Conocer y efectuar una correcta aplicación de los métodos extractivos más frecuentemente empleados en Química Orgánica.
Objetivos específicos
- Extraer aceites de semillas oleaginosas empleando un método de extracción sólido-líquido.
- Obtener un extracto de proteínas a partir de semillas previamente deslipidizadas.
- Realizar la extracción de ceras foliares mediante el proceso de maceración.
- Calcular y comparar los rendimientos de los extractos obtenidos en cada caso.
Contenidos
- Extracción: consideraciones teóricas - Coeficiente de partición
- Extracción con disolventes orgánicos - Extracción ácido-base - Métodos extractivos 9 Maceración 9 Reflujo 9 Lixiviación 9 Extracción continua
9 Extracción por arrastre con vapor de agua
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
Cuando una sustancia está en contacto con dos fases líquidas, inmiscibles entre sí, se establece un equilibrio de distribución de la misma entre dichas fases.
El proceso de distribución depende de una de las siguientes variables: partición o adsorción.
La partición indica una disolución selectiva, con solubilidades diferentes para los componentes de la mezcla, entre las fases de dos disolventes inmiscibles.
La adsorción indica una adherencia selectiva, con desorciones diferentes, para los componentes de la mezcla entre la fase sólida del adsorbente y la fase líquida del eluyente. Las distintas técnicas cromatográficas se basan en sendas variables, mientras que la extracción sólo se basa en el fenómeno de partición.
Se puede definir entonces a la extracción como la separación de una sustancia del seno de una mezcla, por la acción de un disolvente que la disuelve selectivamente. Se denomina, en cambio, lavado cuando lo que se extrae es la impureza, permaneciendo el compuesto deseado en su fase original.
En el proceso de extracción se aplica la Ley de Distribución o Ley de Partición: Si a un sistema de dos fases líquidas (A y B) inmiscibles o muy poco miscibles, se le agrega un tercer componente (Z), soluble en ambas fases, éste se distribuirá en cada una de las fases líquidas de manera tal que el cociente que resulte de dividir las concentraciones logradas en cada fase será una constante que sólo dependerá de la temperatura.
Si C A y C B son las concentraciones de la sustancia Z en las fases líquidas A y B, a una temperatura determinada, se cumple que:
C A = Kd C B
Donde Kd es el Coeficiente de Partición o de Distribución.
Una aproximación al valor de Kd está dada por el cociente de los valores de solubilidad de la sustancia Z en cada uno de los disolventes (A y B). Por ejemplo: si la solubilidad, a 25 ºC, de la sustancia Z es de 28 g por cada 100 ml de éter etílico y de 45 g por cada 100 ml de agua, cuando se agrega Z a una mezcla de iguales volúmenes de éter etílico y agua, se disolverá en cada uno de ellos en cantidades que dependerán de los respectivos coeficientes de solubilidad. En consecuencia, la concentración de Z en agua será, aproximadamente, 1.6 veces mayor que en la fase etérea.
Masa de Z/100 ml de agua 45
Kd = = = 1.607
Ampolla de decantación Pero ¿Cuántas veces conviene realizar el proceso? ¿Qué cantidad de disolvente conviene utilizar en cada extracción? Para responder estos interrogantes es necesario conocer el coeficiente de solubilidad de la sustancia en los distintos disolventes. Supongamos que se quiere extraer 100 ml de una solución de 10 g de Z en éter etílico con 100 ml de agua, con el propósito de recuperar la mayor cantidad posible de Z en la fase acuosa. Si los 100 ml de solución etérea se agitan con los 100 ml de agua, la concentración de Z remanente en la solución etérea puede calcularse de la expresión de Kd. Si llamamos X al número de gramos de Z que se extraen con agua, 1-X será el número de gramos que permanecen en la fase etérea, luego de la extracción.
Xg/100 ml de agua
Kd = 1.607 = X = 6.16 g
(10-X) g/100 ml de éter
En consecuencia, una extracción con 100 ml de agua remueve 6.16 g de Z de la fase etérea.
Supongamos ahora que, en vez de extraer una sola vez con 100 ml de agua, se extrae en dos pasos, con 50 ml cada vez. De esta manera, se puede calcular la cantidad de Z remanente en la fase etérea para la primera extracción:
Xg/50 ml de agua
Kd = 1.607 = X = 4.45 g
(10-X) g/100 ml de éter
En consecuencia, quedan 5.55 g en la fase etérea. La forma más simple de extracción
consiste en mezclar la solución que contiene la sustancia a extraer con el disolvente elegido para la extracción en una ampolla de decantación y luego agitar vigorosamente para permitir que las fases entren en contacto íntimo. Posteriormente, se deja reposar unos minutos hasta que las fases se separen nuevamente y se drena la fase inferior a través de la llave de la ampolla. Este proceso puede repetirse varias veces utilizando pequeñas cantidades del disolvente puro.
Para la segunda extracción: Xg/50 ml de agua
Kd = 1.607 = X = 2.47 g
(5.55-X) g/100 ml de éter
Los extractos acuosos reunidos suman 6.92 g (4.45 + 2.47) de Z, lo que representa 0.76 g más que la cantidad separada al realizar la extracción en una sola etapa (6.16 g).
En el ejemplo analizado, se conocen los coeficientes de solubilidad de la sustancia a extraer (Z) en cada uno de los disolventes (éter y agua). Sin embargo, es necesario aclarar que esta situación no ocurre en la mayoría de los casos, ya sea porque el coeficiente de solubilidad de la sustancia es desconocido o, más frecuentemente, porque lo que se pretende extraer no es una sustancia pura. Teniendo en cuenta estas consideraciones, el estudio de numerosos casos de extracciones de diferentes sustancias orgánicas ha permitido observar que, en general, los mejores resultados se obtienen dividiendo el volumen total de disolvente de extracción en varias porciones y realizando extracciones secuenciales con cada una de ellas. Esto aumenta la eficiencia del proceso extractivo Elección del disolvente de extracción
Los compuestos orgánicos son generalmente más solubles en disolventes orgánicos que en agua y, por lo tanto, pueden extraerse de soluciones acuosas. La elección del disolvente de extracción depende de la solubilidad del compuesto a extraer, de la volatilidad, inflamabilidad y toxicidad de los posibles disolventes a emplear. Nuevamente aplicamos la regla que dice “ lo semejante disuelve a lo semejante” , es decir, cuanto mayor sea la afinidad de la muestra orgánica por el disolvente de extracción elegido, más fácilmente se extraerá. Si la solubilidad del compuesto en agua es grande, se puede recurrir al agregado de electrolitos a la fase acuosa. Esto aumentará la fuerza iónica de la misma, haciendo descender el valor de la solubilidad de la muestra orgánica en dicha fase, lo cual contribuirá al pasaje de la misma a la fase del disolvente orgánico de extracción. Por último, el disolvente de extracción debe ser inerte, es decir, no debe alterar la estructura del compuesto a extraer.
Para extraer secuencialmente los componentes de un tejido animal o vegetal, generalmente se parte de material molido y deshidratado, para evitar la posible formación de emulsiones entre el agua contenida en el material y los disolventes orgánicos a utilizar. El tipo de compuestos orgánicos a extraer dependerá fundamentalmente de la polaridad del disolvente elegido. Normalmente, para realizar una extracción secuencial, se comienza con un disolvente poco polar (hexano, éter de petróleo, cloroformo). Luego de la extracción, el residuo se separa del disolvente
(por filtración o centrifugación) y se somete a una nueva extracción empleando un disolvente de mayor polaridad (éter etílico, metanol, etc.). Importante: si la extracción se hiciera directamente con metanol, algunos de los compuestos no polares también serán extraídos por efecto de co- disolución. n-Hexano Ciclohexano Tolueno Cloroformo Eter etílico Acetato de etilo Acetona Etanol Metanol Agua Acido acético Menos polar Más polar Serie eluotrópica de solventes
La extracción de los componentes de un material vegetal (por ej. hojas) podría esquematizarse de la siguiente manera:
Extracto vegetal seco y molido ↓ ↓Eter de petróleo ↓ ←←←←←←←→→→→→→→→→→→→→ ↓ ↓ ↓ ↓
Extracto etéreo Residuo
↓
Esteroles ↓Metanol
Alcoholes de alto PM ↓
Ceras Extracto metanólico
Glicéridos
Pigmentos (carotenoides, clorofilas) Glicósidos
Terpenos Taninos
Alcaloides
Extracción ácido-base
Muchas veces puede ocurrir que cuando se realiza una extracción con un solvente determinado se obtienen mezclas de compuestos ácidos, básicos y neutros. Estas mezclas pueden ser separadas utilizando reactivos ácidos o básicos que reaccionan químicamente con los componentes básicos o ácidos de la mezcla, respectivamente.
De los compuestos orgánicos que presentan una acidez apreciable, los más importantes son los ácidos carboxílicos (R—COOH, donde R representa un grupo alifático o aromático) y, en menor medida, los fenoles (Ph–OH, donde Ph es un grupo fenilo). Aunque son más débiles que muchos ácidos minerales, son mucho más ácidos que el agua. Por lo tanto, los hidróxidos acuosos los convierten en sus sales fácilmente mientras que los ácidos minerales acuosos los reconvierten en ácidos y fenoles libres.
R—COOH + NaOH ª R—COO– Na+
+ H2O
Ph–OH + NaOH ª Ph–O– Na+ + H
2O (Insoluble en agua) (Soluble en agua)
La mayoría de los fenoles son más débiles que el ácido carbónico, por lo tanto no se disuelven en soluciones acuosas de bicarbonato, hecho por el cual se diferencian de los ácidos carboxílicos.
R—COOH + NaHCO3 ª R—COO– Na+ + CO2 + H2O Ph–OH + NaHCO3 ª No hay reacción
Las sustancias orgánicas más importantes que exhiben una basicidad apreciable (esto es, la suficiente para virar a azul el papel tornasol) son las aminas. Una amina tiene una fórmula general H2NR, HNR2 o NR3, donde R representa un grupo alifático o aromático. Las aminas alifáticas son tan básicas como el amoníaco mientras que las aromáticas son mucho menos básicas. Al igual que el amoníaco las aminas reaccionan fácilmente con ácidos minerales acuosos, ácidos carboxílicos e incluso agua (ácido débil). El ion hidróxido acuoso las reconvierte con facilidad en aminas libres.
R
N
H
H
H X
R
N
H
H
H
+
X
¿Cómo realizar la extracción?
El método consiste en disolver la mezcla orgánica a separar en un disolvente con las siguientes características: debe ser inerte, inmiscible con el agua y poseer un bajo punto de ebullición.
Los volúmenes de disolventes tanto acuoso como orgánico dependen por supuesto de la cantidad de sustancia a separar. Como una
guía se puede decir que 5 g de una mezcla pueden ser disueltas en 30 ml de disolvente orgánico y extraída con 3 porciones de 10 ml cada una del disolvente acuoso.
La solución se introduce en una ampolla de decantación y se agregan sucesivas porciones de ácido clorhídrico diluido (5%-10%). Las fases acuosas se juntan y se lavan una vez con solvente orgánico fresco para remover la pequeña cantidad de fase orgánica original que pudo arrastrarse con el extracto acuoso. Los componentes básicos extraídos en la fase acuosa ácida se recobran enfriando en baño de hielo dicha solución y agregando gota a gota y con agitación, una solución de hidróxido de sodio (20%). El sólido formado se extrae nuevamente con disolvente orgánico, se seca y se evapora el extracto.
La solución orgánica original de la cual se extrajeron los componentes básicos, se extrae ahora con porciones sucesivas de hidróxido de sodio acuoso (5%-10%). Los componentes ácidos son extraídos de esta forma de la solución original permaneciendo ahora en la fase acuosa. Dicha fase se lava una vez con una porción de disolvente orgánico fresco y se recobran los componentes ácidos enfriando la fase acuosa y neutralizando la misma por agregado de ácido clorhídrico (20%) gota a gota y con agitación. El sólido se extrae con disolvente orgánico fresco, se seca y se evapora.
Los componentes neutros que quedan en la fase orgánica original se lavan con una porción de ácido clorhídrico diluido y luego con agua hasta que las aguas de los lavados sean neutras. La fase orgánica finalmente se seca y se evapora.
Cuando en una misma mezcla se encuentran presentes ácidos carboxílicos y fenoles, estos compuestos pueden ser separados debido a su diferente constante de acidez. Si bien ambos forman sales cuando se los trata con una solución de hidróxido de sodio (base fuerte) no ocurre lo mismo cuando la sustancia que se utiliza para extraer es bicarbonato de sodio (una base débil). En este caso sólo el ácido fuerte reacciona formando la sal, mientras que los fenoles (ácidos débiles) permanecen inalterados en la fase orgánica.
Para obtener ácidos carboxílicos y fenoles por separado, se debe extraer la fase orgánica que los contiene con tres porciones de una solución de bicarbonato de sodio (1 M). La fase orgánica resultante contiene los compuestos fenólicos. Dicha fase se seca y se evapora. La fase acuosa básica se neutraliza con ácido clorhídrico (10%). Debe tenerse mucho cuidado en este punto, debido al desprendimiento de CO2 que produce una presión extra dentro de la ampolla de decantación. Luego se extrae tres veces con el disolvente orgánico. Esta nueva fase orgánica se seca y se evapora obteniéndose los ácidos carboxílicos.
Algunos compuestos orgánicos, como los aminoácidos y las proteínas, tienen la propiedad de ser anfóteros, por lo que pueden comportarse como bases, como ácidos o como iones dipolares según el pH del medio en que se encuentren. En otras palabras, cuando se encuentran en solución acuosa algunas moléculas proteicas se cargan positivamente, mientras que otras lo hacen negativamente. El valor de pH en el cual una proteína determinada es eléctricamente neutra, se conoce como punto isoeléctrico de esa proteína.
Por lo tanto, a valores de pH superiores o inferiores al del punto isoeléctrico, la proteína posee una carga eléctrica positiva o negativa y las moléculas de agua pueden interaccionar con estas cargas, contribuyendo así a la solubilización. Esta solubilidad diferencial de acuerdo al pH, permite la extracción y purificación de numerosas proteínas y se ha visto que, en general, la solubilidad y por lo tanto la eficiencia de la extracción son mayores a pH alcalino.
Por otra parte, los iones de las sales neutras, a molaridades del orden de 0.5-1 M, pueden incrementar la solubilidad de las proteínas, efecto conocido como solubilización por salado. Los iones interaccionan con las cargas de las proteínas disminuyendo la atracción electrostática entre cargas opuestas de moléculas vecinas. Además la solvatación relacionada con estos iones, incrementa la de las proteínas y por lo tanto la solubilidad. Si la concentración de sales neutras es superior a 1 M, la solubilidad de la proteína desciende, lo que puede conducir a la precipitación (precipitación por salado). Este fenómeno se produce por competencia entre las proteínas y los iones salinos por las moléculas de agua necesarias para sus respectivas solvataciones. A altas concentraciones salinas no hay suficientes moléculas de agua disponibles para la solvatación de las proteínas, puesto que la mayor parte de las moléculas de agua están fuertemente ligadas a las sales. Por lo tanto, las interacciones proteína-proteína predominan sobre las interacciones proteína-agua, lo que puede conducir a la formación de agregados seguido de precipitación de las moléculas proteicas.
Ciertos disolventes como el etanol o la acetona disminuyen la constante dieléctrica del medio acuoso en que una proteína está disuelta y, por lo tanto, las fuerzas electrostáticas de repulsión entre moléculas proteicas, lo que facilita su agregación y precipitación. Estos disolventes compiten también por las moléculas de agua, por lo que reducen aún más la solubilidad de las proteínas.
Técnicas extractivas
Maceración
El proceso de maceración consiste en remojar el material a extraer, debidamente fragmentado, con un disolvente apropiado, hasta que éste penetre en los tejidos ablandando y disolviendo las porciones solubles. En un recipiente que no se ataque con el disolvente (preferentemente de vidrio), se
coloca el material a extraer y se cubre con el disolvente elegido. Se tapa y se deja en reposo, con agitación esporádica. Posteriormente se filtra el líquido y si el material aún contuviera las sustancias de interés, se repite el proceso con disolvente fresco (puro) tantas veces como sea necesario.
Reflujo
En este proceso, el material fragmentado disuelto en un disolvente convenientemente escogido, se somete a ebullición. Debido a que un calentamiento prolongado de la solución podría conducir a la evaporación total del disolvente, se utiliza un equipo de reflujo que consta de un balón de destilación (que contiene el material a extraer más el disolvente) y un refrigerante. La temperatura elevada del disolvente permite una mejor extracción de los componentes deseados ya que la solubilidad de la mayoría de las sustancias aumenta con la temperatura. Este método presenta el inconveniente de que muchos compuestos termolábiles se alteran o descomponen a la temperatura de ebullición del disolvente.
Equipo de reflujo Lixiviación o percolación
Es un proceso ampliamente difundido que consiste en colocar el material fragmentado en un recipiente cónico o cilíndrico, haciendo pasar un disolvente apropiado a través del mismo. El tamaño de las partículas del material a extraer no debe ser menor a los 3 mm aproximadamente, dado que el disolvente no percolará. Sin embargo, el material debe estar debidamente compactado de modo que el disolvente eluya con cierta lentitud dando tiempo al mismo a tomar contacto con los tejidos y extraer los componentes deseados. De otra manera, el residuo deshechado contendrá gran parte del componente de interés. Este método no difiere significativamente de la maceración, aunque requiere el agregado de solvente en forma constante.
Extracción por arrastre con vapor de agua
El más antiguo y sencillo método para obtener aceites esenciales es la destilación por arrastre con vapor, a partir del material vegetal, lo más fresco posible. Si un líquido orgánico es insoluble en agua y tiene una presión de vapor apreciable a la temperatura de ebullición de aquélla, puede destilarse arrastrándolo con vapor de agua. Este método permite la máxima difusión del vapor a través del material vegetal, reduciendo los daños que pudiesen sufrir los componentes de las esencias extraídas por otros métodos. Los aceites esenciales o simplemente esencias son sustancias volátiles e insolubles en agua por lo que pueden ser arrastradas por una corriente de vapor de agua. El equipo para realizar esta operación consta de un recipiente con agua, una cámara de extracción y un brazo lateral colector, unido por una lado a un refrigerante y por otro al destilador propiamente dicho. El material vegetal se corta en trozos pequeños y se coloca en la cámara de extracción. Se calienta el agua hasta ebullición y se mantiene el hervor durante una hora, observándose la condensación de dos fases líquidas que posteriormente son retiradas y separadas. En las destilaciones por arrastre con vapor más comunes, la fase acuosa lleva disueltas sustancias de bajo peso molecular y cantidades variables de los principales componentes de la esencia. Para recuperarlas, se coloca esta fase acuosa en una ampolla de decantación y se extrae con hexano u otro disolvente orgánico de bajo punto de ebullición (éter etílico, dicloro metano, etc.).
Aparato para extracción por arrastre con vapor de agua
Extracción continua
Para efectuar una extracción eficiente y “ agotar” el material que se está extrayendo, muchas veces se requieren volúmenes muy grandes del disolvente de extracción, por lo que el costo y el manipuleo de tales
cantidades hacen impráctica la operación. En estos casos, resulta de gran utilidad el empleo de aparatos que por su diseño ahorran tiempo y dinero.
Existen tres diseños básicos de aparatos para realizar una extracción continua:
a) Aparato de Soxhlet para extracción sólido-líquido