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Organic Chemistry

Separación de mezclas por precipitación

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Separation of Mixtures via Precipitation

2.1: Introduction to Catalysis

2.13: Performing 1D Thin Layer Chromatography

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08:02 min

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April 30, 2023

Overview

Fuente: Laboratorio de la Dr. Ana J. García-Sáez, Universidad de Tübingen

Mayoría de las muestras de interés es mezclas de muchos componentes diferentes. Preparación de la muestra, un paso clave en el proceso de análisis, elimina interferencias que pueden afectar el análisis. Como tal, desarrollando técnicas de separación es un esfuerzo importante no sólo en el ámbito académico, sino también en la industria.

Una forma de separar mezclas es utilizar sus propiedades de solubilidad. En este breve documento, se tratará con soluciones acuosas. La solubilidad de un compuesto de interés depende de la fuerza (1) iónica de la solución, (2) pH y temperatura (3). Mediante la manipulación de estos tres factores, una condición en la que el compuesto es insoluble puede utilizarse para eliminar el compuesto de interés del resto de la muestra. ¹

Principles

Un número de parámetros puede utilizarse para separar una muestra de interés de impurezas reduciendo su solubilidad, y de una solución como un sólido, como se muestra en la figura 1. En primer lugar, la fuerza iónica de la solución puede cambiar una solubilidad de sustancias. Esto a menudo implica la adición de sal extra (también llamado Salar hacia fuera), o la adición de un Counter-ion, que forma una especie menos soluble con el compuesto de interés. ²

Figura 1. Equilibrios de solubilidad son afectados por la temperatura, fuerza iónica y pH. Un compuesto de interés (amarillo) se separa de las impurezas (rojo) cambiando su solubilidad en un solvente dado.

Puede cambiar el pH de una solución, la carga neta del compuesto. A un determinado pH, la carga neta se hace cero (también llamado punto isoeléctrico) y se convierte en el compuesto menos soluble en agua, eventualmente formando un sólido. Temperatura también afecta la solubilidad, como la mayor temperatura aumenta la solubilidad de los sólidos.

La tasa de formación sólida determina pureza relativa (figura 2). En general, el término precipitación se refiere a la formación de un sólido a un ritmo rápido, produciendo una muestra amorfa con algunas impurezas atrapadas dentro. Esto es común en salazón y procesos inducidos por el cambio de pH. Cuando este proceso se ralentiza, las impurezas no están atrapadas dentro del complejo y se produce un sólido relativamente puro. Esta técnica se emplea en la recristalización. En este proceso, un compuesto se disuelve en suficiente solvente para ser justo en el punto de saturación a una temperatura elevada. Esto saturado solución entonces es dejar enfriar lentamente. Como la solución se enfría, disminuye la solubilidad del componente, y compuesto por encima de la solubilidad forma un sólido ordenado (si no conocido como cristales) en lugar de un sólido amorfo. Impurezas en la solución no es atrapadas, el lento proceso permite la eliminación de estas impurezas en la superficie del sólido antes de que se encuentran atrapados. ¹

Figura 2. Diferencia entre precipitación y recristalización.

Una vez que ha formado el sólido (como un cristal o como un precipitado), debe ser separado del resto de la mezcla. La filtración es una manera de separarlos. Este emplea un material poroso que inhibe selectivamente el paso de material sólido, pero no la solución.

Centrifugación es otra manera de separar el precipitado del resto de la mezcla. Centrifugación usa aceleración centrípeta para separar mezclas basados en sus densidades. Desde el sólido es más denso que la solución acuosa, los sedimentos sólidos en el fondo del recipiente. El sólido también se llama la pastilla y la solución acuosa, el sobrenadante. El sobrenadante puede entonces ser decantado o extraído por medio de una pipeta o jeringa. Los cristales son frágiles y centrifugación a menudo no se emplea para separar de la solución.

Este video cubre diferentes métodos de separación de compuestos a través de sólida formación (Salar hacia fuera, cambios en el pH y recristalización) y su posterior retirada de la solución acuosa por filtración o centrifugación.

Procedure

1. precipitación de CaCO₃

Preparar 5 mL de 1 M de CaCl₂.
Prepare 5 mL M 1 Na₂CO₃.
En un tubo de centrífuga pequeña (1,5 mL), añadir 750 μl de CaCl₂ y 750 μl de Na₂CO₃.
Esperar 2 minutos para la reacción ocurrir. La solución debe resultar turbia.
Centrifugar la mezcla a 10.000 x g durante 5 minutos.
Decantar el sobrenadante.
Añadir 1 mL de agua fría a la pelotilla.
Resuspender el precipitado al mezclar en un vórtex durante 10 s.
Centrifugar la mezcla a 10.000 x g durante 5 minutos.
Decantar el sobrenadante.

2. precipitación de proteínas de la leche

Vierta la leche en un vaso de precipitados y agregar una barra de agitación.
Leche caliente suavemente hasta 40 ° C en una placa de agitación. No calentar sobre 40 ° C.
Preparar un 15% (v/v) de ácido acético por mezcla 7,5 mL de ácido acético y diluir en agua suficiente para llegar a 50 mL.
Sumerja el electrodo de un pHmetro en leche caliente y vigilar el pH.
Agregar el ácido acético mediante goteo a la leche hasta que se alcance un pH de 4.6.
Filtración de la leche
1. Flauta de un pedazo de papel de filtro y colocarlo en un embudo.
2. Coloque el embudo en un frasco y verter la solución de leche acidificada en el embudo.
3. Como la solución se vierte, el papel de filtro puede conseguir tapado. Con una varilla, se agita la solución y el papel de filtro de vez en cuando para desatascar. Si no mejora el paso de la solución, cambiar el papel de filtro.
4. Coloque un nuevo filtro de papel sobre la mesa y transferencia tanto de la húmeda sólida para el nuevo papel de filtro. Esto debe absorber más agua del sólido.
5. Si el nuevo papel de filtro se moja demasiado, seguir a cambiar hasta que haya una cantidad mínima de humedad en el papel de filtro. Presione ligeramente para absorber más agua si es necesario.
6. Tomar el sólido seco y vuelva a suspender en cerca de 70% etanol. Filtrar el sólido otra vez siguiendo los pasos 2.6.1 a 2.6.5.
Centrifugación de la leche (como alternativa a la filtración)
1. Transferir porciones de 50 mL de la mezcla a tubos de centrífuga de 50 mL.
2. Centrifugue a 4.500 × g por 10 min, luego decantar el sobrenadante.
3. Añadir 50 mL de etanol de 70% para el pellet.
4. Con una varilla, Resuspender el precipitado en el etanol.
5. Centrifugar esta suspensión siguiente paso 2.7.2.
Resuspender el precipitado en tampón para su posterior análisis como SDS-PAGE, de lo contrario almacenarla a 4 ° C.

3. recristalización de KCl

Pesar 50 g de KCl en un matraz Erlenmeyer y añadir 100 mL de agua
Calentar la mezcla hasta que el agua hierve. Asegúrese de que se disuelva todo el polvo de KCl. Algunas impurezas no se pueden disolver en agua.
Otro matraz de Erlenmeyer (vacío) junto con la mezcla de calor y mantener muy caliente.
Coloque un embudo con papel filtro en el matraz caliente, vacíelo.
Verter la solución a través del papel filtro para eliminar impurezas no disueltas. El recipiente se mantiene caliente para asegurarse de que no hay cambios de temperatura ocurren durante la filtración, de lo contrario que se formará un precipitado crudo. Si esto ocurre, vuelva a calentar la mezcla hasta que se disuelva todo el precipitado.
Retirar el matraz con la solución del fuego.
Mantener en un lugar fresco en la habitación y deje que se enfríe lentamente durante 30 minutos, o hasta que ya no esté caliente al tacto.
Una vez enfriado a temperatura ambiente, colocar el matraz en un baño de hielo para reducir aún más la temperatura. Alternativomente, uno puede dejar el frasco dentro de la nevera o una sala de control de temperatura a 4 ° C.
Cristales pueden ser cosechados por filtración como en los pasos 3.4 – 3.5 (puede utilizarse un matraz y embudo a temperatura ambiente).

Precipitación es una técnica utilizada para separar una mezcla basada en la solubilidad de sus componentes. La solubilidad de un compuesto depende de la fuerza iónica de la solución, su pH y temperatura. Manipulación de estos factores puede causar un compuesto para convertirse en un sólido insoluble y se caen de la solución. Esto se llama precipitación.

El sólido insoluble llamado inicialmente el precipitado, forma una suspensión, lo que significa que está bien disperso en solución. El precipitado generalmente aglomerados y luego se separa del líquido por sedimentación, centrifugación o filtración. Este video se introducen varios métodos de separación de compuestos con precipitación y demostrar un procedimiento en el laboratorio.

Un compuesto disuelto se puede precipitar de la solución mediante la introducción de un ion de contador. Por ejemplo, plata se puede precipitar de la solución en la reacción entre el nitrato de plata y cloruro de sodio. El ion nitrato es sustituido por un ion contra, cloruro de, dando por resultado la formación de cloruro de plata sólido.

Aumento de la concentración de una solución también puede inducir la precipitación. Esta técnica, llamada Salar-hacia fuera, es común el aislamiento de proteínas. En alta concentración de sal, las moléculas de agua son más atraídas por la sal disuelta, dejando menos para estabilizar la proteína. Como resultado, las moléculas de proteína se agregan y forman un sólido.

Precipitación puede ser causada también por un cambio en el pH. A pH alto y bajo, la proteína es cargada y atrajo a la solución de polar. En un momento determinado, la carga neta de un compuesto se convierte en cero. Este es el punto isoeléctrico o pI. El compuesto es capaz de interactuar con la solución polar, haciendo que se agregan y precipitan.

Temperatura también afecta la solubilidad, como la mayor temperatura aumenta la solubilidad de los sólidos. Disminuyendo la temperatura, compuestos disueltos pueden volver a solidificar. La tasa de formación sólida determina pureza relativa.

Los siguientes experimentos demuestran la precipitación de la caseína de la proteína de leche con pH y mayor separación mediante métodos de filtración y centrifugación.

Para comenzar este procedimiento, agregue 250 mL de leche en un vaso con una barra de agitación. Calentar suavemente la leche a 40 ° C en una placa de agitación. Sumergir un medidor de pH en la leche tibia y controlar el pH. Añadir ácido acético mediante goteo a la leche hasta que el pH alcanza el punto isoeléctrico de la caseína, 4.6. Las proteínas insolubles de la leche o cuajada, precipita de la solución en el punto isoeléctrico. Retirar la cuajada de la solución por filtración. Si se atasca el papel de filtro, mezcle con una espátula para ayudar a la solución fluir a través. Si esto no mejora la filtración, cambiar el papel de filtro. Transferir el sólido húmedo desde el papel de filtro obstruido al nuevo papel de filtro. Esto debe absorber más líquido o suero de leche, del sólido. Continuar cambiando el papel de filtro hasta que no haya humedad mínima. Presionando ligeramente sobre los sólidos puede ayudar el papel de filtro para absorber más suero.

Vuelva a suspender los sólidos de leche en polvo en etanol al 70% para lavar los fosfolípidos de la cuajada y luego repetir el proceso de filtración. Como alternativa a la filtración, sólidos de la proteína pueden también ser separados mediante centrifugación. Porciones de 50 mL de la mezcla de leche de centrifugar y decantar el sobrenadante. Resuspender el precipitado en 50 mL de etanol al 70% para ayudar a eliminar los fosfolípidos de la cuajada y repita el proceso de centrifugación.

Los sólidos de la proteína de la leche pueden ser almacenados o resuspendidos en otra solución para su posterior análisis, como SDS-PAGE. Para obtener más información, vea nuestro video sobre esta técnica. Análisis de SDS-PAGE demuestra que precipitación permitió la eliminación de las impurezas más del suero. De la caseína fue encontrado en el sedimento, mientras que ninguno fue encontrado en el sobrenadante.

La precipitación es una técnica comúnmente utilizada, que puede ser aplicada para separar una gran variedad de mezclas o soluciones.

Compuestos se pueden precipitar de una solución con un ion de contador, como en este ejemplo de la precipitación de carbonato de calcio.

Cloruro de calcio y carbonato de sodio son solubles en la fase acuosa.

Cuando se mezclan, el calcio y el carbonato forman un sólido insoluble, que puede ser separado por centrifugación. Para obtener más información sobre este tema, ver nuestro video educativo sobre las reglas de solubilidad.

Precipitación puede ser utilizada en la preparación de sólidos de escala nanométrica que se encuentran en una amplia gama de aplicaciones en nanotecnología. En este ejemplo, nano-escala semillas se utilizan para controlar el crecimiento de nanocristales.

Los precursores fueron calentados, reaccionó con trioctylphosphine seleniuro y luego enfriados rápidamente. Metanol se añadió a la solución enfriada, para precipitar los sólidos. Los cristales luego fueron recuperados por centrifugación, y analizó la estructura cristalina con difracción de rayos x.

Precipitación puede utilizarse también en la preparación de ligandos poliméricos para aplicaciones de suministro de drogas. En este ejemplo, un ligando se sintetiza y conjuga al platino para su uso como una terapia contra el cáncer. En primer lugar, el ligando fue sintetizado mediante una reacción de acoplamiento de la amida. Precipitado como progresó la reacción. Luego fue recuperada mediante filtración.

El sólido fue purificado mediante recristalización y filtrada otra vez. El ligando era entonces complejado con el compuesto de platino, secado y luego purificaron usando precipitación fraccional de agua con acetona. Acoplamiento de platino fue confirmada usando la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Los compuestos entonces podrían ser estudiados por su eficacia y efectos secundarios como agentes anticancerígenos.

Acabo de ver introducción de Zeus a la separación de mezclas mediante precipitación. Ahora debe comprender los diversos métodos de precipitación y cómo realizar estos experimentos en el laboratorio.

¡Gracias por ver!

Results

Equilibrios de solubilidad se emplea en muchos procesos de purificación. Calcio puede removerse del agua con carbonato de sodio. El producto de solubilidad (K_sp) de CaCO₃ es 4,8 x 10^-9. Mezcla de 1 M de CaCl₂ y 1 M de Na₂CO₃ produce precipitado de CaCO₃ . El precipitado fue separado del resto de la solución mediante centrifugación.

Caseína (una proteína clave en la leche) tiene un punto isoeléctrico a pH 4,6 y cuajada insoluble en este pH. La cuajada se separa del resto de la solución (también llamado suero) mediante filtración o centrifugación (figura 3a). La cuajada se lavó con etanol para eliminar los fosfolípidos y otros compuestos solubles en agua que también quedaron atrapados en la cuajada. Centrifugación previene pérdida de mejores que la filtración de proteínas ya que hay algunas proteínas que pegada al papel de filtro. Los componentes separados se analizaron mediante SDS-PAGE (figura 3b), que muestra que la reacción de precipitación separados la mayor parte de la caseína del suero de la leche. Otras proteínas de la leche, como globulinas, precipitan junto con caseína. Otras medidas pueden aplicarse para aislar caseína del resto de las proteínas.

Precipitación elimina más impurezas del sólido, sin embargo también pueden atrapar algunas impurezas dentro de la matriz. La recristalización se emplea a menudo para purificar más lejos un sólido (figura 4). En este experimento, el sólido fue mezclado con un solvente en el que el sólido no es muy soluble. Entonces fue levantada la temperatura de la mezcla al punto de ebullición del solvente y se añade bastante sólido para saturar el solvente caliente. Otras impurezas insolubles pueden quitarse mediante un paso de filtración. La solución caliente fue gradualmente enfriada a temperatura ambiente y refrigerada en baño de hielo y sala refrigerador frío. El lento proceso dio lugar a cristales en vez de precipitado amorfo. Las impurezas solubles no fueron incorporadas en el enrejado cristalino y los cristales resultantes eran relativamente más puros que el precipitado crudo. Los cristales se cosecharon entonces usar filtración y a la izquierda para secar el aire (o en vacío).

Figura 3. Precipitación de proteínas de la leche. (A) fotos de distintos pasos aislados de proteína de leche. (B) SDS-PAGE de las diferentes muestras.

Figura 4. Recristalización de KCl.

Applications and Summary

Reacciones de precipitación se aplican a muchos procesos de preparación de la muestra. Como se mencionó anteriormente, puede utilizarse para eliminar sales o iones específicos dependiendo de sus equilibrios de solubilidad. También puede utilizarse para quitar las proteínas y otras biomoléculas de mezclas.

La recristalización se emplea a menudo para purificar aún más sólidos. Este proceso elimina las impurezas atrapadas dentro del sólido. Entre otros, la recristalización puede utilizarse para purificar sales y moléculas orgánicas.

Técnicas de centrifugación y filtración son aplicables a la mayoría las demandas de preparación de muestra para separar componentes insolubles en el solvente. Filtración es de uso frecuente en química orgánica para separar compuestos cristalizados puros de su disolvente. También se utiliza después de extracciones sólido-líquido en química de productos naturales o en química analítica. Centrifugación se utiliza a menudo para separar mezclas de diferentes densidades y como se muestra aquí aplicado a la separación de componentes de la leche y la sal precipitada.

En Bioquímica, la mayoría de los procesos tales como proteínas, lípidos y ADN implica reacciones de precipitación, centrifugación y filtración métodos para purificar muestras. Y aunque la mayoría de estos procesos ha sido estandarizada completamente en kits comerciales, todavía hay mucho espacio para la optimización, como moléculas biológicas diferentes requieren diferentes condiciones.

References

Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J. Chemistry and Chemical Reactivity. 8^th ed. Brooks/Cole, Belmont, CA (2012).
Arakawa, T., Timasheff, S.N. Mechanism of Protein Salting In and Salting Out by Divalent Cation Salts: Balance between Hydration and Salt Binding. Biochemistry. 23, 5912-5923 (1984).

Transcript

Precipitation is a technique used to separate a mixture based on the solubility of its components. The solubility of a compound depends on the ionic strength of the solution, its pH, and temperature. Manipulation of these factors can cause a compound to become an insoluble solid, and fall out of solution. This is called precipitation.

The insoluble solid, called the precipitate, initially forms a suspension, meaning that it is well dispersed in solution. The precipitate typically agglomerates, and then is separated from the liquid by sedimentation, centrifugation, or filtration. This video will introduce several methods of separating compounds using precipitation, and demonstrate a procedure in the laboratory.

A dissolved compound can be precipitated out of solution by introducing a counter ion. For example, silver can be precipitated out of solution in the reaction between silver nitrate and sodium chloride. The nitrate ion is replaced by a counter-ion, chloride, resulting in the formation of solid silver chloride.

Increasing the salt concentration of a solution can also induce precipitation. This technique, called salting-out, is common for the isolation of proteins. At high salt concentration, water molecules are more attracted to the dissolved salt, leaving fewer to stabilize the protein. As a result, the protein molecules aggregate and form a solid.

Precipitation can also be caused by a change in pH. At high and low pH, the protein is charged and attracted to the polar solution. At a certain point, the net charge of a compound becomes zero. This is the isoelectric point, or pI. The compound is unable to interact with the polar solution, causing it to aggregate and precipitate.

Temperature also affects solubility, as higher temperature increases the solubility of solids. By decreasing temperature, dissolved compounds can re-solidify. The rate of solid formation determines relative purity.

The following experiments will demonstrate the precipitation of the protein casein from milk using pH, and further separation via filtration and centrifugation methods.

To begin this procedure, add 250 mL of milk into a beaker with a stir bar. Gently warm the milk to 40 °C on a stirring hot plate. Immerse a pH meter into the warm milk, and monitor the pH. Add acetic acid drop-wise to the milk until the pH reaches the casein isoelectric point, 4.6. Insoluble milk proteins, or curds, precipitate out of solution at the isoelectric point. Remove the curds from solution by filtration. If the filter paper gets clogged, mix with a spatula to help the solution flow through. If this does not improve the filtration, change the filter paper. Transfer the wet solid from the clogged filter paper to new filter paper. This should absorb more liquid, or whey, from the solid. Continue changing the filter paper until there is minimal wetness. Pressing lightly on the solids may help the filter paper to absorb more whey.

Re-suspend the dried milk solids in 70% ethanol to wash the phospholipids out of the curds and then repeat the filtration process. As an alternative to filtration, protein solids can also be separated using centrifugation. Centrifuge 50 mL portions of the milk mixture and decant the supernatant. Re-suspend the pellet in 50 mL of 70% ethanol to help remove the phospholipids from the curds, and repeat the centrifugation process.

The milk protein solids can then be stored or re-suspended in another solution for further analysis, such as SDS-PAGE. For more information, see our video on this technique. SDS-PAGE analysis shows that precipitation enabled the removal of most impurities from the whey. All of the casein was found in the pellet, while none was found in the supernatant.

Precipitation is a commonly used technique, which can be applied to separate a variety of mixtures or solutions.

Compounds can be precipitated from a solution using a counter ion, as in this example of the precipitation of calcium carbonate.

Calcium chloride and sodium carbonate are both soluble in the aqueous phase.

When they are mixed, the calcium and carbonate form an insoluble solid, which can be separated with centrifugation. For more information on this topic, see our education video on solubility rules.

Precipitation can be utilized in the preparation of nano-scale solids that are found in a wide range of applications in nanotechnology. In this example, nano-scale seeds were used to control the growth of nano-crystals.

The precursors were heated, reacted with trioctylphosphine selenide, and then rapidly cooled. Methanol was added to the cooled solution, in order to precipitate the solids. The crystals were then recovered by centrifugation, and the crystal structure analyzed with X-ray Diffraction.

Precipitation can also be used in the preparation of polymeric ligands for drug delivery applications. In this example, a ligand is synthesized and conjugated to platinum for use as an anticancer therapy. First, the ligand was synthesized using an amide coupling reaction. It precipitated as the reaction progressed. It was then recovered using filtration.

The solid was then purified using recrystallization, and filtered again. The ligand was then complexed with the platinum compound, dried, and then purified using fractional precipitation from water with acetone. Platinum coupling was confirmed using nuclear magnetic resonance spectroscopy. The compounds could then be studied for their efficacy and side effects as anticancer agents.

You have just watched JoVE’s introduction to the separation of mixtures using precipitation. You should now understand the various methods of precipitation, and how to perform these experiments in the laboratory.

Thanks for watching!

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