Лекция № 11.

Экстракция, как метод извлечения, разделения и концентрирования.

 

План.

1.     Экстракция. Распределение вещества между двумя жидкостями.

2.     Основные количественные характеристики экстракции.

3.     Типы экстракционных систем.

4.     Основные органические реагенты, используемые в методе экстракции.

5.     Применение экстракции в анализе лекарственных средств.

 

1. Экстракция. Распределение вещества между двумя жидкостями.

Экстракция – процесс переведения вещества из водной фазы  в органическую. Экстракция – сложный физико-химический процесс. При столкновении водного раствора вещества А з каким-нибудь растворителем, который не смешивается или ограниченно смешивается с водой растворенное вещество А будет распределяться между двумя растворителями и спустя некоторое время в такой системе установится равновесие:

А_в «А_о

где А_в и А_о – вещество А в воде и в органическом растворителе соответственно.

Процесс переноса растворимого вещества из одной жидкой фазы в другую, которая с ней не смешивается или ограниченно смешивается, называются жидкость – жидкостным распределением или распределением между двумя жидкостями.

Количественно этот процесс характеризуется законом распределения Нернста-Шилова, в соответствии с которым отношение концентраций растворенного вещества в обоих фазах при постоянной температуре является постоянным и не зависит от концентрации растворенного вещества:

                                               D = C_Ao / C_Aв ,

где : D – коэффициент распределения;

       C_Ao – аналитическая (то есть суммарная) концентрация всех форм вещества А в органической фазе ;

       С_Ав – аналитическая концентрация всех форм вещества А в водной фазе.

Величина D сохраняет постоянное значение лишь в отсутствие процессов диссоциации, ассоциации, полимеризации и других преобразований растворенного вещества.

При подстановке в выражение коэффициенту распределения активностей вещества А в органической фазе и в водном растворе вместо их концентраций, коэффициент распределения будет оставаться постоянным в широкой области концентраций, поскольку процессы ассоциации и прочие будут формально учтены коэффициентами активности. Однако при невысоких концентрациях вещества А коэффициент распределения D и так сохраняет удовлетворительную постоянность и часто применяется как главная характеристика распределения вещества.

Иногда выражения закона распределения предоставляют виду

D = С_Ао/Сⁿ_Ав ,

в котором– подбирают эмпирически.

В наипростейшем случаехарактеризует степень полимеризации растворенного вещества в органическом растворителе.

Отношение активности вещества в одной определенной форме (например, МL_n) в фазе органического растворителя к его активности в водной фазе называют константой распределения К_D^T:

К_D^T= а_(MLn)o/ a_(MLn)в =[MLn]_{o *}  f_(MLn)o/[MLn]_{в *}  f_(MLn)в = К_D^Р _* f_(MLn)o/f_(MLn)в .

Коэффициент и константа распределения связанны с растворимостью вещества.

В самом простом случае, когда вещество в обеих фазах существует в одной и той же форме (например, в виде недиссоциированных молекул), константа и коэффициент распределения равны отношению растворимостей вещества в органическом растворителе и в воде. Действительно, если в систему из воды и органического растворителя, который не смешивается с ней, ввести твердое вещество до насыщения, то концентрация вещества в каждой фазе будет равна растворимости этого вещества в соответствующем растворителе и, соответственно,

D = (S_A)_o / (S_A)_в ,

где  (S_A)_o  – растворимость вещества в органическом растворителе,

(S_A)_в – растворимость в воде.

 

2. Основные количественные характеристики экстракции.

Экстракция – это один из случаев жидкость – жидкостного распределения, когда из водного раствора вещество извлекается в органический растворитель.

Реагент, который образует соединение, которое потом экстрагируется, называется экстракционным реагентом, а органический растворитель, использующийся для экстракции или раствор экстракционного реагента в органическом растворителе, называют экстрагентом.

Для улучшения физических (плотность, вязкость) или экстракционных свойств экстрагента в него нередко прибавляют растворитель  – инертный органический растворитель или используют смесь растворителей.

Важной характеристикой экстракции является фактор (или степень) извлечения

R =(A) /(A)_нач ,

где(A) – количество вещества в органической фазе;

      n (A)_нач  – начальное количество вещества в водном растворе.

Очевидно, что:

n (A) = [A]_{o *} V_o ,

n(A)_нач = С_А^о _* V_в = [А]_{в *}V_o + [A]_{в *} V_в ,

где  С_А^о – концентрация вещества А в начальном водном растворе.

Тогда, фактор извлечения будет иметь вид:

R = [A]_{o *} V_o / [A]_o V_o + [A]_{в *}V_{в .}

Поделим числитель и знаменатель полученного выражения на [А]_в*V_o и найдем:

R = ( [A]_o / [А]_в) / ( [А]_в / [А]_в+V_в / V_o ) = D / ( D + V_в/V_o ),

где  D = [A]_o / [А]_в , r = V_o / V_в ,

Тогда    R = D / ( D + 1/r ) .

Это уравнение относится к однократной экстракции и остается справедливым при многократном повторении этой операции. Степень извлечения при m – кратной экстракции:

R_m = 1 – ( 1 / ( D_* r + 1 )^m ) .

Физическое смысл данного уравнения состоит в том, что целесообразнее экстрагировать маленькими порциями растворителя несколько раз, чем 1-2 раза большими порциями экстрагента. Степень извлечения возрастает по мере увеличения числа операций  m  при данном объеме экстрагента.

Возможность разделения трех катионов А и В до недавнего времени связывалось с коэффициентом (или фактором) разделения æ, который равен отношению коэффициентов распределения этих ионов

æ=Д_А / Д_В

При æ=1 разделение невозможно. Чем больше æ отличается от 1, тем ближе к оптимальным будут условия разделения. Более общей характеристикой возможности разделения является фактор обогащения S, который показывает во сколько раз отношение количеств разделяемых веществ в фазе экстрагента превышает это отношение в исходном растворе до разделения:

n(B)/n(A) – соотношение количеств разделяемых ионов в начальном водном растворе;

n(B)_o/n(A)_o – соотношение количеств разделяемых ионов после их разделения, то есть в органической фазе;

S_B/A – фактор обогащения:

Рассмотрим экстракцию некоторого катиона Mⁿ⁺:

Mⁿ⁺+n(HL)₀=(MLn)_o+nН⁺ ,

 где HL – экстракционный реагент;

(HL)o – экстракционный реагент в органической фазе.

Константа этого процесса – константа экстракции К_ех:

При постоянной ионной силе раствора (μ=const):

      (1)

Если равновесие экстракции заметно не осложняется кислотно-основным взаимодействием, ступенчатым комплексообразованием, ассоциацией и другими процессами, то

Д_М=.

;

Из уравнения для К_ЕХ:

Тогда

Если К_Д >>Дм, то  имеет маленькое значение и тогда:

Дм=

Прологарифмируем это уравнение:

LgДм=lgKex+nlg[HL]o+npН.

Таким обрзом, коэффициент распределения тем выше, чем выше значение pН раствора и концентрация реагент HL. Однако, это не означает, что экстракцию во всех случаях следует проводить из щелочного раствора.

Для каждой системы существуют оптимальные значения pН и концентрации реагента.

Кех=f(β_MLn, K_HL, K_ДHL, K_ДMLn). Чем > β_MLn, K_HL, K_ДMLn  и < K_ДHL, тем больше Кех.

 

3. Классификация и типы экстракционных систем (по способу осуществления экстракции).

Классификация экстракционных процессов:

– периодическая экстракция, в процессе которой вещество, которое экстрагируется, извлекается путем встряхивания в делительной лейке с экстрагентом;

– непрерывная экстракция, которая осуществляется в специальных приборах;

– противоточная экстракция.

Реэкстракция – из органического растворителя в водный раствор.

            

                                       Типы экстракционных систем.

Соединения, которые экстрагируются органическими растворителями и переходят в органическую фазу, разделяют на несколько групп.

1. Галогениды, характеризующиеся наличием ковалентной связи: HgCl₂, HgJ₂, SbJ₃, AsBr₃, GeCl₄, элементный йод и т.д.

2. Внутрикомплексные соли: дитизонаты, дитиокарбаматы, оксихинолинаты, оксины, β-декетоноляты, а также ди-(2-этилгексил)-фосфаты актиноидов, редкоземельных и некоторых других элементов, и др.

3. Комплексные металлокислоты: HFeCl₄, HІnBr₄, HSbCl₆ и др.

4. Координационно-несольватованые (а) и координационно-сольватованные (б) соли:

а) соли тетрафениларсония, тетрафенилфосфония и т.д.

б) соединения, образующиеся при экстракции уранилнитрата и нитрата тория трибутилфосфатом из азотнокислых растворов.

5. Гетерополисоединения: фосфора, мышьяка, кремния, ванадия, молибдена, вольфрама и т.д.

Наиболее широко в процессах экстракционного концентрирования применяют внутрикомплексные соли, комплексные металлогалогенидные кислоты и координационно-сольватованные соли.

 

4. Основные органические реагенты.

Широкое применение в практике экстракции нашли 8-оксихинолин и его производные, дитизон и его аналоги, β-дикетоны, оксины, дитиокарбаминаты, алкилфосфорные кислоты и другие соединения.

8-оксихинолин (или оксин) малорастворим в воде (3,6·10^-3 моль/л при t ком.) и эфире, но хорошо растворим в спирте, бензоле, хлороформе и других органических растворителях. Для экстракции применяются хлороформные растворы, которые содержат 1-5 % оксихинолина. К_д 8-оксихинолина между Н₂О и СНСІ₃ при 25 ^оС составляет » 500. Оксихинолин одним из универсальных реагентов: он взаимодействует больше, чем с 50 элементами: Pd, Mo, W, V, Tl, Fe, Zr, Ga, Cu, Ti, In, Bi, Ni и прочие. Для повышения избирательности разделений с помощью 8-оксихинолина наряду с регулированием рН широко используются разные маскирующие реагенты (цианид-ионы, 1,10-фенантролин, ЭДТА и др.). Например, ионы Fe, Cu, Ni, Mo маскируются цианидом. Al, Co, Fe и прочие элементы в присутствии ЭДТА при рН< 8 не экстрагируются, хотя на экстракции U, W, Mo присутствие ЭДТА не сказывается.

Широко применяются как экстрагенты β-дикетоны, в особенности ацетилацетон и тионилтрифторацетон.

Ацетилацетон СН₃-С(О)-СН₂-С(О)-СН₃ смешивается с СНСІ₃, С₆Н₆, (С₂Н₅)₂О и другими органическими растворителями, а в воде его растворимость составляет 172 г/л при 20 ^оС. Константа распределения ацетилацетона между водой и хлороформом 25, а между водой и бензолом 5,8. Для экстракции можно использовать непосредственно сам ацетилацетон, который одновременно является и реагентом и растворителем, а также растворы ацетилацетону в С₆Н₆, СНСІ₃, ССІ₄ и других органических растворителях. Ацетилацетон образует соединения с более, чем 60 элементами (Pb, Tl, Fe, Pu, U, Ga, Cu, Se, Al, In, Th, Ni, La и прочие). Ацетилацетонаты хорошо растворимы в органических растворителях, имеют высокую термическую устойчивость, некоторые сублимируются без разложения.

Тионилтрифторацетон             

                                         C(О)-СН₂-С(О)-СF₃ в воде незначительно растворяется, а в органических растворителях лучше. Константа распределения между водой (подкисленной) и бензолом равна 40. С помощью тионилтрифторацетона возможна экстракция металлов из кислых растворов, что особенно важно. Очень широко тионилтрифторацетон применяется для выделения и разделения актиноидов. Соединения многих металлов (U, Cu, Fe) с тионилтрифторацетоном окрашены, поэтому органическая фаза, содержащая тионилтрифторацетонаты этих металлов, можно фотометрировать.

К числу часто используемых в экстракции реагентов принадлежат дитизон и его аналоги.

Дитизон (или дифенилтиокарбазон) или сокращенно Н₂Dz

           NH–NH–

S=C

           N=N–

в воде практически нерастворим, хорошо растворим в хлороформе и ССІ₄. К_д дитизона между водой и хлороформом равна 2*10⁵, между водой и ССІ₄ 1*10⁴. По реакции с дитизоном определяют: Pd, Au, Hg, Ag, Cu, Bi, Pt, In, Zn, Cd, Co и др. элементы. Для повышения селективности экстракцию проводят в разных областях рН в присутствии комплексирующих добавок. Например, экстракцией Bi в слабокислой среде можно его отделить от Zn, Cd, Рb и др. элементов. В присутствии цианид-иона дитизон экстрагирует только цинк и олово. Эффективным является применение в качестве комплескообразующих добавок тиоцианата, тиосульфата, ЭДТА и др. Сам дитизон и дитизонаты металлов интенсивно окрашены, что разрешает чувствительное фотометрическое определение непосредственно в органической фазе после экстракции. Находят применение также разные аналоги дитизона (метил-, фенил-, хлор-, бром- и др. производных), которые являются более селективными, чем дитизон.

Важным представителем реагентов группы дитиокарбаминатов является диэтилдитиокарбаминат натрия.

С₂Н₅                       S

            N–C

С₂Н₅                       S– Na

 Он хорошо растворим в воде, немного хуже растворяется в спирте; как и диэтилкарбаминовая кислота растворим в хлороформе, бензоле, тетрахлорметане и подобных растворителях.

Константа распределения К_Д между органической и водной фазами равна 340 для тетрахлорметана и 2360 для хлороформа. Водные растворы диэтилкарбаминовой кислоты неустойчивы. Диэтилкарбаминат реагирует с несколькими десятками элементов (Hg, Ag, Cu, Tl, Ni, Bi, Pb, Cd, Sb и др.). В присутствии ЭДТА селективность экстракции увеличивается. Некоторые диэтилтиокарбаматы окрашены: комплекс Bi – желтый, Со – зеленый, Сu – коричневый и т.д., это позволяет непосредственно проводить фотометрические определения.

С помощью экстракционных методик проводят:

– разделение элементов;

– концентрирование примесей;

– очистку основного компонента от примесей;

– определение основных компонентов и примесей;

– для повышения чувствительности и селективности реакций;

– для изучения констант нестойкости комплексных соединений;

– для изучения состояния вещества в растворе (заряд, степень полимеризации).

Абсолютное концентрирование достигается за счет меньшего объема органической фазы в сравнении с начальным объемом водного раствора.

Относительное концентрирование – это увеличение концентрации примесей по отношению к содержанию основного компонента.

Для экстракции катионов металлов в виде комплексных соединений обычно применяют хелатообразующие реагенты типа 8-оксихинолина, диацетилглиоксима, дитизона, диэтилтиокарбамата и др. Регулируя рН, можно одним и тем же реагентом избирательно проэкстрагировать разные катионы. В качестве иллюстрации приведем влияние рН на экстракцию металлов некоторыми реагентами.

Таблица.

Границы рН экстракции комплексов металлов (Dz – дитизон, Ox – 8-оксихинолин, ДЭДТК – диэтилдитиокарбамат аммония).

 

По данным таблицы легко определить условия экстракции отдельных катионов и разделения их смесей. Например, из водного раствора смесей солей Bi³⁺, Ni²⁺, Fe²⁺ можно избирательно проэкстрагировать раствором дитизона в ССІ₄ сначала Bi³⁺ (рН 1), потом Ni²⁺ (рН 5) и Fe²⁺ (рН 8).

Для проведения жидкостной экстракции применяют широкий набор растворителей. Растворитель:

1.     Не должен смешиваться с водой.

2.     Должен быть селективным.

3.     Должен владеть большой емкостью по отношению к экстрагируемому веществу.

4.     Должен максимально отличаться по плотности от плотности воды.

5.     Должен иметь минимальную вязкость.

6.     Должен иметь низкую стоимость.

7.     Не должен быть взрывоопасным.

Жидкостная экстракция применяется в качественном анализе металлов, органических соединений, так как многочисленные комплексы металлов при экстракции дают окрашивание органической фазе. На теории жидкостной экстракции основывается метод распределительной хроматографии, в которой распределение веществ происходит вследствие их перераспределения между двумя жидкими фазами при их движении одна относительно другой. На жидкостной экстракции основывается группа методов экстракционно-фотометрического анализа, при проведении которого измеряют интенсивность окрашивания органического экстракта на фотометрических приборах, и на основе величины интенсивности делают вывод про количество определяемого вещества. Особое значение имеет метод жидкостной экстракции для аналитического и технологического разделения смесей веществ.

 

5. Применение экстракции в анализе лекарственных средств.

Часто определяемые вещества находятся в разных твердых природных материалах (руды, почвы, растительное и животное сырье). При анализе таких материалов приходится предварительно проводить избирательное экстрагирование веществ из твердой фазы и потом проводить анализ экстракта. При экстракции в системе твердое вещество – жидкость прежде всего учитывают природу и состояние твердой фазы, проводя в случае необходимости подготовку материала для экстракции.

Твердые материалы могут быть целостными (руда, сплавы) или пористыми (высушенное растительное или животное сырье); монолитными (куски сплавов) или сыпучими (измельченные материалы); влажными или высушенными и т.д. во всех случаях проводят предварительную подготовку твердого материала для экстракции:

1. высушивают его (если не ставится за цель экстракция из водного материала, например, тканей животных или растений);

2. измельчают до минимально возможной степени измельчения;

3. выбирают среднюю пробу.

Подготовленный экстракт приводят в контакт с экстрагентом и проводят экстрагирование. При этом наиболее важной стороной является:

4. подбор оптимального экстрагента. При минеральных веществ применяют воду, растворы кислот или щелочей, осуществляя этим одновременно переведение вещества в растворимую форму. Органические вещества обычно экстрагируют органическими растворителями, иногда используют и водные экстрагенты с определенным значением рН среды. Тип экстрагента зависит от степени полярности и гидрофильности экстрагируемых веществ и их способности к ионизации. Электролиты и вещества полярного и гидрофильного типов хорошо растворимы в воде и водно-органических смесях; неэлектролиты, неполярные и гидрофобные вещества – в органических растворителях.

5. Существенным моментом проведения экстракции является выбор соответственной методики, обеспечивающей полное экстрагирование веществ. Методика зависит от типа материала. Если экстрагируют целостный, непористый материал, измельченный до необходимой степени измельчения, то экстрагирование представляет собой избирательное растворение отдельных веществ, происходящее на поверхности частиц материала. При этом чем мельче материал, тем полнее и быстрее проходит экстракция. В таких случаях навеску материала измельчают до максимального измельчения, заливают порцией экстрагента и при интенсивном перемешивании ведут процесс экстракции. Отделив экстракт, процесс повторяют со свежей порцией экстрагента несколько раз до практически полного растворения и извлечения необходимого вещества из материала, проверяя качественными реакциями. Этот метод получил название прямоточной многоступенчатой экстракции. Он широко применяется при анализе руд, почв и др. непористых материалов. При его выполнении объединяют полученные экстракты и проводят их анализ.

Тем не менее, в фармации намного чаще возникают задачи экстракции и анализа пористых материалов, которым являются, например, высушенное лекарственное растительное сырье. Высокая пористость сырья объясняется наличием в ней клеток с клеточным соком, из которых при высушивании удаляется вода. Поэтому в высушенном растительном сырье определяемые вещества находятся в середине клеток в виде своеобразных комочков или тонкого слоя на стенках. При экстракции высушенного сырья сначала происходит проникновение экстрагента через поры в клеточных оболочках вглубь частичек сырья, потом проходит растворение веществ в экстрагенте, диффузия молекул веществ к поверхности кусочков сырья и массоперенос от поверхности сырья в экстрагент.

                 Поэтому скорость экстракции возрастает при уменьшении размера (диаметра) кусочков сырья, или перемешивании смеси и при увеличении коэффициента молекулярной диффузии (он возрастает, например, при нагревании).

При экстракции растительного сырья применяют ряд аналитических способов получения экстракта. Первый из них – экстрагирование до полного извлечения вещества из сырья – выполняют, помещая навеску (около 1 г) измельченного сырья в бюретку и пропуская через нее с небольшой скоростью (3-5 капель в мин.) экстрагент. В приемник собирают 200-250 см³ экстракта и потом проводят его анализ. Способ называют перколяцией и применяют, хотя он и продолжительный, для выполнения точных анализов. Государственная Фармакопея СССР Х издание рекомендует при производстве серийных анализов применять одноразовое экстрагирование навески сырья (» 1 г) 50 см³ экстрагента на протяжении 2 ч при кипячении с обратным холодильником. Полученный экстракт потом доводят растворителем до первоначального объема и анализируют.  

Более точные результаты сравнительно с фармакопейным дает методика равновесного экстрагирования. По этой методике навеску сырья (» 2 г) заливают точным объемом экстрагента (100 см³) и настаивают при перемешивании 4-5 ч. (до наступления равновесия в системе). При равновесии  концентрации веществ во внутреннем экстракте (части экстракта, содержащиеся внутри частичек сырья) и внешнем экстракте выравниваются, так как за время экстрагирования происходит выравнивание скоростей массопереноса веществ из кусочков сырья во внешний экстракт и из внешнего экстракта вглубь кусочков сырья. Отобрав после наступления равновесия часть экстракта, проводят анализ и пересчитывают результаты анализа на весь объем экстракта, состоящий из внутренней и внешней его частей. При более точных расчетах учитывают влажность сырья, массу которой высчитывают. Аналитическая экстракция из твердых пористых материалов широко используется в фармации при анализе многочисленных видов лекарственного сырья. Например:

–   анализ растительного сырья – извлечение активно-действующих веществ (плоды боярышника, травы алтею, цветов календулы, корня алтею, листья эвкалипта и т.д.).

–   анализ сухих экстрактов из растительного сырья (сухой экстракт солодки – экстракция глицеризиновой кислоты ацетоновым раствором  трихлорацетатной кислоты; сухой экстракт белладонны – хлороформная экстракция гиосциамина и атропина хлороформом и т.д.).

–   анализ таблеточных масс, содержащих много компонентов, мешающих друг другу при количественном определении (таблетки тиотриазолина – спиртовое извлечение; таблетки Бисептол – сульфометоксазол и триметоприм мешают друг другу, поэтому триметоприм отделяют предварительно проэкстрагировав из водного щелочного раствора в хлороформ и проведя потом реэкстракцию и несколько экстракций);

–   анализ лекарственных средств на содержание посторонних примесей (препараты, содержащие ацетилсалициловую кислоту всегда содержат примесь салициловой кислоты. ДФУ нормализует ее содержание не больше 3 %. Определение содержания салициловой кислоты проводится после предварительной экстракции ее из таблеточной массы хлороформом и последующей реэкстракции в кислый водный раствор железа (ІІІ), с которым происходит образование комплексного соединения, фиолетовой окраски; интенсивность окраски измеряют на спекторофотометре).

–   идентификация и подтверждение тождественности препаратов растительного происхождения осуществляется методом тонкослойной хроматографии (ТСХ). Но проведению ТСХ исследований предшествует часто концентрирование активно-действующих веществ и одновременное их отделения от балластных веществ (настойка боярышника – содержание флавоноидов, гиперозид – являются незначительным и, чтобы достичь границ определения для ТСХ подтверждение тождественности проводится предварительная экстракция суммы флавоноидов бутанолом-1, упаривание экстрагента и растворение сухого остатка в маленьком количестве спирта; настойка белладонны – экстракция алкалоидов – гиосциамина и атропина хлороформом (в промышленности бензол, керосин, дихлорэтан для экстракции с скоп масла); сумма валеопатриатов настойки валерьяны экстрагируется хлористым метиленом – одновременное отделение от некоторых гидрофильных веществ, в первую очередь дубильных и концентрирование изобутиламидов кислот;  так же, как с валерьяной является исследование с настойкой эхинацеи пурпурной; сумма сердечных гликозидов настойки ландыша экстрагируется для последующего ТСХ определения смесью хлороформ – этанол 4:1 (количественное определение суммы сердечных гликозидов проводится фотометрическим методом по окрашиванию комплексного соединения с натрий пикратом в перерасчете на ландешетоксин, но лишь после экстракции этой суммы смесью хлороформ – этанол).

–   получение витамина В₁₂ (очистки за счет тяжелых, токсичных экстракций крезолами, толуолом, бензолом).

–   получение новогаленовых препаратов (коргликон, флавин, силибор (силимарин с разторопши пятнистой, препараты – Дарсил и карсил).

В биохимическом и токсикологическом анализе экстракцией выделяют вещества из животных и растительных тканей, как свежих, так и высушенных. При экстракции свежих тканей одновременно с экстракцией проводят их гомогенизацию, размалывая ткани вместе с экстрагентом до полного разрушения клеток.