EXTRAÇÃO POR SOLVENTE

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1 EXTRAÇÃO POR SOLVENTE Extração consiste na separação de um componente de uma mistura por meio de um solvente. Os solventes devem ser imiscíveis e formar duas fases ou camadas separadas. A substância de interesse deve ser mais solúvel no segundo solvente. A técnica de separação por solvente frequentemente é atraente nas circunstâncias em que a destilação for inadequada. Figura 1 (slide1) - Extração de uma solução aquosa usando um solvente menos denso que a água: éter. 1ª opção: Etapas: A - A solução aquosa contém o produto desejado B - Éter é usado para extrair a fase aquosa C - A camada aquosa é removida e transferida para um recipiente. A fase etérea permanece no frasco original D - A camada etérea é transferida para um novo frasco. A camada aquosa é transferida de volta ao frasco original Etapas: 2ªopção A - Pressione o bulbo e coloque a pipeta no frasco B - Colete ambas camadas C - Coloque a camada aquosa inferior de volta ao frasco D - Coloque a camada etérea em um recipiente seco - Extração de uma solução aquosa usando um solvente mais denso que a água: CH 2 Cl 2. Etapas: A - A solução aquosa contém o produto desejado B - Diclorometano é usado para extrair a fase aquosa C - A pipeta de Pasteur é colocada no frasco cônico D - A fase orgânica é removida e transferida para um recipiente seco. A fase aquosa permanece no frasco original A extração é usada em química orgânica para: - separar: afastar o que estava junto ou ligado; - isolar: deixar só; - remover impurezas (este processo é conhecido como lavagem): purificação. A escolha do solvente A maioria das extrações consiste de uma fase aquosa e uma fase orgânica. Para extrair uma substância de uma fase aquosa, deve ser usado um solvente orgânico e imiscível com água.

2 Escolha do método de extração Três tipos diferentes de aparelhos são utilizados para extrações: frasco cônico, tubos centrífugos e funis de separação. Os frascos cônicos podem ser utilizados com volumes menores que 4 ml, enquanto os volumes até 10 ml podem ser manuseados nos tubos centrífugos. O funil de separação é empregado em reações onde são utilizados maiores volumes. Tipos de extração Descontínua Contínua Sólido-Líquido Líquido-Líquido Quimicamente ativa Efeito salting-out Simples Múltipla Extração descontínua (Maior solubilidade em solvente orgânico do que em água) A extração líquido-líquido pode ser contínua ou descontínua. Na extração descontínua utiliza-se um funil de separação, onde ambos os solventes são adicionados. Com a agitação do funil de separação, o soluto passa a fase na qual está o solvente com maior afinidade. A separação é feita, então, sendo que a fase mais densa é recolhida antes. A extração líquido-líquido descontínua é indicada quando existe uma grande diferença de solubilidade do soluto nos dois solventes (grande K D ). Extração contínua (Maior solubilidade do composto orgânico na água) Na extração líquido-líquido contínua, o solvente orgânico passa continuamente sobre a solução contendo o soluto, levando parte deste consigo, até o balão de aquecimento. Como o solvente está sendo destilado, o soluto vai se concentrando no balão de aquecimento. É um processo útil para quando a diferença de solubilidade do soluto em ambos os solventes não é muito grande (baixo valor de K D ). Extração Sólido-Líquido Quando preparamos um chá, um café, ou mesmo um chimarrão, estamos fazendo uma extração sólido-líquido (Pode ser citado como exemplo: OPCIONAL). Nestes casos, componentes que estavam na fase sólida (no pó de café ou nas ervas) passam para a fase líquida (água). Em todos os exemplos, a extração é descontínua; isto é possível porque a solubilidade dos componentes extraídos em água é grande. Porém, nos casos onde a solubilidade do soluto é pequena, ou quando quisermos maximizar a extração do soluto, utiliza-se a técnica da extração contínua. Um aparelho muito utilizado para este fim é o Extrator de Soxhlet (para solventes de baixo ponto de ebulição).

3 - Extrator de Soxhlet: O sólido é colocado em um cartucho apropriado de celulose na câmara do extrator. O solvente colocado no balão é aquecido e os vapores condensam-se na câmara do extrator, caindo sobre o material a extrair. Quando o nível do destilado na câmara de extração atingir o nível do sifão, a solução retornará ao balão. Isto torna a operação automática e menos laboriosa, além de empregar uma quantidade bem menor de solvente. O processo de extração em Soxhlet é rotineiramente utilizado para extração de produtos naturais de plantas, por exemplo. OBS: A manta é utilizada para homogeneizar a transferência de calor para o balão. (Vídeo-extrator demonstração) Extração Líquido-Líquido -Extração por líquidos menos densos O solvente orgânico passa continuamente sobre a solução contendo o soluto, levando parte deste consigo, até o balão de aquecimento. Como o solvente está sendo destilado, o soluto vai se concentrando no balão de aquecimento. -Extração por líquido mais denso A diferença em relação à aparelhagem anterior é que, neste caso, o solvente cai através da solução, ao invés de subir, e volta à retorta pelo princípio dos vasos comunicantes, através do braço de vidro inferior, convenientemente dobrado. Extração quimicamente ativa Neste tipo de extração, um composto é alterado quimicamente a fim de mudarmos o coeficiente de distribuição nos dois solventes. Para demonstrar como esta técnica é feita, vamos considerar o seguinte exemplo: consideremos uma mistura de dois compostos, A e B. Considera-se que A e B são solúveis em éter etílico e insolúveis em água. Esses dois compostos não poderiam ser separados um do outro por uma extração passiva. Entretanto, se as características de B puderem ser mudadas (de modo que B seja solúvel em água, mas insolúvel em éter etílico), então nós poderíamos separar B (fase aquosa) e A (fase orgânica éter etílico). Por exemplo, se B é uma base e A é neutro, nós podemos tratar a mistura com um ácido para mudarmos as solubilidades relativas de A e B. Muitos compostos orgânicos são neutros, as maiores exceções são os ácidos carboxílicos e fenóis, que são ácidos fracos, e as aminas, que são bases fracas. Compostos pertencentes a estas classes freqüentemente podem ser separados de outros compostos por solvente quimicamente ativo (ácido-base). Ácidos carboxílicos e fenóis (mas não álcoois, ROH) são ácidos fortes suficientemente ácidos para reagir com uma base forte diluída como, por exemplo, NaOH, produzindo um sal solúvel em água. Efeito Salting-out ou dessolubilização Se o coeficiente de distribuição for muito menor do que 1 a extração simples não será eficiente. Pode-se, em alguns casos, aumentar o coeficiente de distribuição por adição de sais, como cloreto de sódio, sulfato de sódio, cloreto de amônio, à solução aquosa. A adição de sais diminui consideravelmente a solubilidade da maior parte dos compostos orgânicos em água.

4 Se um componente é mais solúvel em água do que no solvente orgânico, uma ou mais extrações simples não removerão o soluto da água. Neste caso basta dissolver cloreto de sódio na água, o que fará a solubilidade do soluto nesta diminuir, aumentando assim a concentração do soluto no solvente orgânico. Extração Simples Fundamenta-se no fato de que as substâncias orgânicas são, em geral, solúveis em solventes orgânicos e muito pouco solúveis em água, de modo que, ao se formar duas fases pela adição do solvente, após agitação, a substância passa em maior parte da fase aquosa para o solvente. Extração múltipla A solução aquosa original que já foi extraída uma vez é colocada novamente dentro do funil de separação com uma nova porção do solvente orgânico para uma segunda extração. Lei de distribuição O processo de extração: A) O solvente 1 contém uma mistura de moléculas (brancas e pretas). Deseja-se separar as moléculas brancas por extração. Um segundo solvente (sombreado), que é imiscível com o primeiro e menos denso, é adicionado e ambos são agitados dentro do funil. B) Após a separação das fases, a maioria das moléculas brancas, mas nem todas, foram extraídas para o novo solvente. C) Com a separação das duas camadas, as moléculas brancas e pretas, foram parcialmente separadas. Coeficiente de distribuição Quando uma solução (soluto A em solvente 1) é agitada com um segundo solvente (solvente 2) com o qual é imiscível, o soluto A se distribui entre as duas fases líquidas. Quando as duas fases se separarem novamente em duas camadas de solvente distintas, um equilíbrio será alcançado de tal forma que a razão das concentrações do soluto em cada solvente C1 e C2 define uma constante. A constante chamada de coeficiente de distribuição (ou coeficiente de partição) K, é definida por: K = C2 / C1, onde C1 e C2 são as concentrações no equilíbrio, em g/l ou mg/ml, do soluto A no solvente 1 e no solvente 2, respectivamente. O coeficiente de distribuição tem um valor constante para cada soluto considerado e depende da natureza dos solventes usados em cada caso. É evidente que nem todo soluto A será transferido para o solvente 2 numa

5 extração simples a não ser que K seja muito grande. Normalmente são necessárias várias extrações para remover todo soluto A do solvente 1. Na extração do soluto de uma solução, é sempre melhor usar diversas porções pequenas do segundo solvente do que fazer uma extração simples com uma porção grande. Quando a constante K é muito pequena, não se recomenda a extração simples por causa do gasto excessivo de solvente. Prefere-se, neste caso, o método de extração contínua, que utiliza um volume bem menor de solvente. Exemplo: A extração de 6g de um composto orgânico A originalmente dissolvido em 100mL de água, com volume total de 100mL de benzeno. Se a 20 C o coeficiente de partição entre a água e o benzeno é 3 então: Para uma extração única 100mL de benzeno: K m /100ml b = = 3, onde mágua é 6 mágua /100mL g m b mb /100mL 3 = mb = 4, 5g (6 m ) /100mL b Este resultado nos diz que, após uma extração com 100mL de benzeno, obtém-se 4,5g de A (75% do total) como rendimento da extração, restando ainda 1,5g de A na fase aquosa. Para uma extração com duas porções iguais 50mL de benzeno Primeira extração: mb / 50mL 3 = mb = 3, 6g (6 m ) /100mL b Remove 3,6g de A, restando 2,4g de A em solução aquosa. Segunda extração: mb '/ 50mL 3 = mb ' = 1, 44g (2,4 m ') /100mL b Consegue-se mais 1,44g de A, ou seja, um total de 5,04g do composto A. Restam ainda 0,96g de A na fase aquosa. Comparando a extração simples com a múltipla Massa extração única: 4,5g Massa extração múltipla (2 porções): 5,04g Conclusão: Extração múltipla é mais eficiente do que a extração simples

6 Filtração a vácuo: A sucção acelera a filtração, especialmente para precipitados gelatinosos (aparelhagem) Emulsão O que é? É a suspensão coloidal de um líquido em outro intimamente disperso sob a forma de gotículas cujo diâmetro, em geral, excede 0,1µm. Porque forma? Uma das causas da formação de emulsão esta relacionada com diferenças muito pequenas de densidades entre as duas fases. A adição de uma substancia capaz de aumentar a diferença de densidade contribui para quebrar a emulsão. Emulsões podem ocorrer também em extrações envolvendo soluções básicas. Isso ocorre por que o sal orgânico formado tem muitas vezes características emulsificantes. A adição de algumas gotas de acido acético resolve este problema. Tais sistemas apresentam um mínimo de estabilidade. Uma emulsão estável é composta de três componentes: Dois líquidos imiscíveis Um agente estabilizante Muitos outros componentes podem estar presentes neste sistema. Teremos, assim, que a fase que se apresenta dividida constitui a fase interna, dispersa ou descontínua, ao passo que o líquido que rodeia as gotículas da fase dispersa recebe o nome de fase externa, dispersante ou contínua. Além disso, em quase todas as emulsões figuram um terceiro componente, denominado agente emulsivo, o qual concorre para tornar a emulsão mais estável, pois se interpõe entre as fases dispersa e dispersante, retardando, assim, a sua separação e que constitui a interfase. Podemos dizer que a obtenção de uma emulsão envolve sempre a agitação dos dois líquidos a emulsionar depois de previamente adicionados um ou vários emulgentes. Como evitar? Fazer uma agitação com cuidado da mistura no funil, durante um tempo maior, além de analisar se há presença de material viscoso ou algum tipo de goma na solução. Como quebrar? a) Deixar o funil de separação em descanso em um anel de ferro e sob a ação da gravidade por algum tempo (Para que as partículas se acomodem em suas relativas fases) b) Adicionar cloreto de sódio ao sistema, pois esse diminui a solubilidade da água no solvente orgânico e vice-e-versa (Será melhor explicado no efeito salting-out) c) Adicionar água ao sistema; com isso há uma desestabilização da emulsão. d) Filtrar a mistura à vácuo. Nessa filtração irão ser removidas as partículas sólidas que ajudam a estabilizar a emulsão e em seguida proceder com a separação. e) Colocar a mistura dentro de um frasco apropriado (ex: erlenmeyer) e deixar em repouso durante uma noite ou até o próximo período de laboratório. f) Submeter o sistema a uma força centrífuga ou a temperaturas muito baixas. g) Desproporcionalizar o volume das fases

7 Manuseio do funil: Adição da solução e do solvente/ Agitação e alívio da pressão/ Separação de fases O processo de extração simples é normalmente efetuado em um funil de separação, por agitação da solução a ser extraída com o solvente de extração. A capacidade do funil deve ser tal que o volume ocupado não exceda ¾ do volume total do funil. Após a agitação, deixa-se em repouso até a separação completa das fases. No caso de solventes muito voláteis, como éter etílico, a pressão interna do sistema deve ser constantemente aliviada durante a agitação, sob perigo de explosão. Para tanto, invertese o funil, firmando a rolha com a palma da mão, e abre-se a torneira cuidadosamente. A mesma precaução deve ser tomada na extração de ácidos com soluções de carbonato ou bicarbonato, devido ao aumento da pressão interna ocasionada pela evolução do dióxido de carbono. Para separar as camadas basta colocar o funil na posição vertical, deixá-lo descansar imperturbado até que as camadas estejam separadas claramente. A camada superior corresponderá ao solvente menos denso e a inferior ao mais denso. Após o descanso, abrir cuidadosamente a torneira até que a camada inferior alcance a interfase. OBS: para melhor entendimento da técnica de manipulação do funil, olhar as figuras e os vídeos. Para encher o funil de separação, costuma-se apoiá-lo num anel metálico preso em um suporte metálico. Devem ser cortados pedaços de tubo de borracha e encaixados no anel metálico para amortecer o funil de separação. Isso protege o funil de possíveis danos. Ao iniciar uma extração, o primeiro passo é verificar a ausência de vazamentos na tampa e torneira do funil, o segundo é fechar a torneira do funil. (vídeos-demonstração do manuseio do funil) Lavagem - Purificação e métodos de separação As extrações podem ser agrupadas em 3 categorias, dependendo da natureza da impureza designada a remover. A primeira categoria envolve extração ou "lavagem" numa mistura orgânica com água. As lavagens com água são utilizadas para remover materiais altamente polares como sais orgânicos, ácidos ou bases fortes, e moléculas de pequeno peso molecular, substâncias polares incluindo álcoois, ácidos carboxílicos e aminas. Muitos compostos orgânicos contendo menos que cinco carbonos são solúveis em água. A segunda categoria de extração de uma mistura orgânica importante é feita com um ácido diluído, geralmente 5% ou 10% de ácido clorídrico. As extrações ácidas pretendem remover impurezas básicas, em particular, aminas orgânicas. As bases são convertidas em seu correspondente cátion acompanhado do ânion do ácido usado na extração. Cátions provenientes de bases orgânicas são usualmente solúveis em solução aquosa, e eles são deste modo extraídos da fase orgânica. Uma extração com água

8 pode ser utilizada imediatamente em seguida a uma extração com solução de ácido para assegurar que todos os traços do ácido tenham sido removidos do material orgânico. A terceira categoria é a extração de uma mistura orgânica com uma base diluída, geralmente 5% carbonato de sódio; extrações com NaOH diluído pode também ser usadas. Nas extrações básicas, impurezas ácidas (como ácidos orgânicos), são convertidas em seus respectivos ânions. Por exemplo, na preparação de um éster, uma extração com bicarbonato de sódio pode ser usado para remover qualquer excesso de ácido carboxílico presente, sob a forma de carboxilato: RCOOH + NaHCO3 RCOO-Na+ + H2O + CO2 Os carboxilatos, sendo altamente polares, são solúveis na fase aquosa. Como resultado, essas impurezas ácidas são extraídas da fase orgânica pela solução básica. Uma extração com água pode ser utilizada depois da extração básica para assegurar que toda base tenha sido removida do material orgânico. Materiais que tenham sido extraídos podem ser regenerados neutralizando o reagente de extração. Se o material ácido for extraído com uma base aquosa, o material pode ser regenerado acidificando o extrato até que a solução torne-se ácida (torne vermelho o papel de tornassol azul). O material se separará de uma solução ácida. Material básico pode ser recuperado de um extrato ácido por adição de base a esse extrato. Essas substâncias podem então ser removidas de uma solução aquosa neutralizada por extração com um solvente orgânico como éter etílico. Depois a fase do éter é secada com agente secante. A evaporação do éter resulta nos compostos isolados. Procedimento experimental Propriedades Físico-Quuímcas Solvente Massa Molar Densidade (g/ ml) p.f./ºc p.e./ºc Solubilidade Água 18 0, Etanol 46,07 0, ,3 78,5 Água, acetona, benzeno, éter Clorofórmio 119,39 1,484-63,5 62 Álcool, éter, benzeno Éter 79,12 0, ,3 34,61 Benzeno, acetona, clorofórmio, álcool Ác. benzóico 122,12 1, ,4 249,2 Álcool, éter, acetona, benzeno, clorofórmio O-diclorobenzeno 147 1,311 53,5 174,12 Clorofórmio, benzeno, éter, álcool Hidróxido de Sódio 40,11 2, Glicerina, álcool, água Cloreto de Cálcio 110,99 2, >1600 Ácido acético, acetona, álcool, água Benzoato de Sódio 144,11 1,248 53,1 174,5 Benzeno, acetona, álcool

9 Constantes Físicas dos solventes mais usados Solvente Massa Densidade Polaridade p.f./ºc p.e./ºc Molar Metanol 32,04 0,791 6, ,7 Acetato de 88,11 0,902 4, ,5-77,5 Etila Diclorometano 84,93 1,325 3, Hexano 86 0, Tetra Cloreto 154 1,5 1,7 77 de Carbono Tolueno 92,14 0,865 2, ,6 Benzeno 78,11 0, ,5 80 N-butanol 74,12 0,081 3, ,7 Acetona 58,08 0,791 5, Etanol 46,07 0,794 5,2-117,3 78,5 Água 18 0, Toxicidade dos solventes mais usados na química orgânica Solvente Etanol Clorofórmio Éter etílico p-diclorobenzeno Hidróxido de sódio Ácido benzóico Diclorometano Benzeno Hexano Toxicidade Causa náuseas, vômitos, depressão, sonolência, falta de coordenação, coma e pode causar morte. A inalação em grandes doses pode causar hipotensão, depressão respiratória, morte e pode atuar como sonífero. É cancerígeno. Suavemente irritante para a pele, olhos e membranas mucosas. Potente anestésico, podendo provocar paradas cardíacas. Vapores causam irritação à pele, garganta e olhos. Corrosivo para todos os tecidos. A inalação do pó ou da mistura concentrada pode causar lesões no trato respiratório. Causa irritação na pele, nos olhos e nas membranas mucosas Potencial de sintoma ao expor demasiado ao cansaço, fraqueza, sonolência, náusea, irritação nos olhos e na pele. irritação aguda das membranas mucosas,(por ingestão ou inalação), inquietação, convulsões, depressão. Dificuldade respiratória. Potencial de sintoma ao expor demasiadamente à luz, nervosismo, náusea, dor de cabeça, fraqueza nos músculos, irritação nos olhos e nariz, pneumonia química.

10 Produtos tóxicos - Trabalhar somente na capela -Não descarte na pia os resíduos de produtos tóxicos -Não descarte no lixo material contaminado com produtos tóxicos (papel de filtro, papel toalha, etc.) -Use luvas -Interrompa o trabalho imediatamente, caso sinta algum sintoma, como dor de cabeça, náuseas, etc. Agentes Secantes Nome Hidratado Capacidade Velocidade Uso Cloreto de cálcio sulfato de cálcio Sulfato de sódio Carbonato de potássio sulfato do magnésio CaCl CaCl2. 2H2O CaCl2. 6H2O Absorção de água limitada, forma hemi-hidrato NaSO4.7H2O NaSO4.10H2O elevado média Hidrocarbonetos e haletos baixo Rápida Em quase todos os líquidos orgânicos elevado Lenta Compostos sensíveis como ácidos, aldeídos, cetonas e halogenetos K2CO3.2H2O média média Bases orgânicas MgSO4 MgSO4.7H2O elevado rápida Maioria dos composto orgânicos - Cloreto de cálcio: Usado para secagens preliminares. Tem grande capacidade de absorção de água, mas não é muito rápido. Absorve água para formar mono, di e hexahidrato. Não é usado para secar álcoois ou aminas porque reage com estes compostos. Também não é recomendado na secagem de fenóis, ésteres e ácidos porque o dessecante pode conter pequena porção de hidróxido de cálcio.

11 Reações envolvidas Extrações Simples e Múltipla : não há reações Extrações com Solventes Quimicamente Ativos: OH O + NaOH + H 2 O O- O Na + + Cálculos envolvidos C6H5CO2H (s) + NaOH (aq) C6H5CO2Na (aq) + H2O 122, 1224g 39,9969g 2g x x = 0,6550g Volume necessário de solução de NaOH 5%(m/v) NaOH 5%( m / v) : 5g NaOH 100mL de 0,6550g y solução y = 13,10 ml Descarte de resíduos Extrato aquoso com resíduos de benzoato de sódio e de hidróxido de sódio, podem ser descartado na pia, pois o benzoato de sódio é um sal solúvel em água. Agente secante (no caso o CaCl2), não deve ser jogado na pia, pois o mesmo é insolúvel em água, podendo ser descartado no lixo. Os solventes orgânicos clorados, como por exemplo, o clorofórmio, devem ser descartados num recipiente adequado para os mesmos, para posteriormente, ser incinerado.