Oznaczanie ilościowe środków leczniczych metodą

bromianometryczną

Bromianometria opiera się na kilku reakcjach, których wspólną cechą jest pośrednie

bądź bezpośrednie stosowanie roztworu bromianu potasowego. W metodzie tej

wykorzystuje się silne właściwości utleniające bromianu potasu, który w środowisku

kwaśnym redukuje się do bromku.

BrO

3

-

+ 6 H

+

→ Br

-

+ 3 H

2

O

Oznaczenia bromianometryczne przeprowadza się najczęściej z użyciem roztworu

bromianu potasu w środowisku kwaśnym, w obecności jonów bromkowych:

BrO

3

- + 5 Br

-

+ 6 H

+

→ 3 Br

2

+ 3 H

2

O

Wydzielony brom cząsteczkowy bierze następnie udział w reakcjach z oznaczaną

substancją.

Reakcje zachodzące między bromem a oznaczaną substancją.

1. Bromowanie substytucyjne związków aromatycznych

• salol, fenol, kwas salicylowy

• sulfanilamidy

• hydroksyestry, aminoestry kwasu benzoesowego

• aminy aromatyczne)

2. Przyłączanie atomów bromu do nienasyconych wiązań podwójnych

• pochodne kwasu barbiturowego

3. Bromianometryczne utlenianie

• pochodne hydrazyny: izoniazyd, siarczan dihydralazyny

We wszystkich przypadkach zastosowania bromianu do oznaczeń ilościowych,

niezależnie od typu zachodzącej reakcji, bromian jest zużywany w tych samych

stosunkach ilościowych i jego 1n roztwór zawiera zawsze 1/6 gramocząsteczki

bromianu potasowego.

Wskaźniki stosowane w bromianometrii

Wskaźniki specyficzne

Tworzą one połączenia z utleniaczem lub reduktorem, czemu towarzyszy zmiana

zabarwienia.

Przykładem takiego wskaźnika jest skrobia, która tworzy z wolnym jodem związek

addycyjny o charakterystycznym, granatowym zabarwieniu.

Wskaźniki redoks

Są to substancje, które zmieniają barwę wraz ze zmianą potencjału układu.

Podczas wzrostu potencjału wskaźnik utlenia się, podczas obniżania się potencjału –

wskaźnik ulega redukcji.

Wskaźniki redoks są to pary redoks, w których forma utleniona ma inną barwę niż

forma zredukowana. Dzielą się one na wskaźniki odwracalne i nieodwracalne.

Przykładem wskaźnika odwracalnego jest ferroina (jon kompleksowy Fe

2+

z fenan-

troliną), której postać zredukowana ma barwę ciemnoczerwoną. W wyniku utlenienia,

zachodzącego wobec potencjału 1,14 V, ferroina przybiera barwę jasnoniebieską.

Oranż metylowy i czerwień metylowa to wskaźniki redoks nieodwracalne.

Wobec określonego potencjału redoks ulegają one nieodwracalnemu utlenieniu

bromem i odbarwienie roztworu wskazuje na koniec miareczkowania.

W bromianometrii często wykonuje się oznaczenie bez stosowania wskaźnika,

szczególnie w miareczkowaniu bromianometrycznym bezpośrednim.

Roztwór miareczkuje się wówczas do barwy żółtej, pochodzącej od wolnego bromu w

roztworze.

Bromowanie substytucyjne związków aromatycznych

Bromowanie pierścienia aromatycznego jest typową reakcją podstawienia

elektrofilowego. W rozpuszczalnikach niepolarnych brom cząsteczkowy jest mało

reaktywny w stosunku do układów aromatycznych typu benzen.

Szybkość bromowania wzrasta znacznie przy zastosowaniu katalizatorów typu

kwasów Lewisa (FeBr

3

, AlCl

3

, ZnCl

2

) lub zasad Lewisa (pirydyna) ponieważ

przekształca on cząsteczkę bromu w znacznie bardziej reaktywny elektrofil Br

+

FeBr

4

-

W pierwszym etapie następuje heterogeniczny rozpad cząsteczki bromu na kation i

anion. Dzieje się tak na skutek oddziaływania na brom dwóch czynników:

nukleofilowy układ aromatyczny odpycha elektrony, a elektrofilowy katalizator

przyciąga elektrony. Powoduje to daleko idącą polaryzację cząsteczki bromu i jej

heterogeniczny rozkład.

Dalsze bromowanie prowadzi do powstania kolejnych izomerów, w różnych

proporcjach ilościowych.

W przypadku bromowania fenoli lub amin aromatycznych, gdzie OH lub NH

2

są

podstawnikami aktywującymi I rodzaju, bromowanie przebiega łatwiej niż w

przypadku benzenu, a brom jest kierowany w pozycje – orto i – para. Pozycje te są

wzbogacone ładunkiem ujemnym na skutek zjawiska mezomerii.

+ Br

2

+ FeBr

3

FeBr

3

Br

Br

---------

---------

---------

Br

H

+ FeBr

4

Br

+ HBr + FeBr

3

OH

OH

Br

OH

Br

Br

OH

Br

OH

Br

Br

Br

+ Br

2

- HBr

- HBr

- HBr

+ Br

2

+ Br

2

Obliczanie gramorównoważnika w bromianometrii.

W przypadku bromowania pierścienia aromatycznego gramorównoważnik zależy od

całkowitej ilości atomów bromu biorących udział w reakcji. Obliczamy go dzieląc

masę cząsteczkową oznaczanej substancji przez całkowitą liczbę atomów bromu

biorących udział w reakcji.

Oznaczenie bromianometryczne można prowadzić metodą bezpośredniego

miareczkowania

roztworem

bromianu

potasu

lub

metodą

pośredniego

miareczkowania wobec nadmiaru bromianu potasu.

Bezpośrednie miareczkowanie roztworem bromianu potasowego prowadzi się w

roztworze silnie zakwaszonym kwasem solnym, w obecności bromku potasu. Jako

wskaźnika używa się czerwieni metylowej lub oranżu metylowego (wskaźniki redoks

nieodwracalne), które w środowisku kwaśnym mają czerwoną barwę. W trakcie

miareczkowania mianowanym roztworem bromianu potasu wydziela się brom, który

zużywany jest na bromowanie pierścienia aromatycznego. Pierwsza kropla wolnego

bromu utlenia wskaźnik, powodując jego nieodwracalne odbarwienie.

Oznaczenie można prowadzić bez wskaźnika, ponieważ w punkcie końcowym wolny

brom cząsteczkowy zabarwia roztwór na żółty kolor.

Koniec miareczkowania można też oznaczyć potencjometrycznie.

Metoda ta nadaje się do oznaczania związków o dużej aktywności nukleofilowej,

ponieważ wówczas bromowanie przebiega bardzo szybko.

Gramorównoważnik =

1/2

gramocząsteczki

Gramorównoważnik =

1/4

gramocząsteczki

Gramorównoważnik =

1/6

gramocząsteczki

OH

+ Br

2

OH

Br

+ HBr

OH

+ 2 Br

2

OH

Br

Br

+ 2 HBr

OH

+ 3 Br

2

OH

Br

Br

Br

+ 3 HBr

Ponieważ szybkość bromowania, nawet w takim przypadku, stopniowo maleje w

miarę obniżania się stężenia oznaczanego związku, należy kolejne porcje bromianu

wprowadzać bardzo powoli, aby nie dopuścić do powstawania lokalnych,

zwiększających się stężeń bromu. Mogłoby to spowodować trwałe odbarwienie

wskaźnika przed końcem miareczkowania. W wielu oznaczeniach tego typu wytrąca

się osad pochodnej bromowej oznaczanej substancji. Może on adsorbować

wskaźnik, co powoduje jego późniejsze odbarwienie. Aby temu zapobiec dodaje się

do roztworu kwas octowy lub chloroform, które to zabezpieczają przed wypadaniem

osadu. Jednocześnie lepiej rozpuszczają brom i zapobiegają stratom związanym z

jego lotnością. Metoda jest używana rzadko, również ze względu na szybkie zmiany

miana roztworu bromianu potasowego.

Oznaczenie bromianometryczne pośrednie prowadzi się w środowisku wodnym,

silnie zakwaszonym kwasem solnym lub siarkowym, w obecności dużego nadmiaru

bromku potasu i przy użyciu ściśle określonego nadmiaru roztworu bromianu potasu.

Z mieszaniny bromku i bromianu potasu wydziela się brom cząsteczkowy, którego

ilość zależy ściśle od ilości użytego bromianu.

BrO

3

-

+ 5 Br

-

+ 6 H

+

→

3 Br

2

+ 3 H

2

O

Część powstałego w środowisku reakcji bromu bierze udział w substytucji pierścienia

aromatycznego, tworząc w zależności od rodzaju związku trój, dwu, rzadziej

jednobromopochodną. Pozostały brom reaguje z dodanym do roztworu nadmiarem

jodku potasu i wydziela z niego równoważną ilość jodu, który jest miareczkowany

mianowanym roztworem tiosiarczanu wobec skrobi:

Br

2

+ 2 KI = I

2

+ 2 KBr

I

2

+ 2 K

2

S

2

O

3

= 2 KI + K

2

S

4

O

6

Oznaczona ilość jodu jest równoznaczna z ilością bromu, który nie wziął udziału w

bromowaniu pierścienia aromatycznego oznaczanej substancji. Oznaczona w próbie

kontrolnej ilość jodu jest równoznaczna początkowej ilości bromu, jaka powstaje w

reakcji bromianu potasu z bromkiem w środowisku kwaśnym.

Ilość bromu zużytą na reakcję bromowania (a więc równoważną ilości oznaczanej

substancji) obliczamy z różnicy między ilością tiosiarczanu zużytego na

miareczkowanie jodu w próbie kontrolnej a ilością tiosiarczanu zużytego na

zmiareczkowanie jodu w próbie właściwej.

Nie odmiareczkowujemy bromu bezpośrednio tiosiarczanem, ponieważ brom jest

lotny, trujący, a ponadto reakcja bromu z tiosiarczanem nie przebiega do końca.

Wszystkie oznaczenia bromianometryczne dają dobre wyniki pod warunkiem

ścisłego przestrzegania warunków oznaczenia (sposób rozpuszczania próbki,

stopień kwasowości, nadmiar bromu, czas bromowania).

Warunki te są często różne dla różnych substancji.

Fenol

Br

Br

Br

OH

+ 3 Br

2

OH

+ 3 HBr

Rezorcyna

+ 3 Br

2

OH

OH

Br

Br

Br

OH

OH

+ 3 HBr

β-naftol

OH

OH

Br

+ Br

2

+ HBr

W ß

-naftolu szczególnie podatna na podstawienie elektrofilowe jest pozycja 1,

ponieważ jest aktywowana przez grupę OH i sąsiedni pierścień aromatyczny.

Pozycja 3 nie jest aktywna, ponieważ wiązania podwójne w ß-naftolu są

zlokalizowane w dużym stopniu i brak jest efektu mezomerycznego +M w kierunku

tego węgla.

Kwas salicylowy

COOH

OH

COOH

OH

Br

Br

Br

OH

Br

Br

2

- 2 HBr

- HBr, - CO

2

2 Br

Br

2

Salicylan fenylu

ONa

OH

COONa

OH

O

O

OH

OH

COOH

OH

Br

Br

Br

+ 2 NaOH

- H

2

O

+

+ 2 HCl

- 2 NaCl

+

+ 6 Br

2

- 6 HBr

- CO

2

2

Hydroksybenzoesany: metylu, etylu, propylu

COOR

OH

COONa

ONa

COOH

OH

+ 2 NaOH

- ROH

- H

2

O

+ 2 HCl

- 2 NaCl

+ 3 Br

2

Br

OH

Br

Br

+ 3 HBr + CO

2

Sulfanilamid

Sulfatiazol

H

2

N

SO

2

NH

S

N

3 Br

2

H

2

N

SO

2

NH

S

N

Br

Br

Br

+ 3 HBr

H

2

N

SO

2

NH

2

+ 2 Br

2

H

2

N

SO

2

NH

2

Br

Br

+ 2 HBr

Hydrochlorotiazyd

Sulfadimetoksyna

Wszystkie oznaczenia bromianometryczne dają dobre wyniki pod warunkiem

ścisłego przestrzegania warunków oznaczenia (sposób rozpuszczania próbki,

stopień kwasowości, nadmiar bromu, czas bromowania).

Warunki te są często różne dla różnych substancji.

Addycja bromu do nienasyconych wiązań podwójnych.

Reakcja przyłączenia atomów bromu do nienasyconych wiązań podwójnych jest

typową reakcją przyłączania elektrofilowego. Czynnikiem aktywnym jest tu kation

bromkowy Br

+

, który powstaje w wyniku heterolitycznego rozpadu cząsteczki bromu.

H

2

N

SO

2

NH

N

N

OCH

3

OCH

3

3 Br

2

H

2

N

SO

2

NH

N

N

OCH

3

OCH

3

Br

Br

Br

+ 3 HBr

Cl

NH

NH

S

S

O

O

H

2

N

O

O

Cl

NH

NH

S

S

O

O

H

2

N

O

O

Br

Br

2

+ HBr

Dzieje się tak na skutek oddziaływania elektronów п podwójnego wiązania na

cząsteczkę bromu.

Gramorównoważnik = 1/2 gramocząsteczki

Oznaczenie prowadzi się metodą pośrednią, w środowisku kwasu solnego, często z

dodatkiem kwasu octowego. Kwas ten lepiej rozpuszcza brom, co zapobiega stratom

związanym z jego lotnością.

Gdy

w

oznaczanym

związku

występuje

więcej

wiązań

podwójnych,

gramorównoważnik zależy od przebiegu konkretnej reakcji.

Addycja bromu do wiązań podwójnych skumulowanych

Gramorównoważnik = 1/2 gramocząsteczki

CH

CH

R

1

R

2

R

3

R

4

+ Br

2

R

1

R

2

Br

CH

CH

R

3

R

4

Br

R

2

R

4

R

3

R

1

Br

Br

R

2

R

4

R

3

R

1

Br

Br

-------------

+

R

2

R

4

R

3

R

1

Br

Br

Br

R

1

Br

R

3

R

4

R

2

jon bromoniowy

W przypadku wiązań podwójnych izolowanych, gramorównoważnik równa się

iloczynowi gramocząsteczki i odwrotności podwojonej ilości wiązań podwójnych.

W przypadku addycji bromu do podwójnego wiązania również należy przestrzegać

ściśle warunków oznaczenia, które są różne dla każdego rodzaju związków. Na

wynik oznaczenia ma wpływ szybkość reakcji addycji, obecność w oznaczanej

substancji innych ugrupowań zużywających brom i inne.

W analizie farmaceutycznej metoda ta jest wykorzystywana do oznaczania

pochodnych kwasu barbiturowego, zawierających nienasycone wiązanie (allobarbital,

cyklobarbital)

Cyklobarbital

N

N

O

O

C

2

H

5

O

Br

Br

H

H

Br

2

N

N

H

O

H

O

O

C

2

H

5

Cyklobarbital wapnia

Gramorównoważnik = 1/4 gramocząsteczki

N

N

H

H

C

2

H

5

O

O

O

2 Br

2

Ca

2+

2

N

N

H

H

C

2

H

5

Br

Br

O

O

O

2

Ca

2+

Allobarbital

N

N

H

H

O

O

CH

CH

2

O

CH

CH

2

+ 2 Br

2

N

N

H

H

O

O

CH

O

CH

Br

Br

CH

2

Br

CH

2

Br

Bromianometryczne utlenianie

W wyniku reakcji utlenienia bromem cząsteczkowym:

1. Pochodnych hydrazyny -NH-NH

2

- powstaje azot pierwiastkowy N

2

2. Pochodnych hydroksyloaminy - powstaje kwas azotowy HNO

3

3. Kwasu mrówkowego – powstaje dwutlenek węgla CO

2

Izoniazyd

Gramorównoważnik = 1/4 gramocząsteczki

Izoniazyd można oznaczyć metodą bromianometryczną pośrednią lub bezpośrednią.

N

C

O

NH

NH

2

+ 2 Br

2

+ H

2

O

N

C

O

OH

+

N

2

+ 4 HBr

W przypadku metody bezpośredniej izoniazyd miareczkuje się mianowanym

roztworem bromianu potasu w środowisku kwaśnym, wobec p-etoksychryzoidyny,

która odbarwia się pod wpływem wolnego bromu.

Siarczan dihydralazyny

Gramorównoważnik = 1/8 gramocząsteczki

W wyjątkowych przypadkach, gdy w środowisku brak jest jonów halogenkowych,

bezpośrednim utleniaczem jest bromian sodu lub potasu. Ponieważ w obecności

jonów bromkowych w środowisku kwaśnym powstaje brom cząsteczkowy, należy do

roztworu dodać jony rtęci Hg

2+

. Będą one wiązać jony bromkowe, a tym samym

zapobiegać tworzeniu się bromu cząsteczkowego. Takie reakcje utleniania

przebiegają jednak wolno i wymagają obecności odpowiednich katalizatorów.

Praktyczne wykonanie analizy ilościowej metodą bromianometryczną

1. Przygotowujemy próbkę w kolbie stożkowej z dobrze dopasowanym, szlifowanym

korkiem. Jeżeli oznaczaną substancję hydrolizujemy, należy potem dobrze ją

ochłodzić, ponieważ brom jest wówczas mniej lotny.

2. Następnie dodajemy do kolby odpowiednią, zgodną z instrukcją ilość roztworu

bromianu z bromkiem potasu.

N

N

NHNH

2

NHNH

2

N

N

OH

OH

+ 4 Br

2

+ 2 H

2

O

+

2 N

2

+ 8 HBr

3. Dodajemy do kolby kwas solny lub siarkowy i bardzo szybko zamykamy kolbę

doszlifowanym korkiem, aby nie dopuścić do ulatniania się bromu.

4. Zostawiamy kolbę w ciemnym miejscu na czas określony w przepisie.

5. Dodajemy jodek potasu i po kilku minutach miareczkujemy wydzielony jod

mianowanym roztworem tiosiarczanu wobec skrobi. Skrobię dodajemy pod koniec

miareczkowania,

gdy

roztwór

ma

barwę

jasnożółtą.

Badaną

próbkę

miareczkujemy do zaniku niebieskiego zabarwienia.

6. Przed rozpoczęciem miareczkowania należy spłukać jod ze ścianek kolby i szlifu

oraz z korka, za pomocą tryskawki z wodą destylowaną. Dzięki temu

zmiareczkujemy całą ilość wydzielonego jodu.

7. Wykonujemy próbę kontrolną bez oznaczanej substancji, co pozwoli oznaczyć

całkowitą ilość wytworzonego w środowisku reakcji bromu.

8. Obliczamy zawartość procentową próbki: ilość tiosiarczanu odpowiadającą ilości

bromu który reagował z oznaczaną substancją obliczamy z różnicy objętości

tiosiarczanu zużytego na ślepą próbę a ilością tiosiarczanu zużytego na próbę

właściwą.

Literatura

1. Z. Lipiec, T. Szmal; Chemia analityczna. PZWL Warszawa

2. M. Zając, A. Jelińska ; Ocena jakości substancji i produktów leczniczych.

Podręcznik dla studentów farmacji. Wydawnictwo AM Poznań 2010

3. E. Pawełczyk, Z. Płotkowiak, M. Zając; Chemiczna analiza leków, PZWL 1986

4. W. Kwapiszewski i inni; Chemiczna analiza ilościowa środków

leczniczych. PZWL Warszawa 1975

5. E. Pawełczyk, M. Zając; Analiza leków. AM Poznań 1989

6. M. Gorczyca, A. Zejc; Ćwiczenia z chemii leków. CM UJ Kraków 1993