Teoria dell'estrazione.
Il termine "estrazione" si riferisce al trasferimento di composti da un solido o da un liquido in un altro solvente o fase. Quando una bustina di tè viene aggiunta all'acqua calda, i composti responsabili del sapore e del colore del tè vengono estratti dai fondi nell'acqua. Il caffè decaffeinato si ottiene utilizzando solventi o anidride carbonica supercritica per estrarre la caffeina dai chicchi di caffè. Nel laboratorio di chimica, è più comune utilizzare l'estrazione liquido-liquido, un processo che avviene in un imbuto separatore. Una soluzione contenente componenti disciolti viene posta nell'imbuto e viene aggiunto un solvente immiscibile, ottenendo due strati che vengono agitati insieme. È più comune che uno strato sia acquoso e l'altro un solvente organico. I componenti vengono "estratti" quando si spostano da uno strato all'altro. La forma dell'imbuto separatore consente di drenare e separare efficacemente i due strati.
Fig.1 Schema di estrazione
I composti si spostano da un liquido all'altro a seconda della loro solubilità relativa in ciascun liquido. Una guida rapida alla solubilità è il principio "like dissolves like", che significa che i composti non polari dovrebbero essere facilmente estratti in solventi non polari (e viceversa). I composti responsabili del gusto e del colore del tè devono essere polari se vengono facilmente estratti nell'acqua calda. Quando si lascia equilibrare due liquidi in un imbuto separatore, la maggior parte di un composto finisce spesso nello strato più solubile.
Fig.2
Procedure passo-passo per le estrazioni.
Estrazione singola.
Le immagini di questa sezione mostrano una singola estrazione di rosso metile (composto colorato, Fig. 3) da una soluzione acquosa (strato inferiore) in 25 ml di acetato di etile (strato superiore). La soluzione acquosa ha originariamente un colore rosa, poiché il rosso metile appare rosso in soluzione acida (la soluzione acquosa è stata preparata con 50 ml di acqua, 5 gocce di 0,1MHCl e 5 gocce di soluzione di indicatore di rosso metile all'1%). Il rosso metile ha un elevato coefficiente di ripartizione e viene estratto dallo strato acquoso nell'acetato di etile in questo processo.
Progresso dell'estrazione del rosso metile (il composto colorato) dallo strato acquoso acido (in basso) allo strato organico (in alto). Le inversioni sono state effettuate lentamente per vedere l'estrazione in modo graduale. Anche con una miscelazione delicata, il rosso metile si estrae rapidamente.
Preparare il setup (per l'estrazione singola)
1. Procurarsi un imbuto separatore (Fig. 4 a).- a) Se l'imbuto separatore è dotato di un rubinetto in Teflon, rimontare il rubinetto se è stato smontato per l'asciugatura, disponendo le parti nell'ordine appropriato (Fig. 4 b). Assicurarsi che il rubinetto in Teflon sia moderatamente stretto, in modo da poter girare facilmente, ma che non sia così allentato da permettere l'infiltrazione di liquido intorno alla giunzione.
- b) Se si utilizza un rubinetto di vetro (Fig. 4 c), probabilmente non è necessaria un'ulteriore preparazione. È necessario utilizzare un sottilissimo strato di grasso per sigillare il rubinetto e prevenire il congelamento. Se sono disponibili sia i rubinetti di vetro che quelli di teflon, la scelta migliore è quella del teflon, poiché c'è sempre la possibilità che il solvente possa sciogliere il grasso usato con i rubinetti di vetro e contaminare il campione.
- c) Procurarsi anche un tappo (in teflon o vetro smerigliato) che si inserisca bene nella giunzione superiore dell'imbuto (Fig. 4 a).
2. Posizionare l'imbuto separatore in una pinza ad anello fissata a un supporto ad anello o a un traliccio. Gli imbuti si rompono facilmente, quindi è bene ammortizzare l'imbuto nella pinza metallica con pezzi di gomma o di tubo di plastica tagliati (Fig. 4 d).
Aggiungere le soluzioni (per l'estrazione singola)
3. Prima di versare qualcosa in un imbuto separatore, accertarsi che il rubinetto sia in posizione "chiusa", cioè orizzontale (Fig. 5 a). Come misura di sicurezza, prima di versare, posizionare sempre una beuta sotto l'imbuto separatore (Fig. 5 b). Questa può catturare il liquido nel caso in cui il rubinetto venga accidentalmente lasciato aperto, o se il rubinetto è allentato e il liquido fuoriesce involontariamente.
4. Con un imbuto, versare il liquido da estrarre nell'imbuto separatore (Fig. 5 b). L'imbuto separatore non deve mai essere usato con un liquido caldo o tiepido. La giunzione di vetro smerigliato in cima all'imbuto separatore è più incline ad attaccarsi al tappo se in qualche momento c'è stato del liquido nella giunzione. Versando il liquido nell'imbuto separatore con un imbuto a gambo corto si evita di bagnare la giunzione, in modo da ridurre le probabilità di congelamento durante la miscelazione.
3. Prima di versare qualcosa in un imbuto separatore, accertarsi che il rubinetto sia in posizione "chiusa", cioè orizzontale (Fig. 5 a). Come misura di sicurezza, prima di versare, posizionare sempre una beuta sotto l'imbuto separatore (Fig. 5 b). Questa può catturare il liquido nel caso in cui il rubinetto venga accidentalmente lasciato aperto, o se il rubinetto è allentato e il liquido fuoriesce involontariamente.
4. Con un imbuto, versare il liquido da estrarre nell'imbuto separatore (Fig. 5 b). L'imbuto separatore non deve mai essere usato con un liquido caldo o tiepido. La giunzione di vetro smerigliato in cima all'imbuto separatore è più incline ad attaccarsi al tappo se in qualche momento c'è stato del liquido nella giunzione. Versando il liquido nell'imbuto separatore con un imbuto a gambo corto si evita di bagnare la giunzione, in modo da ridurre le probabilità di congelamento durante la miscelazione.
Versare una quantità di solvente estrattivo nell'imbuto separatore, come indicato dalla procedura (Fig.5 c). Non è necessario utilizzare quantità precise di solvente per le estrazioni; i volumi possono essere misurati in un cilindro graduato. Se una procedura richiede 20 ml di solvente, è accettabile che se ne usino 20-25 ml ogni volta.
Miscelare le soluzioni (per estrazioni singole)
6. Posizionare il tappo sull'imbuto e tenere l'imbuto in modo che le dita di una mano coprano saldamente il tappo, mentre l'altra mano afferra il fondo dell'imbuto (Fig.6 a).
7. Capovolgere delicatamente l'imbuto (Fig. 6 b) e far girare un po' la miscela. Anche se non è raro che un po' di liquido si insinui nella giunzione di vetro smerigliato quando viene capovolta, dovrebbe essere minimo. Se il liquido cola sulle dita o sui guanti quando si capovolge l'imbuto, probabilmente il tappo è della misura sbagliata.
Miscelare le soluzioni (per estrazioni singole)
6. Posizionare il tappo sull'imbuto e tenere l'imbuto in modo che le dita di una mano coprano saldamente il tappo, mentre l'altra mano afferra il fondo dell'imbuto (Fig.6 a).
7. Capovolgere delicatamente l'imbuto (Fig. 6 b) e far girare un po' la miscela. Anche se non è raro che un po' di liquido si insinui nella giunzione di vetro smerigliato quando viene capovolta, dovrebbe essere minimo. Se il liquido cola sulle dita o sui guanti quando si capovolge l'imbuto, probabilmente il tappo è della misura sbagliata.
8. La pressione può accumularsi all'interno dell'imbuto separatore quando le soluzioni vengono mescolate; pertanto, subito dopo aver agitato l'imbuto, e con l'imbuto ancora capovolto, "sfiatare" l'imbuto aprendo brevemente il rubinetto di arresto per consentire lo scarico della pressione (Fig. 6 c). La pressione aumenta nell'imbuto quando il solvente evapora nello spazio di testa e contribuisce con ulteriore vapore alla pressione iniziale di ∼1 atmosfera nell'imbuto. Nel caso di solventi molto volatili (come l'etere dietilico), al momento dello sfiato si sente un "fruscio" deciso e piccole quantità di liquido possono addirittura fuoriuscire dal rubinetto. Se il liquido fuoriesce dal rubinetto, cercare di farlo defluire nell'imbuto. Il rumore associato allo sfiato cessa normalmente dopo la seconda o terza inversione, poiché lo spazio di testa si satura di vapori di solvente e le pressioni all'interno e all'esterno dell'imbuto si equalizzano.
Nota di sicurezza: non puntare mai il rubinetto d'arresto verso qualcuno mentre si sfiata, perché è possibile che un po' di liquido schizzi su di lui o su di lei.
9. Chiudere il rubinetto e mescolare le soluzioni con un po' più di vigore, fermandosi periodicamente per sfiatare il sistema. Ci sono opinioni diverse su quanto vigorosamente le soluzioni debbano essere mescolate negli imbuti separatori e per quanto tempo. In linea di massima, una miscelazione blanda per 10-20 secondi dovrebbe essere sufficiente. Per alcune soluzioni (ad esempio il diclorometano), occorre fare attenzione a non agitare troppo vigorosamente, poiché queste soluzioni spesso formano emulsioni (in cui l'interfaccia tra le soluzioni non si chiarisce). Per le soluzioni soggette a emulsioni, l'imbuto deve essere agitato delicatamente per un minuto.
10. Posizionare l'imbuto separatore in posizione verticale nella pinza ad anello per consentire la completa separazione degli strati. L'interfaccia tra gli strati dovrebbe depositarsi piuttosto rapidamente, spesso entro 10 secondi circa. Se l'interfaccia è offuscata o non ben definita (si è formata un'emulsione), consultare la sezione dedicata alla risoluzione dei problemi.
Separare gli strati (per un'estrazione singola)
11. Il liquido non drena bene da un imbuto separatore se il tappo rimane inserito, poiché l'aria non può entrare nell'imbuto per sostituire il liquido spostato. Se il liquido defluisse dall'imbuto senza essere sostituito da un uguale volume d'aria, si formerebbe una pressione negativa nell'imbuto. Pertanto, prima di scaricare il liquido da un imbuto separatore, rimuovere il tappo (Fig. 7 a).
12. Drenare la maggior parte dello strato inferiore in una beuta pulita, posizionando la pinza ad anello in modo che la punta dell'imbuto separatore sia annidata nella beuta per evitare schizzi (Fig. 7 b). Interrompere il drenaggio quando l'interfaccia si trova a meno di 1 cm dal fondo del rubinetto.
13. Ruotare delicatamente l'imbuto per staccare le gocce che si aggrappano al vetro (Fig. 7 c). Si può usare una bacchetta per agitare il vetro per staccare le gocce che si aggrappano in modo ostinato.
14. Drenare ulteriormente lo strato inferiore, fermandosi quando l'interfaccia entra appena nella camera del rubinetto di arresto (Fig. 7 d). Etichettare la beuta (ad es. "strato inferiore").
Nota di sicurezza: non puntare mai il rubinetto d'arresto verso qualcuno mentre si sfiata, perché è possibile che un po' di liquido schizzi su di lui o su di lei.
9. Chiudere il rubinetto e mescolare le soluzioni con un po' più di vigore, fermandosi periodicamente per sfiatare il sistema. Ci sono opinioni diverse su quanto vigorosamente le soluzioni debbano essere mescolate negli imbuti separatori e per quanto tempo. In linea di massima, una miscelazione blanda per 10-20 secondi dovrebbe essere sufficiente. Per alcune soluzioni (ad esempio il diclorometano), occorre fare attenzione a non agitare troppo vigorosamente, poiché queste soluzioni spesso formano emulsioni (in cui l'interfaccia tra le soluzioni non si chiarisce). Per le soluzioni soggette a emulsioni, l'imbuto deve essere agitato delicatamente per un minuto.
10. Posizionare l'imbuto separatore in posizione verticale nella pinza ad anello per consentire la completa separazione degli strati. L'interfaccia tra gli strati dovrebbe depositarsi piuttosto rapidamente, spesso entro 10 secondi circa. Se l'interfaccia è offuscata o non ben definita (si è formata un'emulsione), consultare la sezione dedicata alla risoluzione dei problemi.
Separare gli strati (per un'estrazione singola)
11. Il liquido non drena bene da un imbuto separatore se il tappo rimane inserito, poiché l'aria non può entrare nell'imbuto per sostituire il liquido spostato. Se il liquido defluisse dall'imbuto senza essere sostituito da un uguale volume d'aria, si formerebbe una pressione negativa nell'imbuto. Pertanto, prima di scaricare il liquido da un imbuto separatore, rimuovere il tappo (Fig. 7 a).
12. Drenare la maggior parte dello strato inferiore in una beuta pulita, posizionando la pinza ad anello in modo che la punta dell'imbuto separatore sia annidata nella beuta per evitare schizzi (Fig. 7 b). Interrompere il drenaggio quando l'interfaccia si trova a meno di 1 cm dal fondo del rubinetto.
13. Ruotare delicatamente l'imbuto per staccare le gocce che si aggrappano al vetro (Fig. 7 c). Si può usare una bacchetta per agitare il vetro per staccare le gocce che si aggrappano in modo ostinato.
14. Drenare ulteriormente lo strato inferiore, fermandosi quando l'interfaccia entra appena nella camera del rubinetto di arresto (Fig. 7 d). Etichettare la beuta (ad es. "strato inferiore").
15. Versare lo strato superiore dall'imbuto separatore in un'altra beuta pulita (Fig. 8 a), avendo cura di etichettare nuovamente questa beuta (Fig. 8 b). È una tecnica corretta drenare lo strato inferiore attraverso il rubinetto di arresto e versare lo strato superiore dall'alto dell'imbuto. Questo metodo riduce al minimo il rimescolamento delle soluzioni, poiché solo lo strato inferiore tocca il gambo dell'imbuto.
16. Non gettare mai i liquidi di un'estrazione finché non si è assolutamente sicuri di avere il composto desiderato. Gli strati non desiderati possono essere smaltiti correttamente quando il composto desiderato è nelle vostre mani (ad esempio, dopo che l'evaporatore rotante ha rimosso il solvente).
Gli errori commessi durante le estrazioni (ad esempio, continuare con lo strato sbagliato) possono essere risolti a condizione che le soluzioni non siano state messe nel contenitore dei rifiuti! Gli strati dovrebbero essere conservati fino a dopo l'evaporazione, perché il composto desiderato potrebbe non essere molto solubile nel solvente utilizzato. Se il composto non si estrae in un solvente, si può provare in un secondo momento con un solvente diverso, anche in questo caso solo se gli strati non sono ancora stati gettati via.
Pulizia (per estrazione singola)
Per pulire un imbuto separatore, sciacquarlo prima con acetone in un contenitore per rifiuti. Quindi lavare l'imbuto con acqua e sapone sul piano di lavoro. Smontare il rubinetto in teflon (se utilizzato). Dopo il risciacquo con acqua distillata, lasciare asciugare le parti separate nel proprio armadietto (Fig. 8 c).
Gli errori commessi durante le estrazioni (ad esempio, continuare con lo strato sbagliato) possono essere risolti a condizione che le soluzioni non siano state messe nel contenitore dei rifiuti! Gli strati dovrebbero essere conservati fino a dopo l'evaporazione, perché il composto desiderato potrebbe non essere molto solubile nel solvente utilizzato. Se il composto non si estrae in un solvente, si può provare in un secondo momento con un solvente diverso, anche in questo caso solo se gli strati non sono ancora stati gettati via.
Pulizia (per estrazione singola)
Per pulire un imbuto separatore, sciacquarlo prima con acetone in un contenitore per rifiuti. Quindi lavare l'imbuto con acqua e sapone sul piano di lavoro. Smontare il rubinetto in teflon (se utilizzato). Dopo il risciacquo con acqua distillata, lasciare asciugare le parti separate nel proprio armadietto (Fig. 8 c).
Estrazioni multiple.
In questa sezione sono riportate istruzioni graduali su come estrarre una soluzione acquosa con un solvente organico meno denso dell'acqua (lo strato organico si troverà in alto). A titolo di esempio, le istruzioni sono scritte per estrarre una soluzione acquosa tre volte utilizzando 25 ml di etere etilico ogni volta (3×25 ml di etere etilico). Un riepilogo procedurale delle prime due estrazioni è riportato nella Fig.9 Due estrazioni quando lo strato organico si trova in alto.
Estrazione n. 1
1. Eseguire una singola estrazione utilizzando circa 25 ml di etere etilico (non è necessaria una quantità esatta), come descritto in precedenza, assicurandosi di etichettare in modo appropriato ogni strato (ad esempio, "strato organico superiore" e "strato acquoso inferiore").
Estrazione #2
2. Riportare lo strato acquoso nell'imbuto separatore. Non è necessario lavare l'imbuto tra le estrazioni.
3. Aggiungere una nuova porzione da 25 ml di etere etilico nell'imbuto separatore. Tappare l'imbuto, capovolgere e agitare con lo sfiato, quindi lasciare che gli strati si separino.
A questo punto, nell'imbuto separatore dovrebbero essere presenti due strati. Se non ci sono due strati, è probabile che nell'imbuto sia stato aggiunto lo strato sbagliato nel passaggio 2 (un errore comune). Un modo per verificare se si tratta di un errore è quello di aggiungere un po' d'acqua da un flacone a spruzzo. Se lo strato riportato nell'imbuto separatore è lo strato organico (errato), l'acqua della bottiglia non si mescolerà con la soluzione e cadrà come gocce sul fondo. Se lo strato organico (non corretto) è stato accidentalmente riportato nell'imbuto separatore, non c'è alcun danno, poiché lo strato organico è stato semplicemente diluito. Versare nuovamente il liquido nella beuta destinata allo strato organico e aggiungere invece la soluzione acquosa nell'imbuto.
4. Drenare lo strato acquoso di fondo in una beuta: è accettabile utilizzare la stessa beuta che è stata usata per lo strato acquoso nella prima estrazione (che può essere stata etichettata come "strato acquoso di fondo").
5. Poiché è più comune combinare gli strati organici in più estrazioni, lo strato organico superiore può essere versato dall'imbuto separatore nello stesso matraccio utilizzato per lo strato organico nella prima estrazione (che può essere stato etichettato come "strato organico superiore"). In questa beuta dovrebbero esserci circa 50 ml di etere etilico provenienti dalle due estrazioni.
Estrazione n. 3
6. Ripetere l'estrazione una terza volta aggiungendo lo strato acquoso della seconda estrazione nell'imbuto separatore, seguito da un'altra porzione da 25 ml di etere etilico. Tappare l'imbuto, capovolgere e agitare con sfiato, quindi lasciare che gli strati si separino.
7. Drenare lo strato acquoso nell'apposito matraccio e versare nuovamente lo strato superiore nel matraccio dello strato organico, dove dovrebbero esserci circa 75 ml di etere etilico provenienti dalle tre estrazioni.
1. Eseguire una singola estrazione utilizzando circa 25 ml di etere etilico (non è necessaria una quantità esatta), come descritto in precedenza, assicurandosi di etichettare in modo appropriato ogni strato (ad esempio, "strato organico superiore" e "strato acquoso inferiore").
Estrazione #2
2. Riportare lo strato acquoso nell'imbuto separatore. Non è necessario lavare l'imbuto tra le estrazioni.
3. Aggiungere una nuova porzione da 25 ml di etere etilico nell'imbuto separatore. Tappare l'imbuto, capovolgere e agitare con lo sfiato, quindi lasciare che gli strati si separino.
A questo punto, nell'imbuto separatore dovrebbero essere presenti due strati. Se non ci sono due strati, è probabile che nell'imbuto sia stato aggiunto lo strato sbagliato nel passaggio 2 (un errore comune). Un modo per verificare se si tratta di un errore è quello di aggiungere un po' d'acqua da un flacone a spruzzo. Se lo strato riportato nell'imbuto separatore è lo strato organico (errato), l'acqua della bottiglia non si mescolerà con la soluzione e cadrà come gocce sul fondo. Se lo strato organico (non corretto) è stato accidentalmente riportato nell'imbuto separatore, non c'è alcun danno, poiché lo strato organico è stato semplicemente diluito. Versare nuovamente il liquido nella beuta destinata allo strato organico e aggiungere invece la soluzione acquosa nell'imbuto.
4. Drenare lo strato acquoso di fondo in una beuta: è accettabile utilizzare la stessa beuta che è stata usata per lo strato acquoso nella prima estrazione (che può essere stata etichettata come "strato acquoso di fondo").
5. Poiché è più comune combinare gli strati organici in più estrazioni, lo strato organico superiore può essere versato dall'imbuto separatore nello stesso matraccio utilizzato per lo strato organico nella prima estrazione (che può essere stato etichettato come "strato organico superiore"). In questa beuta dovrebbero esserci circa 50 ml di etere etilico provenienti dalle due estrazioni.
Estrazione n. 3
6. Ripetere l'estrazione una terza volta aggiungendo lo strato acquoso della seconda estrazione nell'imbuto separatore, seguito da un'altra porzione da 25 ml di etere etilico. Tappare l'imbuto, capovolgere e agitare con sfiato, quindi lasciare che gli strati si separino.
7. Drenare lo strato acquoso nell'apposito matraccio e versare nuovamente lo strato superiore nel matraccio dello strato organico, dove dovrebbero esserci circa 75 ml di etere etilico provenienti dalle tre estrazioni.
Risoluzione dei problemi.
Questa sezione descrive i problemi e le soluzioni più comuni nelle estrazioni.C'è un solo strato
La ragione più comune per cui si ha un solo strato in un imbuto separatore quando dovrebbero essercene due (come quando la procedura dice di "separare gli strati") è che si è commesso un errore. È probabile che nell'imbuto separatore sia stato aggiunto lo strato sbagliato, ad esempio lo strato organico invece di quello acquoso. Quando il solvente organico viene aggiunto a uno strato organico nell'imbuto separatore, il risultato è un solo strato. È possibile rimediare all'errore finché gli strati non sono ancora stati gettati via! Se nell'imbuto viene aggiunto lo strato corretto, tutto funzionerà come previsto. Per evitare di commettere questo errore in futuro, assicuratevi di etichettare le beute. Inoltre, non gettate mai via uno strato finché non siete assolutamente sicuri di aver fatto tutto correttamente.
Un motivo occasionale per cui si forma un solo strato in un imbuto separatore è la presenza di grandi quantità di composti che si sciolgono in entrambi i solventi, ad esempio se sono presenti grandi quantità di etanolo, che si scioglie bene sia nei solventi acquosi che in quelli organici. In questa situazione, l'approccio migliore è quello di rimuovere il composto problematico (cioè l'etanolo) su un evaporatore rotante prima dell'estrazione.
Ci sono tre strati
Il motivo più comune per cui si formano tre strati in un imbuto separatore è una miscelazione inadeguata (Fig. 10 a). Se l'imbuto viene agitato con più forza, è probabile che si depositi in due strati (Fig. 10 b). È anche possibile che il terzo strato centrale sia un'emulsione, in cui i due strati non sono completamente separati.
La ragione più comune per cui si ha un solo strato in un imbuto separatore quando dovrebbero essercene due (come quando la procedura dice di "separare gli strati") è che si è commesso un errore. È probabile che nell'imbuto separatore sia stato aggiunto lo strato sbagliato, ad esempio lo strato organico invece di quello acquoso. Quando il solvente organico viene aggiunto a uno strato organico nell'imbuto separatore, il risultato è un solo strato. È possibile rimediare all'errore finché gli strati non sono ancora stati gettati via! Se nell'imbuto viene aggiunto lo strato corretto, tutto funzionerà come previsto. Per evitare di commettere questo errore in futuro, assicuratevi di etichettare le beute. Inoltre, non gettate mai via uno strato finché non siete assolutamente sicuri di aver fatto tutto correttamente.
Un motivo occasionale per cui si forma un solo strato in un imbuto separatore è la presenza di grandi quantità di composti che si sciolgono in entrambi i solventi, ad esempio se sono presenti grandi quantità di etanolo, che si scioglie bene sia nei solventi acquosi che in quelli organici. In questa situazione, l'approccio migliore è quello di rimuovere il composto problematico (cioè l'etanolo) su un evaporatore rotante prima dell'estrazione.
Ci sono tre strati
Il motivo più comune per cui si formano tre strati in un imbuto separatore è una miscelazione inadeguata (Fig. 10 a). Se l'imbuto viene agitato con più forza, è probabile che si depositi in due strati (Fig. 10 b). È anche possibile che il terzo strato centrale sia un'emulsione, in cui i due strati non sono completamente separati.
C'è materiale insolubile all'interfaccia.
Una piccola quantità di pellicola insolubile tra due strati non è rara durante un'estrazione. I materiali polimerici tendono a riposare tra gli strati poiché le interazioni con il solvente sono ridotte al minimo all'interfaccia. Una piccola quantità di film non è preoccupante perché, se si trova nello strato organico, una successiva fase di essiccazione e filtrazione spesso la rimuove.
L'interfaccia non è visibile.
A volte i composti in un imbuto separatore sono così scuri da oscurare l'interfaccia tra i due strati. In questo caso, esistono diversi metodi che possono aiutare a vedere l'interfaccia. Uno è quello di tenere l'imbuto separatore alla luce o di far brillare una torcia elettrica sul vetro (Fig. 11 b). La luce aggiuntiva a volte permette di vedere l'interfaccia. Un secondo metodo consiste nell'osservare attentamente gli strati inclinando l'imbuto lateralmente (Fig. 11 c). L'occhio può talvolta cogliere sottili differenze nel modo in cui i liquidi scorrono. Un terzo metodo consiste nell'aggiungere un po' di solvente all'imbuto per diluire in qualche modo uno degli strati, oppure aggiungere un solvente diverso per alterare l'indice di rifrazione.
Gli strati non si separano bene (si forma un'emulsione)
Le emulsioni possono verificarsi per diversi motivi.
1. La densità di ogni strato può essere così simile che la separazione dei liquidi è poco motivata.2. Possono essere presenti composti simili al sapone o altri agenti emulsionanti che dissolvono alcuni componenti l'uno nell'altro.
Le emulsioni possono essere molto difficili da correggere ed è meglio evitarle agitando delicatamente nell'imbuto separatore le soluzioni soggette a emulsioni (ad esempio, diclorometano con soluzioni altamente basiche o dense). Tuttavia, se si forma un'emulsione, esistono alcuni modi per cercare di chiarirla.
- a) Per le emulsioni lievi, agitare delicatamente gli strati e cercare di abbattere le goccioline in sospensione con una bacchetta di vetro.
- b) Se possibile, lasciare riposare la soluzione per un certo periodo di tempo (anche fino al periodo di laboratorio successivo). Con un tempo sufficiente, alcune soluzioni si depositano da sole. Questo, ovviamente, potrebbe non essere pratico.
- c) Per piccoli volumi, utilizzare una centrifuga, se disponibile. La centrifuga accelera il processo di sedimentazione dell'emulsione. Ricordate che la centrifuga deve essere bilanciata, altrimenti potrebbe oscillare dal piano di lavoro. Dividere equamente le soluzioni, mettendo tubi di uguale volume uno di fronte all'altro all'interno della centrifuga.
- d) Se si forma un'emulsione perché i due strati hanno densità simili, provate a modificare la densità di ciascuno strato per renderli più diversi. Per aiutare a chiarire un'emulsione, provate a diminuire la densità dello strato superiore o ad aumentare quella dello strato inferiore. Ad esempio, se si verifica un'emulsione con acetato di etile (strato superiore) e una soluzione acquosa (strato inferiore), aggiungere NaCl. NaCl si dissolverà nello strato acquoso e aumenterà la densità della soluzione acquosa. In alternativa, aggiungere altro acetato di etile, che diluirà lo strato organico e ne diminuirà la densità. Come ultima risorsa, aggiungere del pentano, che si mescolerà con lo strato organico superiore e ne diminuirà la densità (il pentano è uno dei solventi organici meno densi). L'aggiunta di pentano viene utilizzata come ultimo sforzo, poiché influisce negativamente sulla capacità dello strato organico di estrarre composti piuttosto polari.
Se si verifica un'emulsione con una soluzione acquosa (strato superiore) e diclorometano (strato inferiore), aggiungere un po' d'acqua da una bottiglia a spruzzo per diluire lo strato superiore e diminuirne la densità. Questo metodo ha funzionato bene per chiarire l'emulsione della Fig. 13 c, come dimostra la Fig. 13 d. - c) Provare a diminuire la solubilità di un componente nell'altro. Un metodo consiste nell'aggiungere NaCl o NH4Cl all'imbuto separatore, che si scioglie nello strato acquoso e diminuisce la capacità dei composti organici di sciogliersi in acqua ("salatura").
Estrazione acido-base
Come funzionano.
Una modifica delle estrazioni precedentemente discusse in questo capitolo consiste nell'eseguire una reazione chimica nell'imbuto separatore per modificare la polarità e quindi la partizione di un composto negli strati acquoso e organico. Un metodo comune è quello di eseguire una reazione acido-base, che può convertire alcuni composti da forme neutre a forme ioniche (o viceversa).
Ad esempio, immaginiamo che una miscela di acido benzoico e cicloesano sia sciolta in un solvente organico come l'acetato di etile in un imbuto separatore. Per separare i componenti, si può tentare un lavaggio con acqua per rimuovere l'acido benzoico, ma l'acido benzoico non è particolarmente solubile in acqua a causa del suo anello aromatico non polare, e solo piccole quantità verrebbero estratte nello strato acquoso (Fig.14 a).
Ad esempio, immaginiamo che una miscela di acido benzoico e cicloesano sia sciolta in un solvente organico come l'acetato di etile in un imbuto separatore. Per separare i componenti, si può tentare un lavaggio con acqua per rimuovere l'acido benzoico, ma l'acido benzoico non è particolarmente solubile in acqua a causa del suo anello aromatico non polare, e solo piccole quantità verrebbero estratte nello strato acquoso (Fig.14 a).
La separazione di una miscela di acido benzoico e cicloesano è tuttavia possibile utilizzando un lavaggio con una base, come NaOH. A causa della sua natura acida, l'acido benzoico può subire la seguente reazione con NaOH, ottenendo il sale carbossilato di sodio benzoato.
Le proprietà di solubilità degli acidi carbossilici sono sostanzialmente diverse da quelle dei loro corrispondenti sali carbossilati. Il salicilato di sodio è circa 350 volte più solubile in acqua dell'acido salicilico a causa del suo carattere ionico (Fig.15), mentre è piuttosto insolubile in solventi organici come l'etere dietilico.
Pertanto, un lavaggio con NaOH convertirebbe l'acido benzoico nella sua forma di carbossilato ionico, che sarebbe quindi più solubile nello strato acquoso, consentendo l'estrazione del benzoato di sodio nello strato acquoso. Il cicloesano rimarrebbe nello strato organico, poiché non ha alcuna affinità con la fase acquosa e non può reagire in alcun modo con l'NaOH. In questo modo è possibile separare una miscela di acido benzoico e cicloesano (Fig. 14 b). Lo strato acquoso può essere successivamente acidificato con HCl(aq), se lo si desidera, per riconvertire l'acido benzoico nella sua forma neutra.
Lavaggi con bicarbonato di sodio
Per estrarre gli acidi carbossilici dallo strato organico allo strato acquoso è possibile utilizzare un'estrazione acido-base. Come discusso nella sezione precedente, l'NaOH può essere utilizzato per convertire un acido carbossilico nella sua forma ionica carbossilata, più solubile in acqua. Tuttavia, se la miscela contiene un composto desiderato che può reagire con l'NaOH, è necessario utilizzare una base più blanda come il bicarbonato di sodio. Si verifica una reazione simile.
Lavaggi con bicarbonato di sodio
Per estrarre gli acidi carbossilici dallo strato organico allo strato acquoso è possibile utilizzare un'estrazione acido-base. Come discusso nella sezione precedente, l'NaOH può essere utilizzato per convertire un acido carbossilico nella sua forma ionica carbossilata, più solubile in acqua. Tuttavia, se la miscela contiene un composto desiderato che può reagire con l'NaOH, è necessario utilizzare una base più blanda come il bicarbonato di sodio. Si verifica una reazione simile.
Una differenza nell'uso della base NaHCO3 invece di NaOH è che il sottoprodotto acido carbonico (H2CO3) può decomporsi in acqua e anidride carbonica. Quando si agita una soluzione acida con bicarbonato di sodio in un imbuto separatore, si deve fare attenzione ad agitare delicatamente e a sfiatare più frequentemente per rilasciare la pressione del gas.
Un esempio di reazione che spesso utilizza il lavaggio con bicarbonato di sodio nel work-up è la reazione di esterificazione di Fischer. Per dimostrarlo, l'acido benzoico è stato fatto rifluire in etanolo insieme ad acido solforico concentrato per formare etilbenzoato (Fig. 16 a e b). Una lastra TLC della miscela di reazione a 1 ora di riflusso mostrava un residuo di acido carbossilico non reagito (Fig. 16 c), cosa non rara a causa dell'energia della reazione.
Un esempio di reazione che spesso utilizza il lavaggio con bicarbonato di sodio nel work-up è la reazione di esterificazione di Fischer. Per dimostrarlo, l'acido benzoico è stato fatto rifluire in etanolo insieme ad acido solforico concentrato per formare etilbenzoato (Fig. 16 a e b). Una lastra TLC della miscela di reazione a 1 ora di riflusso mostrava un residuo di acido carbossilico non reagito (Fig. 16 c), cosa non rara a causa dell'energia della reazione.
L'acido carbossilico residuo può essere rimosso dal prodotto estere desiderato utilizzando un'estrazione acido-base in un imbuto separatore. Un lavaggio con bicarbonato di sodio converte l'acido benzoico nella sua forma più idrosolubile di benzoato di sodio, estraendolo nello strato acquoso (Fig. 17). Inoltre, il bicarbonato di sodio neutralizza l'acido catalitico di questa reazione.
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Il bicarbonato di sodio è preferibile all'NaOH in questo processo, in quanto è una base molto più debole; il lavaggio con NaOH potrebbe causare l'idrolisi del prodotto estere.
Miscele di acidi e basi
Come discusso in precedenza, le proprietà acido-base dei composti possono essere utilizzate per estrarre selettivamente alcuni composti dalle miscele. Questa strategia può essere estesa ad altri esempiMiscele di acidi e basi
Estrazione di basi
I composti basici come le ammine possono essere estratti da soluzioni organiche agitandoli con soluzioni acide per convertirli in sali più solubili in acqua. In questo modo, possono essere estratti da uno strato organico in uno strato acquoso.Estrazione di acidi carbossilici e fenoli
Come discusso in precedenza, gli acidi carbossilici possono essere estratti da uno strato organico in uno strato acquoso agitando con soluzioni basiche, che li convertono nei loro sali più solubili in acqua.
Come discusso in precedenza, gli acidi carbossilici possono essere estratti da uno strato organico in uno strato acquoso agitando con soluzioni basiche, che li convertono nei loro sali più solubili in acqua.
Una reazione simile avviene con i fenoli (PhOH) e anch'essi possono essere estratti in uno strato acquoso di NaOH (Fig. 18 a).
Tuttavia, i fenoli sono molto meno acidi degli acidi carbossilici e non sono abbastanza acidi da reagire completamente con NaHCO3, una base più debole. Pertanto, una soluzione di bicarbonato può essere utilizzata per separare miscele di fenoli e acidi carbossilici (Fig.18 b).
Tuttavia, i fenoli sono molto meno acidi degli acidi carbossilici e non sono abbastanza acidi da reagire completamente con NaHCO3, una base più debole. Pertanto, una soluzione di bicarbonato può essere utilizzata per separare miscele di fenoli e acidi carbossilici (Fig.18 b).
Estrazione di composti acidi, basici e neutri
Le proprietà acido-base discusse in precedenza consentono di purificare una miscela contenente componenti acidi (ad esempio RCO2H), basici (ad esempio RNH2) e neutri attraverso una serie di estrazioni, come riassunto nella Fig.19 (che utilizza un solvente organico meno denso dell'acqua).
Le proprietà acido-base discusse in precedenza consentono di purificare una miscela contenente componenti acidi (ad esempio RCO2H), basici (ad esempio RNH2) e neutri attraverso una serie di estrazioni, come riassunto nella Fig.19 (che utilizza un solvente organico meno denso dell'acqua).
Si presume che i lettori che conducono questo tipo di esperimento abbiano familiarità con l'esecuzione di estrazioni singole e multiple. In questa sezione sono descritte le differenze tra le procedure di estrazione generali e il processo riassunto nella Fig. 19.
1. Isolamento della componente acida:
a) Quando la componente acida si trova nello strato acquoso in una beuta, può essere riconvertita nella componente neutra mediante l'aggiunta di 2M HCl(aq) fino a quando la soluzione non dà un pH di 3-4 (come determinato dalla carta pH). Se sono presenti grandi quantità di acido e l'acidificazione richiederebbe un volume troppo elevato di HCl(aq) 2M, è possibile aggiungere HCl(aq) concentrato a goccia. Concentrazioni inferiori di Hcl(aq) sono meno pericolose, ma l'aumento del volume dello strato acquoso di una quantità elevata influirebbe sull'efficienza delle successive estrazioni e fasi di filtrazione.
b) Dopo l'acidificazione, si possono prendere due strade, a seconda che il componente acido sia solido o liquido.
1. Isolamento della componente acida:
a) Quando la componente acida si trova nello strato acquoso in una beuta, può essere riconvertita nella componente neutra mediante l'aggiunta di 2M HCl(aq) fino a quando la soluzione non dà un pH di 3-4 (come determinato dalla carta pH). Se sono presenti grandi quantità di acido e l'acidificazione richiederebbe un volume troppo elevato di HCl(aq) 2M, è possibile aggiungere HCl(aq) concentrato a goccia. Concentrazioni inferiori di Hcl(aq) sono meno pericolose, ma l'aumento del volume dello strato acquoso di una quantità elevata influirebbe sull'efficienza delle successive estrazioni e fasi di filtrazione.
b) Dopo l'acidificazione, si possono prendere due strade, a seconda che il componente acido sia solido o liquido.
- Se si forma un solido dopo l'acidificazione del sale ionico, è possibile raccoglierlo mediante filtrazione per aspirazione. Questo metodo deve essere utilizzato solo se si osservano grandi quantità di cristalli di grandi dimensioni. Se si formano cristalli fini (che sono piuttosto comuni), essi intasano la carta da filtro e interferiscono con un drenaggio adeguato. Se si osserva solo una piccola quantità di solido rispetto alla quantità teorica, è probabile che il composto sia abbastanza solubile in acqua e la filtrazione porterebbe a un basso recupero.
- Se all'acidificazione non si forma alcun solido (o se si formano cristalli fini o una bassa quantità di solido), estrarre nuovamente il componente acido in un solvente organico (×3). Come regola generale, utilizzare per le estrazioni una quantità di solvente pari a un terzo dello strato originale (ad esempio, se si utilizzano 100 ml di soluzione acquosa, estrarre ogni volta con 33 ml di solvente organico). Assicurarsi di raffreddare la soluzione acquosa in un bagno di ghiaccio prima dell'estrazione se l'acidificazione ha creato un calore notevole. Seguire con un lavaggio in salamoia (×1) se si utilizza etere etilico o acetato di etile, asciugare con un agente essiccante e rimuovere il solvente tramite evaporatore rotante per lasciare la componente acida pura.
2. Isolamento della componente basica:
Utilizzare un procedimento simile a quello dell'isolamento della componente acida, ma basificare la soluzione con NaOH(aq) 2M fino a ottenere un pH di 9-10 determinato con carta pH.
3. Isolamento della componente neutra:
Il componente neutro sarà il composto "avanzato" nello strato organico. Per isolare, lavare con salamoia (×1) se si usa etere dietilico o acetato di etile, asciugare con un agente essiccante e rimuovere il solvente tramite evaporatore rotante per lasciare il componente neutro puro.
Utilizzare un procedimento simile a quello dell'isolamento della componente acida, ma basificare la soluzione con NaOH(aq) 2M fino a ottenere un pH di 9-10 determinato con carta pH.
3. Isolamento della componente neutra:
Il componente neutro sarà il composto "avanzato" nello strato organico. Per isolare, lavare con salamoia (×1) se si usa etere dietilico o acetato di etile, asciugare con un agente essiccante e rimuovere il solvente tramite evaporatore rotante per lasciare il componente neutro puro.
Conclusioni.
I metodi di estrazione vengono utilizzati per estrarre alcune sostanze da una miscela. Queste sostanze possono essere basi, acidi o neutri (polari o non polari). Ad esempio, questo metodo viene utilizzato durante la produzione di anfetamina nella fase di decantazione: raccogliere lo strato superiore contenente la base di anfetamina in alcol. Si può asciugare un po' con solfato di magnesio anidro e le scorie possono essere ulteriormente estratte con un solvente non polare (etere, benzene, toluene); il solvente viene poi evaporato. La produzione di mefedro comprende la manipolazione con imbuto separatore e l'estrazione. Inoltre, l'estrazione acido-base è utilizzata nella purificazione di alcune sostanze psicoattive dalle impurità.
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