Екстракція, як метод вилучення, розділення та концентрування.
План
1. Екстракція. Розподіл речовини між двома рідинами.
2. Основні кількісні характеристики екстракції.
3. Класифікація і типи екстракційних систем.
4. Основні органічні реагенти, застосовувані для екстракції іонів металів.
5. Застосування екстракції у фармацевтичному аналізі і фармації.
Екстракція. Розподіл речовини між двома рідинами.
Екстракція – процес переведення речовини з водної фази в органічну. Екстракція – складний фізико-хімічній процес. При зіткненні водного розчину речовини А з яким-небудь розчинником, який не змішується або обмежено змішується з водою розчинена речовина А буде розподілятися між двома розчинниками і через деякий час в такій системі встановиться рівновага
Ав «Ао
де Ав і Ао – речовина А у воді і в органічному розчиннику відповідно.
Процес переносу розчиненої речовини з одної рідкої фази в іншу, яка з нею не змішується або обмежено змішуються називаються рідина – рідинним розподілом або розподілом між двома рідинами.
Кількісно цей процес характеризується законом розподілу Нернста-Шилова, у відповідності з яким відношення концентрацій розчиненої речовини в обох фазах при постійній температурі є постійним і не залежить від концентрації розчиненої речовини:
D = CAo / CAв ,
де : D – коефіцієнт розподілу;
CAo – аналітична (тобто сумарна ) концентрація всіх форм речовини А в органічній фазі ;
САв – аналітична концентрація всіх форм речовини А у водній фазі.
Величина D зберігає постійне значення лише у відсутності процесів дисоціації, асоціації, полімеризації та інших перетворень розчиненої речовини.
При підстановці у вираз коефіцієнту розподілу активностей речовини А в органічній фазі і у водному розчині замість їх концентрацій коефіцієнт розподілу буде залишатися постійним в широкій області концентрацій, оскільки процеси асоціації та інші будуть формально враховані коефіцієнтами активності. Однак при невисоких концентраціях речовини А коефіцієнт розподілу D і так зберігає задовільну постійність і часто застосовується як головна характеристика розподілу речовини.
Інколи виразу закону розподілу надають вигляду
D = САо/СnАв ,
в якому n – підбирають емпірично.
В найпростішому випадку n характеризує ступінь полімеризації розчиненої речовини в органічному розчиннику.
Відношення активності речовини в одній певній формі (н-д, МLn) в фазі органічного розчинника до її активності у водній фазі називають константою розподілу КDT:
КDT= а(MLn)o/ a(MLn)в =[MLn]o * f(MLn)o/[MLn]в * f(MLn)в = КDР * f(MLn)o/f(MLn)в .
Коефіцієнт і константа розподілу зв’язані з розчинністю речовини .
В найкращому випадку, коли речовина обох фаз існує в одній і тій же формі (н-д, у вигляді недисоційованих молекул ), константа і коефіцієнт розподілу рівні відношенню розчинностей речовини в органічному розчиннику і у воді. Дійсно, якщо система з води і органічного розчинника, який не змішується з нею, ввести тверду речовину до насичення, то концентрація речовини в кожній фазі буде рівна розчинності цієї речовини у відповідному розчиннику і, відповідно,
D = (SA)o / (SA)в ,
де (SA)o – розчинність речовини в органічному розчиннику ,
(SA)в – розчинність у воді.
Основні кількісні характеристики екстракції.
Екстракція – це один з випадків рідина-рідинного розподілу, коли з водного розчину речовина вилучається органічний розчинник.
Реагент, який утворює сполуку, яка потім екстрагується, називається екстракційним реагентом, а органічний розчинник , який вилучається для екстракції або розчин екстракційного реагента в органічному розчиннику, називають екстрагентом.
Для покращення фізичних (густина, в’язкість) або екстракційних властивостей екстрагента у нього нерідко додають розбавник – інертний органічний розчинник або використовують суміш розчинників.
Важливою характеристикою екстракції є фактор ( або ступінь ) вилучення
R = n (A) / n (A)поч ,
де n (A) – кількість речовини в органічній фазі;
n (A)поч – початкова кількість речовини у водному розчині.
Очевидно, що
n (A) = [A]o × Vo ,
n(A)поч = САо × Vв = [А]о ×Vo + [A]в × Vв ,
де САо – концентрація речовини А у початковому водному розчині.
Тоді, фактор вилучення матиме вираз:
R = [A]o * Vo / [A]o Vo + [A]в *Vв .
Поділимо чисельник і знаменник отриманого виразу на [А]в*Vo:
R =( [A]o * Vo / [A]o Vo + [A]в *Vв ) / [А]в*Vo
і знайдемо
R = ( [A]o / [А]в) / ( [А]о / [А]в+Vв / Vo ) = D / ( D + Vв/Vo ) ,
де D = [A]o / [А]в , r = Vo / Vв ,
тоді
R = D / ( D + 1/r ) .
Це рівняння відноситься до однократної екстракції і залишається справедливим при багатократному повторенні цієї операції.
Ступінь вилучення при m – кратній екстракції:
Rm = 1 – ( 1 / ( D* r + 1 )m ) .
Фізичний зміст даного рівняння полягає в тому, що доцільніше екстрагувати малими порціями розчинника декілька разів, ніж 1-2 рази великими порціями екстрагента. Ступінь вилучення зростає по мірі збільшення числа операцій m при даному об’ємі екстрагента.
Можливість розділення трьох катіонів А і В до недавнього часу пов’язувалося з коефіцієнтом розділення æ або фактор розділення, який рівний відношенню коефіцієнтів розподілу цих іонів
æ=ДА / ДВ
При æ=1 розділення неможливе. Чим більше æ відрізняється від 1, тим ближче до оптимальних будуть умови розділення. Більш загальною характеристикою можливості розділення є фактор збагачення S, який показує у скільки разів відношення кількостей розділюваних речовин у фазі екстрагента перевищує це відношення у вихідному розчині до розділення:
n(B)/n(A) – співвідношення кількостей розділюваних іонів у початковому водному розчині;
n(B)o/n(A)o – співвідношення кількостей розділюваних іонів після їх розділення, тобто в органічній фазі;
SB/A – фактор збагачення:
Розглянемо екстракцію деякого катіона Mn+ :
Mn++n(HL)O=(MLn)o+
де HL – екстракційний реагент;
(HL)o – екстракційний реагент в органічній формі.
Константа цього процесу – константа екстракції Кех:
При постійній іонній силі розчину (μ=const):
(1)
Якщо рівновага екстракції помітно не ускладнена кислотно-основною взаємодією, ступінчастим комплексоутворенням, асоціацією та іншими процесами, то
ДМ=.
;
З рівняння для КЕХ:
Тоді
Якщо КД >>Дм, то мале значення має і тоді
Дм=
Про логарифмуємо це рівняння:
LgДм=lgKex+nlg[HL]o+npH.
Отже, коефіцієнт розподілу тим вищим є, чим вище значення pH розчину і концентрація реагент HL. Однак, це не означає, що екстракцію в усіх випадках слід проводити з лужного розчину.
Для кожної системи існують оптимальні значення pH і концентрації реагента.
Кех=f(βMLn, KHL, KДHL, KДMLn). Чим > βMLn, KHL, KДMLn і < KДHL, тим більша Кех.
Класифікція і типи екстракційних систем.
Класифікація екстракційних процесів:
– періодична екстракція, в процесі якої речовина, яка екстрагується, вилучається шляхом струшування в ділильній лійці з екстрагентом;
– неперервна екстракція, яка здійснюється в спеціальних приладах;
– противотечна екстракція.
Рестракція з органічного розчинника у водний розчин.
Типи екстракційних систем.
Сполуки, які екстрагуються органічними розчинниками і переходять в органічну фазу, поділяють на декілька груп.
1. Галогеніди, які характеризуються наявністю ковалентного зв’язку: HgCl2, HgI2, SbI3, AsBt3, GeCl4, елементний йод і т. д.
2. Внутрішньокомплексні солі: дитизонати, дитіокарбамати, оксихінолінати, оксини, β-декетономети, а також ди-(2-етилгексил)-фосфати актиноїдів, рідкісноземельних та деяких інших елементів, та ін.
3. Комплексні метало кислоти: HfeCl4, HІnBr4, HSbCl6 та ін.
4. Координаційно-несольотовані(а) і координаційно-сольотовані(б) солі:
а) солі тетрафеніларсонію, тетрафенілфосфонію і т. д.
б) сполуки, які утворилися при екстракції уранілнітрата і нітрата торію трибутил фосфатом з азотнокислих розчинів.
5. Гетерополі сполуки: фосфору, миш’яку, кремнію, ванадію, молібдену, вольфраму і т. д.
Найбільш широко в процесах екстракційного концентрування застосовують внутрішньокомплексні солі, комплексні металогалогенідні кислоти і координаційно-сольватовані солі.
Основні органічні реагенти.
Широке застосування в практиці екстракції знайшли 8-оксихінолін і його похідні, дитизон і його аналоги, β-дикетони, Оксини, дитіокарбамінати, алкіл фосфорні кислоти ті інші сполуки.
8-оксихінолін (або оксин) малорозчинний у воді (3,6·10-3 моль/л при t кім.) та ефірі, але добре розчинний в спирті, бензолі, хлороформі та інших органічних розчинниках. Для екстракції застосовується хлороформні розчини , які містять 1-5% оксихіноліну. Кд 8-оксихіноліна між Н2О і СНСІ3 при 25оС становить » 500. Оксихінолін є одним з універсальних реагентів: він взаємодіє більше, ніж з 50 елементами: Pd, Mo, W, V, Tl, Fe, Zr, Ga, Cu, Ti, In, Bi, Ni та інші. Для підвищення вибірковості розділень за допомогою 8-оксихіноліну поруч з регулюванням рН широко використовуються різні маскуючі реагенти (ціанід-іон, 1,10-фенантролін, ЕДТА та ін.). Наприклад, іони Fe, Cu, Ni, Mo маскуються ціанідом. Al, Co, Fe та інші елементи в присутності ЕДТА при рН< 8 не екстрагуються, хоча на екстракції U, W, Mo присутність ЕДТА не позначається.
Широко застосовуються як екстрагенти β-дикетони, особливо ацетилацетон і тіонілтрифторацетон.
Ацетилацетон СН3-С(О)-СН2-С(О)-СН3 змішується з СНСІ3, С6Н6, (С2Н5)2О та іншими органічними розчинниками, а у воді його розчинність становить 172г/л при 20оС. Константа розподілу ацетилацетону між водою і хлороформом 25, а між водою і бензолом 5,8 . Для екстракції можна використати безпосередньо сам ацетилацетон, який є одночасно і реагентом і розчинником , а також розчини ацетилацетону в С6Н6, СНСІ3, ССІ4 та інших органічних розчинниках. Ацетилацетон утворює сполуки з більше, ніж 60 елементами (Pb, Tl, Fe, Pu, U, Ga, Cu, Se, Al, In, Th, Ni, La та інші). Ацетилацетонати добре розчинні в органічних розчинниках, мають високу термічну стійкість , окремі сублімуються без розкладу.
Тіонілтрифторацетон
C(О)-СН2-С(О)-СF3 у воді незначно розчиняється , а в органічних розчинниках краще. Константа розподілу між водою (підкисленою) і бензолом рівна 40 . За допомогою тіонілтрифторацетону можлива екстракція металів з кислих розчинів, що є особливо важливим . Дуже широко тіонілтрифторацетон застосовується для виділення і розділення актиноїдів . Сполуки багатьох металів (U, Cu, Fe) тіонілтрифторацетоном є забарвлені , тому органічна фаза, яка містить тіонілтрифторацетонати цих металів, може фотометруватися.
Широко застосовується при аналізі руд , грунтів та ін. непористих матеріалів. При його використанні об’єднують отримані екстракти і проводять їх аналіз.
Проте у фармації набагато частіше використовують завдання екстракції і аналізу корисних матеріалів , яким є , наприклад, висушена лікарська рослинна сировина. Висока користь сировини пояснюється наявністю в ній клітин з клітинним соком , з яких при висушуванні видаляється вода. Тому у висушеній рослинній сировині визначувані речовини знаходяться в середині клітин у вигляді своєрідних грудочок або тонкого шару на стінках. При екстракції висушеної речовини спочатку відбувається проникнення екстрагента через пори в клітинних оболонках всередину частинок сировини, потім проходить розчинення речовин в екстрагенті, дифузія молекул речовин до поверхні шматочків сировини і масоперенос від поверхні сировини в екстрагент.
|
Тому швидкість екстракції зростає при зменшенні розміру (діаметру) шматочків сировини, або перемішуванні суміші і при збільшенні коефіцієнта молекулярної дифузії (він зростає, наприклад, при нагріванні).
При екстракції рослинної сировини застосовують ряд аналітичних способів отримання екстракту. Перший з них – екстрагування до повного вилучення речовини з сировини – виконують, поміщаючи наважку ( близько 1 г) подрібненої сировини в бюретку і пропускаючи через неї з невеликою швидкістю (3-5 крапель в хв) екстрагент. В приймач збирають 200-250см3 екстракту і потім проводять його аналіз. Спосіб називають перколяцією і застосовують хоча він і довготривалий, для виконання точних аналізів. Державна Фармакопея СРСР Х видання рекомендує при виробництві серійних аналізів застосовувати одноразове екстрагування наважки сировини (» 1г) 50 см3 екстрагента протягом 2 год при кип’ятінні із зворотнім холодильником. Отриманий екстракт потім доводять розчинником до першопочаткового об’єму і аналізують.
Більш точні результати порівняно з фармакопейним дає методика рівноважного екстрагування. За цією методикою наважку сировини (» 2г) заливають точним об’ємом екстрагента (100 см3) і настоюють при перемішуванні 4-5 год (до настання рівноваги в системі) . При рівновазі концентрації речовин у внутрішньому екстракті (частині екстракта , що міститься всередині частинок сировини) і зовнішньому екстракті вирівнюються, так як за час екстрагування відбувається вирівнювання швидкостей масопереносу речовин з шматків сировини у зовнішній екстракт та з зовнішнього екстракту всередину шматків сировини. Відібравши після настання рівноваги частину екстракту, проводять аналіз і перераховують результати аналізу на весь об’єм екстракту , який складається із внутрішньої і
зовнішньої його частин. При більш точних розрахунках враховують вологість сировини , масу якої вираховують.
Аналітична екстракція з твердих пористих матеріалів широко використовується у фармації при аналізі численних видів лікарської сировини . Наприклад :
– аналіз рослинної сировини – вилучення активно-діючих речовин ( плоди глоду, трави алтею, квітів нагідок, кореня алтею, листя евкаліпта і т. д.).
– аналіз сухих екстрактів з рослинної сировини ( сухий екстракт солодки – екстракція гліцеринової к-ти ацетоновим розчином трихлороцтової к-ти ; сухий екстракт беладонни – хлороформна екстракція гіосциаміну і атропіну хлороформом і т. д.).
– аналіз таблетних мас , які містять багато компонентів , що заважають один одному при кількісному визначенні ( таблетки тіотриазоліну – спиртове вилучення ; таблетки Бісептол – сульфометоксазол і триметопрім заважають один одному , тому триметопрім відокремлюють попередньо зекстрагувавши з водного лужного розчину у хлороформ і провівши потім реекстракцію та декілька екстракцій);
– аналіз лікарських засобів на вміст сторонніх домішок (препарати, які містять ацетилсаліцилову к-ту завжди містять домішку саліцилової к-ти. ДФУ нормує її вміст не більше 3%. Визначення вмісту саліцилової к-ти проводиться після попередньої екстракції її з таблетної маси хлороформом і наступної реекстракції в кислий водний розчин феруму (ІІІ), з яким проходить утворення комплексної сполуки, фіолетового забарвлення; інтенсивність забарвлення вимірюють на СФ ) .
– ідентифікація і підтвердження ідентичності препаратів рослинного походження здійснюється методом ТШХ. Але проведенню ТШХ випробувань передує часто концентрування активно-діючих речовин та одночасне їх відокремлення від баластних речовин ( настоянка глоду – вміст флавоноїдів, гіперозид – є незначним і, щоб досягти межі виявлення для ТШХ підтвердження тотожності проводиться попередня екстракція суми флавоноїдів бутанолом-1, випаровування екстрагента та розчинення сухого залишку у малій кількості спирту; настоянка беладонни – екстракція алкалоїдів – гіосциаміну атропіну хлороформом ( в промисловості бензол, керосин, дихлоретан для екстракції з скоп олії); сума валеопатріатів настоянки валеріани екстрагується хлористим метиленом – одночасне відокремлення від деяких гідрофільних речовин, в першу чергу дубильних і концентрування ізобутиламідів кислот; так само, як з валеріаною є з настоянкою ехінацеї пурпурної; сума серцевих глікозидів настоянки конвалії екстрагується для наступного ТШХ виявлення сумішшю хлороформ-етанол 4:1 (кількісне визначення суми серцевих глікозидів проводиться фотометричним методом за забарвленням комплексної сполуки з натрію нітратом в перерахунку на конвалятоксин, але лише після екстракції цієї суми сумішшю хлороформ-етанол).
– Отримання вітаміну В12 (очистки за рахунок важких, токсичних екстракцій крезолами, толуолом, бензолом).
– Отримання новогаленових препаратів (корглікон, флавін, силібор (силі марин з розторопши п’ятнистої ÞДарсил і карсил).
В біохімічному і токсикологічному аналізі екстракцією виділяють речовини з тваринних і рослинних тканин, як свіжих так і висушених. При екстракції свіжих тканин одночасно з екстракцією проводять їх гомогенізацію розмелювання тканин разом з екстрагентом до повного руйнування клітин.
Екстракція. Розподіл речовини між двома рідинами.
Екстракція – процес переведення речовини з водної фази в органічну.
Ав « Ао
Процес переносу розчиненої речовини з одної рідкої фази в іншу, яка з нею не змішується або обмежено змішується, називається рідина – рідинним розподілом або розподілом між двома рідинами.
Закон розподілу Нернста – Шилова:
відношення концентрацій розчиненої речовини в обох фазах при постійній температурі є постійним і не залежить від концентрації розчиненої речовини:
D = CAo / CAв
D – коефіцієнт розподілу залишається постійним, якщо відсутні процеси:
– дисоціації
– асоціації
– полімеризації
– інші перетворення розчиненої речовини
Відношення активності речовини в одній певній формі в фазі органічного розчинника до її активності у водній фазі називають константою розподілу :
Коефіцієнт і константа розподілу зв’язані з розчинністю речовини.
Реагент, який утворює сполуку, яка потім екстрагується, називається екстракційним реагентом, а органічний розчинник, який використовується для екстракції або розчин екстракційного реагенту в органічному розчиннику, називають екстрагентом.
Для покращення фізичних (густина, в’язкість) або екстракційних властивостей екстрагента до нього часто додають розбавник – інертний органічний розчинник або використовують суміш розчинників.
Екстракт – органічна фаза, яка містить екстраговану речовину.
Реекстракція – процес переведення екстрагованої речовини з органічної фази у водну.
Реекстрагент – водна фаза певного складу, яка використовується для переведення екстрагованої сполуки з органічної фази у водну.
Класифікація екстракційних процесів:
– періодична екстракція
– неперервна екстракція
– противоточна екстракція
Основні кількісні характеристики екстракції.
· фактор ( або ступінь ) вилучення
R =(A) / n (A)поч
n(A) – кількість екстрагованої сполуки А в органічній фазі (моль);
n(A)поч – початкова кількість екстрагованої сполуки А у водній фазі (моль).
Ступінь вилучення зв’язаний з коефіцієнтом розподілу:
для однократної екстракції
;
для багатократної (m) екстракції
.
!!! Фізичний зміст: доцільніше екстрагувати малими порціями екстрагента декілька разів, ніж 1-2 рази великими порціями екстрагента.
· коефіцієнт (фактор) розділення іонів A, B рівний відношенню коефіцієнтів розподілу цих іонів
– при розділення неможливе;
– чим більше відрізняється від 1, тим ближче до оптимальних будуть умови розділення.
· фактор збагачення S показує у скільки разів відношення кількостей розділюваних речовин (А, В) у фазі екстрагента перевищує це відношення у вихідному розчині до розділення:
Розглянемо екстракцію деякого катіона Mn+ :
Mn++n(HL)O=(MLn)o+
· константа екстракції для даного процесу
Провівши ряд перетворень отримуємо зв’язок коефіцієнту розподілу з константами розподілу та екстракції:
Якщо , то після логарифмування отримаємо:
lgDm=lgKex+n × lg[HL]o+n × pH
Константа екстракції є функцією від:
– константи стійкості комплексної сполуки, яка екстрагується ();
– константи кислотності екстракційного реагенту, якщо він утворює екстраговану сполуку ();
– константи розподілу екстракційного реагенту (¯);
– константи розподілу екстрагованої комплексної сполуки ();
– рН середовища.
Типи екстракційних систем.
1. Галогеніди, які характеризуються наявністю ковалентного зв’язку: HgCl2, HgI2, SbI3, AsBr3, GeCl4, елементний йод, окремі оксиди і т. д.
2. Внутрішньокомплексні солі: дитизонати, диетилдитіокарбамати, оксихінолінати, оксини, β-дикетонати, а також ди-(2-етилгексил)-фосфати актиноїдів, рідкісноземельних та деяких інших елементів.
3. Комплексні металокислоти: HFeCl4, HІnBr4, HSbCl6 та ін.
4. Координаційно-несольотовані(а) і координаційно-сольватовані (б) солі:
а) солі тетрафеніларсонію, тетрафенілфосфонію і т. д.
б) сполуки, які утворилися при екстракції уранілнітрата і нітрату торію трибутилфосфатом з нітратнокислих розчинів.
5. Гетерополісполуки: Фосфору, Арсену, Силіцію, Ванадію, Молібдену, Вольфраму і т. д.
Найбільш широко застосовують внутрішньо-комплексні солі, комплексні металогалогенідні кислоти і координаційно-сольватовані солі.
Основні органічні реагенти.
1. 8-оксихінолін взаємодіє більше, ніж з 50 елементами: Pd, Mo, W, V, Tl, Fe, Zr, Ga, Cu, Ti, In, Bi, Ni та інші.
2. Ацетилацетон утворює сполуки з більше, ніж 60 елементами: Pb, Tl, Fe, Pu, U, Ga, Cu, Se, Al, In, Th, Ni, La та інші).
3. Тіонілтрифторацетон застосовується для виділення і розділення актиноїдів.
4. Дитизон застосовується для визначення Pd, Au, Hg, Ag, Cu, Bi, Pt, In, Zn, Cd, Co та ін. Має велике значення в токсикологічному аналізі.
5. Натрій диетилдитіокарбамінат реагує з декількома десятками елементів: Hg, Ag, Cu, Tl, Ni, Bi, Pb, Cd, Sb та ін. Має велике значення в токсикологічному аналізі.
Для підвищення селективності екстракції:
– створюють оптимальне рН середовища;
– застосовують маскування (реакції комплексоутворення, окиснення-відновлення, осадження).
Застосування екстракції в аналізі лікарських засобів.
Екстракцію проводять для:
– розділення елементів;
– концентрування домішок;
– очистку основного компоненту від домішок в процесі отримання субстанцій лікарських речовин;
– визначення основного компоненту і домішок в процесі аналізу субстанцій лікарських речовин та ГЛЗ;
– для ідентифікації та кількісного визначення діючих речовин чи речовин-маркерів в процесі аналізу лікарських препаратів рослинного походження;
– підвищення чутливості і селективності реакцій;
– вивчення констант стійкості комплексних сполук;
– вивчення стану речовини в розчині(заряд, ступінь полімеризації);
– отримання екстрактів, настоянок, ферментних препаратів, антибіотиків, новогаленових препаратів з різного біологічного матеріалу.
Абсолютне концентрування – підвищення концентрації екстрагованої сполуки внаслідок зменшення об’єму розчинника, яким проводили екстракцію порівняно з об’ємом водної фази, з якої проводили вилучення.
Відносне концентрування – підвищення концентрації домішок внаслідок їх екстракції в органічну фазу, коли основна речовина порівняно незначно екстрагується.
!!! Особливо важлива роль екстракції при поєднанні з фізичними і фізико-хімічними методами аналізу – гібридні методи аналізу: висока чутливість, селективність, специфічність, експресність визначення.
