Extraktion

Quelle: Lara Al Hariri und Ahmed Basabrain an der University of Massachusetts Amherst, MA, USA

1. Cellulose RecoveryErweitern

   Durch Extraktion und Filtration können Verbindungen anhand ihrer Löslichkeitseigenschaften getrennt werden. In diesem Labor trennst du eine Mischung aus Zellulose, Koffein und Benzoesäure basierend auf ihrer Löslichkeit in Dichlormethan (DCM) und Wasser.

   Koffein und Benzoesäure sind beide in DCM löslich, Cellulose jedoch nicht. In diesem Teil löst du also zunächst so viel wie möglich des Gemisches in DCM auf und filterst unlösliche Cellulose heraus. Im nächsten Abschnitt arbeiten Sie weiter mit der Lösung aus Benzoesäure und Koffein und messen die Masse der zurückgewonnenen Zellulose nach dem Trocknen.

   • Bevor Sie das Labor starten, ziehen Sie einen Laborkittel, eine Schutzbrille und Nitrilhandschuhe an. Sie führen dieses Labor in einem Abzug durch. Anmerkung: DCM ist sehr flüchtig, giftig und reizend. DCM wird innerhalb von Minuten durch Nitrilhandschuhe geführt. Wechsle deine Handschuhe sofort, wenn du DCM auf ihnen bekommst.
   • Platzieren Sie einen 125-ml-Scheidetrichter aufrecht in einer Ringhalterung. Vergewissern Sie sich, dass der Absperrhahn geschlossen ist, und setzen Sie dann einen Glastrichter in den oberen Teil des Scheidetrichters ein.
   • Besorgen Sie sich ein Stück Filterpapier und wiegen Sie es mit einer Topladerwaage. Notieren Sie die Masse des Filterpapiers in der Zellulosereihe in Ihrem Labornotizbuch.

     Tabelle 1: Masse der zurückgewonnenen Verbindungen

     Zusammengesetzt	Leerer Behälter (g)	Beispiel + Behälter (g)	Verbindung wiederhergestellt (g)	Wiederhergestellte Masse Prozentsatz
     Zellulose
     Koffein
     Benzoesäure	-	-
     Startmasse des Gemisches (g)		Zurückgewonnene Masse des Gemisches (g)		-

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   • Kehren Sie zu Ihrem Abzug zurück und falten Sie das Filterpapier zweimal in der Mitte. Legen Sie die Spitze des Filterpapiers nach unten in den Glastrichter und öffnen Sie das Papier zu einem Kegel.
   • Bringen Sie ein 100-ml-Becherglas zu den Waagen. Messen Sie ~1,5 g der Mischung ab, notieren Sie die Masse in Ihrem Laborheft und gießen Sie sie in das Becherglas.
   • Beschriften eines 50-ml-Bechers mit 'DCM'. Bringen Sie dieses Becherglas und ein Uhrglas zum Lösemittelabzug. Gießen Sie ~40 mL DCM in das Becherglas. Decken Sie das Becherglas mit dem Uhrglas ab und nehmen Sie es zurück in Ihre Haube.
   • Messen Sie 20 mL DCM mit einem Messzylinder und gießen Sie es in das Becherglas mit Feststoffen. Rühren Sie die Mischung mit einem Glasstab 1 – 2 min lang um und brechen Sie die entstehenden Klumpen auf. Mischen Sie den Feststoff gründlich, um sicherzustellen, dass sich die löslichen Substanzen vollständig auflösen.
   • Verwenden Sie eine Pasteur-Pipette, um das Filterpapier mit etwa 2 mL DCM zu befeuchten, um es an Ort und Stelle zu fixieren.
   • Rühre die Mischung kurz um, um sicherzustellen, dass das unlösliche Material in Lösung suspendiert ist, und gieße es dann schnell in den Trichter.
   • Waschen Sie das Innere des Becherglases mit ~10 mL DCM. Gießen Sie die Spülung in den Trichter und stellen Sie sicher, dass kein Feststoff im Becherglas zurückbleibt. Decken Sie den DCM-Becher mit einem Uhrglas ab und legen Sie ihn beiseite.
   • Sobald die Lösung in den Scheidetrichter getropft ist, beschriften Sie ein großes Uhrglas mit 'Zellulose' und entfernen Sie den Glastrichter aus dem Scheidetrichter.
   • Entfernen Sie das Filterpapier aus dem Trichter, achten Sie darauf, es nicht zu zerreißen oder den Feststoff zu verschütten, und legen Sie das Papier vorsichtig auf das Uhrglas. Wechseln Sie dann Ihre Handschuhe.
   • Legen Sie das Uhrglas aus dem Weg in den Abzug, um das Filterpapier und die Zellulose trocknen zu lassen (1 Stunde).
2. Säure-Base-Extraktion zur Trennung von Benzoesäure und KoffeinExpand

   In diesem Teil des Experiments trennen Sie Benzoesäure und Koffein mit Hilfe von DCM und Wasser als Lösungsmittel. Dies ist ein gutes Lösungsmittelpaar für die Flüssig-Flüssig-Extraktion, da DCM und Wasser nicht mischbar sind und unterschiedliche Dichten aufweisen. Koffein und Benzoesäure sind jedoch beide viel weniger wasserlöslich als in DCM.

   Um diese Verbindungen zu trennen, mischen Sie die Benzoesäure- und Koffeinlösung mit Natriumhydroxid, um Benzoesäure in Natriumbenzoat umzuwandeln, das sehr gut wasserlöslich und in DCM praktisch unlöslich ist. Das Koffein wird größtenteils nicht beeinflusst. Wenn sich das Gemisch in Schichten absetzt, befindet sich das gesamte Natriumbenzoat in der wässrigen Schicht, da es in DCM unlöslich ist.

   Eine kleine Menge Koffein befindet sich in der wässrigen Schicht, aber das meiste davon verbleibt in DCM. Sie bewahren die wässrige Natriumbenzoatschicht für den letzten Teil des Labors auf, wo Sie das Lösungsmittel aus der organischen Schicht verdampfen, um festes Koffein zurückzugewinnen.

   Natriumhydroxid ist korrosiv, seien Sie also vorsichtig bei der Handhabung und dem Transport. Starke Böden können dazu führen, dass Mattglasoberflächen wie die Verbindung des Scheidetrichters und der Stopfen miteinander verschmelzen, also fügen Sie Natriumhydroxid immer durch einen langen Stieltrichter hinzu, um zu verhindern, dass es mit dem Mattglas in Berührung kommt.

   • Beschriften Sie zwei 100-ml-Becher als 'wässrige Schicht' und 'organische Schicht' und markieren Sie ein 50-ml-Becherglas als '1 M NaOH'.
   • Bringen Sie das NaOH-Becherglas, ein Uhrglas und einen sauberen 50-ml-Messzylinder zur Haube, wo die Basen aufbewahrt werden. Messen Sie 40 mL von 1 M NaOH ab und gießen Sie es in das Becherglas. Decken Sie das Becherglas ab und bringen Sie es und den Messzylinder zurück zu Ihrer Haube.
   • Platzieren Sie den Glastrichter wieder oben im Scheidetrichter. Messen Sie 20 mL von 1 M NaOH ab und gießen Sie es in den Scheidetrichter.
   • Verteilen Sie eine dünne Schicht Vakuumfett gleichmäßig um die Seiten des Scheidetrichterstopfens. Verwenden Sie Labortücher, um überschüssiges Fett zu entfernen, und entfernen Sie jegliches Fett an der Unterseite des Stopfens, um eine Verunreinigung der Lösung zu vermeiden.
   • Stopfen Sie den Scheidetrichter an, nehmen Sie ihn vorsichtig vom Ständer und schütteln Sie den Trichter senkrecht für ~ 1 min, während Sie ihn an Ort und Stelle halten.
   • Halten Sie den Stopper fest und drehen Sie den Trichter vorsichtig um etwa 150° um, wobei der Schaft in die Haube zeigt. Öffnen Sie den Absperrhahn, um den angesammelten DCM-Dampf abzulassen. Sobald der Dampf entwichen ist, schließen Sie den Absperrhahn. Schütteln und entlüften Sie den Scheidetrichter auf diese Weise ca. 25x.
   • Setzen Sie den Scheidetrichter aufrecht in die Ringhalterung und entfernen Sie den Stopfen. Stören Sie es nicht, da sich die organische und die wässrige Lösung in Schichten trennen. Anmerkung: Wasser ist weniger dicht als DCM, so dass sich die wässrige Schicht auf der organischen Schicht befindet.
   • Sobald sich die Schichten getrennt haben, legen Sie den organischen Becher unter den Scheidetrichter. Den Absperrhahn vorsichtig öffnen, ohne den Scheidetrichter anzustoßen, und die untere Schicht in das Becherglas abtropfen lassen. Schließen Sie den Absperrhahn, sobald der letzte Teil der organischen Schicht durch ihn hindurchtritt. Anmerkung: Du mischst die organische Schicht mit einem anderen Teil der wässrigen Base, daher ist es besser, einen Teil der wässrigen Schicht hier durchzulassen, als DCM zurückzulassen.
   • Legen Sie die gesammelte organische Schicht beiseite und legen Sie das Becherglas mit der Bezeichnung wässrige Schicht unter den Scheidetrichter. Öffnen Sie den Absperrhahn wieder, um die wässrige Schicht in das Becherglas abtropfen zu lassen. Schließen Sie den Absperrhahn, sobald der Trichter vollständig leer ist.
   • Verwenden Sie ein Labortuch, um Restfett in der Scheidetrichterverbindung zu entfernen, und gießen Sie die organische Schicht mit dem Glastrichter zurück hinein.
   • Die restlichen 20 mL 1 M NaOH in den Scheidetrichter geben.
   • Tragen Sie eine frische Schicht Fett auf den Stopfen auf und legen Sie ihn in den Trichter. Schütteln und entlüften Sie den Scheidetrichter etwa 25x. Hinweis: Dies reduziert zwar die Menge an Koffein, die Sie zurückgewinnen, neutralisiert jedoch alle übrig gebliebenen Benzoesäuren und verbessert die Reinheit der organischen Schicht.
   • Sobald die Lösungen gut vermischt sind, befestigen Sie den Trichter aufrecht, entfernen Sie den Stopfen und warten Sie, bis sich die Schichten getrennt haben.
   • Platzieren Sie den organischen Becher unter dem Trichter und sammeln Sie so viel wie möglich von der organischen Schicht, ohne die wässrige Schicht durchzulassen.
   • Lassen Sie die wässrige Schicht in das entsprechende Becherglas ab. Legen Sie die wässrige Schicht vorerst beiseite und stellen Sie den leeren Scheidetrichter vorsichtig in die Haube.
   • Besorge dir etwas Magnesiumsulfat in einer Wiege und verwende einen Spachtel, um eine kleine Menge davon in die organische Schicht zu geben. Schwenken Sie das Becherglas vorsichtig, so dass das gesamte Pulver mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt. Anmerkung: Wenn sich das Magnesiumsulfat in durchscheinende Klumpen verwandelt, nimmt es sofort Wasser auf und kann nicht mehr aufnehmen.
   • Fügen Sie weiterhin Magnesiumsulfat hinzu, bis ein Teil weiß und pulverförmig bleibt, wenn Sie das Becherglas schwenken.
   • Lassen Sie das Magnesiumsulfat die organische Schicht 15 bis 20 Minuten trocknen.
   • Während Sie warten, messen Sie die Masse eines 100-ml-Erlenmeyerkolbens und notieren Sie sie in der Koffeinzeile in Ihrem Labornotizbuch. Befestigen Sie dann den Kolben mit einer 3-poligen Klemme in Ihrer Haube und setzen Sie einen Glastrichter in den Kolben ein.
   • Sobald die organische Schicht mindestens 15 Minuten getrocknet ist, besorgen Sie sich ein weiteres Stück kreisförmiges Filterpapier, falten Sie es in Viertel und legen Sie es in den Trichter.
   • Verwenden Sie eine saubere Pasteur-Pipette, um das Filterpapier mit DCM zu benetzen. Gießen Sie dann die organische Schicht in den Trichter und spülen Sie das Innere des Becherglases mit 1 – 2 mL DCM aus. Warten Sie, bis die Lösung vollständig durch den Filter gelaufen ist.
   • Entfernen Sie den Trichter und stellen Sie den Kolben auf eine heiße Platte. Erhitzen Sie die Lösung auf 40 °C, um das DCM zu verdampfen, wobei festes Koffein zurückbleibt. Dies dauert in der Regel ca. 10 min.
   • Während Sie warten, überprüfen Sie die trocknende Zellulose. Verwende einen Glasstab, um die Klumpen vorsichtig aufzubrechen, damit es schneller trocknet, aber achte darauf, dass das Filterpapier nicht zerreißt.
   • Sobald das DCM vollständig vom Koffein verdunstet ist, schalten Sie die Kochplatte aus und lassen Sie die Flasche abkühlen. Brechen Sie Klumpen mit einem Glasstab auf, wenn Sie sie sehen.
   • Messen Sie die kombinierte Masse von Flasche und Koffein und notieren Sie sie in Ihrem Labornotizbuch. Bewahren Sie den Kolben während des letzten Teils des Labors an einem sicheren Ort auf.
3. Reprotonierung von BenzoesäureErweitern

   Im letzten Teil des Labors verwenden Sie Salzsäure, um das Benzoat-Anion zu reprotonieren. Salzsäure ist giftig und ätzend, seien Sie also vorsichtig damit. Benzoesäure ist in Wasser nur minimal löslich, so dass das meiste davon aus der Lösung ausfällt, sodass Sie es durch Filtration sammeln können.

   • Füllen Sie ein großes Becherglas zu 3/4 mit zerstoßenem Eis und fügen Sie gerade genug Wasser hinzu, um die Zwischenräume zwischen dem Eis zu füllen. Stellen Sie das Becherglas mit den kombinierten wässrigen Schichten in das Bad.
   • Beschriften Sie zwei 10-ml-Messzylinder mit '3 M HCl' und 'deionisiertes Wasser'. Geben Sie ~10 mL entionisiertes Wasser in den entsprechenden Messzylinder. Bringen Sie den anderen Messzylinder zur Haube für Säuren und erhalten Sie etwa 5 ml von 3 M HCl.
   • Besorgen Sie sich zwei saubere Pasteur-Pipetten und füllen Sie eine Pipette mit 3 M HCl. Rühren Sie das HCl jeweils einige Tropfen in die gekühlte wässrige Lösung. Verwenden Sie pH-Papier, um zu überprüfen, ob die Lösung den angestrebten pH-Bereich von 1 – 3 erreicht hat. Fügen Sie auf diese Weise 3 M HCl hinzu, bis Sie den Ziel-pH-Wert erreicht haben.
   • Lassen Sie die Lösung etwa 10 Minuten lang ungestört im Eisbad ruhen.
   • Bauen Sie eine Vakuumfiltrationsanlage mit einem 125-ml-Filterkolben, einem Büchner-Trichter, kreisförmigem Filterpapier und einem Gummiadapter zusammen.
   • Verwenden Sie eine saubere Pasteurpipette, um das Filterpapier mit ein paar Tropfen deionisiertem Wasser zu befeuchten.
   • Sobald die wässrige Lösung 10 Minuten lang gestanden hat, gießen Sie sie in den Büchner-Trichter und öffnen Sie den Kolben zum Vakuumieren.
   • Legen Sie den Messzylinder mit deionisiertem Wasser in das Eisbad und lassen Sie ihn 3 – 5 Minuten abkühlen. Kratzen Sie mit einem Spachtel den restlichen Feststoff im Becherglas in den Trichter.
   • Spülen Sie das Becherglas mit ~3 mL kaltem Wasser aus und gießen Sie den Inhalt in den Trichter. Stellen Sie sicher, dass alle Feststoffe übertragen werden.
   • Lassen Sie das Vakuum laufen, bis kein Wasser mehr aus dem Trichter tropft. Schließen Sie dann das Vakuum und brechen Sie die Versiegelung des Kolbens. Stellen Sie den Trichter aufrecht in einen leeren Kolben, um die Benzoesäure vollständig trocknen zu lassen (1 Stunde).
   • Während Sie darauf warten, dass die Benzoesäure getrocknet ist, entsorgen Sie das Magnesiumsulfat in einem dafür vorgesehenen Abfallbehälter, gießen Sie übrig gebliebenes DCM in einen halogenierten Abfallbehälter und legen Sie gebrauchte Pasteur-Pipetten in den Glasabfallbehälter.
   • Kombinieren Sie das wässrige Filtrat und alle übrig gebliebenen HCl im wässrigen Becherglas. Verdünnen Sie die Mischung mit ~10 mL deionisiertem Wasser und neutralisieren Sie sie mit Natriumbicarbonat auf etwa pH 7. Spülen Sie den wässrigen Abfall mit fließendem Leitungswasser in den Abfluss.
   • Waschen Sie den Rest Ihrer Glaswaren und räumen Sie Ihre Ausrüstung gemäß den üblichen Methoden Ihres Labors weg, lassen Sie die drei Verbindungen beiseite.
   • Sobald die Benzoesäure trocken ist, nullieren Sie ein Wägeschiffchen auf einer Topladerwaage und übertragen Sie den Feststoff mit einem sauberen Spatel auf das Boot. Notieren Sie die Masse in Ihrem Labornotizbuch.
   • Berechnen Sie die Massen von Zellulose und Koffein, indem Sie die Massen der leeren Gefäße von den kombinierten Massen der Gefäße und Verbindungen subtrahieren.
   • Addieren Sie die drei Massen der Verbindungen und vergleichen Sie sie mit der Ausgangsmasse. Anmerkung: Wenn die Summe größer als die Ausgangsmasse ist, dann war eine Verbindung beim Wiegen nicht trocken. Wiegen Sie die Verbindungen erneut und kontrollieren Sie die Massen erneut.
   • Sobald Sie alle drei trockenen Massen haben, entsorgen Sie die Verbindungen in dem dafür vorgesehenen Abfallbehälter und waschen Sie Ihre restlichen Glaswaren. Reinigen Sie zum Schluss den Boden Ihrer Dunstabzugshaube mit feuchten Papiertüchern und werfen Sie alle verbleibenden Papierabfälle weg.
4. ResultsErweitern
   • Bestimmen Sie die Zusammensetzung des unbekannten Gemisches basierend auf den für jede Verbindung gewonnenen Massen. Berechnen Sie die Massenprozentsätze von Cellulose, Koffein und Benzoesäure in der unbekannten Mischung. Anmerkung: Die tatsächliche Massenzusammensetzung der Mischung betrug 5 % Zellulose, 47,5 % Koffein und 47,5 % Benzoesäure.
   • Berechnen Sie basierend auf Ihrer Ausgangsmasse die theoretische Anfangsmasse jeder Verbindung in Ihrer Probe und vergleichen Sie diese Werte mit Ihren Daten.

     Tabelle 2: Prozentuale Ausbeute der zurückgewonnenen Verbindungen

     Verbindung	Startmasse Prozentsatz	Theoretische Initiale Masse (g)	Wiederhergestellt Masse (g)	Prozentuale Ausbeute
     Zellulose	5
     Koffein	47.5
     Benzoesäure	47.5
     	Startmasse des Gemisches (g)		-	-

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   • Hier sind einige häufige Fehlerquellen aus diesem Experiment.

     Fehler	Fehlerquelle
     Die Zellulosemasse ist sehr hoch und die anderen zusammengesetzten Massen sind gering	Koffein und Benzoesäure haben sich zu Beginn des Labors möglicherweise nicht vollständig aufgelöst und sind stattdessen auf dem Filterpapier geblieben, das für Zellulose gekennzeichnet ist.
     Die Benzoesäuremasse ist gering im Vergleich zum zurückgewonnenen Koffein	Benzoesäure wurde nicht vollständig in Natriumbenzoat umgewandelt, so dass eine Mischung aus Koffein und Benzoesäure in DCM übrig blieb.
     Die zurückgewonnene Koffeinmasse ist gering	Verlust durch die wässrigen Waschungen, besonders wenn die wässrige Basis warm war
     Geringe Benzoesäuremasse wiederhergestellt	Unvollständige Protonierung von Natriumbenzoat, Lösung zu warm oder Ausfällung gestört