ITALIANO

Processi di purificazione di miscele complesse di composti di interesse
farmaceutici: metodica di Staudinger, distillazione, cristallizzazione,
sublimazione, estrazione in continuo e discontinuo e cromatografia.
Principi per l’identificazione di composti di interesse farmaceutici: saggi
di carattere generale per l’identificazione dei cationi e degli anioni, saggi
di carattere generale per l’identificazione degli eteroatomi, saggi specifici
per il riconoscimento dei gruppi funzionali. Punto di fusione, principi ed
applicazione. Principi di spettrometria di massa, spettroscopia UV ed
NMR.

1. Savelli, F.; Bruno, O., Analisi Chimico Farmaceutica, Piccin, Perugia,
Ultima Edizione.
2. Carta A.; Mamolo M.G.; Novelli F.; Piras S., Analisi Farmaceutica
Qualitativa, EdiSES, Napoli, Ultima Edizione.
3. Chimenti F., Identificazione sistematica di composti organici, Grasso,
Bologna, Ultima edizione

L’insegnamento si prefigge l’obiettivo di fornire le conoscenze necessarie
allo svolgimento di processi di purificazione che consentano la
separazione dei composti di interesse farmaceutico. Conoscenza dei
procedimenti previsti dalla farmacopea per l’identificazione e la
caratterizzazione dei principali gruppi funzionali presenti nelle molecole
di interesse farmaceutico. Conoscenza delle principali metodiche per la
caratterizzazione e l’identificazione dei composti di interesse
farmaceutico. Il corso si propone altresì di fornire allo studente la
consapevolezza dell’importanza della sicurezza in laboratorio, così come
le conoscenze teoriche e le abilità pratiche nelle fondamentali operazioni
di laboratorio, che riguardano la l’isolamento e la caratterizzazione dei
composti di interesse farmaceutico.

Conoscenze e abilità fornite dal corso di Chimica Organica II e Chimica
Analitica ed Analisi dei Medicinali I.

Il corso è articolato in 56 ore di lezioni frontali svolte dal docente in cui
verrà esposta la teoria e 21 ore di laboratorio (7 sessioni di 3 ore
ciascuna nel laboratorio didattico di Chimica 2). Nel suo lavoro personale
lo studente dovrà assimilare conoscenze e concetti alla base
dell’isolamento ed identificazione di composti di interesse farmaceutico
secondo i metodi descritti le Farmacopea Ufficiale, ultima ed.
Il corso prevede la frequenza obbligatoria ad attività di laboratorio
correlate agli argomenti trattati che comprendono esperienze in cui agli
studenti, che lavoreranno singolarmente, è chiesto di eseguire semplici
reazioni di sintesi, operazioni di isolamento e purificazione di composti
organici e acquisizione di misure utili per la loro identificazione. Nelle
attività pratiche di laboratorio devono essere seguite scrupolosamente le
norme di sicurezza illustrate per operare in un laboratorio di chimica. La
frequenza verrà registrata mediante appello fatto dal docente all’inizio di
ogni esercitazione. Lo studente non potrà assentarsi dalle attività di
laboratorio per più del 15% delle ore.
Lo svolgimento di esercizi a casa è sottoposto a chiarimenti e a correzioni
da parte del docente negli orari di ricevimento

L’esame consiste nel superamento, con una votazione di almeno 18/30,
di una prova scritta, della durata di 120 minuti, dove lo studente,
attraverso domande a risposta multipla ed aperta, dovrà applicare le
conoscenze acquisite sulla purificazione e caratterizzazione di composti
di interesse farmaceutico, sulla definizione delle principali caratteristiche
dei composti di interesse farmaceutico e sulla caratterizzazione dei
principali gruppi funzionali. Durante la prova sarà valutata la capacità di
organizzare l’esposizione sui relativi aspetti dei processi che conducono
alla purificazione ed all’identificazione di un principio attivo. Saranno,
inoltre, discussi gli aspetti pratici e teorici di una esercitazione di
laboratorio. La valutazione finale sarà espressa in trentesimi e terrà conto
dell’esito della sola prova scritta.

Il docente è disponibile per ricevimento studenti nei giorni indicati sulla
scheda insegnamento disponibile sul sito internet del dipartimento e su
richiesta inoltrata via email.

Apparecchiature per l’analisi (Il bunsen): caratteristiche della fiamma.
Precipitazione e separazione di un precipitato: filtrazione e
centrifugazione. Solubilità di un solido e dipendenza da fattori chimicofisici.
Riconoscimento dei principali ioni inorganici. Spettri di emissione:
riconoscimento degli ioni Li+, Na+, K+, Ca+2, Sr+2, Ba+2, Cu+2. Analisi
allo stato fuso: perle al borace ed alcalino ossidanti.
Caratterizzazione generale di composti farmaceutici allo stato puro.
Esami preliminari su campioni: esame organolettico (stato fisico, colore,
odore, sapore). Determinazione di costanti chimico fisiche: punto di
fusione, punto di ebollizione. Generalità sull’analisi delle sostanze
organiche. Comportamento alla calcinazione: sostanza organica, sostanza
inorganica, sostanza organometallica. Riconoscimento dell’azoto
mediante calcinazione: saggio con acetato di benzidina, saggio con il
reattivo di Griess. Saggio di Beilstein per gli alogeni. Ricerca qualitativa
degli elementi: carbonio e idrogeno.
Solubilità e sue relazioni con la struttura chimica: legame ionico, legame
covalente, legame idrogeno e forze di Van der Waals. Fattori che
determinano la solubilità dei composti organici: temperatura, purezza,
struttura chimica, polarità, legame idrogeno, peso molecolare, punto di
fusione, isomeria strutturale.
Ricerca dei gruppi funzionali. Identificazione di sostanze iscritte nella
Farmacopea Ufficale e Farmacopea Europea, ultime edizioni.
Riconoscimento della struttura aromatica: formazione di un colorante
azoico; saggio di Friedel-Crafts. Riconoscimento del doppio legame:
saggio di Bayer; saggio del bromo. Saggi di riconoscimento dei gruppi
funzionali e preparazione dei derivati cristallini. Acidi carbossilici: saggio
di Angeli e Rimini. Saggi specifici per il riconoscimento dei lattati, citrati e
tartrati. Riconoscimento dei derivati degli acidi carbossilici: alogenuri
acilici; ammidi; esteri; anidridi. Alcooli: ossidazione con KMnO4 e CrO3;
formazione di alchilxantogenati alcalini; saggio di Lucas; saggio di Lieben.
Fenoli: Saggio con FeCl3; Saggio di Liebermann (formazione di
indofenoli); reazione delle ftaleine. Derivati dei fenoli. Aldeidi e Chetoni.
Principali reazioni di riconoscimento delle aldeidi e dei chetoni e loro
derivati: formazione di ossime; saggio con 2,4-dinitrofenilidrazina.
Reattivo di Schiff; reattivo di Tollens; reattivo di Fehling; saggio di Lieben.
Carboidrati: - reazioni di riconoscimento dei carboidrati; saggio di Molish;
saggio con acetato di anilina; Saggio di Seliwanov; differenziazione
pentosi/esosi e chetosi/aldosi. Derivati: idrazoni. Ammine: -
comportamento con HNO2; - formazione di carbilammine; - formazione di
senfoli; - saggio con nitro prussiato; - reazione di copulazione.
Separazione e riconoscimento di una miscela di ammine: metodo di
Hinsberg; metodo con anidride 3-nitroftalica. Derivati delle ammine
alifatiche ed aromatiche. Nitroderivati: reazioni di riconoscimento e
derivati. Amminoacidi: saggio con ninidrina; formazione di aldeide; saggio
con p-Chloranil. Derivati degli amminoacidi. Alogenuri. Enoli: formazione
di α- bromo chetoni. Riconoscimento basi xantiniche.
Purificazione di composti di interesse farmaceutico
Smistamento sistematico di Staudinger. Smistamento di una miscela di
sostanze organiche secondo la sistematica di Staudinger:. Definizione dei
composti appartenenti alle categorie MV (MV1, MV2, MV5) ed alle
categorie PV (PV1, PV2, PV3, PV4, PV5); sostanze a carattere fortemente
acido; sostanze a carattere acido; sostanze a carattere debolmente
acido; sostanze a carattere basico; sostanze a carattere neutro.
Cristallizzazione. Teoria del processo di cristallizzazione. Criteri per la
scelta del solvente; preparazione di una soluzione satura; difficoltà nella
cristallizzazione/cristallizzazione frazionata. Filtrazione: imbuti,
preparazione di un filtro di carta a pieghe, filtrazione a pressione
ordinaria e sotto vuoto, filtrazione della soluzione calda, carbone
decolorante, lavaggio dei cristalli. Cristallizzazione a temperature basse.
Essiccazione del materiale cristallizzato.
Sublimazione. Teoria alla base del processo di sublimazione. Differenze
tra il puntro triplo dell’acqua e della CO2. Apparecchiature e tecniche.
Sublimazione a pressione atmosferica, a pressione ridotta:
microsublimatore di Craig. Liofilizzazione.
Distillazione. Teoria e legge di Dalton e di Raoult per le miscele binarie.
Distillazione semplice a pressione ordinaria e a pressione ridotta.
Distillazione in corrente di vapore. Distillazione frazionata a pressione
ordinaria e a pressione ridotta. Colonne di frazionamento: -colonna di
Vigreux; capacità ed efficienza di una colonna di frazionamento: piatto
teorico, altezza equivalente ad un piatto teorico (HEPT). Miscele
azeotropiche: azeotropi di minimo e di massimo.
Estrazione. Teoria dei processi estrattivi, legge di Henry. Generalità e
criteri di scelta del solvente. Estrazione in discontinuo mediante imbuto
separatore. Estrazione in continuo ed estrattori. Estrazione con solventi di
liquidi: discontinua e in continuo (per spostamento verso l’alto e per
spostamento verso il basso). Estrazione con solventi di solidi: estrattori di
Soxhlet. Estrazione con solventi chimicamente attivi. Essiccazione di
liquidi e di soluzioni di composti organici in solventi organici.
Cromatografia. Concetti teorici di base. Meccanismi di separazione,
descrizione di un cromatogramma, parametri cromatografici (costante di
distribuzione, fattore di capacità, selettività, efficienza, risoluzione,
capacità), cromatografia su strato sottile (TLC) (materali di supporto, fasi
stazionarie solide e liquide, fase normale e inversa, serie eluotrope,
deposizione del campione, eluizione, rivelazione, fattore di ritardo, TLC
preparativa), cromatografia su colonna (di adsorbimento: flash
chromatography, fasi stazionarie e relative fasi mobili compatibili,
impaccamento della fase stazionaria, caricamento del campione,
eluizione, analisi dell'eluato; gascromatografia (gas di trasporto;
regolazione della pressione; iniezione e iniettore: split-splitless, a
temperatura di vaporizzazione programmata, diretto in colonna, diretto a
Testi in inglese
Italian
largo diametro; colonne impaccate e capillari: capillari aperte, capillari
aperte con rivestimento supportato, capillari aperte con rivestimento
poroso; fasi stazionarie: polisilossaniche, polietilene glicoli; forno: analisi
in condizioni isoterme e a temperatura programmata; rivelatori:
sensibilità, selettività, stabilità, tempo di risposta, rumore di fondo, deriva
del segnale, limite di rivelabilità, intervallo di linearità, rivelatore a
ionizzazione di fiamma e a conduttività termica; derivatizzazione in
gascromatografia), cromatografia liquida ad elevate prestazioni, HPLC
(fase mobile: purezza, cut-off, filtrazione, degassaggio, miscelazione;
pompe reciprocanti: alternativa a pistone singolo, a doppia testata, a
doppio pistone; filtrazione del campione; iniettore Rheodine; precolonna;
colonna: diametro e lunghezza, caratteristiche generali
dell’impaccamento; fase stazionaria normale e inversa: materiali di
supporto, funzionalizzazione della silice, carbon loading, endcapping.
Caratterizzazione di composti di interesse farmaceutico
Punto di fusione. Aspetti teorici ed esecuzione pratica della misura.
Spettroscopia NMR. Concetti teorici di base. Descrizione di un
esperimento FT-NMR. Tipi di apparecchi e tipi di magneti. Solventi
deuterati. Lo spostamento chimico e i fattori che lo influenzano: effetti
induttivi, anisotropia diamagnetica. Equivalenza chimica ed equivalenza
magnetica. Protoni omotopici, enantiotopici e diastereotopici.
Accoppiamento spin-spin. Sistemi di spin del 1° ordine : AX, AMX, AB etc.
Sistemi AA’XX’, AA’BB’ etc. Protoni su eteroatomi. Preparazione del
campione e rilevamento di spettri. Spettri 1H NMR e struttura molecolare.
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare del 13C. Chemical shift,
accoppiamenti.
Spettroscopia UV-visibile. Transizioni elettroniche. Strumentazione.
Effetto del solvente sugli spettri UV, parametri empirici di polarità, effetto
batocromico ed ipsocromico. Gruppi cromofori. Transizioni elettroniche
nei composti aromatici e nei chetoni. Cenni sull’uso della spettroscopia
UV-visibile in cinetica chimica.
Spettrometria di massa. Concetti di base della spettrometria di massa.
Strumentazione e registrazione degli spettri. Picco molecolare, picco base
e picchi isotopici. Regola delle insaturazioni. Picchi metastabili. Cenni alle
principali frammentazioni: scissione alfa, scissione benzilica, allilica, di
legami non attivati etc. Altri metodi ionizzazione: CI, DCI, ESI, FAB.
ESPERIENZE PRATICHE DI LABORATORIO
1. Riconoscimento dei cationi mediante filo di platino e perla di borace.
Calcinazione ed ignizione al tubicino.
2. Riconoscimento di composti di interesse farmaceutico puri:
determinazione della solubilità in acqua, nei solventi organici e nei
solventi reattivi;
3. Saggi di riconoscimento della funzione aromatica, dell’insaturazione e
dei fenoli
4. Saggi per il riconoscimento della funzione carbossilica, degli alcoli e
degli aminoacidi
5. Saggi per il riconoscimento dei carboidrati ed ammine
6. Estrazione in discontinuo, Punto di fusione
7. Prova incognita

Italian

Purification processes of complex mixture of pharmaceutical compounds:
Staudinger method, distillation, crystallization, sublimation, continuous
and discontinuous extraction, and chromatography. Identification of
pharmaceuticals compounds: methods for the identification of cations
and anions, methods for the identification of heteroatom, methods for the
identification of specific functional groups. Melting point, rudiments and
application. Basics of mass spectrometry, UV and NMR spectroscopy.

1. Savelli, F.; Bruno, O., Analisi Chimico Farmaceutica, Piccin, Perugia,
Ultima Edizione.
2. Carta A.; Mamolo M.G.; Novelli F.; Piras S., Analisi Farmaceutica
Qualitativa, EdiSES, Napoli, Ultima Edizione.
3. Chimenti F., Identificazione sistematica di composti organici, Grasso,
Bologna, Ultima edizione

The aim of this course is to provide the basis for the purification and
separation of the active components of approved drugs. In addition, the
course will introduce the main procedures (described into the Italian
Pharmacopeia XII ed. and European Pharmacopeia VIII ed.) required to
the identification and characterization of functional groups of approved
drugs. Basics of the main methods for the characterization and the
identification of pharmaceuticals compounds. Moreover, the purpose of
this course is to make students aware of the importance of safety in
experimental practice as well as to convey knowledge and ability about
the fundamental laboratory operations, which include isolation and
characterization of active components of approved drugs.

Knowledge and skills provided by the course of Organic Chemistry II and
Analytical Chemistry and Drug Analysis I

The course is articulated in 56 hours of theory lessons, and 21 hours of
laboratory practical experiences (7 session of 3 hours each in the lab of
Chemistry 2). During the laboratory practical experiences, the student
will achieve the basic knowledge for the isolation and identification of
pharmaceuticals compounds according to the methods reported in the
Italian Pharmacopeia, last edition.
The course required the attendance to laboratory activities related to the
covered topics that include individually experiences in which the students
will perform simple isolation and purification of pharmaceuticals
compounds and acquisition of measures useful for their identification. In
practical laboratory activities, the safety standards illustrated to operate
in a chemistry laboratory must be strictly followed. The frequency will be
recorded by an appeal made by the teacher at the beginning of each
exercise. The student cannot be absent from laboratory activities for
more than 15% of the hours.

The exam consists of passing an written exam lasting 120 minutes,
aimed at assessing the reasoning and connection skills between the
various topics of the course. The test consists of open questions on the
purification and characterization of compounds of pharmaceutical
interest, on the definition of the main characteristics of compounds of
pharmaceutical interest and on the characterization of the main
functional groups. During the test the ability to organize the exposure on
the relative aspects of the processes leading to the purification and
identification of an active principle will be evaluated. The practical and
theoretical aspects of a laboratory exercise will also be discussed. The
final evaluation will be expressed in thirtieths and will take into account
the outcome of the oral exam alone

The teacher is available for receiving students on the days indicated on
the teaching form available on the website of the department and on
request sent by email.

Equipment for Analysis (the Bunsen burner): characteristics of the flame.
Precipitation and separation of a precipitate: filtration and centrifugation. Solubility of a solid and its dependence on chemical-physical factors. Identification of the main inorganic ions. Emission spectra: identification of ions Li+, Na+, K+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Cu2+.
Analysis in the molten state: borax bead and alkaline oxidizing beads.
General characterization of pharmaceutical compounds in the pure state.

Preliminary examination of samples: organoleptic examination (physical state, color, odor, taste). Determination of physicochemical constants: melting point, boiling point. General principles of organic substance analysis. Behavior during calcination: organic substances, inorganic substances, organometallic substances. Identification of nitrogen by calcination: benzidine acetate test, Griess reagent test. Beilstein test for halogens. Qualitative detection of elements: carbon and hydrogen.

Solubility and its relationship with chemical structure: ionic bond, covalent bond, hydrogen bond and Van der Waals forces. Factors determining the solubility of organic compounds: temperature, purity, chemical structure, polarity, hydrogen bonding, molecular weight, melting point, structural isomerism.

Detection of functional groups. Identification of substances listed in the latest editions of the Official Pharmacopoeia and the European Pharmacopoeia.
Recognition of aromatic structure: formation of an azo dye; Friedel–Crafts test. Recognition of double bonds: Baeyer test; bromine test. Tests for recognition of functional groups and preparation of crystalline derivatives.

Carboxylic acids: Angeli and Rimini test. Specific tests for the identification of lactates, citrates, and tartrates.
Identification of carboxylic acid derivatives: acyl halides; amides; esters; anhydrides.
Alcohols: oxidation with KMnO4 and CrO3; formation of alkaline alkylxanthogenates; Lucas test; Lieben test.
Phenols: FeCl3 test; Liebermann test (indophenol formation); phthalein reaction. Phenol derivatives.
Aldehydes and ketones: main recognition reactions of aldehydes and ketones and their derivatives: formation of oximes; 2,4-dinitrophenylhydrazine test. Schiff reagent; Tollens reagent; Fehling reagent; Lieben test.

Carbohydrates: recognition reactions; Molisch test; aniline acetate test; Seliwanoff test; differentiation of pentoses/hexoses and ketoses/aldoses. Derivatives: hydrazones.

Amines: behavior with HNO₂; formation of carbylamines; formation of isothiocyanates; nitroprusside test; coupling reaction.
Separation and identification of a mixture of amines: Hinsberg method; 3-nitrophthalic anhydride method. Derivatives of aliphatic and aromatic amines.
Nitro compounds: recognition reactions and derivatives.

Amino acids: ninhydrin test; formation of aldehydes; p-chloranil test. Derivatives of amino acids.
Halides.
Enols: formation of α-bromoketones.
Identification of xanthine bases.

Purification of pharmaceutical compounds
Systematic separation according to Staudinger. Separation of a mixture of organic substances using the Staudinger system: definition of compounds belonging to MV classes (MV1, MV2, MV5) and PV classes (PV1, PV2, PV3, PV4, PV5); strongly acidic substances; acidic substances; weakly acidic substances; basic substances; neutral substances.

Crystallization.
Theory of the crystallization process. Criteria for solvent selection; preparation of a saturated solution; difficulties in crystallization/fractional crystallization.
Filtration: funnels, preparation of a fluted filter paper, filtration at atmospheric pressure and under vacuum, filtration of hot solutions, decolorizing charcoal, washing of crystals. Low-temperature crystallization. Drying of crystallized material.

Sublimation.
Theory behind the sublimation process. Differences between the triple point of water and CO₂. Equipment and techniques. Sublimation at atmospheric pressure and reduced pressure: Craig microsublimator. Lyophilization.

Distillation.
Theory and Dalton’s and Raoult’s laws for binary mixtures. Simple distillation at atmospheric and reduced pressure. Steam distillation. Fractional distillation at atmospheric and reduced pressure. Fractionating columns: Vigreux column; capacity and efficiency of a fractionating column: theoretical plate, height equivalent to a theoretical plate (HETP). Azeotropic mixtures: minimum- and maximum-boiling azeotropes.

Extraction.
Theory of extraction processes, Henry’s law. General principles and criteria for solvent selection. Batch extraction using a separatory funnel. Continuous extraction and extractors. Liquid–liquid extraction: batch and continuous (upward and downward displacement). Solid–liquid extraction: Soxhlet extractors. Extraction with chemically active solvents. Drying of liquids and solutions of organic compounds in organic solvents.

Chromatography.
Basic theoretical concepts. Separation mechanisms, chromatogram description, chromatographic parameters (distribution constant, capacity factor, selectivity, efficiency, resolution, load capacity). Thin-layer chromatography (TLC): support materials, solid and liquid stationary phases, normal and reversed phase, eluotropic series, sample application, elution, detection, retardation factor, preparative TLC.
Column chromatography (adsorption: flash chromatography, stationary phases and compatible mobile phases, packing of stationary phase, sample loading, elution, eluate analysis).

Gas chromatography (carrier gas; pressure regulation; injection and injectors: split-splitless, programmed-temperature vaporizing, on-column injection, wide-bore injection; packed and capillary columns: open tubular, support-coated open tubular, porous-layer open tubular; stationary phases: polysiloxanes, polyethylene glycols; oven: isothermal and temperature-programmed analysis; detectors: sensitivity, selectivity, stability, response time, noise, signal drift, limit of detection, linearity range, flame ionization detector and thermal conductivity detector; derivatization in gas chromatography).

High-performance liquid chromatography (HPLC): mobile phase (purity, cut-off, filtration, degassing, mixing); reciprocating pumps: single-piston alternative, dual-head, dual-piston; sample filtration; Rheodyne injector; guard column; analytical column: diameter and length, packing characteristics; normal and reversed stationary phases: support materials, silica functionalization, carbon loading, end-capping.

Characterization of pharmaceutical compounds

Melting point.
Theoretical aspects and practical measurement.

NMR spectroscopy.
Basic theoretical concepts. Description of an FT-NMR experiment. Instrument types and magnet types. Deuterated solvents. Chemical shift and influencing factors: inductive effects, diamagnetic anisotropy. Chemical and magnetic equivalence. Homotopic, enantiotopic, and diastereotopic protons. Spin-spin coupling. First-order spin systems: AX, AMX, AB, etc.; AA’XX’, AA’BB’, etc. Protons on heteroatoms. Sample preparation and spectrum acquisition. ¹H NMR spectra and molecular structure. ¹³C NMR spectroscopy: chemical shift, couplings.

UV–visible spectroscopy.
Electronic transitions. Instrumentation. Solvent effects on UV spectra, empirical polarity parameters, bathochromic and hypsochromic effects. Chromophores. Electronic transitions in aromatic compounds and ketones. Notes on the use of UV–Vis spectroscopy in chemical kinetics.

Mass spectrometry.
Basic concepts of mass spectrometry. Instrumentation and spectrum recording. Molecular ion peak, base peak, isotopic peaks. Unsaturation rule. Metastable peaks. Overview of major fragmentation pathways: α-cleavage, benzylic cleavage, allylic cleavage, cleavage of non-activated bonds, etc. Other ionization methods: CI, DCI, ESI, FAB.

LABORATORY PRACTICALS

1. Identification of cations using platinum wire and borax bead. Calcination and ignition using a small tube.
2. Identification of pure pharmaceutical compounds: determination of solubility in water, organic solvents, and reactive solvents.
3. Tests for recognition of aromatic function, unsaturation, and phenols.
4. Tests for recognition of carboxylic function, alcohols, and amino acids.
5.Tests for identification of carbohydrates and amines.
6. Batch extraction, melting point determination.
7. Unknown sample test.