Extracción ácido-base

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La extracción ácido-base es una subclase de extracciones líquido-líquido e implica la separación de especies químicas de otros compuestos ácidos o básicos. Por lo general, se realiza durante el paso de procesamiento posterior a una síntesis química para purificar compuestos crudos y da como resultado un producto que está prácticamente libre de impurezas ácidas o básicas. Un embudo de decantación se utiliza comúnmente para realizar una extracción ácido-base.

La extracción ácido-base utiliza la diferencia de solubilidad de un compuesto en su forma ácida o básica para inducir la separación. Normalmente, el compuesto deseado se transforma en su forma ácida o básica cargada, lo que hace que se vuelva soluble en solución acuosa y, por lo tanto, se extraiga de la capa no acuosa (orgánica). La extracción ácido-base es una alternativa sencilla a métodos más complejos como la cromatografía. No es posible separar ácidos o bases químicamente similares utilizando este método simple.

Teoría de fondo

La extracción ácido-base funciona según el principio fundamental de que las sales son compuestos iónicos con una alta solubilidad en agua, mientras que las moléculas neutras normalmente carecen de solubilidad en agua.

Considere una mezcla de compuestos ácidos y básicos disueltos en un solvente orgánico. Al agregar ácido acuoso, el componente ácido permanecerá sin carga, mientras que el componente básico se protonará para formar una sal. El componente ácido sin carga permanecerá disuelto en el solvente orgánico, mientras que la sal básica altamente cargada migrará al solvente acuoso. Dado que los componentes ácidos y básicos ahora están en dos capas diferentes, se pueden separar fácilmente.

Ejemplo de extracción de base de ácido. Un sistema de 3 componentes se separa en su componente ácido (ácido benzoico), componente base (bencilamina), y componente neutral (bifenilo).

Alternativamente, la adición de una base acuosa hará que el componente ácido se desprotone y forme una sal, mientras que el componente básico permanecerá sin carga. En este caso, la base sin carga permanecerá en la capa orgánica, mientras que la sal ácida altamente cargada migrará a la capa acuosa.

Si el componente de ácido orgánico es relativamente débil y tiene un valor de pKa de ~5 (como un ácido carboxílico), agregar más ácido puede mejorar aún más la separación al reducir el pH de la solución. Esto minimiza la autoionización del componente de ácido orgánico y limita su tendencia a ingresar a la capa acuosa. Este principio también es aplicable a una base orgánica cuando es una base relativamente débil.

Aunque las extracciones ácido-base se utilizan más comúnmente para separar ácidos de bases, también se pueden utilizar para separar dos ácidos o dos bases entre sí. Sin embargo, los ácidos y las bases deben diferir mucho en fuerza, por ejemplo, un ácido fuerte y un ácido muy débil. Por lo tanto, los dos ácidos deben tener una diferencia de pKa (o pKb) que sea lo más grande posible. Por ejemplo, se pueden separar los siguientes:

  • Ácidos muy débiles como fenoles (pKa alrededor de 10) de ácidos más fuertes como ácidos carboxílicos (pKa alrededor de 4-5).
  • Bases muy débiles (pKb alrededor de 13 a 14) de bases más fuertes (pKb alrededor de 3-4). Esto se utiliza con frecuencia en el suelo purificador para determinar la concentración de metal traza.

Al separar dos ácidos o dos bases, el pH se ajusta generalmente a un valor que se sitúe aproximadamente entre las constantes pKa (o pKb). La separación se produce a este pH intermedio porque un componente está completamente ionizado, mientras que el otro está completamente en su forma neutra. A menudo, las soluciones utilizadas para extraer los ácidos o bases también se pueden utilizar para controlar el pH. Al separar dos ácidos, la mezcla se lava primero con una base débil (p. ej. bicarbonato de sodio) para extraer el ácido fuerte, y luego se lava con una base fuerte (p. ej. hidróxido de sodio) para extraer el ácido débil. Para separar componentes básicos, primero se utiliza un ácido débil (p. ej. ácido acético diluido) para extraer la base más fuerte, y luego se utiliza un ácido más concentrado (p. ej. ácido clorhídrico o ácido nítrico) para crear valores de pH fuertemente ácidos y separar la base más débil.

Técnica

El siguiente procedimiento se suele seguir cuando se realiza una extracción ácido-base para una mezcla que contiene un compuesto ácido y/o básico:

  1. La mezcla de compuestos se disuelve en un solvente orgánico adecuado, como el diclorometano o el éter de dietil.
    Ejemplo de extracción de ácido-base de dos componentes: fenol ácido y fenilamina básica. La fenilamina se recoge primero en la capa orgánica, luego el fenol se recoge de la capa acuosa. La capa verde en el embudo separatorio indica la capa orgánica, mientras que la capa incolora indica la capa acuosa.
  2. La solución se añade a un embudo separador. Si el compuesto deseado es básico, la solución se lavará con ácido acuoso (por ejemplo, 5% HCl); si es ácido, la solución se lava con base acuosa (por ejemplo, 5% NaOH).
  3. Las fracciones son entonces sacudidas y las dos fases están separadas. El embudo separatorio debe ser ventilado frecuentemente para aliviar la acumulación de presión, especialmente cuando contiene soluciones acuosas que evolucionan el gas de dióxido de carbono sobre la neutralización (como el bicarbonato de sodio).
  4. Luego se recoge la fracción que contiene el análisis de interés. Típicamente, esta es la capa acuosa, ya que la adición de ácido o base ha causado que el analito se carga y altamente soluble en la capa acuosa. La identidad de la capa acuosa depende críticamente de la densidad del solvente orgánico. Los disolventes orgánicos con una densidad superior a 1,00 g/mL (por ejemplo, diclorometano) provocan que la capa acuosa flota a la parte superior, mientras que los disolventes con una densidad inferior a 1,00 g/mL (por ejemplo, éter) hacen que la capa acuosa se hunda al fondo.
  5. La fracción orgánica se añade otra vez al embudo separatorio, y los pasos 2-4 se repiten dos veces más para maximizar el rendimiento de la extracción. En el enjuague final, una solución saliente impulsa cualquier solución acuosa restante de la capa orgánica.
  6. Si la capa orgánica restante no contiene analitos de interés, se descarta; de lo contrario, el disolvente se seca sobre un agente de secado adecuado (como sulfato de sodio anhydroso), filtrado, luego evaporado bajo presión reducida para producir el compuesto puro. Si la capa acuosa contiene el análisis de interés, se ajusta al pH opuesto (por ejemplo, básico a ácido). Los pasos 1-4 se repiten con esta fracción utilizando una solución acuosa de pH opuesto (por ejemplo, NaOH a HCl). Este procedimiento circular se realiza ya que suele ser mucho más fácil eliminar el solvente orgánico mediante evaporación rotativa que el solvente acuoso.

Usos comunes en síntesis química

La extracción ácido-base se utiliza con frecuencia como primer paso en un procedimiento de elaboración posterior a una síntesis química para eliminar materiales de partida ácidos y básicos o impurezas. La extracción ácido-base suele ser un precursor de técnicas de purificación más complicadas, como la recristalización, si el producto sintetizado aún no es completamente puro.

La síntesis orgánica suele utilizar extracciones ácido-base durante los procedimientos de elaboración. Por ejemplo, considere una esterificación de Fischer: la condensación de un ácido carboxílico con un alcohol para formar un éster. La mezcla posterior a la reacción suele estar formada por pequeñas cantidades de ácido y alcohol sobrantes, además del éster deseado. La extracción ácido-base se puede utilizar para separar fácilmente los materiales de partida ácidos del éster. Al enjuagar la mezcla de producto crudo con una base débil (p. ej., bicarbonato de sodio), el ácido carboxílico y el alcohol se eliminarán con la capa acuosa, dejando el éster purificado en la capa orgánica. La elección de la base utilizada para la extracción es fundamental, ya que una base fuerte (p. ej., hidróxido de sodio) hidrolizará el éster.

Otro ejemplo común de extracción ácido-base ocurre después del acoplamiento de péptidos, donde el producto de amida debe separarse del ácido carboxílico y la amina sobrantes. El ácido carboxílico puede eliminarse enjuagando la capa orgánica con una base débil (bicarbonato de sodio), mientras que la amina puede eliminarse enjuagando con un ácido débil (ácido clorhídrico al 10%). Después de estas dos extracciones, la amida permanecerá en la capa orgánica y se habrá purificado significativamente.

Solución de problemas

Los siguientes problemas se observan comúnmente durante la extracción ácido-base y suelen tener soluciones sencillas

  • Sólo una capa se observa en el embudo separatorio.
    • Esto se debe a la utilización de un disolvente orgánico con significativas debilidades con agua (por ejemplo, acetonitrile). El solvente orgánico utilizado debe ser insoluble en agua para observar la separación de fase y realizar una extracción de base ácida.
  • Tres capas forman en el embudo separatorio.
    • A menudo esto es un resultado de la mezcla insuficiente, y el revolvimiento de la luz resolverá el problema.
  • No se observa el límite entre la capa orgánica y la capa acuosa.
    • El hielo se puede utilizar para identificar el límite ya que flotará entre las dos capas.
  • Las formas de emulsión y una capa se suspenden en la otra como pequeñas gotas.
    • Esto se puede resolver mediante el uso de una varilla de agitación de vidrio para "push" suavemente las pequeñas gotitas entre sí, eventualmente resultando en separación y causando que las dos capas aparezcan. Añadiendo una pequeña cantidad de solución de salmuera también se puede utilizar para romper la emulsión; este proceso se denomina "salting out". Las emulsiones pueden prevenirse mezclando las soluciones suavemente y no vigorosamente.
  • Se desconocen las posiciones relativas de las capas acuosas y orgánicas.
    • Se puede añadir una pequeña cantidad de agua al embudo separatorio. Cualquiera que sea la capa en la que entran estas gotas se identifica como la capa acuosa.

Limitaciones

La extracción ácido-base es eficaz para separar compuestos con una gran diferencia de solubilidad entre su forma cargada y su forma no cargada. Por lo tanto, este procedimiento no funcionará para:

  • Zwitterions con grupos funcionales ácidos y básicos en la misma molécula.
    • Por ejemplo, la glicina es soluble en agua a la mayoría de los valores de pH y por lo tanto es difícil de extraer en medios orgánicos.
  • Compuestos litófilos.
    • Los compuestos como sales de tetrabutylammonium o ácidos grasos no se disuelven fácilmente en la fase acuosa en su forma cargada.
  • Aminas básicas.
    • Los amoníaco, la metilamina o la trietanolamina son miscibles o significativamente solubles en agua a la mayoría de los pH y no pueden extraerse en medios orgánicos.
  • Ácidos hidrofílicos inorgánicos.
    • Los ácidos como el ácido acético son indefinidamente miscibles en el agua y tienen solubilidad limitada en disolventes orgánicos.

Alternativas

Las alternativas a la extracción ácido-base incluyen:

  • Filtrar la mezcla a través de un enchufe de gel de sílice o alumina — si el producto es una sal cargada, seguirá siendo fuertemente adsorbido al gel de sílice o alumina.
  • La cromatografía de intercambio de iones puede separar ácidos, bases o mezclas de ácidos y bases fuertes y débiles por sus afinidades variables al medio de columna en diferentes pH.
  • Utilizando la cromatografía de columnas para separar los compuestos neutros según sus valores de relación de frente.
  • Electroforesis Gel, que separa grandes biomoléculas basadas en su carga y tamaño.

Véase también

  • Cromatografía
  • Extracción
  • Líquido multifase
  • embudo separador

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  • Extracción de base ácida Archived 2016-03-03 en la máquina Wayback
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