CHIẾT (Extraction)
Quy trình phân tích mẫu Lấy mẫu Bảo quản Xử lý mẫu Phân tích
Mở đầu • Tách – chiết là nhóm các phương pháp hóa học, vật lý và hóa lý nhằm đi từ một hỗn hợp phức tạp → hỗn hợp đơn giản → từng chất • Hỗn hợp phức tạp → tách một chất hoặc một nhóm chất • Y, Dược: Đối tượng phân tích đa dạng → khó xác định trực tiếp một chất mà phải qua giai đoạn tách → định lượng • Tách – chiết có thể dùng để tinh chế hoặc nghiên cứu thành phần của một hỗn hợp
Các phương pháp tách – chiết • Tách hỗn hợp không đồng nhất: Hỗn hợp có ít nhất hai pha không hòa lẫn vào nhau. Ví dụ: Nhũ tương, hỗn dịch Tách hai pha: Lọc, ly tâm: Áp dụng cho hỗn dịch Tháy đổi nhiệt độ, pH, lắng, gạn: Áp dụng cho nhũ tương
• Tách hỗn hợp đồng nhất: Chia cắt pha: Hỗn hợp đồng nhất → hỗn hợp không đồng nhất Chuyển pha: Chuyển một chất từ pha này sang pha khác: Chiết, thẩm thấu, sắc ký Biến đổi trạng thái: Cất, thăng hoa, kết tinh
Chiết là gì? • Chiết là một phương pháp dùng dung môi (đơn hay hỗn hợp)để tách lấy một chất hay một nhóm các chất từ hỗn hợp cần nghiên cứu • Thường gặp chiết hoạt chất từ dung dịch nước vào dung môi hữu cơ • Mục đích: định tính, định lượng, xác định cấu trúc • Phân loại: Chiết lỏng – lỏng (liquid-liquid extraction ) Chiết lỏng – rắn (liquid-solid extraction) • Chiết có vai trò quan trọng trong kiểm nghiệm
Nội dung 1
Các khái niệm cơ bản của chiết
2
Điều kiện và sự chiết
3
Chiết lỏng – lỏng
4
Chiết lỏng – rắn
5
Một số các phương pháp tách chiết khác
1. Các khái niệm cơ bản
Làm thế nào để tách đường ra khỏi dầu?
•
Chất cần chiết gọi chung là chất tan: Có thể là các ion kim loại, các anion, các phân tử các chất hữu cơ nằm ở một pha ban đầu chủ yếu là pha nước cần chiết vào pha thứ hai là pha hữu cơ.
•
Dung môi chiết: (Pha 2) kéo chất phân tích ra khỏi dung môi ban đầu (pha 1)
•
Tác nhân chiết: Chất liên kết với chất cần chiết tạo thành đại phân tử có khối lượng lớn cùng đi vào pha thứ hai
•
Hệ số phân bố của chất Kp: Hệ số phân bố của chất tan (chất phân tích) trong 2 pha không tan vào nhau là một hằng số hoá lý và nó đặc trưng cho sự phân bố của mỗi chất.
Ví dụ Chất tan X được phân bố vào hệ pha gồm 2 dung môi A và B (ví dụ Benzen và nước) không trộn vào nhau, thì hệ số phân bố được xác định theo biểu thức sau. Kp = Cx(A)/ Cx(B) Trong đó: + Cx(A) là nồng độ chất X trong pha A (dung môi A, pha Benzen); + Cx(B) là nồng độ của chất X trong pha B (dung môi B, pha nước). Chiết các chất vô cơ: Các chất vô cơ như là các ion kim loại, các anion tan trong nước Chiết các chất hữu cơ: ðể chuyển được các chất tan hữu cơ từ pha nước sang pha hữu cơ, một nguyên tắc cơ bản luôn được áp dụng là “ các chất tương tự nhau sẽ hòa tan vao nhau ”.
Nguyên tắc và cơ sở của sự chiết Chiết là dựa trên cơ sở sự phân bố (hay hoà tan) khác nhau của chất phân tích vào trong hai pha (2 dung môi) không trộn lẫn vào nhau. Tức là các chất phân tích tan tốt trong dung môi này, nhưng lại không tan tốt trong dung môi kia. Nghĩa là sự phân bố của một chất trong hai dung môi ( 2 pha) là rất khác nhau. Nhờ đó mà chúng ta lấy được chất cần phân tích ra khái pha mẫu ban đầu, chuyển nó vào pha thứ 2 (dung môi) mà chúng ta mong muốn. Sau đó xác định nó trong dung môi chiết. Như vậy yếu tố quyết định sự tách và xử lý mẫu ở đây là hệ số phân bố của chất trong 2 pha ( dung môi), và các điều kiện thực hiện lắc chiết. Khi hệ số phân bố lớn sẽ có hiệu suất chiết cao.
2. Các điều kiện của sự chiết Quá trình chiết phải có các điều kiện và đảm bảo được các yêu cầu nhất định sau đây: Dung môi chiết phải tinh khiết cao, để không làm nhiễm bẩn thêm các chất phân tích vào mẫu. Dung môi chiết phải hoà tan tốt các chất phân tích, nhưng lại không hoà tan tốt với các chất khác có trong mẫu. Hệ số phân bố của hệ chiết phải lớn, để cho sự chiết được triệt để. Cân bằng chiết nhanh đạt được và thuận nghịch, để giải chiết được tốt. Sự phân lớp khi chiết phải rõ ràng, nhanh và dễ tách ra riêng biệt các pha. Phải chọn môi trường axit, pH, loại axit thích hợp, Phải thực hiện trong nhiệt độ phù hợp và giữ không đổi trong cả quá trình. Phải lắc hay trộn đều mạnh để quá trình chiết xẩy ra được tốt.
3. Chiết lỏng – lỏng Chiết lỏng - lỏng là một phương pháp thường được sử dụng để tách
chiết
các
thành
phần
(components) của một hỗn hợp (mixture) phân tích Chiết lỏng – lỏng là gì? “Chiết là quá trình chuyển chất tan từ pha này sang pha khác”
3.1. Nguyên tắc – phân loại Chiết lỏng lỏng là kỹ thuật chiết dựa trên sự phân bố khác nhau của chất tan vào 2 pha không trộn lẫn, từ đó tách chiết chất phân tích ra khỏi nền hoặc tách là cho chất tan (chất phân tích) tan ưu tiên vào một trong hai pha lỏng không trộn lẫn, còn tạp chất hay các chất cần tách khác ở lại trong pha kia. Chiết lỏng-lỏng trở thành một công cụ rất hữu ích nếu chọn được một dung môi khai thác phù hợp, có thể sử dụng để tách một chất chọn lọc từ một hỗn hợp, hoặc loại bỏ các tạp chất không mong muốn từ một dung dịch.Trong thực tế, thường một pha là dung dịch nước và pha còn lại là một dung môi hữu cơ không trộn lẫn với nước. Sự thành công của phương pháp này phụ thuộc vào sự khác biệt trong khả năng hòa tan của một hợp chất trong các dung môi khác nhau. Đối với một hợp chất nhất định, sự khác biệt giữa các dung môi hòa tan được xác định qua hệ số phân bố Kp
Dựa vào nhiệt độ Chuyển động tương hỗ giữa 2 pha
Phân loại phương pháp
Chế độ làm viêc
3.2. Hệ số phân bố Kd Distribution Coefficient. ( Partition Coefficient Kp)
Với cùng Vml dung môi chiết: + Chiết Vml/1 lần + Chiết Vml/n lần Như vậy, với cùng một thể tích dung môi chiết, nếu đem chia nhỏ dung môi chiết làm nhiều phần bằng nhau đem chiết thì hiệu suất quá trình tăng ( mẫu chất được chiết nhiều hơn)
Công thức •
Giả sử có mo mmol A sau khi chiết với Vhc ml dung dịch hữu cơ từ Vn ml dung dịch nước. Gọi m1.1 là lượng chất tan còn lại trong pha nước, như vậy m0 – m1.1 là lượng chất tan đi vào pha hữu cơ thì ta có:
[A]hc
mo − m1.1 = Vhc
[ A]hc KD = [A]n
m1.1 [A]n = Vn
Vh / c mo − m1.1 mo KD. = = −1 Vn m1.1 m1.1 m1.1 k’: Hệ số dung tích
(mo − m1.1 ) / Vh / c = m1.1 / Vn
1 = mo Vh / c 1+ KD Vn
=m 1 o 1+ k'
• A không thể chuyển hoàn toàn vào pha hữu cơ, muốn cho hiệu quả cao hơn và quá trình tách triệt để hơn, người ta phải tiếp tục đưa thêm dung môi hữu cơ mới vào. Cân bằng thứ hai được thiết lập. Gọi m1.2 là lượng chất tan ở pha nước lần 2
m1.2
1 1 = m1.1 = mo (1 + k ') 1+ k'
2
m1.n = mo
1
(1 + k ')
n
3.4. Kỹ thuật chiết lỏng – lỏng
a. Thiết bị chiết lỏng – lỏng
b. Chiết ngược dòng • Nguyên tắc: dung môi chiết và dung dịch chiết chạy ngược chiều và tiếp xúc với nhau • Mục tiêu: tách hai hay nhiều chất tan bằng một loạt sự phân chia giữa hai pha lỏng – lỏng • Chiết gián đoạn qua nhiều bước • Chiết liên tục qua nhiều bước
Hình ảnh chiết soclet
Chiết ngược dòng gián đoạn qua nhiều bước • Giả sử có hai chất A và B trong hỗn hợp AB đang tồn tại ở pha dưới L (lower phase) được chiết bằng pha trên U (upper phase) • Ban đầu: [A] = 1mM [B] = 1mM DA = [A]U/[A]L = 4 ; DB = [B]U/[B]L = 1. Điều kiện cần thiết cho sự tách riêng hai chất phải có D hoàn toàn khác nhau
Chiết gián đoạn qua nhiều bước
Phân chia ngược dòng của A và B
A càng ngày càng cách xa B khi số bước tăng
Chiết liên tục qua nhiều bước Mô hình được xây dựng trên pp chiết ngược dòng gián đoạn
Chiết liên tục qua nhiều bước
Chiết liên tục qua nhiều bước
Chiết soxhlet 1: Đá bọt 2: Bình cất (nhiều nhất ¾ bình soxhlet) 3, 4, 5, 6, 7: Bộ phận cất chính 8: adapter 9: Ngưng tụ 10: Đầu nước vào 11: Đầu nước ra
3.5. Sự phân bố của chất tan trong phân bố lỏng-lỏng 3.5.1. Chiết vật lý - Định luật phân bố Nernst Chiết vật lý: Quá trình chiết mà chất tan không bị biến đổi dạng tồn tại ở 2 pha Định luật phân bố Nernst: Tỷ số nồng độ của chất tan ở hai pha không trộn lẫn trong điều kiện nhất định là một hằng số. Điều kiện áp dụng định luật: + Hai dung môi không trộn lẫn + Nồng độ chất tan đủ loãng + Dạng của chất tan ở hai pha như nhau
3.5.2. Chiết hóa học - Hệ số phân bố điều kiện KD Chiết hóa học: Dạng tồn tại của chất tan hay dạng chiết ở hai pha khác nhau về thành phần hoặc liên kết hóa học, có sự tương tác giữa chất phân tích với tác nhân chiết cũng như các thành phần khác tương tự như phản ứng hóa học Các giai đoạn của quá trình chiết hóa học: + Chuyển tác nhân chiết từ pha hữu cơ sang pha nước hay pha rắn ( sang bề mặt phân chia giữa hai pha) + Phản ứng giữa tác nhân chiết và chất tan + Vận chuyển dạng chiết vào pha hữu cơ
Hệ số phân bố điều liện KD: Là tỷ số nồng độ chất tan trong pha hữu cơ và nồng độ chất tan trong pha nước
Ví dụ: I2 phân bố giữa pha nước có I- và pha hữu cơ ta có cân bằng sau:
I2 + I- = I3-
Ví dụ 2: 8-oxy quynolin ( HOX) trong nước có các cân bằng sau: HOX + H+ = H2OX+ HOX ↔ OX- + H+
3.5.3.1. Chiết axit – bazơ Có thể thay đổi đặc điểm độ tan của 1 chất hay không? Làm thế nào?
ðây là một kỹ thuật mạnh mẽ và cho phép tách chiết các hợp chất hữu cơ từ một hỗn hợp - nếu các hợp chất hữu cơ này có độ hòa tan khác nhau
Loại hợp chất hữu cơ nào có thể được hoà tan trong nước?
(1) Các axit hữu cơ bao gồm axit carboxylic (strong organic acids) and phenols (weak organic acids).
(2) Bazo hữu cơ bao gồm các amin (amines)
(1) Làm thế nào để chuyển các axit hữu cơ sang dạng hòa tan trong nước? A. Axit hữu cơ mạnh
B. Axit hữu cơ yếu. Phenol tan một phần trong nước ( 1g phenol hòa tan trong 15ml nước), các dẫn xuất của phenol gần như không. Chuyển thành dạng ion tan trong nước bằng cách nào?
2. Base hữu cơ (amines) có thể được chuyển sang dạng muối của nó khi cho phản ứng với một dung dịch axit vô cơ mạnh ví dụ HCl Muối phân ly thành ion và thường hòa tan trong nước nhưng không hòa tan trong dung môi hữu cơ không tan trong nước ( not soluble in water-immiscible organic solvents)
Tách hỗn hợp bốn chất
Phân lập ( thu hồi ) các amin Một amin cơ bản. Amin này đã được proton hóa trong HCl và hình thành muối tan vào trong nước.
Amin được proton hoa bởi axit hình thành dung dịch muối
có thể tách (thu hồi) amin ban đầu ?
Phân lập (thu hồi) các axit ðây là hai nhóm khác nhau của axit hữu cơ: carboxylic acids (axit mạnh) và phenols (axit yếu). Trong quá trình phân tách, axit ( mạnh hay yếu) được chiết vào dung dịch
Axit hữu cơ được hòa tan trong dung dịch bazo hình thành muối (hay dạng ion)..
Cả hai axit có thể trở lại dạng tồn tại ban đầu ?.
Phân lập (thu hồi) các axit Quá trình axit hóa được cho từ từ và rất cẩn thận dung dịch HCl vào hỗn hợp tới khi cho sản phẩm là axit hữu cơ ban đầu
Thu hồi các axit-bazo
Kiểm tra giá trị pH để dung dịch có pH ~ 10
Kiểm tra dung dịch phải có giá trị ~pH 3
3.5.3.2. Chiết với chelator kim loại Ion kim loại + chất phối trí → phức tan trong DMHC Chất phối trí (ligand) hay dùng:
Chiết với chelator kim loại
3.5.3.3. Chiết cặp ion Base (acid) + acid (base)/pha nước → cặp ion tan trong DMHC A- + BH+ ↔ A-BH+ [A-BH+](nước) ↔ [A-BH+](hữu cơ) A-BH+ : cặp ion tạo thành A- hoặc BH+ : tác nhân tạo cặp ion (IPA) Cơ sở của phương pháp chiết đo quang, acid màu, acid màu-base hữu cơ Ứng dụng trong kiểm nghiệm •
Chiết và đo quang: chlorpheniramin, ioperamid, promethazine
•
Chuẩn độ tạo cặp ion: dung dịch chuẩn độ là chất tạo cặp ion với alcaloid có khôi lượng phân tử lớn và tạo màu, ví dụ chỉ thị heliatin va môi trường chloroform (chiết novocain)
Chiết cặp ion Các IPA thường dùng Các acid mạnh: acid perchloric, acid sulfuric, acid phosphoric, acid hydrochloric… Các hợp chất sulfonic: • Heptansulfonat natri, laurylsulfat natri • Helianthine, tropepline • Xanh bromothymol, xanh bromophenol, xanh bromocresol,… • Dẫn chất sulfonic của naphthalen • Dẫn chất sulfonic của fluorescein Các ammonium: tetrabutylammonium (C4H9)4N+
3.5.3.4. Chiết bằng dung môi hữu cơ (DMHC) Nhiều phân tử hợp chất hữu cơ và một số ít chất vô cơ có độ tan trong dung môi hữu cơ lớn gấp nhiều lần độ tan trong nước Các yếu tố ảnh hưởng: Cấu trúc phân tử Thuốc thử tạo phức mang điện tích pH Xà phòng/pH thấp tạo acid tan trong DMHC Muối alcaloid/pH cao chuyển alcaloid base tan trong DMHC
3.6. Đánh giá phương pháp Ưu điểm
Nhược điểm
Dùng được cho cả chiết phân
Việc sử dụng một lượng lớn dung
tích và sản xuất tách chiết lượng lớn, Lấy riệng chất PT, loại được các chất ảnh hưởng, nhất là chất nền của mẫu Thích hợp cho làm giầu lượng nhỏ chất phân tích (có thể 10-50 lần), Phục vụ cho chiết được cả các chất vô cơ và các chất hữu cơ Sản phẩm chiết phù hợp được cho nhiều phương pháp phân tích
môi hữu cơ Dụng cụ thủy tinh cồng kềnh và hiệu suất thu hồi không cao. Quá trình chiết lỏng - lỏng thường gây ra sự cạnh tranh của các chất lỏng và rất khó chiết Ngoài ra quá trình chiết lỏng – lỏng khó có thể sử dụng để tự động hóa.
Phạm vi ứng dụng
3.7. Sử dụng phễu tách chiết Chuẩn bị phễu tách chiết một hỗn hợp chất lỏng không trộn lẫn
Sử dụng phễu tách chiết
1. ðặt phễu lên 1 chiếc vòng. ðóng tất cả các khóa
2. ðổ chất lỏng được chiết
3. Thêm dung môi chiết
4. Lắp phễu thủy tinh
Quá trình tách chiết bằng phễu Lắc phễu chiết.
Sau đó, dốc ngược lên và mở khóa vòi để giải phóng áp lực dư thừa, đóng khóa lại. Lặp lại quá trình trên vài lần Nhấc phễu chiết ra khỏi vòng, lắc nhẹ
Quá trình chiết bằng phễu Lắc mạnh phễu. . Bây giờ, lắc mạnh phễu trong một vài giây. Giải phóng áp lực sau đó lại lắc mạnh. Lắc mạnh khoảng 30s là đủ để cho các chất hòa tan đến trạng thái cân bằng giữa hai dung môi
Thông thường khi lắc, áp suất sẽ tăng, có thể dễn tới các nguy hiểm ( bật nắp, vỡ bình,..) nên trong quá trình làm phải rất cẩn thận nhất là khi các dung dịch chứa axit với muối cacbonat sinh ra khí CO2 làm tăng thể tích
Quá trình chiết bằng phễu Tách lớp.
Để phễu lên trên giái đỡ cho đến khi các lớp tách nhau rõ ràng
Trong quá trình chờ đợi, mở nút thủy tinh
Cẩn thận mở khóa vòi, xả lớp dung môi dưới vào bình, chỉ xả cho tới khi lớp dung môi phía trên chạm khóa vòi
MỘT SỐ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH CHIẾT KHÁC
Kỹ thuật vi sóng • Kỹ thuật bình vi sóng • Kỹ thuật bơm vi sóng • Kỹ thuật lò nung vi sóng
+ Tủ phá mẫu vi sóng là thiết bị lý tưởng phá mẫu phòng thí nghiệm dành cho các mẫu cần phân tích có thể tích khối lượng nhỏ, phá các mẫu cần phân tích có hàm lượng ppm ….. hạn chế thất thoát hàm lượng chất cần phân tích….đổi cách làm truyền thống. + Tủ phá mẫu vi sóng được thiết kế an toàn, dễ sử dụng, điều khiển kiểm soát trực tiếp cả nhiệt độ và áp suất qua bộ cảm biến đặc biệt, cửa bảo vệ cải tiến đáp ứng được các ứng dụng yêu cầu áp suất cao, an toàn cho người sử dụng.
Phương pháp lọc • Tách pha lỏng khỏi pha rắn • Vật liệu lọc: Dạng sợi hoặc xốp Chất vô cơ: Dioxyd silic Amiang Thủy tinh (phễu lọc thủy tinh xốp, bông thủy tinh) Chất hữu cơ: Cellulose (giấy lọc) Màng polymer • Kỹ thuật lọc: Lọc ở áp suất thường Lọc ở áp suất thấp (lọc chân không)
Phương pháp ly tâm
Lại thị thu trang
Phương pháp chia cắt pha • Một pha → hai pha • Đơn giản, dễ thực hiện • Tiến hành sau khi chuyển pha Ví dụ: Chiết hỗn hợp ancaloid từ quả thuốc viện
Phương pháp chia cắt pha •
•
Tách hỗn hợp rắn Lắng gạn Chọn lọc cơ học Tách hỗn hợp lỏng Loại bớt dung môi: cô đặc, bay hơi Áp suất thường Áp suất thấp: máy cô quay Bình cất quay nối với bơm chân không Thiết bị cất cô quay Phần ngưng tụ cho chảy qua bình khác Quay làm tăng diện tích bề mặt bay hơi Ưu điểm: giảm sự oxy hóa chất tan, thu được tủa tinh thể thấm ít dung môi Giảm khả năng hòa tan dung môi Thay đổi nhiệt độ tinh chế Thêm chất lỏng không phải là dung môi vào dung dịch Thêm chất rắn (phương pháp muối kết)
Phương pháp thẩm thấu và thẩm tích
Phương pháp kết tinh • Nguyên tắc: Kết tinh dùng để tách các chất rắn ra khỏi hỗn hợp mẫu phân tích. Hòa tan chất rắn cần kết tinh trong dung môi thích hợp ở nhiệt độ sôi nhất định cho tới khi chất tan hoàn toàn, đun sôi dung dịch, lọc nóng ngay loại chất bẩn. Dung dịch sau khi lọc để nguội từ từ sẽ kết tinh • Điều kiện dung môi lựa chọn: Phải hòa tan tốt mẫu phân tích Rất ít tan ở nhiệt độ thường và lạnh Không phản ứng hóa học với chất tan Dễ bay hơi khỏi bề mặt tinh thể Có nhiệt đội sôi thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chất rắn kết tinh • Dung môi phổ biến: Dung môi phân cực: nước, ete, ancol, este, a.axetic Dung môi không phân cực: benzen, hexan, xyclohexan, cloroform, cacbon disunfua;....
Phương pháp chưng cất (chưng cất thường, phân đoạn, lôi cuốn hơi nước) • • • •
Chưng cất thường: Các chất có nhiệt độ sôi nhỏ hơn 150oC, bền với nhiệt độ, không bị phân hủy ở nhiệt độ sôi Các chất có nhiệt độ sôi > 150oC ,kém bền với nhiệt, kém bền với chất oxi hóa thì chưng cất dưới áp suất thấp Chưng cất phân đoạn: Các chất có nhiệt độ sôi gần nhau. Dựa vào sự khác nhau về thành phần hơi và thành phần ở thể lỏng của các cấu tử Lôi cuốn hơp nước: Đối với các chất hữu cơ ít tan trong nước, không phản ứng với nước có áp suất hơi lớn ở nhiệt độ sôi của nước. Dẫn hơi nước vào hỗn hợp, hơi nước sẽ lôi cuốn nó theo và được làm lạnh ngung tụ lại
CẢM ƠN ĐÃ LẮNG NGHE!