3.2: Formula și greutățile moleculare

Determinarea formulei empirice a penicilinei

La fel cum formula empirică a unei substanțe poate fi folosită pentru a determina compoziția sa procentuală, compoziția procentuală a unui eșantion poate fi folosită pentru a determina formula sa empirică, care poate fi apoi folosită pentru a determina formula sa moleculară. O astfel de procedură a fost folosită de fapt pentru a determina formulele empirică și moleculară ale primului antibiotic descoperit: penicilina.

Antibioticele sunt compuși chimici care ucid selectiv microorganismele, multe dintre ele cauzatoare de boli. Deși astăzi antibioticele sunt adesea considerate de la sine înțelese, penicilina a fost descoperită abia acum aproximativ 80 de ani. Dezvoltarea ulterioară a unei game largi de alte antibiotice pentru tratarea multor boli comune a contribuit în mare măsură la creșterea substanțială a speranței de viață din ultimii 50 de ani. Descoperirea penicilinei este o poveste polițistă istorică în care utilizarea procentelor de masă pentru a determina formulele empirice a jucat un rol cheie.

În 1928, Alexander Fleming, un tânăr microbiolog de la Universitatea din Londra, lucra cu o bacterie comună care provoacă furunculi și alte infecții, cum ar fi otrăvirea sângelui. Pentru studiul de laborator, bacteriile sunt de obicei cultivate pe suprafața unui gel care conține nutrienți, în vase de cultură mici și plate. Într-o zi, Fleming a observat că una dintre culturile sale era contaminată de un mucegai verde-albăstrui, asemănător cu mucegaiul care se găsește pe pâinea sau fructele stricate. Astfel de accidente sunt destul de frecvente, iar majoritatea lucrătorilor de laborator ar fi aruncat pur și simplu culturile. Cu toate acestea, Fleming a observat că bacteriile se dezvoltau peste tot pe gel, mai puțin în apropierea mucegaiului contaminant (partea (a) din figura \(\PageIndex{2}\)) și a emis ipoteza că mucegaiul trebuie să producă o substanță care fie a ucis bacteriile, fie a împiedicat dezvoltarea lor. Pentru a testa această ipoteză, a cultivat mucegaiul într-un lichid, apoi a filtrat lichidul și l-a adăugat la diferite culturi de bacterii. Lichidul a ucis nu numai bacteriile pe care Fleming le studiase inițial, ci și o gamă largă de alte bacterii care cauzează boli. Deoarece mucegaiul făcea parte din familia Penicillium (numită astfel după ramificațiile lor în formă de creion la microscop) (partea (b) din figura \(\PageIndex{2}\)), Fleming a numit ingredientul activ din bulion penicilină.

Deși Fleming nu a reușit să izoleze penicilina în formă pură, importanța medicală a descoperirii sale a stimulat cercetătorii din alte laboratoare. În cele din urmă, în 1940, doi chimiști de la Universitatea Oxford, Howard Florey (1898-1968) și Ernst Chain (1906-1979), au reușit să izoleze un produs activ, pe care l-au numit penicilină G. În decurs de trei ani, penicilina G a fost utilizată pe scară largă pentru tratarea pneumoniei, a gangrenei, a gonoreei și a altor boli, iar utilizarea sa a crescut considerabil rata de supraviețuire a soldaților răniți în cel de-al Doilea Război Mondial. Ca rezultat al muncii lor, Fleming, Florey și Chain au împărțit Premiul Nobel pentru Medicină în 1945.

După ce au reușit să izoleze penicilina G pură, Florey și Chain au supus compusul la o procedură numită analiză de combustie (descrisă mai târziu în această secțiune) pentru a determina ce elemente erau prezente și în ce cantități. Rezultatele unor astfel de analize sunt de obicei raportate ca procente de masă. Ei au descoperit că o mostră tipică de penicilină G conține 53,9% carbon, 4,8% hidrogen, 7,9% azot, 9,0% sulf și 6,5% sodiu în masă. Suma acestor numere este de numai 82,1%, în loc de 100,0%, ceea ce implică faptul că trebuie să existe unul sau mai multe elemente suplimentare. Un candidat rezonabil este oxigenul, care este o componentă comună a compușilor care conțin carbon și hidrogen; nu presupuneți că masa „lipsă” se datorează întotdeauna oxigenului. Ar putea fi orice alt element. Cu toate acestea, din motive tehnice, este dificil de analizat direct pentru oxigen. Presupunând că toată masa lipsă se datorează oxigenului, atunci penicilina G conține (100,0% – 82,1%) = 17,9% oxigen. Din aceste procente de masă, se poate determina formula empirică și, în cele din urmă, formula moleculară a compusului.

Pentru a determina formula empirică din procentele de masă ale elementelor dintr-un compus precum penicilina G, procentele de masă trebuie convertite în numere relative de atomi. Pentru comoditate, presupunem o probă de 100,0 g din compus, chiar dacă dimensiunile probelor utilizate pentru analize sunt în general mult mai mici, de obicei în miligrame. Această presupunere simplifică aritmetica, deoarece un procent de masă de 53,9% de carbon corespunde la 53,9 g de carbon într-un eșantion de 100,0 g de penicilină G; la fel, 4,8% de hidrogen corespunde la 4,8 g de hidrogen în 100,0 g de penicilină G; și așa mai departe pentru celelalte elemente. Fiecare masă este apoi împărțită la masa molară a elementului pentru a determina câți moli din fiecare element sunt prezenți în proba de 100,0 g:

\

\

\

\

\

\

\

\

Astfel, 100.0 g de penicilină G conține 4,49 moli de carbon, 4,8 moli de hidrogen, 0,56 moli de azot, 0,28 moli de sulf, 0,28 moli de sodiu și 1,12 moli de oxigen (presupunând că toată masa lipsă a fost oxigen). Numărul cifrelor semnificative din numerele de moli de elemente variază între două și trei, deoarece unele dintre datele analitice au fost raportate cu numai două cifre semnificative.

Aceste rezultate dau rapoartele molilor diferitelor elemente din eșantion (4,49 moli de carbon la 4,8 moli de hidrogen la 0,56 moli de azot și așa mai departe), dar nu sunt rapoartele de numere întregi necesare pentru formula empirică – formula empirică exprimă numerele relative de atomi în cele mai mici numere întregi posibile. Pentru a obține numere întregi, împărțiți numărul de moli ai tuturor elementelor din eșantion la numărul de moli ai elementului prezent în cea mai mică cantitate relativă, care, în acest exemplu, este sulful sau sodiul. Rezultatele vor fi indicele elementelor din formula empirică. Cu două cifre semnificative, rezultatele sunt următoarele:

\

\

Formula empirică a penicilinei G este, prin urmare, C16H17N2NaO4S. Alte experimente au arătat că penicilina G este de fapt un compus ionic care conține cationi Na+ și anioni – într-un raport de 1:1. Structura complexă a penicilinei G (Figura \(\PageIndex{3}\)) nu a fost determinată până în 1948.

În unele cazuri, este posibil ca unul sau mai mulți indici dintr-o formulă calculată prin această procedură să nu fie numere întregi. Înseamnă acest lucru că compusul de interes conține un număr neintegral de atomi? Nu; erorile de rotunjire din calcule, precum și erorile experimentale din date pot avea ca rezultat rapoarte neintegrale. Atunci când se întâmplă acest lucru, trebuie să se dea dovadă de discernământ în interpretarea rezultatelor, așa cum este ilustrat în exemplul 6. În special, raporturile de 1,50, 1,33 sau 1,25 sugerează că ar trebui să înmulțițiți toți indicele din formulă cu 2, 3 sau, respectiv, 4. Numai în cazul în care raportul se află la mai puțin de 5% de o valoare integrală ar trebui să se ia în considerare rotunjirea la cel mai apropiat număr întreg.

.