vhodné prostředí pro reakce syntetického nebo analytického významu, pro extrakci látek do jiných rozpouštědel, pro transport látek při separaci či pro studium vlastností rozpuštěných látek mnohými spektrometrickými technikami. Je proto tedy nutné dobře rozumět vlastnostem rozpouštědel, jak se chovají vůči určitým látkám, vůči dalším rozpouštědlům a jaké schopnosti od nich lze očekávat. Rozpouštědel jiných než voda existuje celá řada, jak anorganických, tak organických obsahujících různé atomy než jen uhlík a vodík, uspořádané do mnoha funkčních skupin vedoucí k pestrým fyzikálně-chemickým vlastnostem. Základními vlastnostmi pro popis těchto látek jsou teplota tuhnutí a teplota varu, tedy rozmezí, kdy je látka kapalná (za atmosférického tlaku) a kdy ji můžeme využít pro práci s kapalnými roztoky. Mezi další patří hustota, viskozita (míra soudržnosti uvnitř kapaliny) či povrchové napětí, které udává smáčivost povrchů. Důležitou veličinou všech rozpouštědel je relativní permitivita (ɛ r ) a velikost dipólového momentu (D) vypovídající o polaritě dané molekuly. Tyto veličiny nám pomáhají určit, jaké typy interakcí bude dané rozpouštědlo upřednostňovat v kontaktu s jinými molekulami jak budou působit molekuly jak vzájemně mezi sebou, tak s jinými látkami. Z těchto vlastností se odvíjí celá řada dalších parametrů, které rozhodují o tom, zda je dané rozpouštědlo vhodné či méně vhodné pro účel našeho použití. Při práci s rozpouštědly je potřeba brát také ohled na jejich nebezpečnost ať již leptavé účinky koncentrovaných kyselin, tak těkavost a možnost exploze u řady organických rozpouštědel. Značná část látek se vyznačuje toxicitou, a to jak akutní, tak také riziky spojenými s dlouhodobou expozicí. Většina rozpouštědel představuje nemalou zátěž pro životní prostředí, proto by mělo být jejich používání zohledněno spolu s ekonomickými ohledy na náročnost výroby, skladování a případnou možnost regenerace použitých rozpouštědel v závislosti na objemu jejich použití. Tato příručka si bere za cíl uvést do problematiky nevodných rozpouštědel, poukázat na principy a efekty platné v jiných než vodných rozpouštědel se zaměřením na acidobazické rovnováhy a také využití v dalších oblastech analytické chemie jako spektrometrii, elektrochemii a v separačních technikách. V tabulce 1 je uveden přehled vybraných rozpouštědel s jejich vybranými fyzikálněchemickými vlastnostmi. 3

4 skupina název zkratka bod varu (ºC) bod tuhnutí (ºC) hustota (g.cm -3 ) viskozita (cp) vodivost (S.cm -1 ) relativní permitivita dipólový moment (D) voda ,997 0, ,39 1,77 kyseliny mravenčí kyseina 100,6 8,27 1,21 1, ,5 1,82 octová kyselina HAc 117,9 16,7 1,04 1, ,19 1,68 acetanhydrid ,1 1,08 0, ,7 2,82 alkoholy methanol MeOH 64,5-97,7 0,796 0,551 1, ,7 1,71 ethanol EtOH 78,3-114,5 0,785 1,083 1, ,6 1,74 1-propanol 1-PrOH 97,2-126,2 0,799 1, ,5 1,71 2-propanol 2-PrOH 82,2-88 0,781 2, ,9 1,66 ethery tetrahydrofuran THF 66,0-108,4 0,889 0,46-7,58 1,75 1,4-dioxan 101,3 11,8 1,028 1, ,21 0,45 ketony aceton Ac 56,1-94,7 0,784 0, ,6 2,7 acetylaceton Acac 183,3-23,2 0,972 0, ,7 2,78 nitrily acetonitril AN 81,6-43,8 0,777 0, ,9 3,53 propionitril PrN 97,4-92,8 0,777 0, ,9 3,5 benzonitril BN 191,1-12,7 1,001 1, ,2 4,01 aminy amoniak -33,4-77,7 0,681 0, ,93 ethylendiamin en 116,9 11,3 0,893 1, ,9 1,9 pyridin Py 115,3-41,6 0,978 0, ,9 2,37 amidy formamid FA 210,5 2,5 1,12 3, ,37 N-methylformamid NMF 180-3,8 0,999 1, ,4 3,86 N,N-dimethylformamid DMF ,4 0,944 0, ,7 3,24 N-methylacetamid NMA ,5 0,95 3, ,3 4,27 dimethylsulfoxid DMSO ,5 1,09 1, ,5 4,06 hexan 68,7-95,3 0,655 0, ,88 0,085 benzen 80,1 5,5 0,874 0, ,27 0 toluen 110,6-95,0 0,862 0, ,38 0,31 nitromethan NM 101,2-28,6 1,13 0, ,7 3,17 nitrobenzen NB 210,8 5,76 1,19 1, ,8 4 dichlormethan 39,6-94,9 1,32 0, ,93 1,55 chloroform 61,0-64,0 1,49 0,57-4,8 1,15 tetrachloromethan 76,7-22,9 1,59 0,91-2,23 0 propylen karbonát PC 248,2 36,4 1,19 2, ,9 4,94 ethylacetát EtAc 77,1-83,6 0,895 0, ,02 1,82 4

5 2. Dělení rozpouštědel Rozpouštědla je možné dělit podle mnoha kriterií, nejběžnější je dělení podle jejich polarity (relativní permeability) a následně podle jejich acidobazických vlastností: málo polární, ɛ r < 20 polární, ɛ r > 20 donory elektronových párů (THF) protická protogenní (H 2 SO 4 ) polarizovatelné (benzen) neutrální (ethanol, voda) inertní (cyklohexan) protofilní (amoniak) neprotogenní protofilní (DMSO) protofobní (acetonitril) aprotní (BrF 3 ) Rozpouštědla s vysokou polaritou (voda, dimethylsulfoxid) rozpouštějí iontové sloučeniny a poskytují roztoky, které dobře vedou elektrický proud, a jsou tak vhodná pro elektrochemické reakce. Proto se někdy nazývají elektrolytická rozpouštědla. Oproti tomu rozpouštědla s nízkou polaritou (hexan, tetrachloromethan) špatně rozpouštějí iontové sloučeniny, vodivost takových roztoků je velmi nízká, proto se označují jako neelektrolytická rozpouštědla. Elektrolytická rozpouštědla je dále možné dělit do dvou podskupin protických a neprotogenních. Protogenní rozpouštědla mohou při své disociaci uvolňovat proton. Rozpouštědla přijímající proton se nazývají protofilní. Mezi těmito dvěma skupinami se nachází látky vyznačující se vyrovnanou schopností jak přijímat, tak uvolňovat proton označují se jako neutrální nebo amfiprotní. Jejich charakteristickou veličinou je autodisociační konstanta. Aprotní rozpouštědla se vyznačují tím, že ve své molekule neobsahují atom vodíku, proto se nemohou účastnit výměny protonů. Další neprotogenní rozpouštědla, která sice obsahují atom vodíku, ale neposkytují jej v rámci acidobazických rovnováh, mají díky přítomnosti elektronegativních heteroatomů (O, N) schopnost přijímat protony. Podle míry této schopnosti se dělí na protofilní (významná schopnost) a profobní (zanedbatelná schopnost). Rozpouštědla s nízkou relativní permeabilitou jsou inertní vůči protonům. Za přítomnosti elektronegativního heteroatomu jako v případě etherů se mohou chovat jako donory elektronového páru, a vytvářet tak např. solváty s kovovými ionty. 2.1 Méně obvyklá rozpouštědla Jako klasická rozpouštědla jsou často považovány kapaliny za běžné teploty a atmosférického tlaku. Při změně těchto podmínek je možné jako rozpouštědla využít i další látky. V případě CO 2 při zahřátí nad 31 ºC a za působení tlaku vyššího než 7,4 MPa lze získat superkritický CO 2, jehož některé vlastnosti se přibližují plynům (vyplnění objemu nádoby) a některé kapalinám (hustota, viskozita). Jako rozpouštědlo je vysoce nepolární, pro vysokou pronikavost do materiálů se využívá pro extrakce a čištění, kde představuje alternativu 5

6 k halogenovaným rozpouštědlům, která jsou toxická. Obdobně je možné do superkritického stavu převést další látky, například vodu. Ta vyžaduje vyšší teplotu a tlak pro převedení (374 ºC a 22 MPa), její vlastnosti se diametrálně liší od vody za běžných podmínek podobně jako superkritický CO 2 je nepolární. Pro extrakce polárnějších látek je možné ji využít s přídavkem polárních látek jako kyselina mravenčí apod. Iontové kapaliny představují moderní skupinu rozpouštědel (označované take jako RTIL room temperature ionic liquids), jsou to iontové sloučeniny s nízkou teplotou tání, která dovoluje jejich použití i za běžných podmínek. 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorfosfát ([BMIM]PF 6 ) uvádíme jako příklad, jeho struktura je na obr. 1: Obrázek 1. Struktura 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorfosfátu. Během posledních desetiletí byla připravena celá řada iontových kapalin lišící se ve viskozitě, hustotě, bodu tání, vodivosti a acidobazických vlastnostech. Navíc lze tyto parametry ovlivnit změnou substitucí v molekule, například délkou alkylového řetězce. Díky tomu lze připravit rozpouštědla na míru, která následně mohou být využita v celé řadě oblastí, ať už extrakcí, chemických syntéz či technologických aplikací. Mezi další výhody patří jejich nízká těkavost, hořlavost a toxicita (jsou často označována za zelená (green) rozpouštědla), které je nabízí jako možnou náhradu běžně používaných organických rozpouštědel. 6

7 3. Solvatace Při rozpouštění látek v rozpouštědle (látka v nadbytku) se uplatňují mezimolekulové síly. Soudržné síly v rozpouštěné látce musí být překonány a ve struktuře rozpouštědla musí být vytvořena mezera pro rozpouštěnou látku. Zároveň mezimolekulové přitažlivé síly mezi rozpouštěnou látkou a rozpouštědlem musí být silnější než mezi látkami samotnými. V nepolárních látkách jsou především slabé vazebné mezimolekulové interakce, v látkách polárních jsou molekuly vázány vazbami s vyššími vazebnými energiemi. Při rozpouštění a následné solvataci jsou uplatňovány tyto interakce: coulombické (elektrostatické) interakce, vodíkové vazby, elektron donor-akceptorové interakce a Van der Waalsovy interakce. Při rozpouštění iontové látky v polárním rozpouštědle jako vodě dochází k orientaci dipólových momentů ve směru kompenzace náboje, a to i ve více vrstvách. Takovéto uspořádání molekul rozpouštědla kolem částice se označuje jako solvatační obal. Obr. 2 a 3. Orientace molekul vody kolem octanového aniontu, zdroj wikipedia.org. Při rozpouštění nepolární látky, např. uhlovodíku ve vodě ě dochází ke snížení počtu stupňů volnosti u okolních molekul vody. V tomto případě je interakce mezi molekulami vody silnější než možná interakce mezi vodou a uhlovodíkem. Tento efekt se nazývá hydrofóbní nebo bývá označován ován jako solvofóbní interakce. Obecně platí pravidlo, že podobné rozpouští podobné, tedy polární látky se dobře rozpouští v polárních rozpouštědlech a nepolární látky v nepolárních. Hildebrand definoval parametr rozpustnosti δ jako součet čtverců příspěvků jednotlivých typů interakcí: disperzními silami, interakcí dipólů ů a vodíkových můstků. Pro rozpouštědla s podobnou hodnotou δ platí, že dobře rozpouštějí látky s blízkou hodnotou δ. V tabulce jsou uvedeny některé příklady rozpouštědel látek, z hodnot je zřejmé, že jód se dobře rozpouští v ethanolu, špatně však ve vodě: Tabulka 2. Hodnoty δ pro vybraná rozpouštedla a látky, zdroj: Non-aqueous solvents (J. R. Chipperfield, 2007). rozpouštědlo hexan ethanol voda aceton δ (MPa ½ ) látka 14,9 benzoová kyselina 26,1 Jód 48 Síra 19,7 jodičnan cíničitý δ (MPa ½ )

8 3.1 Aktivita Aktivita představuje účinné množství dané látky rozpuštěné v rozpouštědle podle rovnice: a i = γ i. c i (1) kde γ i představuje aktivitní koeficient dané látky v prostředí, zahrnuje míru interakcí s ostatními molekulami prostředí. Aktivitní koeficient lze určit výpočtem z Debye-Hückelova vztahu: log γ = A I 1+ I kde A, B představují konstanty pro dané rozpouštědlo, z i náboj, a efektivní průměr iontu a I iontovou sílu. Koncentrace disociovatelných látek podílející se na iontové sílu může výrazně ovlivnit aktivitu látek v roztocích. (2) 8

9 4. Protolytické rovnováhy v amfiprotních rozpouštědlech Pro obecné amfiprotní rozpouštědlo (označeno jako S) můžeme zapsat rovnici autoprotolytické reakce: 2 SH 2 SH S Kde ion SH 2 + nazýváme jako lyoniový a ion S - jako lyátový. Příslušná autoprotolytická konstanta pro obecné rozpouštědlo se definuje jako: = = ( ) V případě vody a se zjednodušením, že aktivita nedisociovaného rozpouštědla je jednotková: = ( ) = a a Rozpouštění kyseliny (báze) v amfiprotním rozpouštědle se může zapsat takto: (3) (4) HB + SH SH B B + SH HB + S kde K a HB a K b B jsou absolutní konstanty kyselosti a zásaditosti. = = = = (5) (6) 4.1 Vliv dielektrické konstanty rozpouštědla na sílu kyselin a zásad Stupeň disociace elektrolytů roste s rostoucí permitivitou rozpouštědla, čili disociační rovnováha je posunuta ve směru disociovaných produktů. Tabulka 3. Vliv rozpouštědla na ionizaci a disociaci elektrolytů. permitivita typ rozpouštědla ionizace disociace příklad > 20 amfiprotní anadná snadná voda, methanol > 20 aprotní snadná/obtížná* snadná DMSO < 20 amfiprotní méně snadná/snadná obtížná Ethanol < 20 aprotní obtížná obtížná benzen, CCl 4 *pro kyseliny platí, že ionizace je snadná v protofilním rozpouštědle, ale obtížná v protofóbním Pokud vezmeme v úvahu dvě rozpouštědla s různými relativními permitivitami (ɛ r,i a ɛ r,ii ), hodnoty pk a kyseliny A v těchto dvou rozpouštědlech se bude lišit podle Bornovy rovnice: p, p, =, +,, kde A je kyselina typu HA; B její konjugovaná báze; z i a r i odpovídají náboji a poloměru částice i; N Avogadrovo číslo; e elementární náboj; R plynová konstanta; T teplota. V následující tabulce jsou znázorněny hodnoty pk a různých kyselin ve vodě, methanolu a ethanolu. Jak lze vidět z tabulky, pro kyseliny typu BH + je vliv rozpouštědla menší. Pro tyto kyseliny platí, že z A =1, z B =0 a předpokládaný vliv rozpouštědla je menší. (7) 9

10 Tabulka 4. Hodnoty pk a vybraných látek ve vodě, methanolu a ethanolu. Převzato z Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry (C. Reichardt, 2005). 4.2 Nivelizující a diferencující účinek rozpouštědla Síla kyseliny/báze rozpuštěné v rozpouštědle podporujícím ionizaci je tedy omezena. Nejsilnější kyselinou/bází v daném rozpouštědle jsou vzniklé ionty SH 2 + /S - (nebo H 3 O + /OH - v případě vody), jejichž maximální koncentrace je dána autoprotolytickou konstantou (neboli iontovým součinem) rozpouštědla. Čili v daném amfiprotním rozpouštědle bude příslušná kyselina (resp. báze) silná tak, jak to dovolí rozpouštědlo. Překročí-li síla kyseliny/báze určitou hodnotu, bude se v daném rozpouštědle jevit stejně silnou kyselinou/bází jako jiná daleko silnější kyselina/báze rozpuštěna ve stejném rozpouštědle. Zejména proto všechny silné anorganické kyseliny ve vodných roztocích jsou při stejné koncentraci přibližně stejně silné. Voda tedy projevuje vůči silným kyselinám tzv. nivelizující (vyrovnávací) efekt. Tak například kyseliny chloristá, bromovodíková, sírová, chlorovodíková, dusičná jsou ve vodném roztoku při stejné koncentraci přibližně stejně silné. Na druhou stranu bezvodá kyselina octová nivelizuje sílu zásad, což se projeví tím, že amoniak, anilin, pyridin jsou v tomto rozpouštědle stejně silné. Ve vodném roztoku se tyto zásady od sebe svou silou značně liší. V prostředí kapalného amoniaku, který patří k nejsilnějším protofilním rozpouštědlům, je kyselina octová stejně silnou jako kyselina chlorovodíková nebo dusičná. Rozpouštědla podporující ionizaci můžou také vykazovat tzv. diferencující efekt. Tak v prostředí bezvodé kyseliny octové je nejvíce ionizována kyselina chloristá, méně bromovodíková a dále síla kyselin postupně klesá až ke kyselině dusičné, která se z uvedené řády jeví jako nejslabší. Můžeme výše uvedené příklady zobecnit. V protogenních rozpouštědlech se diferencuje síla kyselin a zároveň se nivelizuje síla zásad. Opačné děje jsou pozorovány u protofilních rozpouštědel: diferencující vliv vůči zásadám a velmi slabým kyselinám a nivelizující vůči kyselinám. Co se týká účinku polárních aprotních rozpouštědel (například methylethylketon), tak tyto mají diferencující vliv prakticky ve stejné míře jak na kyseliny, tak i na zásady. Jako obecné pravidlo platí, že v rámci jedné skupiny rozpouštědel diferencující vliv je tím vyšší, čím nižší je jeho dielektrická permitivita. 10

11 5. Protolytické rovnováhy v aprotních rozpouštědlech Jak je známo, aprotní rozpouštědla nepodléhají autoprotolýze. Polární aprotní rozpouštědla (acetonitril, DMF) nemohou tvořit vodíkové můstky, jimiž by se stabilizovaly částice rozpuštěné kyseliny nebo báze. Přítomné ionty, zejména anionty, tvoří vazbu s jakoukoliv přítomnou kyselinou (stopami vody, alkoholů) anebo i s vlastními molekulami. Homokonjugace: A - + HA HA 2 = (8) Heterokonjugace: A - + HR AHR = (9) Tabulka 5. Vybrané hodnoty homokonjugačních konstant pro nevodná rozpouštědla. Převzato z Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry (C. Reichardt, 2005). Jak lze vidět z tabulky, homokonjugace probíhá snadněji v protofobních acetonitrilu (AN) a propylen karbonátu (PC) než v protofilních dimethylformamidu (DMF) a dimethylsulfoxidu (DMSO). V protofilních rozpouštědlech poměrně silná solvatace vede k potlačení homokonjugace. Vizuálně se tyto jevy mohou projevovat změnou zbarvení roztoku. Homo- a heterokonjugační reakce v nevodném prostředí se projevují dalším inflexním bodem na titračních křivkách. Inertní aprotní rozpouštědla (alifatické, aromatické a halogenované uhlovodíky) interagují s kyselinami a bázemi jenom slabě, a proto v nich nedochází k výrazné ionizaci a disociaci. Často však dochází ke vzniku iontových asociátů a polymerací produktů neutralizace. 11

12 6. Definice ph v nevodném prostředí. Stupnice ph Stupnice ph ve vodě je široce používána jak míra acidobazických vlastnosti látek ve vodném roztoku. Tato veličina je definována: ph = log a(h + ) -log a(h 3 O + ) Tato definice platí i pro nevodné prostředí. Nicméně, stanovení a(h + ) a aktivity jednotlivých iontů je termodynamicky nemožné. Proto je ph definováno takto: (10) ph X =ph S ( / ), (11) kde ph(x) odpovídá článku I: referenční elektroda solný můstek v rozpouštědle s roztok X v rozpouštědle s H 2 Pt; ph(s) odpovídá článku II: referenční elektroda solný můstek v rozpouštědle s roztok S v rozpouštědle s H 2 Pt; E(X), E(S) jsou elektromotorický napětí článků I a II; místo vodíkové elektrody může být použita skleněná elektroda. Jako základní pufr se používá 0,05 mol/kg roztok hydrogenftalátu draselného v rozpouštědle s, k němuž se přiřazují referenční hodnoty ph. Existuje-li spolehlivý standard pro dané rozpouštědlo, ph se může měřit ph-metrem a skleněnou elektrodou stejně jako ve vodních roztocích. Měření ph v nevodných rozpouštědlech přináší některé problémy: nedostatečná rozpustnost hydrogenftalátu draselného, jeho nízká pufrační kapacita v aprotních rozpouštědlech a také pomalá odezva skleněné elektrody. Pro methanol lze použit 0,01 M kyselinu salicylovou a 0,01 M salicylan sodný (ph 7,48); pro 1,2- dichlorethan 0,015 M HI a 0,015 M tetramethylguanidin (ph 6,6); pro pyridin 0,01 M HClO 4 (ph 2,7). ph vodného roztoku s aktivitou a(h + ) = 1 M je nula. Iontový součin vody při 25ºC K w = a(h + ) a(oh - ), a proto roztok s a(oh - ) = 1 bude mít ph 14. Samozřejmě, existují vodné roztoky i s ph < 0 a ph > 14. Ale obecně lze říct, že voda má rozsah (okno) ph od 0 do 14 a jeho šířka je tedy 14. V amfiprotních rozpouštědlech tato veličina je obvykle menší než 20. V aprotních rozpouštědlech je rozsah ph okna větší než 20 a může dosahovat rozsahů kolem 40 (protofobní rozpouštědla). Nicméně solvatace iontů H + se liší v různých rozpouštědlech, a proto i když ph roztoku je 0, reakční schopnost H + se značně liší. Abychom mohli srovnávat acidobazické vlastnosti v různých rozpouštědlech, potřebujeme definovat společnou stupnici ph. Na obrázku jsou zobrazené ph okna různých rozpouštědel s použitím ph ve vodě jako reference. 12

13 Obr. 4. Rozsahy ph hodnot v rozpouštědlech vztažených k rozsahu ve vodě. Zkratky jsou uvedeny v tabulce 1. Převzato z Titrimetric Analysis in Organic Solvents (L. Šafařík, Z. Stránský, 1986). Levý okraj ph okna je dán tzv. přenosovým aktivitním koeficientem γ t (H +, W S) a šířka okna odpovídá hodnotě pk SH příslušného rozpouštědla. U rozpouštědel s vyšší aciditou, než u vody, okno je posunuto vlevo, u bazičtějších vpravo. U rozpouštědel, která mají ph okno rozšířené vlevo jsou ionty SH 2 + silně kyselé a tyto rozpouštědla vykazují diferencující účinek vůči silným kyselinám a slabým bázím. U rozpouštědel se širší oblastí na pravé straně jsou ionty S silně bazické a tyto rozpouštědla vykazují diferencující účinek vůči silným bázím a slabým kyselinám. Praktickým důsledkem může být umožnění titrace látek, které nelze titrovat ve vodném roztoku, volbou vhodného rozpouštědla. 6.1 Potenciál poloviční neutralizace Pro úspěšné provedení potenciometrické titrace je nutné, aby potenciálový skok v bodě ekvivalence byl dostatečně vysoký. Titrujeme-li potenciometricky co nejsilnější kyselinu silnou zásadou, obdržíme v daném rozpouštědle nejvyšší možný skok potenciálů. Charakterizujeme-li sílu kyselin (zásad) potenciálem naměřeným na skleněné a kalomelové elektrodě při určité, vždy stejné koncentraci kyseliny (zásady), pak v bodě titrační křivky, kde je právě polovina přítomné kyseliny (zásady) zneutralizována, naměříme takzvaný potenciál poloviční neutralizace (p.p.n.). Veličina p.p.n. má dvě velké výhody: hodnoty p.p.n. zahrnují všechny vlivy rozpouštědla, a proto lze porovnávat sílu kyselin (zásad) ve všech rozpouštědlech. 13

14 7. Hammettova funkce kyselosti Hammettova funkce kyselosti H 0 se používá pro měření kyselosti v koncentrovaných roztocích silných kyselin. Tato veličina je definována na základě ustavení rovnováhy mezi dvěma barevnými formami vhodného indikátoru I (velmi slabá báze): HI + H + + I = nebo =, Hammettova funkce kyselosti: H = log (12) (13) (14) Poměr se měří spektrofotometricky (protonovaná formá má posunuté absorpční maximum). Předpokládá se, že γ I /γ HI+ je konst. pro strukturně podobné látky, čili záleží jen na kyselosti prostředí. p =H log, pro [I] = [HI + ] platí p =H ; pro nekonečně zředěné roztoky γ I = γ HI+ = 1, H 0 = ph. Jako indikátory se užívají např. p-nitroanilin, p-chlornitrobenzen. Analogicky je definována Hammettova funkce zásaditosti. Hodnoty H 0 pro některé koncentrované kyseliny: Kyselina sírová: -12,0 Kyselina trifluormethansulfonová: -14,1 Karboranová superkyselina (H(CHB 11 Cl 11 )): -18,0 Magická kyselina (FSO 3 H-SbF 5 ): -19,2 Kyselina fluoroantimoničná (HSbF 6 ): (15) Hodnota H 0 = 12 kyseliny sírové nesmí být vykládána jako ph = 12 (což by znamenalo absurdně vysokou koncentraci H 3 O + iontů mol/l). Tato hodnota znamená, že přítomná kyselina (v podstatě částice H 3 SO 4 + ) má z hlediska protonizace slabých bází schopnosti odpovídající fiktivní koncentraci H 3 O + iontů mol/l. 14

15 8. Odměrná stanovení K nejrozšířenějším využitím nevodných rozpouštědel v kvantitativní analýze patří acidobazická odměrná stanovení. Titrace v nevodných rozpouštědlech jsou široce používány při stanovení léčivých látek, protože mnoho z nich jsou slabé báze nebo slabé kyseliny. Zde ukážeme titraci slabé báze, jako například pyridinu. Při titraci bazických sloučenin se obvykle používá odměrný roztok kyseliny chloristé v ledové kyselině octové. Ledová kyselina octová patří k amfiprotním rozpouštědlům, čili může vykazovat jak protofilní, tak i protogenní vlastností. Kyselina octová je do určité míry disociovaná: 2 CH 3 COOH CH 3 COOH CH 3 COO - Je-li silná kyselina, třeba kyselina chloristá, rozpouštěna v kyselině octové, ta může fungovat jako báze, totiž přijímat proton darovaný kyselinou chloristou a produkovat tzv. oniové ionty: HClO 4 H + + ClO 4 - CH 3 COOH + H + CH 3 COOH 2 + Vzhledem k tomu, že ion CH 3 COOH 2 + snadno daruje svůj proton jakékoli bázi, roztok kyseliny chloristé v ledové kyselině octové funguje jako velice silná kyselina. Když se slabá báze jako pyridin rozpustí v kyselině octové, kyselina octová projeví vyrovnávací účinek a zvýší bazické vlastnosti pyridinu oproti vodnému prostředí. Je tedy možno titrovat roztok slabé báze kyselinou chloristou v kyselině octové: HClO 4 + CH 3 COOH CH 3 COOH ClO 4 - C 5 H 5 N + CH 3 COOH C 5 H 5 NH + + CH 3 COO - CH 3 COOH CH 3 COO - 2CH 3 COOH Sumární vzorec: HClO 4 + C 5 H 5 N C 5 H 5 NH + + ClO 4 - Pro stanovení kyselin se využívá odměrných roztoků hydroxidu draselného v methanolu, methanolátu draselného ve směsi benzen-methanol nebo tetrabutylammonium hydroxidu opět ve směsi benzen-methanol. Jako standardní látky pro standardizaci těchto činidel se nejčastěji využívá hydrogenftalanu draselného pro acidimetrická stanovení a benzoové kyseliny pro alkalimetrická stanovení. Problematická je stabilita těchto činidel a jejich koncentrací díky těkavosti rozpouštědel. Je nutné zabezpečit zabránění kontaktu se vzdušnou vlhkostí. Bývá často vhodné pracovat i v boxech s intertní atmosférou. Pro indikaci acidobazických titrací je nejčastěji využívána potenciometrická indikace, která je univerzální pro všechny systémy. Lze využít i skleněné elektrody využívané pro měření ph ve vodných roztocích, je však nutné zdůraznit, že častá změna rozpouštědel se negativně projeví na životnosti skleněné membrány. V některých případech nacházejí uplatnění i vizuální indikátory (thymolová modř v acidimetrii, krystalová violeť v alkalimetrii), situace je však složitější oproti titracím ve vodném prostředí o množství vznikajících asociátů a konjugátů, které se projeví na barevnosti roztoku. 15

16 Obrázek znázorňuje titrační křivku směsi několika kyselin pomocí tetrabutylammonium hydroxidu v 4-methyl-2-pentanonu (MIBK): Obr. 5. Titrace směsi kyselin v 4-methyl-2-pentanonu pomocí tetrabutylammnoium hydroxidu. Převzato z Titrimetric Analysis in Organic Solvents (L. Šafařík, Z. Stránský, 1986). 8.1 Stanovení vody Stanovení vody dle Karla Fishera je jednou z nejčastěji využívaných titrací prováděných v nevodném prostředí. Dovoluje stanovit zejména stopová množství vody, své využití stále nachází ve farmaceutické analýze. Tato reakce je prováděna v prostředí methanolu, do kterého byl zaveden oxid siřičitý. Vzniklý methylsiřičitan je stabilizován vhodnou bází, dříve používaný pyridin bývá nahrazován imidazolem. Působením jodu je methylsiřičitan oxidován na methylsíran za kvantitativní spotřeby vody podle rovnice: Toto stanovení je potřeba provádět v boxech bez přítomnosti vzdušné vlhkosti, bývá i automatizováno s využitím coulometricky generovaného jodu. 16

17 9. Oxidačně-redukční rovnováhy v nevodném prostředí Ponoříme-li malý kousek kovového sodíku do vody, začne ji redukovat za vzniku hydroxidu sodného a molekulárního vodíku bublajícího nad hladinou kapaliny. Když ponoříme kovový sodík do acetonitrilu zbaveného kyslíku, neprobíhá žádná redukce a kov zůstane beze změn. V třetím případě kovový sodík ponoříme do bezkyslíkatého hexamethylfosforamidu. Sodík se začne rozpouštět za vzniku modro-fialových solvatovaných elektronů a solvatovaných sodných iontů. Solvatované elektrony jsou velice nestabilní ve vodě, ale mají vysokou stabilitu v hexamethylfosforamidu za pokojové teploty. Takže kovový sodík, který je silným redukčním činidlem, reaguje různými způsoby v různých rozpouštědlech. Stejně jak ph okna jsou užitečná při posuzování použitelnost rozpouštědel jako prostředí pro acidobazické reakce, tak potenciálová okna jsou vhodná pro posuzování použitelnosti rozpouštědel jako média pro oxidačně-redukční reakce. Reakce pro vodu, které určují potenciálové okno, jsou jednoduché a dobře definované: redukce vody oxidace vody 2 H 2 O + 2 e - H OH -, E 0 = -0,81 V 2 H 2 O O H e -, E 0 = +1,23 V Jak lze vidět na obrázku, termodynamické potenciálové okno vody závisí na ph, ale jeho šířka je vždy stejná, přibližně 1,23 V. Celková šířka potenciálového okna v rozmezí ph 0 až 14 je tedy 2,06 (1, ,059) V. Obr. 6. Potenciálový rozsah ve vodě v závislosti s na ph. Převzato z Electrochemistry in Nonaqueous Solutions (K. Izutsu, 2009). U nevodných rozpouštědel jsou tyto reakce komplikované, a proto se jejich potenciálová okna určují voltametricky. Naměřené hodnoty jsou často větší než teoretické, kvůli přepětí vodíku na použitých elektrodách. V rozpouštědlech se širokým potenciálovým oknem se můžou uskutečnit oxidačně-redukční reakce, které jsou ve vodě nemožné. Rozpouštědla se širokou oblastí negativních potenciálů mohou stabilizovat i silné redukční činidlo a rozpouštědla se širokou oblastí pozitivních potenciálů jsou odolné vůči oxidaci. Dimethylformamid je vhodný pro reduktometrii (vydrží i Cr 2+ ), nitromethan lze využít v oxidimetrii. 17

18 Obr. 7. Potenciálový rozsah ve vodě. Převzato z Electrochemistry in Nonaqueous Solutions (K. Izutsu, 2009). Obecná redoxní reakce: je charakterizována Nernstovou rovnicí: Ox + n e - Red = + ln (16) kde a Ox a a Red jsou aktivity oxidované a redukované formy, respektive; E 0 standardní redoxní potenciál (a Ox = a Red = 1). Pro ionty kovů můžeme zapsat reakci: M n+ + n e - M. V rozpouštědlech R a S standardní potenciál této reakce se bude lišit: (S) (R)= ln (M,R S) kde γ t (M n+, R S) je přenosový aktivitní koeficient z rozpouštědla R do rozpouštědla S. (17) Standardní potenciál je více negativní v tom rozpouštědle, v kterém ionty M n+ solvatovány silněji. jsou 18

19 10.1 UV-Vis spektroskopie 10. Nevodná prostředí ve spektrometrii Spektroskopie v UV-Vis oblasti je založená na absorbci energie záření odpovídající elektronovým přechodům v jednotlivých molekulových orbitalech: přechod σ σ*: charakteristický pro uhlovodíky, rozpouštědla často méně než 200 nm; přechod n σ*: charakteristický pro látky s atomy s volnými elektronovými páry (N, S, I, Br, Cl) absorpce okolo 200 nm; přechod π π*: charakteristický pro násobné vazby přechod n π*: charakteristický pro násobné vazby a atomy s volnými elektronovými páry. Diagram znázorňující oblasti jednotlivých typů molekulových orbitalů. Každé rozpouštědlo více či méně absorbuje v UV oblasti. Obr. 8. Transmitance vybraných rozpouštědel v UV oblasti. Převzato z Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry (C. Reichardt, 2005). Použitelnost rozpouštědla se dá posoudit z hodnoty tzv. absorpční hrany (UV cutoff) - vlnové délky, při které hodnota absorbance A 1cm překročí hodnotu 1,0 vůči vodě (kvalitativní účely), nebo 0,05 (pro kvantitativní účely). 19

20 Tabulka 6. Absorpční hrany (nm) vybraných rozpouštědel. Převzato z Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry (C. Reichardt, 2005). V roztoku je díky solvataci rušena volná rotace a ovlivněna i vibrace vazeb, čímž dochází ke slévání absorpčních pásů. Při změně rozpouštědla se v důsledku jiné solvatace mění interakce solut-solvent. Výsledkem je solvatochromismus: posun ke kratší vlnové délce (hypsochromní, modrý posun ), obvykle způsoben snížením polarity rozpouštědla posun k delší vlnové délce (bathochromní, červený posun ), obvykle způsoben zvýšením polarity rozpouštědla zvýšení dekadického molárního absorpčního koeficientu (hyperchromní) snížení dekadického polárního absorpčního koeficientu (hypochromní) Obr. 9. Znázornění možných posunů ve spektru. Ovlivněny jsou zejména přechody n π*, které lze měřením téže látky v polárnějším rozpouštědle odlišit od jiných pásů. Pásy n π* se posouvají hypsochromně, pásy π π* bathochromně. 20

21 10.2 Infračervená spektroskopie V infračervené oblasti rozpouštědlo ovlivňuje polohu a intenzitu pásů podobně jako v UV spektroskopii. Ovšem zde rozpouštědla mají jiný charakter spekter svou absorpcí neomezují použitelný rozsah svými hranami jako u UV spektroskopie, ale i jednotlivými pásy IČ oblasti - tvoří tzv. okna. Praktické použití mají sirouhlík, tetrachlormethan, chloroform, dioxan, kapalný parafin (nujol). CCl 4 CS 2 chloroform nujol Obr. 10, 11, 12 a 13. Transmisní spektra vybraných rozpouštědel. Zdroj: webbook.nist.gov/chemistry 21

22 11. Nevodná prostředí v separačních technikách 11.1 Tenkovrstevná chromatografie Chromatografie na tenké vrstvě je schopná dělit látky na základě odlišné afinity jednotlivých složek naneseného vzorku ke stacionární a mobilní fázi. Jako stacionární fáze je nejčastěji využíván silikagel (oxid křemičitý), případně také alumina (oxid hlinitý). Mobilní fází je obvykle směs rozpouštědel, která postupně vzlíná po stacionární fázi a díky rozpustnosti vzorku v mobilní fázi a interakcemi mezi mobilní a stacionární fází jsou složky vzorku unášeny ve směru vzlínání mobilní fáze. Míra rozpustnosti vzorku a interakcí se stacionární fází je dána vlastností směsí rozpouštědel, zejména jejich polaritou. Srovnáním eluční síly čistých rozpouštědel byla vytvořena tzv. eluotropní řada rozpouštědel: pentan < hexan < benzen < chloroform < aceton < ethanol < kyselina octová << voda Často je vhodné využít směsi rozpouštědel než samotných čistých rozpouštědel Kapalinová chromatografie V případě kapalinové chromatografie je nejčastější použití separačních kolon vyplněných silikagelem modifikovaným oktadecylem, tento systém bývá označován jako reverzní fáze (reversed phase, RP). Jelikož má stacionární fáze výrazně nepolární charakter, vyšší eluční sílu mají spíše méně polární rozpouštědla: Tabulka 7. Eluční síla vybraných rozpouštědel pro RP-HPLC. Převzato z Thin-layer Chromatography: A Modern Practical Approach (P.E. Wall, 2005). Eluční síla mobilní fáze jako směsi rozpouštědel může být snadno odhadnuta podle vzorce: = + + (18) kde V představuje objem daného rozpouštědla a S parametr síly rozpouštědla. Tato klasifikace rozpouštědel však nezohledňuje různé typy interakcí mezi mobilní fází a analyty. Snyder rozdělil rozpouštědla do 8 skupin a umístil je do trojúhelníku podle jejich protondonorových (kyselých), proton-akceptorových (bazických) vlastností a podle rostoucího dipólového momentu. 22

23 Obr. 14. Trojúhelník skupin rozpouštědel podle Snydera. Zdroj: Thin-layer Chromatography: A Modern Practical Approach (P.E. Wall, 2005). V případě separací na reverzní fázi, v rozích tohoto trojúhelníku leží směsi acetonitrilu, metanolu a tetrahydrofuranu s vodou, které umožňují měnit selektivitu separace. Často jsou směsi těchto rozpouštědlech v různých poměrech zvažovány jako výchozí složení mobilní fáze při studiu separace látek Spojení kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie (LC/MS) V LC/MS se výběr rozpouštědla řídí hlavně ionizační technikou. Nejčastěji se používají ionizační zdroje ESI (ionizace elektrosprejem) a APCI (chemická ionizace za atmosférického tlaku). Z hlediska ionizačního procesu jsou těkavost a proton-donorová vlastnost nejdůležitějšími vlastnostmi rozpouštědel. Samozřejmě je třeba brát na zřetel rozpustnost analyzované látky v daném rozpouštědle. Rozpouštědla používaná v LC/MS: voda methanol acetonitril ethanol propanol isopropanol Mohou se také používat jiná rozpouštědla (převážně pro APCI): tetrahydrofuran aceton dichlormethan dichlorethan nitromethan dimethylformamid (malé přídavky mohou zlepšit rozpustnost některých látek) dimethylsulfoxid (malé přídavky mohou zlepšit rozpustnost některých látek) 23

24 Kompatibilní aditiva: mravenčí kyselina octová kyselina hydroxid amonný mravenčan amonný octan amonný hydrogenuhličitan amonný 11.4 Kapilární elektroforéza Kapilární elektroforéza je separační technika založená na migraci iontů v elektrickém poli. Aby bylo dosaženo separace, jednotlivé složky musí migrovat různou rychlostí. Separace probíhá v tenké křemenné kapiláře vyplněné základním elektrolytem. Ten musí být vodivý, aby byl zajištěn přesun iontů (náboje) v kapiláře. Nejčastěji se tedy jako rozpouštědlo volí voda pro svou dobrou rozpustnost a disociovatelnost elektrolytů. Použití jiných rozpouštědel než vody může přinést změnu řady parametrů separace vedoucí ke změně selektivity, rychlosti či vůbec proveditelnosti analýzy. Použití rozpouštědel s jinými fyzikálně-chemickými vlastnostmi může být dosaženo odlišné míry disociace než ve vodném prostředí, což se projeví na efektivní mobilitě dané látky. I jen přídavek organického rozpouštědla do vodného elektrolytu je často realizován kvůli omezení interakcí látek s povrchem křemenné kapiláry či změnou rychlosti elektroosmotického toku v kapiláře jak ovlivněním jevů na povrchu, tak viskozitou základního elektrolytu. V případě potřeby použití vysokých koncentrací elektrolytů se použití nevodných rozpouštědel projeví na nižších hodnotách proudu, což vede k menšímu zahřívání základního elektrolytu a často dosažení lepších výsledků. V případě modifikací separace dalšími látkami jako tenzidy, ion-párovými činidly nebo chirálními selektory bývají v nevodných rozpouštědlech preferovány jiné typy interakcí než ve vodném prostředí, což vede k uplatnění jiných separačních mechanismů a ovlivnění selektivity analýzy. Nevodné základní elektrolyty také nalézají uplatnění tam, kde aditiva jsou obtížně nebo vůbec nerozpustná ve vodě. 24

25 12. Vybrané metody důkazu látek Nevodná prostředí získala uplatnění v kvalitativní analýze. Citlivost důkazových reakci se zvyšuje pomoci oddělení reakčního produktu vytřepáním do organické vrstvy (ether, amylalkohol): důkaz chromu redukce Cr 2 O 7 2- peroxidem vodíku na chromovou modř a vytřepání produktu do etheru nebo amylalkoholu; důkaz kobaltu prohloubení zabarvení roztoku Co 2+ po přídavku thiokyanatu, modrý komplex [Co 2 (SCN) 4 ] lze vytřepat do etheru; důkaz bromidů a jodidů vedle sebe chlorová voda a vrstva CHCl 3 pro vytřepání 2 I - + Cl 2 = I 2 (fialový) + 2 Cl - I Cl H 2 O = 2 HIO H Cl - 2 Br - + Cl 2 = Br 2 (hnědý) + 2 Cl - 25

26 13. Literatura Izutsu, K.: Electrochemistry in Nonaqueous Solutions. Weinheim, Wiley-VCH Šafařík L., Stránský Z.: Titrimetric Analysis in Organic Solvents. Amsterdam, Elsevier Chipperfield J.R.: Non-aqueous Solvents, New York, Oxford University Press Kucharský, J., Šafařík, L.: Titrace v nevodných prostředích, Praha, Státní nakladatelství technické literatury Reichardt, C.: Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry, Weinheim, Wiley-VCH Kütt, A.: Studies of Acid-Base Equilibria in Non-Aqueous Media, Saarbrücken, VDM Wall, P.E.: Thin-layer Chromatography: A Modern Practical Approach, Cambridge, Royal Society of Chemistry