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Organic Chemistry

Extracción sólido-líquida

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Solid-Liquid Extraction

2.1: Introduction to Catalysis

2.13: Performing 1D Thin Layer Chromatography

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09:32 min

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April 30, 2023

Overview

Fuente: Laboratorio de Dr. Jay Deiner — Universidad de la ciudad de Nueva York

La extracción es un paso crucial en los análisis químicos más. Implica extraer el analito de la matriz de la muestra y pasar a la fase necesaria para la cuantificación e identificación espectroscópico o cromatográfico. Cuando la muestra es un sólido y la fase necesaria para el análisis es un líquido, el proceso se llama extracción sólido-líquido. Una forma simple y ampliamente aplicable de extracción sólido-líquido implica combinar el sólido con un solvente en el que el analito es soluble. A través de la agitación, las particiones de analito en la fase líquida, que puede ser separa del sólido por filtración. La elección del disolvente se debe hacer basada en la solubilidad del analito blanco y en el equilibrio de costo, seguridad y medio ambiente.

Principles

Extracción utiliza la propiedad de solubilidad para la transferencia de un soluto de una fase a otra fase. Para realizar una extracción, el soluto debe tener una solubilidad más alta en la segunda fase que en la fase original. En la extracción líquido-líquido, un soluto se separa entre dos fases líquidas, por lo general una acuosa y una fase orgánica. En el caso más sencillo participan tres componentes: el solvente, el soluto y el líquido portador. La mezcla inicial, que contiene el soluto disuelto en el líquido del portador, se mezcla con el solvente. Sobre la mezcla, el soluto se transfiere del líquido portador al disolvente. La solución más densa se instala en la parte inferior. Dependerá de la ubicación del soluto en las propiedades de los líquidos y el soluto.

La extracción sólido-líquido es similar a la extracción líquido-líquido, salvo que el soluto se dispersa en una matriz sólida, en lugar de un líquido portador. La fase sólida, que contiene el soluto se dispersa en el solvente y el mixto. El soluto se extrae de la fase sólida al disolvente, y luego se retira la fase sólida por filtración.

En este video, se ilustrará un ejemplo de la técnica de extracción sólido-líquido mostrando la extracción de residuos organoclorados en el suelo. La extracción sólido-líquido ilustrada implica la combinación de la muestra con n-hexanes seguidos por agitación ultrasónica, filtración, eliminación de aguas residuales por la sequedad sobre CaCl₂y preconcentración en flujo de nitrógeno. La muestra preparada como entonces está lista para el análisis de una gama de métodos espectroscópicos y cromatográficos.

Procedure

1. extracción de la materia orgánica adsorbida de suelo

20 g de suelo en un plato de Pyrex boca ancha limpio y seco en un horno de 50 º C y secar por un mínimo de 12 h. Después de secar, quitar el suelo de la fuente de Pyrex y muele a un polvo uniforme utilizando un mortero y una maja. Pesar 5,00 g de suelo y colocarlo en un matraz de fondo redondo limpio y seco (100 mL de tamaño). Al matraz, añadir 15 mL de n-hexano. Coloque el matraz en un baño ultrasónico y someter a ultrasonidos durante 60 minutos.

2. separación del extracto y del suelo

Preparar un embudo Büchner con papel de filtro de análisis. Moje el papel de filtro con 1 mL de n-hexanes y filtración de vacío. Vierta lentamente el contenido del matraz de fondo redondo sobre el papel de filtro. El frasco de Büchner ahora contiene n-hexanes con los orgánicos extraídos del suelo. El filtro retiene los sólidos del suelo pelado.

3. Limpie para arriba y la concentración

Si el n-hexane solución está turbia, hay agua residual. Para secar el n-solución de hexano, añadir una pequeña espátula de CaCl₂. Agitar la solución y observar durante un mínimo de 15 minutos. Si la solución es aún nublada o de CaCl₂ es agrupado, hay agua restante, y se debe repetir el paso 3.1. Si la solución es transparente y CaCl₂ que fluye libre, no repetir paso 3.1. Una vez que se ha logrado una clara solución, separar el hexanes CaCl₂ utilizando filtración de gravedad. Si la concentración del extracto es suficiente para la detección, hexanes filtradas pueden transferirse a un matraz limpio y seco para el almacenamiento y posterior análisis. Si la concentración del extracto es baja en relación con el límite de detección, transferencia hexanes filtradas en un limpio y seco tres-fondo redondo matraz de cuello, en tamaño 100 mL. Coloque un tapón de goma en el cuello del centro de la cubeta y una membrana de goma sobre uno de los cuellos de otros. Dejar el cuello tercer abierto. Perforar la membrana de goma e introducir un flujo de nitrógeno a través de la cubeta. El nitrógeno debe fluir en el espacio sobre la solución, no burbujea a través de la solución. El extracto ahora puede concentrarse previamente por fluir nitrógeno se evapore el disolvente sobrante. La muestra está ahora lista para su análisis.

La extracción es una técnica de separación fundamental en química orgánica, utilizado para separar componentes de una mezcla en base a sus solubilidades en dos fases diferentes que no mezclan.

Las extracciones se realizan entre dos fases. En el caso de una extracción líquido-líquido, el soluto disuelto se transfiere de una fase líquida a otro. Las extracciones se realizan también con una fase líquida y sólida, llamada extracción sólido-líquido, donde el soluto se transfiere de una fase sólida a una fase líquida. Un ejemplo simple de extracción sólido-líquido es colado el café, que consiste en la mezcla de sólidos café molido con agua. Los compuestos de sabor del café se extraen de los terrenos en el agua al café de forma. Este video se ilustran los principios de la extracción y demuestran extracción sólido-líquido en el laboratorio a través de la eliminación de residuos de organoclorados del suelo.

Extracción utiliza la propiedad de solubilidad para la transferencia de un soluto de una fase a otra. Para realizar una extracción, el soluto debe tener una solubilidad más alta en la segunda fase que en la original. En general, los solutos no polares muy se partición en una fase orgánica, mientras que solutos muy polares serán la partición en una fase acuosa. La elección de las fases dependerá del soluto de interés.

Las dos fases también deben ser inmiscibles. Soluciones inmiscibles nunca mezclaran y permanecen como fases separadas, como agua y aceite. Soluciones miscibles son completamente homogéneas después de mezclar.

En la extracción líquido-líquido, se separa un soluto entre dos fases líquidas, generalmente acuosas y orgánicas. Esto se realiza a menudo en un matraz provisto de una válvula de cierre en la parte inferior y el tapón en la parte superior.

En el caso más sencillo participan tres componentes: el solvente, el soluto y el líquido portador. La mezcla inicial, que contiene el soluto disuelto en el líquido del portador, se mezcla con el solvente. Sobre la mezcla, el soluto se transfiere del líquido portador al disolvente, siempre y cuando el soluto es más soluble en el solvente que en el líquido del portador, y como el portador líquido y el disolvente son inmiscibles. La solución más densa se instala en la parte inferior.

Hay dos fases resultantes: el refinado, que contiene el líquido del portador y el extracto, que contiene el soluto y el solvente. En realidad, es probable que sea residuo de cada componente en ambas fases. La extracción sólido-líquido es similar a la extracción líquido-líquido, salvo que el soluto se dispersa en una matriz sólida en lugar de un líquido portador. La fase sólida, que contiene el soluto se dispersa en el solvente y el mixto. El soluto se extrae de la fase sólida al disolvente, y luego se retira la fase sólida por filtración. Ahora que los principios de la extracción han sido descritos, la técnica de extracción sólido-líquido se demostrará mediante la realización de la extracción en el laboratorio.

En este experimento, se recogieron muestras de suelo de un sitio del brownfield, similar a este en Sewickley, Pennsylvania. Los terrenos, según lo definido por la EPA, son bienes raíces, donde la ampliación, remodelación o reutilización puede ser complicada debido a la potencial presencia de contaminantes peligrosos. El contaminante de interés en este caso es un organoclorados: el herbicida atrazina. Una vez que se ha recogido una muestra de suelo del sitio de interés, transferencia en el laboratorio.

Pesar 10 g de suelo en un plato de Pyrex limpio y seco, de boca ancha. Poner el plato en un horno para secar durante al menos 12 h. Una vez seca, moler la tierra a un polvo uniforme con un mortero y una maja. Coloque 5 g de suelo suelo en un matraz de fondo redondo de 100 mL limpio y seco. Añadir 15 mL de hexano y el tapón sin apretar el frasco. Colóquelo en un baño de ultrasonidos y someter a ultrasonidos durante 60 min.

Preparar un embudo Büchner con papel de filtro de análisis. Una vez completada la sonicación, moje el papel con hexano y comience la filtración de vacío. Vierta lentamente la muestra sobre el papel de filtro. Enjuague los residuos sólidos del frasco con hexano y añadir al filtro. El suelo desnudo queda en el filtro, mientras que el hexano y la materia orgánica extraída recoge en el frasco.

Si la solución de hexano es nublada, el agua residual está presente. Para que se seque la solución, añadir una pequeña espátula de desecante como el cloruro de calcio. Agitar la solución hasta que se disuelva el desecante y observar la solución.

Si la solución es aún turbia o si ha agregado el cloruro de calcio, hay agua en la solución. Repita el proceso hasta que la solución es clara y el desecante es flujo libre.

A continuación, eliminar el cloruro de calcio por la filtración de la gravedad.

Si la concentración del compuesto de interés está por debajo del límite de cuantificación, debe ser concentrado. Transferir el extracto filtrado para un limpio y seco 3-fondo redondo matraz de cuello. Tapón del cuello del centro y colocar una membrana de goma en uno de los cuellos de otros. La tercera se deja abierta.

Perforar el tabique y fije el tubo a una línea de nitrógeno. Comience el flujo de nitrógeno a través de la cubeta. El gas debe fluir en el espacio por encima de la solución y no burbujea a través de él. El gas que evapora el disolvente sobrante. Permitir que el gas fluya hasta que hay cerca de 50% reducción de volumen.

Una vez que los componentes orgánicos del suelo son extraídos y concentrados, pueden ser analizadas por cromatografía de gases.

La concentración de atrazina puede calcularse utilizando las concentraciones estándar de atrazina. En este caso, la concentración de atrazina aproximada en el sitio del brownfield estudiado fue de 2 mg de atrazina por 1 kg de suelo.

Extracción sólido-líquido se utiliza en una amplia gama de campos.

Esta técnica puede utilizarse para comprender a la transferencia de los bifenilos policlorados o PCBs, de pescado. Los PCBs son hidrocarburos clorados artificiales que han sido prohibidos por la EPA. PCB no fácilmente se descomponen en el medio ambiente y tienden a acumularse en los peces.

En este experimento, se alimentaron con peces presa que contengan PCB a peces depredadores. El pez depredador fueron recogido y sacrificado. El tejido del pescado era tierra en preparación para la extracción.

El PCB en los tejidos de peces se obtuvieron a una fase orgánica usando un extractor Soxhlet. La configuración del extractor de Soxhlet, compuesta de un matraz de fondo redondo, condensador y el aparato de Soxhlet, con frecuencia se utiliza para extraer solutos que son poco solubles en solventes. La extracción Soxhlet permite una pequeña cantidad de disolvente para utilizarse con una amplia muestra sólida. El extracto fue probado luego por contenido de PCB mediante espectrometría de masas.

Materia seca de la planta, llamada lignocelulosa, es la materia prima más abundante investigando para combustibles bio-derivados. Sin embargo, los hidratos de carbono usados como combustible se encuentran atrapados dentro de la matriz rígida de la planta, llamada lignina.

Cuando se eliminan los carbohidratos, la matriz de lignina es típicamente desechada como residuos. Sin embargo, en este experimento, residuos de lignina se examinó como fuente de combustible. La extracción sólido-líquido fue utilizada para separar los componentes de hidratos de carbono de lignocelulosa, dejando la lignina. La lignina fue utilizada para experimentos adicionales de la fermentación.

La extracción sólido-líquido puede utilizarse también para medir el contenido de ceras en las pieles de la fruta. En este experimento, se analizó el contenido de cera de pieles de tomate.

Desparafinado exhaustiva de pieles de tomate seco se completó con un aparato de Sohxlet, para eliminar completamente el contenido de ceras en las pieles. Pieles de tomate con cera eliminado entonces más se analizaron usando la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Esto ayudó a dilucidar la composición y la degradación de los nativos y frutos de la ingeniería.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la extracción sólido-líquido. Ahora debe tener una mejor comprensión de la extracción de solutos entre las fases sólidas y líquidas.

¡Gracias por ver!

Results

Una muestra de suelo se obtuvo de un sitio del Brownfield similar a uno en Pennsylvania de Sewickley, como se muestra en figura 1. Los terrenos, según lo definido por la Agencia de protección de medio ambiente de Estados Unidos (u. S. EPA), son bienes raíces, donde la ampliación, remodelación o reutilización puede ser complicada debido a la potencial presencia de contaminantes peligrosos. El suelo fue recogido desde el sitio del Brownfield usando un muestreador de suelo, como se muestra en figura 2.

El contaminante de interés en este experimento fue atrazina (figura 3); un herbicida común de organoclorados. Una vez que los componentes orgánicos del suelo extraídos y concentrados, se analizaron por cromatografía de gases con un detector de ionización de llama (GC-FID). El análisis de GC se llevó a cabo utilizando un GC de Shimadzu 14A (detector: FID) equipado con inyector split/splitless y una columna capilar de CBP-10 (30 m × 0,22 mm d.i.). La temperatura de la columna se establezca primero a 150 ° C y luego programar desde 150 a 230 ° C a una velocidad de 5 ° C por minuto. La temperatura del inyector fue de 250 ° C y la temperatura del detector fue de 260 ° C. Las inyecciones fueron realizadas con el modo splitless. Se utilizó gas portador de helio a un caudal constante de 1 mL/min. La concentración de atrazina se calculó utilizando atrazina concentraciones estándar, como se muestra en la figura 4. En este caso, la concentración de atrazina aproximada en el sitio del Brownfield estudiado fue de 2 mg de atrazina por kg de suelo.

Figura 1. Sitio del Brownfield en Sewickley, PA.

Figura 2. El suelo recogido usando un muestreador de suelo contaminado.

Figura 3. Estructura química de la atrazina de organoclorados.

Figura 4. Cromatograma de muestra de suelo con atrazina en gas. Inserción: estándares atrazina.

Applications and Summary

El procedimiento general de extracción sólido-líquido es aplicable a una variedad de áreas de monitoreo ambiental (se muestra en este video) a los cosméticos y elaboración de alimentos. El problema crítico es elegir un disolvente que disuelve con eficacia el analito. Con cambios mínimos en el solvente, el método de preparación de la muestra en este video puede ser utilizado para extraer cualquiera de una amplia gama de contaminantes ambientales semivolátiles esa partición principalmente en suelos y lodos.

Ejemplos de tales semivolatiles muchos contaminantes peligrosos como pesticidas, hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) y bifenilos policlorados (PCB). Debido a la salud potencial efectos de estas moléculas, identificación y cuantificación de estas especies es de interés académico y también ampliamente practicado en la industria de la consultoría ambiental y en organismos gubernamentales. La EPA mantiene compendio de métodos analíticos y de muestreo aprobados para identificar y cuantificar posibles contaminantes. El método que se muestra en este video ilustra los principios básicos contenidos en el método EPA 3550C, que describe la extracción ultrasónica de semivolatiles y nonvolatiles de sólidos. ¹ método EPA 3550 C es uno de los métodos de extracción que se hace referencia en el método EPA 8081B, que describe el análisis de GC de pesticidas organoclorados. ² la mayoría de los archivos de método aprobado por la EPA está escrita con la asunción que el analista tiene una formación previa significativa. Por lo tanto, ganando familiaridad con las características básicas del SIDA de preparación de muestra en siguiendo los métodos EPA.

El uso de un aparato de Soxhlet puede ayudar en la extracción de solutos que son poco solubles en solventes. La configuración consiste en un matraz de fondo redondo, un extractor Soxhlet y un refrigerante de reflujo. Esta técnica se demuestra por la eliminación de los PCB de peces con el fin de examinar a la transferencia de toxinas entre peces de depredador y presa de peces. ³ además, esta técnica puede utilizarse para medir el contenido de ceras en las pieles de la fruta para entender la composición y la degradación de frutos nativos y modificados. ⁴ por último, la extracción de hidratos de carbono de lignocelulosa, o materia de la planta seca, se puede lograr usando extracción líquida sólida. ⁵ cuando se extraen los carbohidratos, lignina se quede atrás. Ambos componentes pueden utilizarse para aplicaciones de biocombustibles.

References

US Environmental Protection Agency. Ultrasonic Extraction, Method 3550C. Washington: Government Printing Office (2007).
US Environmental Protection Agency. Organochlorine pesticides by gas chromatography, Method 8081B. Washington: Government Printing Office (2007).
Madenjian, C. P., Rediske, R. R., O'Keefe, J. P., David, S. R. Laboratory Estimation of Net Trophic Transfer Efficiencies of PCB Congeners to Lake Trout (Salvelinus namaycush) from Its Prey. J. Vis. Exp. (90), e51496, (2014).
Chatterjee, S., Sarkar, S., Oktawiec, J., Mao, Z., Niitsoo, O., Stark, R. E. Isolation and Biophysical Study of Fruit Cuticles. J. Vis. Exp. (61), e3529, (2012).
Mathews, S. L., Ayoub, A. S., Pawlak, J., Grunden, A. M. Methods for Facilitating Microbial Growth on Pulp Mill Waste Streams and Characterization of the Biodegradation Potential of Cultured Microbes. J. Vis. Exp. (82), e51373, (2013).

Transcript

Extraction is a crucial separation technique in organic chemistry, used to separate components of a mixture based on their solubilities in two different phases that do not mix.

Extractions are performed between two phases. In the case of a liquid-liquid extraction, the dissolved solute is transferred from one liquid phase to another. Extractions are also performed with a liquid and solid phase, called solid-liquid extraction, where the solute is transferred from a solid phase to a liquid phase. A simple example of solid-liquid extraction is coffee brewing, which involves the mixing of solid coffee grounds with water. The coffee flavor compounds are extracted from the grounds into the water to form coffee. This video will illustrate the principles of extraction, and demonstrate solid-liquid extraction in the lab through the removal of organochloride residues from soil.

Extraction uses the property of solubility to transfer a solute from one phase to another. In order to perform an extraction, the solute must have a higher solubility in the second phase than in the original. In general, very nonpolar solutes will partition into an organic phase, while very polar solutes will partition into an aqueous phase. The choice of phases will depend on the solute of interest.

The two phases also must be immiscible. Immiscible solutions never mix and remain as separate phases, like oil and water. Miscible solutions are completely homogeneous after mixing.

In liquid-liquid extraction, a solute is separated between two liquid phases, typically aqueous and organic. This is often performed in a separatory funnel fitted with a stopcock at the bottom and stopper at the top.

In the simplest case, three components are involved: The solute, the carrier liquid, and the solvent. The initial mixture, containing the solute dissolved in the carrier liquid, is mixed with the solvent. Upon mixing, the solute is transferred from the carrier liquid to the solvent, as long as the solute is more soluble in the solvent than in the carrier liquid, and as long as the carrier liquid and solvent are immiscible. The denser solution settles to the bottom.

There are two resulting phases: the raffinate, containing the carrier liquid, and the extract, which contains the solute and the solvent. In reality, there is likely to be residue of each component in both phases. Solid-liquid extraction is similar to liquid-liquid extraction, except that the solute is dispersed in a solid matrix rather than in a carrier liquid. The solid phase, containing the solute, is dispersed in the solvent and mixed. The solute is extracted from the solid phase to the solvent, and the solid phase is then removed by filtration. Now that the principles of extraction have been outlined, the solid-liquid extraction technique will be demonstrated by performing the extraction in the laboratory.

In this experiment, soil samples were collected from a brownfield site, similar to this one in Sewickley, Pennsylvania. Brownfields, as defined by the U.S. EPA, are real property, where the expansion, redevelopment, or reuse may be complicated due to the potential presence of hazardous contaminants. The pollutant of interest in this case is an organochloride: the herbicide atrazine. Once a soil sample has been collected from the site of interest, transfer it into the laboratory.

Weigh out 10 g of the soil in a clean, dry, wide-mouth Pyrex dish. Put the dish into an oven to dry for at least 12 h. Once dry, grind the soil to a uniform powder with a mortar and pestle. Place 5 g of the ground soil into a clean, dry 100-mL round-bottom flask. Add 15 mL of hexane and loosely stopper the flask. Place it into an ultrasonic bath and sonicate for 60 min.

Prepare a Büchner funnel with analytical filter paper. Once sonication is complete, wet the paper with hexane and begin vacuum filtration. Slowly pour the sample over the filter paper. Rinse the residual solids from the flask with hexane and add it to the filter. The stripped soil remains on the filter, while the hexane and extracted organics collect in the flask.

If the hexane solution is cloudy, residual water is present. To dry the solution, add a small spatula of desiccant, such as calcium chloride. Stir the solution until the desiccant is dissolved, and observe the solution.

If the solution is still turbid or if the calcium chloride has aggregated, there is still water in the solution. Repeat the process until the solution is clear and the desiccant is free flowing.

Next, remove the calcium chloride by gravity filtration.

If the concentration of the compound of interest is below the limit of quantification, it must be concentrated. Transfer the filtered extract to a clean, dry 3-necked round-bottom flask. Stopper the center neck, and place a rubber septum over one of the other necks. The third is left open.

Pierce the septum and attach tubing to a nitrogen line. Begin flowing nitrogen through the flask. The gas should be flowing in the headspace above the solution, and not bubbling through it. The flowing gas evaporates the excess solvent. Allow the gas to flow until there is about 50% volume reduction.

Once the organic components of the soil are extracted and concentrated, they can be analyzed by gas chromatography.

The atrazine concentration can be calculated using atrazine standard concentrations. In this case, the approximate atrazine concentration in the brownfield site studied was 2 mg of atrazine per 1 kg of soil.

Solid-liquid extraction is used in a wide range of fields.

This technique can be used to understand the transfer of polychlorinated biphenyls, or PCBs, from fish. PCBs are man-made chlorinated hydrocarbons that have been banned by the EPA. PCBs do not readily decompose in the environment and tend to accumulate in fish.

In this experiment, prey fish containing PCBs were fed to predator fish. The predator fish were then collected and sacrificed. The fish tissue was ground in preparation for extraction.

The PCB in the fish tissue was extracted to an organic phase using a Soxhlet extractor. The Soxhlet extractor setup, composed of a round-bottom flask, condenser, and the Soxhlet apparatus, is frequently used to extract solutes that are poorly soluble in solvents. The Soxhlet extraction enables a small amount of solvent to be used with a large solid sample. The extract was then tested for PCB content using mass spectrometry.

Dry plant matter, called lignocellulose, is the most abundant raw material being researched for bio-derived fuels. However, the carbohydrates used as the fuel are trapped within the rigid plant matrix, called lignin.

When the carbohydrates are removed, the lignin matrix is typically disposed of as waste. However, in this experiment, waste lignin was examined as a fuel source. Solid-liquid extraction was utilized to separate the carbohydrate components from lignocellulose, leaving lignin behind. The lignin was then used for further fermentation experiments.

Solid-liquid extraction can also be used to measure the wax content in fruit skins. In this experiment, the wax content of tomato skins was analyzed.

Exhaustive dewaxing of dried tomato skins was completed using a Sohxlet apparatus, in order to fully remove the wax content in the skins. Tomato skins with wax removed were then further analyzed using nuclear magnetic resonance spectroscopy. This helped elucidate the composition and degradation of native and engineered fruits.

You’ve just watched JoVE’s introduction to solid-liquid extraction. You should now have a better understanding of the extraction of solutes between solid and liquid phases.

Thanks for watching!

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