Extracción ácido-base

La extracción ácido-base es una subclase de las extracciones líquido-líquido y consiste en la separación de especies químicas de otros compuestos ácidos o básicos . ^{[ 1 ]} Generalmente se realiza durante la etapa de purificación posterior a una síntesis química para purificar compuestos crudos ^{[ 2 ]} y da como resultado un producto prácticamente libre de impurezas ácidas o básicas. Un embudo de separación se utiliza comúnmente para realizar una extracción ácido-base. ^{[ 3 ]}

La extracción ácido-base aprovecha la diferencia de solubilidad de un compuesto en su forma ácida o básica para inducir su separación. ^{[ 4 ]} Normalmente, el compuesto deseado se transforma en su forma ácida o básica cargada, lo que provoca que se vuelva soluble en solución acuosa y, por lo tanto, se extraiga de la capa no acuosa (orgánica). ^{[ 5 ]} La extracción ácido-base es una alternativa sencilla a métodos más complejos como la cromatografía . No es posible separar ácidos o bases químicamente similares utilizando este método sencillo. ^{[ 6 ]}

La extracción ácido-base funciona según el principio fundamental de que las sales son compuestos iónicos con alta solubilidad en agua, mientras que las moléculas neutras generalmente carecen de solubilidad en agua. ^{[ 1 ]}

Consideremos una mezcla de compuestos ácidos y básicos disueltos en un disolvente orgánico . Al añadir ácido acuoso, el componente ácido permanecerá sin carga, mientras que el componente básico se protonará para formar una sal. ^{[ 6 ]} El componente ácido sin carga permanecerá disuelto en el disolvente orgánico, mientras que la sal básica, altamente cargada, migrará al disolvente acuoso. ^{[ 3 ]} Dado que los componentes ácido y básico se encuentran ahora en dos capas diferentes, pueden separarse fácilmente.

Alternativamente, al agregar una base acuosa, el componente ácido se desprotonará y formará una sal, mientras que el componente básico permanecerá sin carga. ^{[ 6 ]} En este caso, la base sin carga permanecerá en la capa orgánica, mientras que la sal ácida altamente cargada migrará a la capa acuosa.

Si el componente de ácido orgánico es relativamente débil y tiene un valor _de pKa de aproximadamente 5 (como un ácido carboxílico ), la adición de ácido adicional puede mejorar aún más la separación al disminuir el pH de la solución. Esto minimiza la autoionización del componente de ácido orgánico y limita su tendencia a pasar a la capa acuosa. ^{[ 6 ]} Este principio también es aplicable a una base orgánica cuando es relativamente débil. ^{[ 6 ]}

Aunque las extracciones ácido-base se utilizan con mayor frecuencia para separar ácidos de bases, también pueden emplearse para separar dos ácidos o dos bases entre sí. Sin embargo, los ácidos y las bases deben tener una gran diferencia de fuerza, por ejemplo, un ácido fuerte y un ácido muy débil. ^{[ 1 ]} Por lo tanto, los dos ácidos deben tener una diferencia de pK _a (o pK _b ) lo más grande posible. Por ejemplo, se pueden separar los siguientes compuestos:

• Ácidos muy débiles como los fenoles (pK _a alrededor de 10) de ácidos más fuertes como los ácidos carboxílicos ^{[ 1 ]} (pK _a alrededor de 4–5).
• Bases muy débiles (pK _b alrededor de 13–14) a partir de bases más fuertes (pK _b alrededor de 3–4). Esto se utiliza frecuentemente en la purificación de suelos para determinar la concentración de metales traza. ^{[ 7 ]}

Al separar dos ácidos o dos bases, el pH se ajusta generalmente a un valor comprendido aproximadamente entre las constantes pK _a (o pK _{b ).} ^{[ 1 ]} La separación se produce a este pH intermedio porque un componente está completamente ionizado, mientras que el otro se encuentra completamente en su forma neutra. A menudo, las soluciones utilizadas para extraer los ácidos o las bases también pueden utilizarse para controlar el pH. Al separar dos ácidos, la mezcla se lava primero con una base débil (p. ej., bicarbonato de sodio ) para extraer el ácido fuerte, y luego con una base fuerte (p. ej., hidróxido de sodio ) para extraer el ácido débil. ^{[ 8 ]} Para separar componentes básicos, primero se utiliza un ácido débil (p. ej., ácido acético diluido ) para extraer la base más fuerte, y luego se utiliza un ácido más concentrado (p. ej., ácido clorhídrico o ácido nítrico ) para crear valores de pH fuertemente ácidos y separar la base más débil. ^{[ 3 ] [ 7 ]}

El siguiente procedimiento se suele seguir al realizar una extracción ácido-base de una mezcla que contiene un compuesto ácido y/o básico:

1. La mezcla de compuestos se disuelve en un disolvente orgánico adecuado, como diclorometano o éter dietílico .

   

2. La solución se añade a un embudo de separación. Si el compuesto deseado es básico, la solución se lavará con ácido acuoso (p. ej., HCl al 5%); si es ácido, se lavará con base acuosa (p. ej., NaOH al 5%). ^{[ 9 ]}
3. Luego se agitan las fracciones y se separan las dos fases. El embudo de separación debe ventilarse con frecuencia para aliviar la acumulación de presión, especialmente cuando contiene soluciones acuosas que desprenden dióxido de carbono al neutralizarse (como el bicarbonato de sodio ). ^{[ 9 ]}
4. La fracción que contiene el analito de interés se recoge a continuación. Normalmente, esta es la capa acuosa, ya que la adición de ácido o base ha provocado que el analito se cargue y se vuelva altamente soluble en ella. ^{[ 9 ]} La identidad de la capa acuosa depende fundamentalmente de la densidad del disolvente orgánico. Los disolventes orgánicos con una densidad superior a 1,00 g/mL (p. ej., diclorometano) se hundirán, haciendo que la capa acuosa flote en la superficie, mientras que los disolventes con una densidad inferior a 1,00 g/mL (p. ej., éter) flotarán, haciendo que la capa acuosa se hunda en el fondo. ^{[ 9 ]}
5. La fracción orgánica se añade de nuevo al embudo de separación y los pasos 2 a 4 se repiten dos veces más para maximizar el rendimiento de la extracción. En el último enjuague, una solución salina elimina cualquier resto de solución acuosa de la capa orgánica. ^{[ 10 ]}
6. Si la capa orgánica restante no contiene analitos de interés, se desecha; de lo contrario, el disolvente se seca con un agente desecante adecuado (como sulfato de sodio anhidro ), se filtra y se evapora a presión reducida para obtener el compuesto puro. Si la capa acuosa contiene el analito de interés, se ajusta su pH al opuesto (por ejemplo, de básico a ácido). Los pasos 1 a 4 se repiten con esta fracción utilizando una solución acuosa de pH opuesto (por ejemplo, de NaOH a HCl). Este procedimiento circular se realiza porque, por lo general, es mucho más fácil eliminar el disolvente orgánico mediante evaporación rotatoria que el disolvente acuoso. ^{[ 11 ]}

La extracción ácido-base se utiliza frecuentemente como primer paso en un procedimiento de purificación posterior a una síntesis química ^{[ 2 ]} para eliminar materiales de partida ácidos y básicos o impurezas. ^{[ 3 ]} La extracción ácido-base suele ser un paso previo a técnicas de purificación más complejas, como la recristalización , si el producto sintetizado aún no es completamente puro. ^{[ 12 ]}

La síntesis orgánica a menudo utiliza extracciones ácido-base durante los procedimientos de purificación. Por ejemplo, consideremos una esterificación de Fischer : la condensación de un ácido carboxílico con un alcohol para formar un éster . La mezcla posterior a la reacción suele consistir en pequeñas cantidades de ácido y alcohol sobrantes, además del éster deseado. ^{[ 13 ]} La extracción ácido-base puede utilizarse para separar fácilmente los materiales de partida ácidos del éster. Al enjuagar la mezcla de producto crudo con una base débil (p. ej., bicarbonato de sodio ), el ácido carboxílico y el alcohol se eliminarán con la capa acuosa, dejando el éster purificado en la capa orgánica. ^{[ 14 ]} La elección de la base utilizada para la extracción es crítica, ya que una base fuerte (p. ej., hidróxido de sodio ) hidrolizará el éster.

Otro ejemplo común de extracción ácido-base ocurre después del acoplamiento de péptidos , donde el producto amida debe separarse del ácido carboxílico y la amina restantes . El ácido carboxílico se puede eliminar lavando la capa orgánica con una base débil (bicarbonato de sodio), mientras que la amina se puede eliminar lavando con un ácido débil ( ácido clorhídrico al 10% ). ^{[ 15 ]} Después de estas dos extracciones, la amida permanecerá en la capa orgánica y habrá sido purificada significativamente.

Los siguientes problemas se observan comúnmente durante la extracción ácido-base y suelen tener soluciones sencillas.

• En el embudo de separación se observa una sola capa.
  • Esto se debe al uso de un disolvente orgánico con una miscibilidad significativa con el agua (por ejemplo, acetonitrilo ). El disolvente orgánico utilizado debe ser insoluble en agua para observar la separación de fases y realizar una extracción ácido-base. ^{[ 9 ]}

• En el embudo de separación se forman tres capas.
  • A menudo esto es resultado de una mezcla insuficiente, y una ligera agitación resolverá el problema. ^{[ 9 ]}

• No se observa el límite entre la capa orgánica y la capa acuosa .
  • El hielo puede utilizarse para identificar el límite, ya que flotará entre las dos capas. ^{[ 9 ]}

• Se forma una emulsión y una capa queda suspendida en la otra en forma de diminutas gotitas.
  • Esto se puede solucionar utilizando una varilla de vidrio para remover suavemente las pequeñas gotas, lo que eventualmente provoca su separación y la aparición de las dos capas. También se puede añadir una pequeña cantidad de solución salina para romper la emulsión; este proceso se denomina "salting out". ^{[ 16 ]} Se pueden prevenir las emulsiones mezclando las soluciones suavemente en lugar de vigorosamente.
• Se desconocen las posiciones relativas de las capas acuosas y orgánicas.
  • Se puede añadir una pequeña cantidad de agua al embudo de separación. La capa en la que se depositan estas gotas se denomina capa acuosa. ^{[ 17 ]}

La extracción ácido-base es eficaz para separar compuestos con una gran diferencia de solubilidad entre su forma cargada y su forma neutra. ^{[ 4 ]} Por lo tanto, este procedimiento no funcionará para:

• Zwitteriones con grupos funcionales ácidos y básicos en la misma molécula.
  • Por ejemplo, la glicina es soluble en agua en la mayoría de los valores de pH ^{[ 18 ]} y, por lo tanto, es difícil extraerla en medios orgánicos.
• Compuestos lipofílicos .
  • Los compuestos como las sales de tetrabutilamonio o los ácidos grasos no se disuelven fácilmente en la fase acuosa en su forma cargada.
• Aminas básicas.
  • Las aminas como el amoníaco , la metilamina o la trietanolamina son miscibles o significativamente solubles en agua a la mayoría de los pH y no pueden extraerse en medios orgánicos. ^{[ 19 ]}
• Ácidos inorgánicos hidrófilos.
  • Los ácidos como el ácido acético son miscibles indefinidamente en agua y tienen una solubilidad limitada en disolventes orgánicos. ^{[ 20 ]}

Entre las alternativas a la extracción ácido-base se incluyen:

• Filtrar la mezcla a través de un tapón de gel de sílice o alúmina : si el producto es una sal cargada, permanecerá fuertemente adsorbida al gel de sílice o alúmina. ^{[ 21 ]}
• La cromatografía de intercambio iónico puede separar ácidos, bases o mezclas de ácidos y bases fuertes y débiles según sus diferentes afinidades al medio de la columna a distintos pH. ^{[ 22 ]}
• Utilizar cromatografía de columna para separar los compuestos neutros según sus valores de relación de frentes. ^{[ 23 ]}
• Electroforesis en gel , que separa biomoléculas grandes en función de su carga y tamaño. ^{[ 24 ]}

• Cromatografía
• Extracción
• líquido multifásico
• Embudo de separación

• Extracción ácido-base. Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine.