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 uŜyciem 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,
niezaleŜnie od typu zachodzącej reakcji, bromian jest zuŜywany 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 obniŜania się potencjału –
wskaźnik ulega redukcji.
Wskaźniki redoks są to pary redoks, w których forma utleniona ma inną barwę niŜ
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.
OranŜ 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 Ŝółtej, 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) poniewaŜ
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 róŜnych
proporcjach ilościowych.
W przypadku bromowania fenoli lub amin aromatycznych, gdzie OH lub NH
2
są
podstawnikami aktywującymi I rodzaju, bromowanie przebiega łatwiej niŜ 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 gramorównowaŜnika w bromianometrii.
W przypadku bromowania pierścienia aromatycznego gramorównowaŜnik zaleŜy 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 moŜna 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 uŜywa się czerwieni metylowej lub oranŜu metylowego (wskaźniki redoks
nieodwracalne), które w środowisku kwaśnym mają czerwoną barwę. W trakcie
miareczkowania mianowanym roztworem bromianu potasu wydziela się brom, który
zuŜywany jest na bromowanie pierścienia aromatycznego. Pierwsza kropla wolnego
bromu utlenia wskaźnik, powodując jego nieodwracalne odbarwienie.
Oznaczenie moŜna prowadzić bez wskaźnika, poniewaŜ w punkcie końcowym wolny
brom cząsteczkowy zabarwia roztwór na Ŝółty kolor.
Koniec miareczkowania moŜna teŜ oznaczyć potencjometrycznie.
Metoda ta nadaje się do oznaczania związków o duŜej aktywności nukleofilowej,
poniewaŜ wówczas bromowanie przebiega bardzo szybko.
GramorównowaŜnik =
1/2
gramocząsteczki
GramorównowaŜnik =
1/4
gramocząsteczki
GramorównowaŜnik =
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
PoniewaŜ szybkość bromowania, nawet w takim przypadku, stopniowo maleje w
miarę obniŜania się stęŜenia oznaczanego związku, naleŜy kolejne porcje bromianu
wprowadzać bardzo powoli, aby nie dopuścić do powstawania lokalnych,
zwiększających się stęŜeń bromu. Mogłoby to spowodować trwałe odbarwienie
wskaźnika przed końcem miareczkowania. W wielu oznaczeniach tego typu wytrąca
się osad pochodnej bromowej oznaczanej substancji. MoŜe 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 uŜywana rzadko, równieŜ 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 duŜego nadmiaru
bromku potasu i przy uŜyciu ściśle określonego nadmiaru roztworu bromianu potasu.
Z mieszaniny bromku i bromianu potasu wydziela się brom cząsteczkowy, którego
ilość zaleŜy ściśle od ilości uŜytego 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 zaleŜności od rodzaju związku trój, dwu, rzadziej
jednobromopochodną. Pozostały brom reaguje z dodanym do roztworu nadmiarem
jodku potasu i wydziela z niego równowaŜną 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 zuŜytą na reakcję bromowania (a więc równowaŜną ilości oznaczanej
substancji) obliczamy z róŜnicy między ilością tiosiarczanu zuŜytego na
miareczkowanie jodu w próbie kontrolnej a ilością tiosiarczanu zuŜytego na
zmiareczkowanie jodu w próbie właściwej.
Nie odmiareczkowujemy bromu bezpośrednio tiosiarczanem, poniewaŜ 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 róŜne dla róŜnych 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,
poniewaŜ jest aktywowana przez grupę OH i sąsiedni pierścień aromatyczny.
Pozycja 3 nie jest aktywna, poniewaŜ wiązania podwójne w ß-naftolu są
zlokalizowane w duŜym 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 róŜne dla róŜnych 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.
GramorównowaŜnik = 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,
gramorównowaŜnik zaleŜy od przebiegu konkretnej reakcji.
Addycja bromu do wiązań podwójnych skumulowanych
GramorównowaŜnik = 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, gramorównowaŜnik równa się
iloczynowi gramocząsteczki i odwrotności podwojonej ilości wiązań podwójnych.
W przypadku addycji bromu do podwójnego wiązania równieŜ naleŜy przestrzegać
ściśle warunków oznaczenia, które są róŜne dla kaŜdego rodzaju związków. Na
wynik oznaczenia ma wpływ szybkość reakcji addycji, obecność w oznaczanej
substancji innych ugrupowań zuŜywających 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
GramorównowaŜnik = 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
GramorównowaŜnik = 1/4 gramocząsteczki
Izoniazyd moŜna 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
GramorównowaŜnik = 1/8 gramocząsteczki
W wyjątkowych przypadkach, gdy w środowisku brak jest jonów halogenkowych,
bezpośrednim utleniaczem jest bromian sodu lub potasu. PoniewaŜ w obecności
jonów bromkowych w środowisku kwaśnym powstaje brom cząsteczkowy, naleŜy 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 stoŜkowej z dobrze dopasowanym, szlifowanym
korkiem. JeŜeli oznaczaną substancję hydrolizujemy, naleŜy potem dobrze ją
ochłodzić, poniewaŜ 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
jasnoŜółtą.
Badaną
próbkę
miareczkujemy do zaniku niebieskiego zabarwienia.
6. Przed rozpoczęciem miareczkowania naleŜy 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 róŜnicy objętości
tiosiarczanu zuŜytego na ślepą próbę a ilością tiosiarczanu zuŜytego 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