Universidad de Santiago de Chile

Departamento de Ciencias del Ambiente Ing. en Alimentos: Laboratorio de Qumica Orgnica

Dr. David Leal Rifo / Dra(c) Fabiola Carvajal Ramrez

Segundo Semestre de 2014

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Prctico N 1

Principios y tcnicas de Extraccin slido-lquido y lquido-lquido aplicadas a la

EXTRACCIN DE LA CAFENA DEL T: Un mtodo simplificado

CONTEXTO.

Problema:

En el mundo natural e industrial los compuestos orgnicos de inters se encuentran en general mezclados,

por lo que es necesario separarlos.

Solucin Posible:

La extraccin por solvente es un recurso metodolgico ampliamente usado para separar sustancias

orgnicas, sea de una mezcla de proceso o de su fuente natural. Una vez concluida la extraccin, la solucin (fase)

que contiene al compuesto de inters se seca con un agente desecante (eliminacin de trazas de agua), se separa de

ste por filtracin, y se somete a una evaporacin controlada (eliminacin) del solvente, quedando como residuo

el compuesto orgnico de inters.

Objetivo General.

Los estudiantes aplicarn los principios y tcnicas de extraccin slido-lquido y lquido-lquido, junto

con conceptos cido-base, para extraer eficientemente la cafena de las hojas de t.

Objetivos Especficos:

Al terminar el experimento los estudiantes sern competentes para:

1. Estimar el valor de la Constante de Reparto de una sustancia orgnica entre dos fases lquidas inmiscibles,

en base a datos de solubilidad.

2. Dada la Constante de Reparto para un soluto orgnico en un sistema de extraccin lquido-lquido,

estimar el nmero de extracciones con un solvente apropiado que son necesarias para extraer una

determinada cantidad del soluto (ejemplo, el 95%).

3. Incorporar propiedades cido-base de sustancias orgnicas en una mezcla a separar, junto con las del

solvente que extrae, en la definicin de las condiciones y estrategia apropiadas para realizar la extraccin

y separacin cuantitativa de las sustancias.

4. Describir mediante un diagrama la estrategia general de extraccin de un compuesto orgnico desde su

fuente natural y en particular el eficiente proceso de extraccin utilizado aqu para obtener cafena.

5. Ejecutar la mejor estrategia de extraccin lquido-lquido, incluyendo seleccin de solvente de extraccin

adecuado, para separar la cafena de los dems componentes de la mezcla obtenida en la extraccin

slido-lquido.

Principios de Operacin.

Para un sistema formado por un compuesto orgnico A que es parcialmente soluble en cada uno de dos

solventes inmiscibles entre s (fase 1 y fase 2), existe un estado de equilibrio para la distribucin de A entre las

dos fases. Podemos definir la constante de equilibrio respectiva, conocida como la Constante de Reparto, Kr,

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como el cuociente entre la concentracin de A en la fase 2 y su concentracin en la fase 1. En el trabajo de

laboratorio es muy conveniente estimar el valor de la Constante de Reparto como el cuociente entre la solubilidad

de A en la fase 2 y su solubilidad en las fase 1 (A se reparte entre las fases)

y se escribe siempre con la fase 2 siendo la de menor densidad (se encuentra sobre la fase 1, esto es, flota sobre

ella)

Ntese que la aproximacin implica considerar que cada una de las dos fases lquidas, inmiscibles entre s,

estaran formando una solucin saturada de A en el solvente respectivo (recuerde que los datos de solubilidad se

construyen en base a los valores de saturacin de cada soluto en cada solvente).

Ejemplo:

A 25 C el cido isobutrico tiene una solubilidad en agua equivalente a un tercio de su solubilidad en ter

dietlico. Entonces, si el sistema se concibe con el ter como fase 2 (es menos denso que el agua, y

aparecer experimentalmente como la fase superior del sistema inmiscible de solventes), el valor

estimado de la Constante de Reparto, Kr, es 3.

Problema:

Considrese que 4 g de cido butrico se mezclan con 100 ml de agua y con 100 ml de ter.Qu masa de

cido se encuentra en cada fase luego que se alcanza el equilibrio?

Solucin:

Si x es la cantidad de cido en la fase acuosa, entonces hay (4-x) g de cido en la fase etrea. Escribimos

la expresin de Kr as (datos para el ter en el numerador):

Resolviendo para x, resulta

x = 1 g (en agua), y (4-x) = 3g en ter.

Tcnica de la Extraccin por Solvente

En general, el proceso se inicia a partir de un compuesto deseado que est en solucin, y se sabe que el

compuesto es ms soluble en un segundo solvente, de bajo punto de ebullicin e inmiscible con el primero. En tal

situacin, el procedimiento de Extraccin es el adecuado para obtener el compuesto deseado.

Si en el caso anterior partimos de 1 g de cido isobutrico en 100 ml de agua, y disponemos de slo 60 ml

de ter para realizar la mejor extraccin posible (Kr = 3), realice el clculo en cada caso y responda:

a) cuntos gramos de cido isobutrico se extraen con una sola extraccin con los 60 ml de ter?

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b) cuntos gramos de cido isobutrico se extraen con 2 extracciones con 30 ml de ter cada una?

c) cuntos con 4 extracciones de 15 ml cada una?

d) cuntas extracciones con 25 ml de ter cada vez seran necesarias para extraer el 85 % de cido

isobutrico?

e)

Conclusin: Se extrae ms con _____ extracciones

Extraccin Segn Propiedades cido-Base

Un cido orgnico de ms de 4 carbonos ser esencialmente insoluble en agua. Pero si se transforma a una

sal, sta ser totalmente soluble en agua porque las sales en general lo son. Este es el principio que aplica en el

presente experimento: Los componentes cidos que acompaan a la cafena en el extracto orgnico pueden ser

separados de sta por tratamiento (extraccin) con una base (solucin de NaOH): el compuesto cido se

transforma a una sal que es soluble en agua por lo tanto cambia de fase. La cafena no es afectada por este

tratamiento puesto que es bsica, por lo que permanece en la fase orgnica.

Problema:

La constante de equilibrio para la disociacin en agua de un cido carboxlico RCOOH es 1 x 10-5

. Sabiendo que

la constante Kw del agua es 1 x 10-14

:

a) Escriba la ecuacin y calcule la constante de equilibrio para la conversin del cido en su sal por accin

del in OH-

b) Determine la mnima concentracin de in OH- necesaria para convertir 99% del cido carboxlico en su

sal en un experimento de extraccin

Conceptos Bsicos (Para Prueba de Entrada):

Unidades de concentracin de soluciones (porcentaje en peso, molaridad, fraccin molar).

Expresin de una constante de equilibrio a partir de la ecuacin del proceso.

Definicin de cidos y bases, fuertes y dbiles.

Clculos de constantes de disociacin y pH de cidos y base dbiles en solucin acuosa.

Solubilidad de solutos en solventes y unidades para expresarla.

Concepto de solucin saturada.

Resultado del proceso de evaporacin del solvente sobre una solucin de un slido en un lquido.

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DESCRIPCIN DEL EXPERIMENTO

Problema Especfico

Se requiere extraer con un mtodo sencillo y muy eficiente la cafena contenida en las hojas de t

Nota: la cafena obtenida aqu se purificar y caracterizar en los Experimentos 2 y 3.

Introduccin

El aislamiento de la cafena del t es un popular experimento en el primer curso de Laboratorio de

Qumica Orgnica.

Se han descrito varios procedimientos que en esencia implican la siguiente secuencia: se comienza

hirviendo bolsas de t en una solucin acuosa bsica por perodos de 10 a 20 minutos (extraccin slido-lquido),

seguida por filtraciones, extraccin lquido-lquido con diclorometano, y eventual sublimacin para lograr la

cafena pura (2-6)

Sin embargo, los estudiantes encuentran diversas dificultades con la estrategia sealada, entre las que se

pueden mencionar:

La solucin acuosa bsica resultante de la extraccin slido-lquido, que contiene la cafena y sales de

taninos, resulta ser viscosa lo que hace que la filtracin sea tediosa ya que se taponan los filtros.

En la extraccin lquido-lquido realizada en un embudo de decantacin incluso un mnimo de agitacin

genera emulsiones muy persistentes en el extracto orgnico.

La sublimacin al vaco de la cafena cruda ocasiona una gran prdida de material, sea a travs del frasco

del aparato o la tubera de vaco.

Descripcin del Experimento

El Dr. Ed Neeland(1)

ha acogido las propuestas de los estudiantes y ha introducido modificaciones que

simplifican el procedimiento de extraccin de la cafena partiendo de bolsitas de t, ello sin sacrificar el

rendimiento o la pureza del producto final.

En lo fundamental, las modificaciones de Neeland comprenden el cambio del tiempo y condiciones de la

extraccin slido-lquido, utilizndose slo agua hirviendo por uno o dos minutos. La solucin mbar resultante

no necesita ni filtracin ni concentracin, y al mezclarla con el solvente orgnico en el embudo de decantacin la

extraccin lquido-lquido es muy conveniente ya que no se forman emulsiones. Lo anterior permite que los

extractos orgnicos sean agitados vigorosamente en una extraccin con solucin acuosa bsica, lo cual permite a

su vez retirar cualquier traza de taninos. Un ltimo, pero no menos importante cambio, involucra la sublimacin

de la cafena a presin atmosfrica, lo cual permite eliminar las prdidas que ocurren cuando se aplica vaco en el

sublimador.

Procedimiento Experimental

Extraccin slido-lquido de bolsas de t con agua hirviendo, seguida por extraccin lquido-lquido

basada en el sistema diclorometano-agua y en las propiedades cido-base de los compuestos involucrados.

a) Extraccin slido-lquido

1. Poner 100 mL de agua destilada en un vaso de precipitado y llevar a ebullicin.

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2. Agregar 4 bolsas de t y agitar por un minuto o dos. Las bolsas de t se levantan de la solucin y se

estrujan con ayuda de una esptula dejando caer el lquido al resto del extracto en el vaso de

precipitado.

3. El extracto acuoso as obtenido se enfra a temperatura ambiente con ayuda de un bao de hielo. La

solucin fra de t se vierte en un embudo de decantacin.

Importante: Asegrese previamente que el embudo de decantacin est instalado en un anillo con soporte, que el embudo

funciona perfectamente (no hay escape de lquido), y que existe un contenedor instalado para recoger el lquido a vaciar

desde el embudo.

b) Extraccin lquido-lquido

1. La solucin acuosa de t que contiene una variedad de componentes (cules por ejemplo?) se extrae

tres veces con diclorometano utilizando porciones de 20 mL cada vez y una porcin final de 10 mL

(dnde queda la fase acuosa y por qu?) . No agite el embudo de forma muy vigorosa, de lo contrario

podran formarse emulsiones en la interfaz (qu hay en cada fase?). Si observa formacin de emulsin,

agregue en porciones de 2 mL solucin de saturada de NaCl.

2. Cada vez separe cuidadosamente las fases orgnica y acuosa, y luego combine los extractos acuosos en

un vaso de precipitado de 100 mL, y acumule la fase orgnica en un matraz Erlenmeyer de 100 mL.

3. Transfiera los extractos orgnicos combinados al embudo de decantacin (enjuagado previamente con

agua destilada y seco) y proceda a extraer con 20 mL de solucin acuosa fra de NaOH 4M. (cul es el

rol del NaOH aqu?, dnde queda la cafena en esta extraccin?)

4. Separe la fase orgnica y proceda a extraerla nuevamente. En esta ocasin utilice porciones de 20 mL

de agua destilada hasta que la fase acuosa quede incolora.

5. Transfiera la fase orgnica a un Erlenmeyer limpio y agregue el sulfato de sodio anhidro necesario para

adsorber el agua residual del extracto orgnico. Agite la suspensin resultante con un suave

movimiento circular por un minuto o dos, y luego deje reposar sobre el mesn.

6. Determine la masa de un baln de fondo redondo de 100 mL limpio y seco, y transfiera a l la fase

orgnica primero (decantando el sulfato de sodio). y luego filtre con embudo analtico y una mota de

algodn.

7. Lave el residuo slido con un poco de diclorometano fresco, filtre el lquido y transfiralo al baln.

Evapore el solvente en el evaporador rotatorio siguiendo las instrucciones locales..

c) Separacin por sublimacin

1. Determine la masa del residuo slido de cristales blanquecinos (qu es?), y transfirala a un sublimador.

Sin reducir presin y calentando suavemente, ejecute el aislamiento de la cafena por sublimacin.

2. Transfiera cuidadosamente el slido sublimado a un frasco de muestra previamente tarado y determine la

masa de slido sublimado.

3. Rotule el frasco y guarde el producto obtenido para utilizarlo en los Experimentos 2 y 3.

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SEGURIDAD Y MEDIO AMBIENTE.

El diclorometano es un solvente clorado y conlleva los riesgos de ser muy voltil y a la vez un

contaminante peligroso para la salud humana (todos los compuestos orgnicos clorados en general lo son)

y para el medio ambiente. La ventaja es que se trabaja con volmenes pequeos, y su evaporacin debe

realizarse en forma controlada.

La manipulacin de NaOH tiene riesgos por ser una sustancia muy reactiva y txica, lo cual se compensa

por su uso como solucin relativamente diluda.

Ninguna de estas sustancias puede ser desechada a travs de los resumideros. Existen en el laboratorio

contenedores para almacenar los residuos, los que en el caso de cidos y bases deben ser previamente

neutralizados.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

1. 1.Bluffton University - Canada. 2007-2008 Laboratory Manual. D Berger, Ed., page 45, Caffeine

extraction based on a procedure by E.G. Neeland

2. http://www.bluffton.edu/~bergerd/classes/CEM221/Handouts/LabManual.pdf

3. J.S. Nimitz. Experiments in Organic Chemistry, Prentice Hall, New jersey, 1991, p.61

4. K.L. Williamson. Macroscale and Microscale Experiments, Heath, Toronto, 1989, p.130

5. D.C. Eaton. Laboratory Investigation in Organic Chemistry, McGraw Hill, New Cork, 1989, p. 343

6. D.L. Pavia, G.M. Lampman and S. George. Organic Lab Tecniques, Third ed., Saunders, New York,

1988, p. 62

7. D. Mayo, R.M. Pike and S.S. Butcher. Microscale Organic Laboratory, Wiley, New York, 1986, p.123