Теория экстракции.
Под "экстракцией" понимается перенос соединения (соединений) из твердого или жидкого состояния в другой растворитель или фазу. Когда чайный пакетик добавляют в горячую воду, соединения, отвечающие за аромат и цвет чая, экстрагируются из заварки в воду. Кофе без кофеина получают с помощью растворителей или сверхкритического диоксида углерода, чтобы извлечь кофеин из кофейных зерен. В химической лаборатории чаще всего используется экстракция жидкость-жидкость - процесс, который происходит в делительной воронке. Раствор, содержащий растворенные компоненты, помещают в воронку и добавляют несмешивающийся растворитель, в результате чего образуются два слоя, которые встряхивают вместе. Чаще всего один слой является водным, а другой - органическим растворителем. Компоненты "экстрагируются", когда переходят из одного слоя в другой. Форма делительной воронки позволяет эффективно сливать и разделять два слоя.
Рис.1 Схема экстракции
Соединения переходят из одной жидкости в другую в зависимости от их относительной растворимости в каждой жидкости. Краткое руководство по растворимости - это принцип "подобное растворяется подобным", означающий, что неполярные соединения должны легко экстрагироваться в неполярные растворители (и наоборот). Соединения, отвечающие за вкус и цвет чая, должны быть полярными, если они легко экстрагируются в горячей воде. Если дать двум жидкостям уравновеситься в делительной воронке, большая часть соединения часто оказывается в том слое, в котором оно более растворимо.
Рис.2
Пошаговые процедуры экстракции.
Одиночная экстракция.
На рисунках в этом разделе показана однократная экстракция метилового красного (цветное соединение, рис. 3) из водного раствора (нижний слой) в 25 мл этилацетата (верхний слой). Водный раствор изначально имеет розовый цвет, так как метиловый красный окрашивается в кислый цвет (водный раствор был приготовлен из 50 мл воды, 5 капель 0,1MHCl и 5 капель 1% раствора индикатора метилового красного). Метиловый красный имеет большой коэффициент разделения и при этом экстрагируется из водного слоя в этилацетат.
Ход экстракции метилового красного (окрашенного соединения) из кислого водного слоя (внизу) в органический слой (вверху). Переворачивание проводилось медленно, чтобы увидеть поэтапную экстракцию. Даже при осторожном перемешивании метиловый красный быстро экстрагируется.
Подготовьте установку (для одиночного извлечения)
1. Возьмите сепарационную воронку (рис. 4 a).- a) Если сепарационная воронка имеет тефлоновый запорный кран, соберите его, если он был разобран для сушки, расположив детали в соответствующем порядке (рис. 4 b). Убедитесь, что тефлоновый кран затянут в меру туго, чтобы он мог легко поворачиваться, но не настолько свободно, чтобы жидкость могла просочиться вокруг соединения.
- б) Если вы используете стеклянный кран (рис. 4 в), он, скорее всего, не нуждается в дополнительной подготовке. Необходимо нанести очень тонкий слой смазки, чтобы уплотнить кран и предотвратить его замерзание. Если в наличии имеются как стеклянные, так и тефлоновые краны, лучше выбрать тефлон, поскольку всегда существует вероятность того, что растворитель может растворить смазку, используемую в стеклянных кранах, и загрязнить образец.
- c) Также приобретите пробку (тефлоновую или из шлифованного стекла), которая хорошо вставляется в верхнее соединение воронки (рис. 4 a).
2. Поместите сепарационную воронку в кольцевой зажим, прикрепленный к кольцевой подставке или решетке. Воронки легко ломаются, поэтому закрепите воронку в металлическом зажиме с помощью кусочков разрезанной резиновой или пластиковой трубки (рис. 4 d).
Добавьте растворы (для однократной экстракции)
3. Прежде чем наливать что-либо в делительную воронку, убедитесь, что запорный кран находится в "закрытом" положении, когда кран расположен горизонтально (рис. 5 a). Для подстраховки всегда ставьте колбу Эрленмейера под сепарационную воронку перед наливанием (рис. 5 b). Она может задержать жидкость в случае, если запорный кран случайно оставлен открытым или если запорный кран ослаблен и жидкость непреднамеренно вытекает через него.
4. С помощью воронки налейте жидкость, которую нужно извлечь, в сепарационную воронку (рис. 5 b). Сепарационную воронку никогда не следует использовать с горячей или теплой жидкостью. Шлифованное стеклянное соединение на вершине сепарационной воронки может прилипнуть к пробке, если в это соединение в какой-то момент попала жидкость. Наливая жидкость в делительную воронку с помощью воронки с короткой ножкой, вы избежите намокания соединения, что уменьшит вероятность его замерзания во время смешивания.
3. Прежде чем наливать что-либо в делительную воронку, убедитесь, что запорный кран находится в "закрытом" положении, когда кран расположен горизонтально (рис. 5 a). Для подстраховки всегда ставьте колбу Эрленмейера под сепарационную воронку перед наливанием (рис. 5 b). Она может задержать жидкость в случае, если запорный кран случайно оставлен открытым или если запорный кран ослаблен и жидкость непреднамеренно вытекает через него.
4. С помощью воронки налейте жидкость, которую нужно извлечь, в сепарационную воронку (рис. 5 b). Сепарационную воронку никогда не следует использовать с горячей или теплой жидкостью. Шлифованное стеклянное соединение на вершине сепарационной воронки может прилипнуть к пробке, если в это соединение в какой-то момент попала жидкость. Наливая жидкость в делительную воронку с помощью воронки с короткой ножкой, вы избежите намокания соединения, что уменьшит вероятность его замерзания во время смешивания.
Налейте в делительную воронку определенное количество экстрагирующего растворителя, как указано в инструкции (рис. 5 c). Нет необходимости использовать точные количества растворителя для экстракции, объемы можно измерять в градуированном цилиндре. Если процедура требует 20 мл растворителя, допустимо использовать каждый раз 20-25 мл.
Смешайте растворы (для однократной экстракции)
6. Поместите пробку на воронку и держите воронку так, чтобы пальцы одной руки надежно закрывали пробку, а другая рука держалась за дно воронки (рис. 6 a).
7. Аккуратно переверните воронку (рис. 6 b) и немного взболтайте смесь. Хотя нередко при переворачивании воронки жидкость просачивается в шов шлифованного стекла, ее количество должно быть минимальным. Если при переворачивании воронки жидкость капает вам на пальцы или перчатки, вероятно, пробка имеет неправильный размер.
Смешайте растворы (для однократной экстракции)
6. Поместите пробку на воронку и держите воронку так, чтобы пальцы одной руки надежно закрывали пробку, а другая рука держалась за дно воронки (рис. 6 a).
7. Аккуратно переверните воронку (рис. 6 b) и немного взболтайте смесь. Хотя нередко при переворачивании воронки жидкость просачивается в шов шлифованного стекла, ее количество должно быть минимальным. Если при переворачивании воронки жидкость капает вам на пальцы или перчатки, вероятно, пробка имеет неправильный размер.
8. При смешивании растворов внутри делительной воронки может возникнуть давление, поэтому сразу после взбалтывания, когда воронка еще перевернута, "выпустите воздух" из воронки, открыв на короткое время запорный кран, чтобы сбросить давление (рис. 6 c). Давление в воронке повышается, поскольку растворитель испаряется в верхнее пространство и вносит дополнительные пары в первоначальное давление воздуха в воронке, равное ∼1 атмосфере. При использовании сильно летучих растворителей (например, диэтилового эфира) при выпуске воздуха можно услышать определенный звук "свуш", а небольшое количество жидкости может даже выплеснуться через запорный кран. Если жидкость выплескивается через запорный кран, постарайтесь дать ей стечь обратно в воронку. Шум, связанный с выпусканием воздуха, обычно прекращается после второго или третьего переворачивания, так как головное пространство насыщается парами растворителя и давление внутри и снаружи воронки выравнивается.
Примечание по технике безопасности: никогда не направляйте запорный кран в сторону человека, когда вы выпускаете воздух, так как возможно, что жидкость может брызнуть на него.
9. Закройте кран и перемешайте растворы более энергично, периодически останавливаясь, чтобы выпустить воздух из системы. Существуют разные мнения о том, насколько энергично и как долго следует перемешивать растворы в делительных воронках. Как правило, достаточно легкого перемешивания в течение 10-20 секунд. Некоторые растворы (например, дихлорметан) следует перемешивать не слишком энергично, так как эти растворы часто образуют эмульсии (когда граница раздела между растворами не проясняется). Если растворы склонны к образованию эмульсий, воронку следует осторожно покачивать в течение одной минуты.
10. Поместите делительную воронку вертикально в кольцевой зажим, чтобы слои полностью разделились. Граница раздела слоев должна оседать довольно быстро, часто в течение 10 секунд или около того. Если граница раздела помутнела или нечетко очерчена (образовалась эмульсия), обратитесь к разделу "Поиск и устранение неисправностей".
Разделите слои (для однократной экстракции)
11. Жидкость не будет хорошо вытекать из делительной воронки, если пробка остается на месте, так как воздух не может попасть в воронку, чтобы заменить вытесненную жидкость. Если жидкость будет вытекать из воронки без замены ее равным объемом воздуха, в воронке возникнет отрицательное давление. Поэтому, прежде чем сливать жидкость из делительной воронки, снимите пробку (рис. 7 a).
12. Слейте большую часть нижнего слоя в чистую колбу Эрленмейера, расположив кольцевой зажим так, чтобы кончик сепарационной воронки упирался в колбу Эрленмейера для предотвращения разбрызгивания (рис. 7 b). Остановите слив, когда граница раздела будет находиться на расстоянии 1 см от дна запорного крана.
13. Слегка покрутите воронку, чтобы согнать все капли, прилипшие к стеклу (рис. 7 c). Для сбивания неподатливо прилипших капель можно использовать стеклянную палочку для перемешивания.
14. Далее слейте нижний слой, остановившись, когда граница раздела фаз только войдет в камеру запорного крана (рис. 7 d). Промаркируйте колбу Эрленмейера (например, "нижний слой").
Примечание по технике безопасности: никогда не направляйте запорный кран в сторону человека, когда вы выпускаете воздух, так как возможно, что жидкость может брызнуть на него.
9. Закройте кран и перемешайте растворы более энергично, периодически останавливаясь, чтобы выпустить воздух из системы. Существуют разные мнения о том, насколько энергично и как долго следует перемешивать растворы в делительных воронках. Как правило, достаточно легкого перемешивания в течение 10-20 секунд. Некоторые растворы (например, дихлорметан) следует перемешивать не слишком энергично, так как эти растворы часто образуют эмульсии (когда граница раздела между растворами не проясняется). Если растворы склонны к образованию эмульсий, воронку следует осторожно покачивать в течение одной минуты.
10. Поместите делительную воронку вертикально в кольцевой зажим, чтобы слои полностью разделились. Граница раздела слоев должна оседать довольно быстро, часто в течение 10 секунд или около того. Если граница раздела помутнела или нечетко очерчена (образовалась эмульсия), обратитесь к разделу "Поиск и устранение неисправностей".
Разделите слои (для однократной экстракции)
11. Жидкость не будет хорошо вытекать из делительной воронки, если пробка остается на месте, так как воздух не может попасть в воронку, чтобы заменить вытесненную жидкость. Если жидкость будет вытекать из воронки без замены ее равным объемом воздуха, в воронке возникнет отрицательное давление. Поэтому, прежде чем сливать жидкость из делительной воронки, снимите пробку (рис. 7 a).
12. Слейте большую часть нижнего слоя в чистую колбу Эрленмейера, расположив кольцевой зажим так, чтобы кончик сепарационной воронки упирался в колбу Эрленмейера для предотвращения разбрызгивания (рис. 7 b). Остановите слив, когда граница раздела будет находиться на расстоянии 1 см от дна запорного крана.
13. Слегка покрутите воронку, чтобы согнать все капли, прилипшие к стеклу (рис. 7 c). Для сбивания неподатливо прилипших капель можно использовать стеклянную палочку для перемешивания.
14. Далее слейте нижний слой, остановившись, когда граница раздела фаз только войдет в камеру запорного крана (рис. 7 d). Промаркируйте колбу Эрленмейера (например, "нижний слой").
15. Слейте верхний слой из верхней части делительной воронки в другую чистую колбу Эрленмейера (рис. 8 a), не забудьте еще раз промаркировать эту колбу (рис. 8 b). Правильно сливать нижний слой через запорный кран, а верхний слой выливать из верхней части воронки. Этот метод позволяет свести к минимуму повторное смешивание растворов, так как только нижний слой касается ножки воронки.
16. Никогда не выбрасывайте жидкости, полученные в результате экстракции , пока не будете абсолютно уверены, что получили желаемое соединение. Нежелательные слои можно правильно утилизировать, когда желаемое соединение окажется в ваших руках (например, после того, как роторный испаритель удалит растворитель).
Ошибки, допущенные во время экстракции (например, продолжение работы с неправильным слоем), можно устранить, если растворы не были помещены в контейнер для отходов! Слои также следует сохранять до выпаривания, поскольку нужное соединение может оказаться не очень растворимым в использованном растворителе. Если соединение не удалось выделить в одном растворителе, можно попробовать другой растворитель, но только в том случае, если слои еще не были выброшены.
Очистка (для однократной экстракции)
Чтобы очистить сепарационную воронку, сначала промойте ее ацетоном в контейнере для отходов. Затем вымойте воронку водой с мылом на столе. Отсоедините тефлоновый запорный кран (если он используется). После ополаскивания дистиллированной водой дайте деталям высохнуть раздельно в шкафчике (рис. 8 c).
Ошибки, допущенные во время экстракции (например, продолжение работы с неправильным слоем), можно устранить, если растворы не были помещены в контейнер для отходов! Слои также следует сохранять до выпаривания, поскольку нужное соединение может оказаться не очень растворимым в использованном растворителе. Если соединение не удалось выделить в одном растворителе, можно попробовать другой растворитель, но только в том случае, если слои еще не были выброшены.
Очистка (для однократной экстракции)
Чтобы очистить сепарационную воронку, сначала промойте ее ацетоном в контейнере для отходов. Затем вымойте воронку водой с мылом на столе. Отсоедините тефлоновый запорный кран (если он используется). После ополаскивания дистиллированной водой дайте деталям высохнуть раздельно в шкафчике (рис. 8 c).
Многократная экстракция.
В этом разделе приведены пошаговые инструкции по экстракции водного раствора органическим растворителем, который имеет меньшую плотность, чем вода (органический слой будет сверху). В качестве примера приведены инструкции по трехкратной экстракции водного раствора с использованием 25 мл диэтилового эфира каждый раз (3×25 мл диэтилового эфира). Процедурное резюме первых двух экстракций представлено на рис. 9. Две экстракции, когда органический слой находится сверху.
Экстракция №1
1. Проведите однократную экстракцию, используя примерно 25 мл диэтилового эфира (точное количество не обязательно), как описано ранее, не забывая соответствующим образом маркировать каждый слой (например, "верхний органический слой" и "нижний водный слой").
Экстракция №2
2. Верните водный слой в делительную воронку. Промывать воронку между экстракциями не нужно.
3. Добавьте в сепарационную воронку свежую порцию диэтилового эфира объемом 25 мл. Закройте воронку пробкой, переверните и встряхните с отводом воздуха, затем дайте слоям разделиться.
На этом этапе в сепарационной воронке должно быть два слоя. Если двух слоев нет, то, скорее всего, на шаге 2 в воронку был добавлен не тот слой (распространенная ошибка). Один из способов проверить, была ли это ошибка, - добавить немного воды из бутылки со спринцовкой. Если слой, возвращенный в делительную воронку, является органическим слоем (неправильным), вода из бутылочки не смешается с раствором, а упадет в виде капель на дно. Если органический слой (неправильный) был случайно возвращен в делительную воронку, вреда не будет, так как органический слой был просто разбавлен. Перелейте жидкость обратно в колбу, предназначенную для органического слоя, а вместо нее добавьте в воронку водный раствор.
4. Слейте нижний водный слой в колбу Эрленмейера: можно использовать ту же колбу, что и для водного слоя при первой экстракции (на ней может быть надпись "нижний водный слой").
5. Поскольку чаще всего органические слои объединяют в ходе нескольких экстракций, верхний органический слой можно слить из делительной воронки в ту же колбу, которая использовалась для органического слоя в первой экстракции (она может быть обозначена как "верхний органический слой"). В этой колбе должно быть примерно 50 мл диэтилового эфира, полученного в результате двух экстракций.
Экстракция № 3
6. Повторите экстракцию в третий раз, добавив водный слой из второй экстракции в делительную воронку, а затем еще одну порцию диэтилового эфира объемом 25 мл. Закупорьте воронку, переверните и встряхните с вентилированием, затем дайте слоям разделиться.
7. Слейте водный слой в соответствующую колбу, а верхний слой снова перелейте в колбу с органическим слоем, где должно быть примерно 75 мл диэтилового эфира, полученного в результате трех экстракций.
1. Проведите однократную экстракцию, используя примерно 25 мл диэтилового эфира (точное количество не обязательно), как описано ранее, не забывая соответствующим образом маркировать каждый слой (например, "верхний органический слой" и "нижний водный слой").
Экстракция №2
2. Верните водный слой в делительную воронку. Промывать воронку между экстракциями не нужно.
3. Добавьте в сепарационную воронку свежую порцию диэтилового эфира объемом 25 мл. Закройте воронку пробкой, переверните и встряхните с отводом воздуха, затем дайте слоям разделиться.
На этом этапе в сепарационной воронке должно быть два слоя. Если двух слоев нет, то, скорее всего, на шаге 2 в воронку был добавлен не тот слой (распространенная ошибка). Один из способов проверить, была ли это ошибка, - добавить немного воды из бутылки со спринцовкой. Если слой, возвращенный в делительную воронку, является органическим слоем (неправильным), вода из бутылочки не смешается с раствором, а упадет в виде капель на дно. Если органический слой (неправильный) был случайно возвращен в делительную воронку, вреда не будет, так как органический слой был просто разбавлен. Перелейте жидкость обратно в колбу, предназначенную для органического слоя, а вместо нее добавьте в воронку водный раствор.
4. Слейте нижний водный слой в колбу Эрленмейера: можно использовать ту же колбу, что и для водного слоя при первой экстракции (на ней может быть надпись "нижний водный слой").
5. Поскольку чаще всего органические слои объединяют в ходе нескольких экстракций, верхний органический слой можно слить из делительной воронки в ту же колбу, которая использовалась для органического слоя в первой экстракции (она может быть обозначена как "верхний органический слой"). В этой колбе должно быть примерно 50 мл диэтилового эфира, полученного в результате двух экстракций.
Экстракция № 3
6. Повторите экстракцию в третий раз, добавив водный слой из второй экстракции в делительную воронку, а затем еще одну порцию диэтилового эфира объемом 25 мл. Закупорьте воронку, переверните и встряхните с вентилированием, затем дайте слоям разделиться.
7. Слейте водный слой в соответствующую колбу, а верхний слой снова перелейте в колбу с органическим слоем, где должно быть примерно 75 мл диэтилового эфира, полученного в результате трех экстракций.
Устранение неполадок.
В этом разделе описаны общие проблемы и способы их решения при проведении экстракции.Имеется только один слой
Наиболее распространенной причиной того, что в делительной воронке оказался только один слой, а должно быть два (как в случае, когда в инструкции сказано "разделить слои"), является ошибка. Скорее всего, в делительную воронку был добавлен не тот слой - например, вместо водного слоя неосознанно был добавлен органический. Когда органический растворитель добавляется к органическому слою в делительной воронке, в результате получается только один слой. Ошибку можно исправить, пока слои еще не выброшены! Если в воронку будет добавлен правильный слой, все получится, как задумано. Чтобы не допустить подобной ошибки в будущем, обязательно маркируйте колбы Эрленмейера. Кроме того, никогда не выбрасывайте слой, пока не убедитесь, что все сделали правильно.
Иногда в делительной воронке образуется только один слой, если в ней присутствует большое количество соединений, растворяющихся в обоих растворителях, например, если в ней присутствует большое количество этанола, который хорошо растворяется как в водных, так и в органических растворителях. В такой ситуации лучше всего удалить проблемное соединение (например, этанол) на роторном испарителе перед экстракцией.
Три слоя
Наиболее распространенная причина появления трех слоев в делительной воронке - недостаточное перемешивание (рис. 10 a). Если воронку встряхнуть более энергично, она, скорее всего, осядет в два слоя (рис. 10 b). Также возможно, что средний третий слой - это эмульсия, в которой два слоя не полностью разделены.
Наиболее распространенной причиной того, что в делительной воронке оказался только один слой, а должно быть два (как в случае, когда в инструкции сказано "разделить слои"), является ошибка. Скорее всего, в делительную воронку был добавлен не тот слой - например, вместо водного слоя неосознанно был добавлен органический. Когда органический растворитель добавляется к органическому слою в делительной воронке, в результате получается только один слой. Ошибку можно исправить, пока слои еще не выброшены! Если в воронку будет добавлен правильный слой, все получится, как задумано. Чтобы не допустить подобной ошибки в будущем, обязательно маркируйте колбы Эрленмейера. Кроме того, никогда не выбрасывайте слой, пока не убедитесь, что все сделали правильно.
Иногда в делительной воронке образуется только один слой, если в ней присутствует большое количество соединений, растворяющихся в обоих растворителях, например, если в ней присутствует большое количество этанола, который хорошо растворяется как в водных, так и в органических растворителях. В такой ситуации лучше всего удалить проблемное соединение (например, этанол) на роторном испарителе перед экстракцией.
Три слоя
Наиболее распространенная причина появления трех слоев в делительной воронке - недостаточное перемешивание (рис. 10 a). Если воронку встряхнуть более энергично, она, скорее всего, осядет в два слоя (рис. 10 b). Также возможно, что средний третий слой - это эмульсия, в которой два слоя не полностью разделены.
На границе раздела имеется нерастворимый материал.
Небольшое количество нерастворимой пленки между двумя слоями - не редкость во время экстракции. Полимерные материалы обычно остаются между слоями, поскольку взаимодействие растворителей на границе раздела фаз сведено к минимуму. Незначительная пленка не является поводом для беспокойства, так как если небольшое количество попадает в органический слой, последующая сушка и фильтрация часто удаляют ее.
Интерфейс не виден.
Иногда соединения в делительной воронке настолько темные, что не видны границы раздела двух слоев. В этом случае есть несколько методов, которые помогут вам увидеть границу раздела. Один из них - поднести сепарационную воронку к свету или посветить на стекло фонариком (рис. 11 b). Дополнительный свет иногда позволяет увидеть границу раздела. Второй метод - внимательно наблюдать за слоями, наклоняя воронку вперед-назад (рис. 11 c). Глаз иногда может уловить тонкие различия в том, как текут жидкости. Третий метод - добавить в воронку немного больше растворителя, чтобы несколько разбавить один из слоев, или добавить другой растворитель, чтобы изменить показатель преломления.
Слои плохо отделяются друг от друга (образуется эмульсия)
Эмульсии могут возникать по нескольким причинам.
1. Плотность каждого слоя может быть настолько одинаковой, что у жидкостей нет мотивации для разделения.2. Могут присутствовать мылоподобные соединения или другие эмульгаторы, которые растворяют некоторые компоненты друг в друге.
Эмульсии очень трудно устранить, и лучше всего их вообще не допускать, осторожно встряхивая в делительной воронке растворы, склонные к образованию эмульсий (например, дихлорметан с сильноосновными или густыми растворами). Тем не менее, если эмульсия все же образуется, есть несколько способов попытаться ее осветлить.
- a) Для слабых эмульсий осторожно перемешайте слои и попытайтесь сбить взвешенные капли стеклянной палочкой для перемешивания.
- b) По возможности дайте раствору отстояться в течение некоторого времени (даже до следующего лабораторного занятия). При достаточном времени некоторые растворы оседают сами по себе. Это, конечно, может быть нецелесообразно.
- в) Для небольших объемов используйте центрифугу, если она есть в наличии. Центрифуга ускоряет процесс самостоятельного оседания эмульсии. Помните, что центрифуга должна быть сбалансирована, иначе она может шататься на столе. Разделите растворы поровну, поместив пробирки одинакового объема друг напротив друга в центрифуге.
- г) Если эмульсия образовалась из-за того, что два слоя имеют одинаковую плотность, попробуйте изменить плотность каждого слоя, чтобы сделать их более разными. Чтобы осветлить эмульсию, попробуйте уменьшить плотность верхнего слоя или увеличить плотность нижнего. Например, если эмульсия состоит из этилацетата (верхний слой) и водного раствора (нижний слой), добавьте немного NaCl. NaCl растворится в водном слое и увеличит плотность водного раствора. В качестве альтернативы добавьте этилацетат, который разбавит органический слой и снизит его плотность. В крайнем случае добавьте немного пентана, который смешается с верхним органическим слоем и уменьшит его плотность (пентан - один из наименее плотных органических растворителей). Добавление пентана используется в крайнем случае, так как это негативно скажется на способности органического слоя извлекать несколько полярных соединений.
Если образуется эмульсия из водного раствора (верхний слой) и дихлорметана (нижний слой), добавьте немного воды из бутылки со спринцовкой, чтобы разбавить верхний слой и уменьшить его плотность. Этот метод хорошо помог осветлить эмульсию на рис. 13 c, о чем свидетельствует рис. 13 d. - в) Попробуйте уменьшить растворимость одного компонента в другом. Один из методов - добавить в делительную воронку NaCl или NH4Cl, которые растворяются в водном слое и уменьшают способность органических соединений растворяться в воде ("высаливание").
Кислотно-основная экстракция
Как они работают.
Модификация экстракций, ранее рассмотренных в этой главе, заключается в проведении химической реакции в делительной воронке, чтобы изменить полярность и, следовательно, разделение соединения на водный и органический слои. Распространенным методом является кислотно-основная реакция, которая может перевести некоторые соединения из нейтральной в ионную форму (или наоборот).
Например, представьте, что смесь бензойной кислоты и циклогексана растворена в органическом растворителе, таком как этилацетат, в делительной воронке. Для разделения компонентов можно попытаться удалить бензойную кислоту промывкой водой, но бензойная кислота не особенно растворима в воде из-за неполярного ароматического кольца, и в водный слой будет извлечено лишь небольшое количество (рис. 14 а).
Например, представьте, что смесь бензойной кислоты и циклогексана растворена в органическом растворителе, таком как этилацетат, в делительной воронке. Для разделения компонентов можно попытаться удалить бензойную кислоту промывкой водой, но бензойная кислота не особенно растворима в воде из-за неполярного ароматического кольца, и в водный слой будет извлечено лишь небольшое количество (рис. 14 а).
Однако разделение смеси бензойной кислоты и циклогексана возможно при промывке основанием, например NaOH. Благодаря своей кислотной природе бензойная кислота может вступать в реакцию с NaOH следующим образом, в результате чего образуется карбоксилатная соль бензоата натрия.
Растворимость карбоновых кислот существенно отличается от растворимости их соответствующих карбоксилатных солей. Салицилат натрия растворим в воде примерно в 350 раз лучше, чем салициловая кислота, благодаря своему ионному характеру (рис. 15), и практически нерастворим в органических растворителях, таких как диэтиловый эфир.
Поэтому промывка NaOH превратит бензойную кислоту в ее ионную карбоксилатную форму, которая будет более растворима в водном слое, что позволит экстрагировать бензоат натрия в водный слой. Циклогексан остается в органическом слое, поскольку он не имеет сродства к водной фазе и не может вступать в реакцию с NaOH. Таким образом, можно выделить смесь бензойной кислоты и циклогексана (рис. 14 b). Водный слой при желании можно подкислить HCl(aq), чтобы перевести бензойную кислоту обратно в нейтральную форму.
Промывка бикарбонатом натрия
Кислотно-основная экстракция может быть использована для извлечения карбоновых кислот из органического слоя в водный. Как уже говорилось в предыдущем разделе, NaOH можно использовать для преобразования карбоновой кислоты в ее более водорастворимую ионную карбоксилатную форму. Однако если смесь содержит желаемое соединение, способное реагировать с NaOH, следует использовать более мягкое основание, например бикарбонат натрия. При этом происходит аналогичная реакция.
Промывка бикарбонатом натрия
Кислотно-основная экстракция может быть использована для извлечения карбоновых кислот из органического слоя в водный. Как уже говорилось в предыдущем разделе, NaOH можно использовать для преобразования карбоновой кислоты в ее более водорастворимую ионную карбоксилатную форму. Однако если смесь содержит желаемое соединение, способное реагировать с NaOH, следует использовать более мягкое основание, например бикарбонат натрия. При этом происходит аналогичная реакция.
Одно из отличий использования основания NaHCO3 вместо NaOH заключается в том, что побочный продукт - карбоновая кислота (H2CO3) - может разлагаться на воду и углекислый газ. При встряхивании кислого раствора с бикарбонатом натрия в делительной воронке следует осторожно перемешивать его и чаще выпускать воздух, чтобы сбросить давление газа.
Примером реакции, в которой часто используется промывка бикарбонатом натрия, является реакция эстерификации Фишера. Для демонстрации этого примера бензойная кислота была перегнана в этаноле вместе с концентрированной серной кислотой с образованием этилбензоата (рис. 16 а и б). На TLC-пластинке реакционной смеси при 1 часе рефлюкса были обнаружены остатки непрореагировавшей карбоновой кислоты (рис. 16 в), что не является редкостью из-за энергетики реакции.
Примером реакции, в которой часто используется промывка бикарбонатом натрия, является реакция эстерификации Фишера. Для демонстрации этого примера бензойная кислота была перегнана в этаноле вместе с концентрированной серной кислотой с образованием этилбензоата (рис. 16 а и б). На TLC-пластинке реакционной смеси при 1 часе рефлюкса были обнаружены остатки непрореагировавшей карбоновой кислоты (рис. 16 в), что не является редкостью из-за энергетики реакции.
Остатки карбоновой кислоты могут быть удалены из желаемого эфирного продукта с помощью кислотно-основной экстракции в делительной воронке. Промывка бикарбонатом натрия превращает бензойную кислоту в ее более водорастворимую форму - бензоат натрия, экстрагируя ее в водный слой (рис. 17). Кроме того, бикарбонат натрия нейтрализует каталитическую кислоту в этой реакции.
В этом процессе бикарбонат натрия предпочтительнее NaOH, так как он является гораздо более слабым основанием; промывка NaOH может привести к гидролизу продукта этерификации.
Смеси кислот и оснований
Как уже обсуждалось ранее, кислотно-основные свойства соединений могут быть использованы для селективного извлечения определенных соединений из смесей. Эта стратегия может быть распространена и на другие примерыСмеси кислот и оснований
Извлечение оснований
Основные соединения, такие как амины, могут быть извлечены из органических растворов путем встряхивания с кислыми растворами для превращения их в более водорастворимые соли. Таким образом, они могут быть извлечены из органического слоя в водный.Экстракция карбоновых кислот и фенолов
Как уже говорилось ранее, карбоновые кислоты можно извлечь из органического слоя в водный путем встряхивания их с основными растворами, что превращает их в более водорастворимые соли.
Как уже говорилось ранее, карбоновые кислоты можно извлечь из органического слоя в водный путем встряхивания их с основными растворами, что превращает их в более водорастворимые соли.
Аналогичная реакция происходит с фенолами (PhOH), и они тоже могут быть извлечены в водный слой NaOH (рис. 18 а).
Однако фенолы значительно менее кислые, чем карбоновые кислоты, и недостаточно кислые, чтобы полностью прореагировать с NaHCO3, более слабым основанием. Поэтому для разделения смесей фенолов и карбоновых кислот можно использовать раствор бикарбоната (рис. 18 б).
Однако фенолы значительно менее кислые, чем карбоновые кислоты, и недостаточно кислые, чтобы полностью прореагировать с NaHCO3, более слабым основанием. Поэтому для разделения смесей фенолов и карбоновых кислот можно использовать раствор бикарбоната (рис. 18 б).
Экстракция кислот, оснований и нейтральных соединений
Рассмотренные ранее кислотно-основные свойства позволяют очистить смесь, содержащую кислые (например, RCO2H), основные (например, RNH2) и нейтральные компоненты, с помощью серии экстракций, как показано на рис. 19 (где используется органический растворитель, менее плотный, чем вода).
Рассмотренные ранее кислотно-основные свойства позволяют очистить смесь, содержащую кислые (например, RCO2H), основные (например, RNH2) и нейтральные компоненты, с помощью серии экстракций, как показано на рис. 19 (где используется органический растворитель, менее плотный, чем вода).
Предполагается, что читатели, проводящие эксперименты такого типа, знакомы с проведением однократной и многократной экстракции. В этом разделе описаны различия между общими процедурами экстракции и процессом, представленным на рис. 19.
1. Изолирование кислотного компонента:
a) Когда кислый компонент находится в водном слое в колбе Эрленмейера, его можно преобразовать обратно в нейтральный компонент путем добавления 2M HCl(aq), пока раствор не даст pH 3-4 (как определено с помощью pH-бумаги). Если присутствуют большие количества кислоты, и для подкисления потребуется слишком большой объем 2M HCl(aq), можно добавить концентрированную HCl(aq) по каплям. Более низкие концентрации Hcl(aq) менее опасны, но увеличение объема водного слоя на большую величину повлияет на эффективность последующих этапов экстракции и фильтрования.
b) После подкисления можно выбрать два пути, в зависимости от того, является ли кислотный компонент твердым или жидким.
1. Изолирование кислотного компонента:
a) Когда кислый компонент находится в водном слое в колбе Эрленмейера, его можно преобразовать обратно в нейтральный компонент путем добавления 2M HCl(aq), пока раствор не даст pH 3-4 (как определено с помощью pH-бумаги). Если присутствуют большие количества кислоты, и для подкисления потребуется слишком большой объем 2M HCl(aq), можно добавить концентрированную HCl(aq) по каплям. Более низкие концентрации Hcl(aq) менее опасны, но увеличение объема водного слоя на большую величину повлияет на эффективность последующих этапов экстракции и фильтрования.
b) После подкисления можно выбрать два пути, в зависимости от того, является ли кислотный компонент твердым или жидким.
- Если при подкислении ионной соли образуется твердое вещество, его можно собрать путем фильтрации с отсасыванием. Этот метод следует использовать только в том случае, если наблюдаются большие количества кристаллов крупного размера. Если образуются мелкие кристаллы (что бывает довольно часто), они засорят фильтровальную бумагу и помешают адекватному дренажу. Если наблюдается лишь небольшое количество твердого вещества по сравнению с теоретическим количеством, то, скорее всего, соединение достаточно водорастворимо, и фильтрация приведет к низкому извлечению.
- Если при подкислении твердое вещество не образуется (или образуются мелкие кристаллы или небольшое количество твердого вещества), экстрагируйте кислый компонент обратно в органический растворитель (×3). Как правило, для экстракции используйте на одну треть больше растворителя, чем исходный слой (например, если используется 100 мл водного раствора, каждый раз экстрагируйте 33 мл органического растворителя). Перед экстракцией обязательно охладите водный раствор в ледяной бане, если при подкислении образовалось заметное тепло. Если используется диэтиловый эфир или этилацетат, проведите промывку рассолом (×1), высушите с помощью сушильного агента и удалите растворитель через роторный испаритель, чтобы остался чистый кислотный компонент.
2. Изолирование основного компонента:
Проведите аналогичную процедуру, как и при выделении кислотного компонента, только базируйте раствор с помощью 2M NaOH(aq) до получения pH 9-10, определенного с помощью pH-бумаги.
3. Выделение нейтрального компонента:
Нейтральный компонент - это "остатки" соединения в органическом слое. Чтобы выделить его, промойте рассолом (×1), если используется диэтиловый эфир или этилацетат, высушите сушильным агентом и удалите растворитель с помощью роторного испарителя, чтобы остался чистый нейтральный компонент.
Проведите аналогичную процедуру, как и при выделении кислотного компонента, только базируйте раствор с помощью 2M NaOH(aq) до получения pH 9-10, определенного с помощью pH-бумаги.
3. Выделение нейтрального компонента:
Нейтральный компонент - это "остатки" соединения в органическом слое. Чтобы выделить его, промойте рассолом (×1), если используется диэтиловый эфир или этилацетат, высушите сушильным агентом и удалите растворитель с помощью роторного испарителя, чтобы остался чистый нейтральный компонент.
Выводы.
Экстракционные методы используются для извлечения некоторых веществ из смеси. Эти вещества могут быть основаниями, кислотами или нейтральными (полярными или неполярными). Например, этот метод используется при производстве амфетамина на стадии декантации: соберите верхний слой, содержащий основание амфетамина, в спирт. Его можно немного подсушить безводным сульфатом магния, а шлак дополнительно экстрагировать неполярным растворителем (эфиром, бензолом, толуолом), после чего растворитель выпаривают. Производство мефедрона включает в себя манипуляции с разделительной воронкой и экстракцию. Также кислотно-основная экстракция используется при очистке некоторых психоактивных веществ от примесей.
Attachments
Last edited: