Wydobywanie

wydobywanie

Ekstrakcja jest powszechną techniką stosowaną w chemii organicznej do izolowania związku docelowego. W procesie ekstrakcji substancja rozpuszczona jest przenoszona z jednej fazy do drugiej, aby oddzielić ją od nieprzereagowanych materiałów wyjściowych lub zanieczyszczeń. Ekstrakcja jest również stosowana w celu ułatwienia izolacji substancji rozpuszczonej od rozpuszczalnika reakcyjnego, który jest trudny do usunięcia przez odparowanie, takiego jak rozpuszczalnik o wysokiej temperaturze wrzenia. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy rodzaje ekstrakcji. Po pierwsze, w ekstrakcji ciało stałe-ciecz substancja rozpuszczona jest przenoszona z fazy stałej do fazy ciekłej. W ekstrakcji ciecz-ciecz substancja rozpuszczona jest przenoszona z jednej cieczy do drugiej. W ekstrakcji kwasowo-zasadowej substancja rozpuszczona jest przekształcana w związek jonowy i przenoszona z fazy organicznej do fazy wodnej. Typowym przykładem ekstrakcji jest parzenie kawy lub herbaty. Faza stała, która zawiera kofeinę, aromaty roślinne i zapachy, jest ekstrahowana przez gorącą wodę do fazy ciekłej.

Ekstrakcja ciecz-ciecz

Ekstrakcja ciecz-ciecz albo przenosi związek organiczny, który jest rozpuszczony w fazie wodnej do rozpuszczalnika organicznego, albo służy do przenoszenia nieprzereagowanych reagentów, soli i innych rozpuszczalnych w wodzie zanieczyszczeń do fazy wodnej, pozostawiając interesujący związek organiczny w fazie organicznej. Ciecze niemieszające się to ciecze, które nigdy nie tworzą jednorodnego roztworu, nawet po dokładnym wymieszaniu. Zamiast tego niemieszające się ciecze rozdzielają się na różne fazy, takie jak olej i woda.

Ekstrakcja ciecz-ciecz przenosi związek organiczny, który jest rozpuszczony w fazie wodnej do rozpuszczalnika organicznego. Aby przeprowadzić ekstrakcję ciecz-ciecz, najpierw do lejka separacyjnego dodaje się roztwór wodny zawierający substancję rozpuszczoną. Następnie do lejka separatora dodaje się nierozpuszczalny w wodzie rozpuszczalnik organiczny. Gdy zawartość lejka jest dobrze wymieszana, związek organiczny dzieli się na fazę organiczną w oparciu o jego wyższą rozpuszczalność w fazie organicznej niż w fazie wodnej.

Ponieważ te dwa rozpuszczalniki nie mieszają się ze sobą, obie ciecze tworzą dyskretne warstwy, z gęstą cieczą na dole i mniej gęstą cieczą na górze. Gdy obie fazy osiądą z powrotem w dwóch warstwach, są rozdzielane poprzez otwarcie kurka na dnie lejka separacyjnego i umożliwienie wypłynięcia jednej warstwy. Ciecz, z której usunięto substancję rozpuszczoną, nazywana jest rafinatem, podczas gdy ciecz, która uzyskała substancję rozpuszczoną, nazywana jest ekstraktem.

Związek organiczny jest podzielony między dwie warstwy na podstawie jego rozpuszczalności w każdej fazie. Równowagę osiąga się, gdy potencjał chemiczny substancji rozpuszczonej jest taki sam w obu fazach. Współczynnik podziału dla substancji rozpuszczonej, K, jest stosunkiem stężenia próbki w warstwie organicznej do stężenia w fazie wodnej. Współczynnik podziału jest stałą zależną zarówno od substancji rozpuszczonej, jak i pary rozpuszczalników użytych do ekstrakcji. Współczynnik podziału jest wyrazem preferencji substancji rozpuszczonej dla każdego z dwóch rozpuszczalników. Substancje rozpuszczone o dużym współczynniku podziału mają większą tendencję do ekstrakcji do warstwy rozpuszczalnika organicznego. Substancje rozpuszczone o małych współczynnikach podziału wolą przechodzić w fazę wodną.

Określenie, której pary rozpuszczalników użyć do ekstrakcji ciecz-ciecz, jest kluczowym krokiem. Przy wyborze rozpuszczalników należy wziąć pod uwagę następujące kwestie: Po pierwsze, substancja rozpuszczona musi być bardziej rozpuszczalna w rozpuszczalniku niż w wodzie. Dlatego konieczna jest znajomość współczynnika podziału substancji rozpuszczonej w potencjalnej parze rozpuszczalników. Po drugie, para rozpuszczalników musi nie mieszać się z wodą i nie może tworzyć jednorodnego roztworu po zmieszaniu. Po trzecie, rozpuszczalniki muszą być obojętne i nie mogą reagować z substancją rozpuszczoną. Rozpuszczalnik powinien być również lotny, aby można go było łatwo usunąć z substancji rozpuszczonej. Niemieszający się z wodą rozpuszczalnik organiczny ma na ogół niepolarną lub niską polarność.

Bardzo ważna jest również znajomość gęstości rozpuszczalników w celu określenia tożsamości górnej i dolnej warstwy. Większość cieczy organicznych ma mniejszą gęstość niż woda, z wyjątkiem chlorowanych rozpuszczalników organicznych, i osiada na dnie lejka separatora.

Ekstrakcja kwasowo-zasadowa

Ekstrakcja kwasowo-zasadowa to rodzaj ekstrakcji ciecz-ciecz, która oddziela związki organiczne na podstawie ich właściwości kwasowo-zasadowych. Jeśli substancja rozpuszczona jest kwasem lub zasadą, jej ładunek zmienia się wraz ze zmianą pH. Ogólnie rzecz biorąc, większość związków organicznych jest obojętna, a zatem lepiej rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych niż w wodzie. Jeśli jednak związek organiczny stanie się jonowy, staje się bardziej rozpuszczalny w wodzie. Jest to przydatne w ekstrakcji kwasu organicznego lub związku zasadowego z fazy organicznej do fazy wodnej.

Ekstrakcja kwasowo-zasadowa wykorzystuje tę właściwość, przekształcając substancję rozpuszczoną w rozpuszczalną w wodzie postać soli, zmieniając w ten sposób jej rozpuszczalność. Rozpuszczalność związku organicznego i jego soli musi się diametralnie różnić, aby technika była skuteczna.

Rozważmy na przykład mieszaninę zawierającą organiczny kwas karboksylowy, aminę i związek obojętny. Kwasy karboksylowe składające się z sześciu lub więcej atomów węgla są nierozpuszczalne w wodzie i całkowicie rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Jednak ich sprzężone zasady (związek jonowy) są rozpuszczalne w wodzie i nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Amina składająca się z co najmniej siedmiu atomów węgla jest nierozpuszczalna w wodzie, ale rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych. Sprzężony kwas tej aminy (związek jonowy) jest rozpuszczalny w wodzie i nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych.

W reakcji z zasadą kwas karboksylowy ulega zobojętnieniu do postaci soli. Pozostałe związki w mieszaninie pozostają obojętne. Gdy kwas karboksylowy zostanie przekształcony w sól, podzieli się na fazę wodną, podczas gdy związki obojętne pozostaną w fazie organicznej.

Ekstrakcja kwasowo-zasadowa służy również do oddzielenia dwóch słabych kwasów lub dwóch słabych zasad o znacznej różnicy w ich pK_{, a}. W przypadku kwasów stosunkowo silniejszy kwas, o małej wartości pKa, jest neutralizowany do soli przy użyciu słabej zasady. Słaba zasada nie reaguje efektywnie ze słabszym kwasem, a dopiero mocniejszy kwas przekształca się w sól. Następnie sól jest ekstrahowana do fazy wodnej podczas ekstrakcji. Proces przebiega podobnie w przypadku słabych zasad, gdzie stosunkowo silniejsza zasada jest neutralizowana do soli za pomocą słabego kwasu.

Odwołania

1. Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.