Flüssig-flüssig-Extraktion und Ausschüttelung
Wie sich ein Stoff zwischen Wasser und einem organischen Lösungsmittel verteilt, welche Phase im Scheidetrichter oben liegt und wie man die Ausbeute einer Ausschüttelung berechnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Flüssig-flüssig-Extraktion (Ausschüttelung im Scheidetrichter) überführt einen Stoff aus Wasser in ein nicht mischbares organisches Lösungsmittel. Maßgeblich ist der Verteilungskoeffizient \(K = c_o/c_w\).
- Die Dichte bestimmt die Phasenlage: Dichlormethan liegt unter Wasser, Diethylether, Cyclohexan, Toluen und Octan-1-ol bilden die obere Phase.
- Nur die ungeladene Form wird extrahiert: Valproinsäure nach Ansäuern, Benzylpenicillin bleibt alkalisch als Anion im Wasser.
- Nach \(n\) Ausschüttelungen verbleibt der Anteil \((V_w/(V_w+K V_o))^n\) im Wasser, einmalig werden \(K V_o/(K V_o+V_w)\) extrahiert.
- Bei \(K = 3\) und gleichen Volumina gehen je Schritt 75 % über. Für 99 % in einem Schritt braucht man \(K V_o/V_w \approx 99\).
- Mehrere kleine Portionen extrahieren bei gleichem Gesamtvolumen mehr als eine große.
Worum es geht
Die Flüssig-flüssig-Extraktion holt einen Stoff aus wässriger Lösung heraus, indem man ihn in ein nicht mischbares organisches Lösungsmittel überführt. Sie gehört zur Probenvorbereitung. So isoliert man etwa einen Arzneistoff aus einer Salzlösung oder einer Tablettenmatrix vor der Gehaltsbestimmung.
Verteilungsgleichgewicht
Zwei Flüssigkeiten, die sich nicht mischen, bilden nach dem Schütteln zwei Phasen. Typisch sind Wasser und ein unpolares organisches Lösungsmittel. Ein gelöster Stoff verteilt sich auf beide, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Das Verhältnis seiner Konzentrationen ist dann bei gegebener Temperatur konstant, egal wie viel Stoff man einsetzt.
Der Nernstsche Verteilungskoeffizient \(K\) ist das Verhältnis der Gleichgewichtskonzentrationen eines Stoffs in organischer und wässriger Phase: \(K = c_o/c_w\). Er gilt für eine bestimmte Teilchenart in verdünnter Lösung bei konstanter Temperatur.
Je größer \(K\), desto stärker reichert sich der Stoff in der organischen Phase an. Das praktische Verfahren heißt Ausschüttelung. Man gibt wässrige Lösung und Extraktionsmittel in einen Scheidetrichter, einen birnenförmigen Glastrichter mit Stopfen oben und Hahn unten. Dann schüttelt man kräftig, lässt die Phasen sich trennen und lässt die untere Phase über den Hahn ab.
Das Schütteln vergrößert die Grenzfläche, sodass sich das Gleichgewicht schnell einstellt. Zwischendurch öffnet man den Hahn kurz zum Belüften. Flüchtige Lösungsmittel wie Ether bauen sonst Überdruck auf.
Lösungsmittel und Phasenlage
Welche Phase oben liegt, entscheidet allein die Dichte. Das leichtere Lösungsmittel schwimmt auf dem schwereren. Ob ein Lösungsmittel polar oder organisch ist, spielt dafür keine Rolle. Wasser hat eine Dichte von rund 1,0 g/mL.
| Lösungsmittel | Dichte (ca., g/mL) | Lage gegenüber Wasser |
|---|---|---|
| Diethylether | 0,71 | obere Phase |
| Cyclohexan | 0,78 | obere Phase |
| Octan-1-ol | 0,83 | obere Phase |
| Toluen | 0,87 | obere Phase |
| Dichlormethan | 1,33 | untere Phase |
| Chloroform | 1,48 | untere Phase |
Als Faustregel gilt: Halogenierte Lösungsmittel wie Dichlormethan sind schwerer als Wasser und sammeln sich unten. Kohlenwasserstoffe, Ether und langkettige Alkohole sind leichter und bilden die obere Phase. Bei Dichlormethan lässt man also den Extrakt über den Hahn ab, bei Ether dagegen die wässrige Phase.
Octan-1-ol dient vor allem als Modell für Biomembranen. Sein Verteilungskoeffizient gegen Wasser, angegeben als log P, beschreibt die Lipophilie eines Arzneistoffs.
Ionisierbare Arzneistoffe
In das organische Lösungsmittel geht praktisch nur die ungeladene Form eines Stoffs. Ionen sind von Wasser hydratisiert und bleiben in der wässrigen Phase. Bei Säuren und Basen steuert deshalb der pH-Wert, ob sich ein Stoff extrahieren lässt. Wie der pH das Verhältnis von geladener und ungeladener Form festlegt, erklärt die Seite zum Säure-Base-Verhalten von Arzneistofflösungen.
Säuren extrahiert man aus angesäuerter Lösung, deren pH deutlich unter dem pKa liegt. Basen extrahiert man umgekehrt aus alkalischer Lösung mit einem pH deutlich über dem pKa. In den Formeln des nächsten Abschnitts steht dann statt \(K\) ein pH-abhängiger effektiver Koeffizient \(K'\).
Ein Beispiel ist Valproinsäure mit einem pKa von etwa 4,8. In einer Natriumvalproat-Lösung liegt sie als Anion vor und bleibt im Wasser. Erst nach Ansäuern entsteht die freie Säure:
\[\ce{C7H15COO- + H3O+ -> C7H15COOH + H2O}\]
Diese lässt sich mit Ether oder Dichlormethan ausschütteln. Benzylpenicillin ist ebenfalls eine Carbonsäure. In alkalischer Lösung liegt es als Carboxylat-Anion vor und bleibt in der wässrigen Phase, statt in den Ether überzugehen. So lässt es sich von neutralen Begleitstoffen trennen, die in die organische Phase wandern.
Ausbeuteberechnung
Im Gleichgewicht enthält die organische Phase die Stoffmenge \(c_o V_o = K c_w V_o\), die wässrige Phase \(c_w V_w\). Die Menge verteilt sich also im Verhältnis \(K V_o : V_w\). Dabei ist \(V_w\) das Volumen der wässrigen Phase, \(V_o\) das Volumen des Extraktionsmittels je Portion und \(n\) die Zahl der Ausschüttelungen.
\[\frac{m_{\mathrm{Rest}}}{m_0}=\left(\frac{V_w}{V_w+K\,V_o}\right)^n\]
\[E_1=\frac{K\,V_o}{K\,V_o+V_w}\]
Jede Ausschüttelung mit frischem Lösungsmittel lässt denselben Bruchteil im Wasser zurück. Deshalb steht der Faktor hoch \(n\). Die Gesamtausbeute ist eins minus Restanteil. \(E_1\) ist der Anteil, den eine einzige Ausschüttelung extrahiert.
Die Ausbeuteberechnung wird im Examen gerne gefragt: Restanteil \((V_w/(V_w+K V_o))^n\), Ausbeute gleich eins minus Restanteil. Achte darauf, dass \(V_o\) das Volumen je Portion ist und \(K\) als \(c_o/c_w\) definiert ist.
| Bedingung | Rechnung | Extrahiert |
|---|---|---|
| \(K = 3\), einmal mit \(V_o = V_w\) | \(3/(3+1)\) | 75 % |
| \(K = 3\), einmal mit \(V_o = 3\,V_w\) | \(9/(9+1)\) | 90 % |
| \(K = 3\), dreimal mit \(V_o = V_w\) | \(1-(1/4)^3\) | 98,4 % |
| \(K = 1\), fünfmal mit \(V_o = V_w\) | \(1-(1/2)^5\) | ca. 97 % |
Mehrfach statt einfach
Zeile zwei und drei verbrauchen gleich viel Lösungsmittel. Trotzdem holt die dreifache Ausschüttelung deutlich mehr heraus. Mehrere kleine Portionen extrahieren bei gleichem Gesamtvolumen mehr als eine große Portion. Man kann sich das wie das Ausspülen eines Glases vorstellen: Dreimal mit wenig frischem Wasser wird es sauberer als einmal mit viel. Jede neue Portion startet ohne Beladung und stellt ein neues Gleichgewicht ein.
Die Abbildung zeigt das für \(K = 4\), 20 mL Wasser und 60 mL Lösungsmittel. Eine Portion bringt etwa 92 %, sechs Portionen zu 10 mL über 99 %.
Nötiges Volumen berechnen
Umgekehrt lässt sich ausrechnen, wie viel Lösungsmittel eine geforderte Ausbeute in einem Schritt braucht. Beispiel: \(K = 2\), 50 mL Wasser, 90 % Ausbeute.
- Restanteil festlegen: 90 % extrahiert heißt, 0,10 bleibt im Wasser.
- Gleichung ansetzen: \(0{,}10 = 50/(50 + 2\,V_o)\).
- Auflösen: \(50 + 2\,V_o = 500\), also \(V_o = 225\) mL.
Mit \(q = K V_o/V_w\) gilt \(E_1 = q/(q+1)\). Für 99 % in einem Schritt muss \(q\) also etwa 99 betragen. Im Beispiel wären das fast 2,5 L Lösungsmittel. Deshalb schüttelt man in der Praxis mehrfach mit kleinen Portionen aus.
Quiz
Aussage 1
Einmaliges Ausschütteln mit 90 mL Lösungsmittel extrahiert mehr Substanz als dreimaliges Ausschütteln mit je 30 mL.
Bei gleichem Gesamtvolumen liefert die Aufteilung in mehrere kleine Portionen immer die höhere Ausbeute.
Aussage 2
Toluen bildet im Scheidetrichter wegen seiner höheren Dichte die untere Phase unter Wasser.
Toluen ist mit etwa 0,87 g/mL leichter als Wasser und bildet die obere Phase.
Aussage 3
Soll eine einzige Ausschüttelung 99 % des Stoffes extrahieren, muss das Produkt aus \(K\) und \(V_o/V_w\) etwa 99 betragen.
Mit \(q = K V_o/V_w\) gilt \(E_1 = q/(q+1)\). Für \(E_1 = 0{,}99\) folgt \(q \approx 99\).
Aussage 4
Aus einer alkalischen Natriumvalproat-Lösung lässt sich Valproinsäure direkt mit Ether extrahieren.
Alkalisch liegt Valproat als Anion vor und bleibt im Wasser. Erst nach Ansäuern geht die freie Valproinsäure in die organische Phase über.
Aussage 5
Schüttelt man eine wässrige Lösung mit Dichlormethan aus, sammelt sich das Dichlormethan unter der wässrigen Phase.
Dichlormethan hat eine Dichte von etwa 1,33 g/mL und ist damit schwerer als Wasser.
Aussage 6
Bei \(K = 3\) und gleichen Phasenvolumina gehen pro Ausschüttelung 75 % des Stoffes in die organische Phase über.
\(E_1 = K V_o/(K V_o + V_w) = 3/(3+1) = 0{,}75\).
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