Separazione di sostanze organiche per estrazione

La separazione di sostanze organiche può essere effettuata per estrazione in determinate condizioni utilizzando la legge di ripartizione di Nernst

La legge di ripartizione di Nernst prevede che il coefficiente di ripartizione K abbia un valore caratteristico in un dato sistema di fasi immiscibili. Perciò da una miscela di sostanze sciolte in un liquido si può fare la separazione dei componenti mettendo il liquido in equilibrio con un altro liquido e sfruttando le differenze del coefficiente di ripartizione.

La separazione è tanto più efficace quanto più marcate sono le differenze dei coefficienti di ripartizione tra i due liquidi.

Estrazione

Il procedimento di estrazione è di uso frequente nel laboratorio di chimica organica per la separazione di differenti sostanze organiche presenti contemporaneamente in soluzione acquosa, mediante estrazione di un opportuno solvente organico immiscibile con acqua. Per quanto sia favorevole il coefficiente di ripartizione, trattandosi di un equilibrio, occorre ripetere il procedimento per ottenere tutto il componente che interessa nella fase desiderata.

L’estrazione consiste nell’equilibrare le due fasi mescolandole in modo da aumentare la superficie di contatto cosicché il terzo componente possa raggiungere l’equilibrio di ripartizione fra esse.

Si opera, in genere, in un apposito imbuto, detto imbuto separatore

 

e dopo aver agitato le due fasi si fa riposare il liquido in modo da ottenere le due fasi separate. Si toglie la fase estraente ricca del componente che interessa e si aggiunge solvente fresco ripetendo l’operazione un numero sufficiente di volte. Alla fine la fase sottoposta a estrazione non dovrebbe rimanere in pratica che qualche traccia della sostanza da estrarre.

Se g è il numero di grammi di una sostanza sciolta in una fase di volume V e si procede all’estrazione per un certo numero di volte con porzioni fresche di volume v del secondo solvente, dopo la prima estrazione, le concentrazioni nelle due fasi, se g₁ è la quantità rimasta nella fase 1, sono:

g₁ /V / (g – g₁ )/ v  = K

cioè:

g₁  = g( KV/ KV + v)

alla successiva estrazione il termine g è sostituito da quello rimasto cioè g₁ e così via così la precedente equazione può essere così generalizzata:

g_n  = g( KV/ KV + v)ⁿ

E’ chiaro che  si desidera che g_n cioè la quantità rimasta nella fase sottoposta a estrazione sia la più piccola possibile, e che il volume v di solvente sia anch’esso piccolo.

Dall’equazione si rileva che g_n  dipende sia da n che da v: poiché n è all’esponente nel secondo termine il rendimento dell’estrazione è maggiore, per una data quantità di solvente usato e quando si procede più volte all’estrazione con volumi di solvente minori che viceversa.

Legge di ripartizione

La legge di ripartizione vale per le molecole che si trovano nella stessa forma nelle due fasi. Al fine di sfruttare meglio il potere di estrazione del solvente si cerca di modificare la struttura molecolare della sostanza da estrarre facendola reagire con il solvente.

Ad esempio volendo estrarre con acqua le sostanze a carattere basico come le ammine da un solvente organico come l’ etere etilico, si acidifica l’acqua con acido cloridrico. L’ammina, appena passata nella soluzione acquosa forma il cloridrato sottraendosi all’equilibrio di ripartizione secondo lo schema:

R-NH₂ + H₃O⁺ ⇌ R-NH₃⁺ + H₂O

che è spostata molto a destra. R-NH₃⁺ è una forma diversa rispetto a R-NH₂ cosicché l’estrazione procede finché in pratica non esiste più ammina nella soluzione eterea.

Un procedimento analogo si usa per le sostanze acide se l’acqua viene alcalinizzata. In questo caso la reazione è:

R-COOH + OH^– ⇌ R-COO^– + H₂O

Lo ione R-COO^–  è una forma diversa da R-COOH che quindi viene estratto in maniera completa dalla soluzione eterea.

Il procedimento inverso si usa qualora si voglia portare in soluzione organica un acido o una base sciolti in soluzione acquosa.

L’estrazione con solventi può così essere indirizzata verso una maggiore resa nei riguardi di particolari classi di composti organici. Alcalinizzando, per esempio, una soluzione acquosa con carbonato di sodio, invece che con soda caustica si portano in soluzione gli acidi carbossilici ma non i fenoli.