Organická analýza - rozdělení metod - (1.)

Úvod

Analytická chemie je skutečně mezioborovou disciplínou, která využívá znalostí a metodologií z různých oblastí, včetně chemie, biologie, lékařských věd, fyziky, matematiky, informatiky a dalších.

Abychom správně identifikovaly a kvantifikovaly látky a jejich vlastnosti v různých vzorcích a prostředích. Je nutné mít přehled o instrumentálních metodách, které jsou pro naši analýzu opravdu vhodné.

Protože analytických metod technické praxe je skutečné mnoho, přinášíme Vám přehledný pravidelný seriál na připomenutí těchto základních poznatků.

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Přehled metod pro analýzu organických sloučenin

V analytické chemii jsou využívány dvě základní skupiny metod: přímé a nepřímé.

Přímé metody (též označované jako chemické nebo klasické) využívají chemické reakce mezi stanovovanou sloučeninou a činidlem; kvantitativním ukazatelem je hmotnost produktu chemické reakce (gravimetrie) nebo objem činidla potřebného ke kompletnímu zreagování stanovované látky (volumetrie).

Tyto metody jsou jednoduché, spolehlivé, rychlé a levné, a právě pro tyto vlastnosti jsou dosud využívány, i když v omezeném rozsahu.

Metody nepřímé (též instrumentální) využívají závislosti fyzikálních charakteristik na chemickém složení vzorku (metody fyzikální), případně při nich dochází k chemické změně vzorku (metody fyzikálně-chemické). I tyto metody jsou spolehlivé a mohou být rychlé, jsou (na rozdíl od metod přímých) využitelné i pro stopovou analýzu a nabízejí možnosti automatizace.

Vyžadují však instrumentaci, která může být finančně náročná jak při pořízení, tak i při následném provozu.

Vážková analýza – gravimetrie

Přehledné informace o gravimetrii lze nalézt v řadě monografií a učebních textů [1-3]. V oblasti organické analýzy je využití vážkových metod omezené. Významné byly metody elementární analýzy organických látek založené na spalování analyzované sloučeniny v proudu kyslíku a gravimetrickém stanovení selektivně zachycených spalných produktů [4].

Gravimetrii lze využít pro stanovení některých organických funkčních skupin a heteroatomů. Vybrané příklady jsou uvedeny v Tabulce 1.

Tabulka 1. Vybrané precipitační gravimetrické metody pro analýzu organických funkčních skupin a heteroatomů

• Analyt / Proces / Srážedlo / Sraženina

• Organické halogenderiváty R-X; X = Cl, Br, I / Oxidace HNO₃ za přítomnosti Ag⁺ / AgNO₃ / AgX

• Organické halogenderiváty R-X; X = Cl, Br, I / Spalování v O₂ (katalýza Pt) v přítomnosti Ag⁺ / AgNO₃ / AgX

• Organická síra / Oxidace HNO₃ za přítomnosti Ba²⁺ / BaCl₂ / BaSO₄

• Organická síra / Spalování v O₂ (katalýza Pt), jímání vzniklého SO₂ a SO₃ ve zředěném H₂O₂ / BaCl₂ / BaSO₄

• Alkoxy-skupiny: –O-R nebo –COO-R; R = CH₃ nebo C₂H₅ / Reakce s HI za vzniku RI / AgNO₃ / AgI

V literatuře lze nalézt i postupy pro gravimetrické stanovení organických sloučenin; jako příklad lze uvést nepřímé vážkové stanovení kyseliny mravenčí po její selektivní oxidaci (i ve směsi s dalšími organickými kyselinami) pomocí HgCl₂ za katalýzy hydroxylamin-hydrochloridu. Váží se vyloučený kalomel (Hg₂Cl₂) [5].

Odměrná analýza – volumetrie

Přehledné informace o volumetrii lze nalézt v řadě monografií a učebních textů – např. [1-3]. Organické kyseliny (mravenčí, octová, vinná) mohou být stanoveny alkalimetricky titrací odměrným roztokem NaOH na fenolftalein nebo thymolovou modř. Standardními volumetrickými postupy jsou stanovení čísla kyselosti, což je počet mg KOH potřebných k neutralizaci volných kyselin obsažených v 1 g vzorku, např, tuků nebo olejů [6], čísla zmýdelnění, definovaného jako počet mg KOH potřebných k neutralizaci volných kyselin a ke zmýdelnění esterů přítomných v 1 g vzorku, např. vosků, balzámů nebo tuků [7] a určení neutralizačního ekvivalentu, který je definován jako hmotnost látky (v gramech), která odpovídá pří titraci jednomu molu alkalického hydroxidu.

Elementární analýza organických látek

Elementární analýza organických látek je vesměs zaměřena na stanovení obsahu uhlíku, vodíku, dusíku, síry a kyslíku. K tomuto účelu jsou využívány dedikované analyzátory. Pro stanovení C, H, N a S se vzorek spaluje v prostředí kyslíku, přičemž stanovované prvky jsou z analyzované sloučeniny převedeny do jednoduchých plynných substancí – uhlík na CO₂, dusík na N₂, vodík na H₂O, síra na SO₂. Tyto sloučeniny jsou pak chromatograficky separovány a detekovány pomocí tepelně vodivostního detektoru (TCD). Pro stanovení kyslíku se vzorky vysokoteplotně pyrolyzují v inertním plynu, kyslík je převeden na CO a ten se opět chromatograficky separuje a detekuje pomocí TCD.

(Kap. 12 ORGANICKÁ ELEMENTÁRNÍ ANALÝZA)

Optické metody – molekulová spektrometrie

Tyto metody jsou založeny na interakci hmoty a elektromagnetického záření a lze je rozdělit na metody nespektrální (elektromagnetické záření je ovlivňováno průchodem hmotnou, ale nedochází k výměně energie) a na metody spektrální, kdy k výměně energie dochází a vzniká spektrum. Elektromagnetické záření přitom může být absorbováno nebo emitováno. V tomto textu budou podrobněji popsány techniky, které se významně využívají při identifikaci a stanovení organických sloučenin. Ze skupiny absorpčních metod to bude:

• ­ Infračervená spektrometrie ve střední infračervené oblasti (MIR)

• ­ Infračervená spektrometrie v blízké infračervené oblasti (NIR)

• ­ Ramanova spektrometrie

• ­ UV-VIS spektrofotometrie

Z emisních metod budou popsány metody luminiscenční, a to fluorescence a fosforescence.

(Kap. 10 SPEKTRÁLNÍ METODY)

Elektroanalytické metody

V této skupině metod se k získání kvantitativní charakteristiky (napětí, proud, prošlý náboj) využívá elektrochemický článek tvořený dvěma, případně třemi elektrodami. V oblasti stanovení organických látek je možno využít následujících metod:

• ­ Voltametrie (sleduje se závislost intenzity elektrického proudu na měnícím se napětí vkládaném na pracovní a pomocnou elektrodu)

• ­ Amperometrie (měří se proud procházející mezi pracovní a pomocnou elektrodu při vloženém konstantním potenciálu)

• ­ Coulometrie (měří se náboj potřebný na kompletní elektrochemickou přeměnu stanovované látky)

(Kap. 9 ELEKTROANALYTICKÉ METODY)

Separační techniky

Separační techniky hrají klíčovou úlohu při analýze směsí organických látek, kdy je možno separovat, identifikovat a kvantifikovat jednotlivé jejich složky. Z této skupiny budou popsány techniky chromatografické, založené na rozdělování separovaných sloučenin mezi stacionární a mobilní fázi chromatografického systému, a to:

• ­ plynová chromatografie

• ­ kapalinová chromatografie

• ­ superkritická fluidní chromatografie

Dále budou charakterizovány techniky elektromigrační, založené na pohybu iontů v elektrickém poli, a to:

• ­ kapilární zónová elektroforéza

• ­ isotachoforéza

• ­ afinitní kapilární elektroforéza

• ­ gelová elektroforéza

• ­ elektrokinetická chromatografie

(Kap. 3 PLYNOVÁ CHROMATOGRAFIE, Kap. 4 SUPERKRITICKÁ FLUIDNÍ CHROMATOGRAFIE Kap. 5 KAPALINOVÁ CHROMATOGRAFIE Kap. 8 ELEKTROSEPARAČNÍ METODY)

Hmotnostní spektrometrie (MS)

Hmotnostní spektrometrie je technika založená na interakci ionů a polí – elektrického a magnetického – v plynném stavu. V současnosti představuje klíčovou a nejrozšířenější spektrometrickou techniku využívanou k identifikaci a stanovení organických sloučenin. Uplatňuje se v mimořádně širokém rozmezí technických úrovní, od jednoduchých mobilních zařízení ovladatelných jednou rukou a nízkorozlišovacích hmotnostně selektivních detektorů v plynové a kapalinové chromatografii až po vysoce sofistikované přístroje disponující vysokým a ultravysokým rozlišením. Je to nejpřesnější metoda pro určení molekulové hmotnosti sloučenin a díky fragmentaci molekulových iontů umožňuje i určení struktury, i když s jistými omezeními (např. rozlišení izomerů). K analýze přitom za určitých podmínek postačí velmi malá množství látek (v řádu femtogramů až attogramů).

(Kap. 6 HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE)

Tandemové techniky

Tandemové techniky spojující separační techniku (GC, LC, SFC) s technikou spektrometrickou (zejména MS) představují v současnosti mimořádně výkonný prostředek pro analýzu směsí organických látek. Umožňují separaci i velmi složitých směsí a jsou schopny identifikace a kvantifikace separovaných sloučenin na mimořádně nízkých koncentračních hladinách.

(Kap. 7 SPOJENÍ CHROMATOGRAFICKÝCH TECHNIK A HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE)

Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Nukleární magnetická rezonance je považována za nejsofistikovanější analytickou techniku. Je založena na sledování odezvy jader s nenulovým magnetickým momentem (nejčastěji ¹₁H, ₆¹³C ) umístěných v silném magnetickém poli na vysokofrekvenční elektromagnetické záření. Je to mimořádně účinná technika pro určení detailní struktury analyzovaných látek. K analýze je ale zapotřebí větší množství čisté sloučeniny a měření je poměrně zdlouhavé (což komplikuje využití této techniky v tandemu se separačními metodami). Informaci o molekulové hmotnosti NMR neposkytuje.

(Kap. 10.5 NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANCE)