萃取(Solvent Extraction)是利用物质在两种互不相溶(或微溶)的溶剂中溶解度或分配比的不同来达到分离提纯或纯化的一种操作。应用萃取可以从液体或固体混合物中提取所需要的物质,萃取一般分为液-液萃取和固-液萃取。
萃取方法的理论依据是分配定律。物质对不同的溶剂有不同的溶解度,一种物质同时溶于两种互不相溶的溶剂中,其在两种溶剂中的浓度之比是一个定值。用公式表示为:
c A /c B =K
式中,c A 、c B 分别表示化合物在A、B两种互不相溶溶剂中的质量浓度;K是分配系数。
在有机化学实验中,常遇到利用有机溶剂提取溶解在水中的有机化合物,或用水提取有机化合物中不要的组分。为了除去有机物中的少量酸、碱等,一般用5%的氢氧化钠、5%或10%的碳酸钠或碳酸氢钠、稀盐酸、稀硫酸等提取,该过程称为洗涤。为了减少有机物在水中部分溶解的损失,萃取时多用饱和氯化钠水溶液代替水,或在被提取水溶液中加入一定量的电解质(如氯化钠),利用“盐析效应”来降低有机物或有机萃取剂在水中的溶解度,以提高萃取效率。
在液-液萃取中,若被萃取溶液的体积为V,被萃取溶液中溶质的总质量为W 0 ,每次萃取所用溶剂B的体积均为S,经一次萃取后,原溶液中的质量浓度为W 1 /V,而萃取溶剂中溶质的质量浓度为(W 0 -W 1 )/S,根据分配定律得:
换算后得
经二次萃取
经过n次萃取后溶质在溶剂A中的剩余量为W n ,则:
因为KV/KV+S恒小于1,所以n越大,W n 越小。一般n=3~5,即萃取3~5次,就可获得较好的萃取效果。
在液 固萃取中是根据“相似相溶”的原理选择极性相似的溶剂提取固体物质中的有效成分或进行初步分离。
萃取溶剂要求与原溶剂不相混溶,不与被提取物发生化学反应,对被提取物质溶解度大,对杂质溶解度小,纯度高、沸点低、毒性小、价格低、安全、易回收。
萃取溶剂的选择,应根据被萃取化合物的溶解度而定,同时要易于和溶质分开,所以最好用低沸点溶剂。一般难溶于水的物质用石油醚等萃取;较易溶者,用苯或乙醚萃取;易溶于水的物质用乙酸乙酯等萃取。常用的有机溶剂有:乙醚、苯、乙醇、四氯化碳、氯仿、石油醚、乙酸乙酯等。常用的无机溶剂有:水、氯化钠、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、稀盐酸、稀硫酸、浓硫酸(可用于从饱和烃中除去不饱和烃,从卤代烷中除去醇或醚等)等。
每次使用萃取溶剂的体积一般是被萃取液体的1/5~1/3,两者的总体积不应超过分液漏斗总体积的2/3。
(1)液-液萃取:液体萃取最通常的仪器是分液漏斗,一般选择容积较被萃取液大1~2倍的分液漏斗。
(2)液-固萃取:液-固萃取常用的仪器装置是回流装置和索式提取器。
(1)液-液萃取操作——分液漏斗的使用:
①将要萃取的溶液和萃取溶剂依次从上口倒入分液漏斗(之前检查分液漏斗的密闭性),其量不能超过漏斗容积的2/3,塞好塞子进行振荡。
②振荡时右手托住漏斗上口的颈部,并用食指尖部压紧塞子,以左手握住漏斗旋塞,同时用手指(拇指、食指、中指)控制活塞,将漏斗倒转(斜向上约45°)用力摇荡(成螺旋状),放气,再摇荡,再放气,如此反复2~3次。见图2-29(a)~(c)所示。
③然后将分液漏斗静置,按图2-28萃取装置安装。待液体分层后进行分液,分液时下层液体从漏斗下口放出,上层液体从上口倒出。
图2-28 萃取装置
图2-29 分液漏斗的摇荡
萃取时,若遇到乳化现象,两相相对、密度相似难以分离时,可采用如下方法处理:
①长时间静置。
②加入少量电解质破乳或增大水相的相对密度,使两相分离。
③若因溶液呈碱性而产生乳化,可加入少量稀硫酸或采用过滤方法除去。
④根据不同情况,可以加入其他破乳物质,如乙醇、磺化蓖麻油等。
(2)液-固萃取操作:液-固萃取方法有多种,常用的有浸泡法、回流提取法和索式提取法(连续回流提取法)。
①浸泡法:当固体样品量很大时,就可采用浸泡法萃取。一般溶剂用量高出所浸固体表面1/3,浸泡时间一般为24小时,过滤提取液;如此反复浸泡3~4次,合并提取液,提取液用蒸馏法浓缩。该方法的优点是样品处理量大,适用于批量生产;缺点是溶剂用量大,提取液的浓缩和溶剂的回收工作量大。
②回流提取法:当固体样品量不是很大时(能盛入不同型号的烧瓶中),可用回流提取法萃取。按图2-30普通回流装置,将固体样品装入烧瓶中,用溶剂浸没固体,加热回流。回流时间一般为1~2小时,倾出或过滤萃取液,残渣再用溶剂重复操作进行第二次萃取,如此回流萃取3~4次,合并萃取液,萃取液用蒸馏法浓缩。该方法的优点是样品处理量适中,提取时间比浸泡法短,常用于实验室萃取;缺点是溶剂用量大,不适用于少量样品的萃取。
图2-30 普通回流装置
图2-31 索式提取器装置
③索式提取法:将固体样品研细装入纸套(圆柱状,直径稍小于提取器直径)或纱布袋中置于索式提取器(脂肪提取器)内,萃取溶剂则装于烧瓶中,见图2-31索式提取器装置所示。当溶剂沸腾时,蒸气通过提取器玻璃管上升至冷凝管,凝成液体滴入提取器中,当提取器内液面超过虹吸管最高处时,即发生虹吸流回烧瓶中,同时将溶于溶剂的物质一起带入烧瓶中。索式提取法的优点是运用回流及虹吸现象,使固体物质每次均为纯溶剂所萃取,萃取效率高,溶剂用量少,后续处理快;缺点是样品处理量少,适用于样品量少或含有效成分较少的样品的萃取。