Các phương pháp tách chiết

Các Phương Pháp
Tách – Chiết
PGS.TS. Nguyễn Đức Tuấn

Bộ mơn Hóa phân tích – Kiểm nghiệm
Khoa Dược – Đại học Y Dược TPHCM

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Các Phương Pháp Tách - Chiết
Dàn bài
- Mở đầu
- Các phương pháp tách
- Phương pháp lọc

- Phương pháp ly tâm
- Phương pháp chia cắt pha

- Phương pháp thẩm thấu và thẩm tích
- Chiết
- Chiết pha rắn
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Các Phương Pháp Tách - Chiết
Mục tiêu

- Trình bày được nguyên lý của các phương pháp tách
- Phân biệt được phương pháp thẩm thấu và thẩm tích
- Trình bày được ý nghóa của các hệ số trong chiết lỏng - lỏng
- Trình bày được cơ sở lý thuyết của phương pháp sắc ký
- Trình bày được phạm vi áp dụng của chiết lỏng – lỏng
- Trình bày được nguyên tắc của chiết pha rắn

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết (Ly trích – Extraction)
 Chiết là một phương pháp dùng dung môi (đơn hay hỗn hợp) để tách

lấy một chất hay một nhóm các chất từ hỗn hợp cần nghiên cứu
 Thường gặp: chiết hoạt chất từ dung dòch nước vào dung môi hữu
cơ

 Mục đích: đònh tính, đònh lượng, xác đònh cấu trúc
 Chiết là một phương pháp tách bằng chuyển pha dựa vào sự phân
bố của chất tan trong hai pha A và B

 Phân loại:
 Chiết lỏng – lỏng (liquid-liquid extraction, LLE), chiết lỏng – lỏng
trên nền rắn (solid supported liquid – liquid extraction, SLE)

 Chiết lỏng – rắn (liquid-solid extraction, LSE): kỹ thuật chiết pha
rắn (Solid phase extraction, SPE)

 Chiết có vai trò quan trọng trong kiểm nghiệm
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết lỏng - lỏng
CB
 Hệ số phân bố K 
CA

CA, CB lần lượt là nồng độ S trong

pha A và B ở trạng thái cân bằng

- Hằng số ở một nhiệt độ xác đònh và trong những điều kiện lý tưởng
- Đặc trưng cho một chất tan và một cặp dung môi xác đònh A và B
- Phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, tính chất của chất tan và dung môi
K càng lớn, quá trình chiết càng hiệu quả

Ví dụ: Fe3+

Nguyễn Đức Tuấn

Pha A

Pha B

K

Ether etylic

Nước + HF

0,001

Ether etylic

Nước + HCl

99,0

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết lỏng - lỏng
S1 (pha 1)

K

<====>

S2 (pha 2)

[S ]
K  2 K: hệ số phân bố
[S ]
1
- Pha 1 (V1) có m mol chất tan S, được chiết bằng pha 2 (V2)

m q
1
- q1 là % S còn lại trong pha 1, nồng độ S trong pha 1:
V
1 (1  q )  m
1
- (1-q1) là % S được chiết sang pha 2, nồng độ S trong pha 2:
V
2
(1  q )  m
1
V
V
2
1
K
q

q m
1 V  KV
1
1
2
V
1
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM

Chiết lỏng - lỏng


V
V
1
1

q  
Tiến hành chiết lần 2: q2 
V  KV 1  (V  KV ) 
1
2
2 
 1

Sau n lần chiết với V2, S còn lại trong pha 1:

qn

2



V


1





 V  KV  
  1
2  

n

q luôn luôn nhỏ hơn 1, sau n lần chiết nào đấy tức là qn sẽ vô cùng nhỏ
và có thể coi như bằng 0
Ví dụ: Chất tan A trong nước - cloroform có K = 3, có nồng độ 0,01 M trong
100 ml dung dòch nước

100
 0,062  6,2%
a) Chiết một lần với 500 ml cloroform
100  3500
5


100
 0,00098 # 0,1%
b) Chiết 5 lần mỗi lần với 100 ml dung môi q5  

 100  3 100
q1 

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM

Chiết lỏng - lỏng
 Hệ số phân bố biểu kiến K D
(Hệ số phân chia D)

C


C

C2, C1: tổng nồng độ

2

các dạng khác nhau của

1

chất tan trong pha 2 và 1

KD: không bắt buộc là hằng số

 B là một base hữu cơ:
BH+ chỉ tồn tại trong pha nước
Pha 1: pha nước
Pha 2: pha DMHC

BH+

<=====>
B
[ B] 2
D
[ B]1  [ BH  ]1

+

H+

[ B] 2
[ B]  [ H  ] [ B]1  [ H  ]
Ta có: K 
===> [B]2 = K[B]1 và K a 

[ B]1
[ BH  ]
[ BH  ]1

K  Ka
D
Ka  [H  ]
Nguyễn Đức Tuấn

Hệ số phân chia phụ thuộc vào pH

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết lỏng - lỏng

 Hệ số phân bố biểu kiến K D
(Hệ số phân chia D)

C


C

C2, C1: tổng nồng độ

2

các dạng khác nhau của

1

chất tan trong pha 2 và 1

KD: không bắt buộc là hằng số
 HA là một acid:
A- không tồn tại trong pha hữu cơ
Pha 1: pha nước
Pha 2: pha DMHC

HA

<=====>

D

H+ +

A-

[ HA]2
[ HA]1  [ A ]1

[ HA]2
[ A ]  [ H  ]
Ta có: K 
===> [HA]2 = K[HA]1 và K a 
[ HA]1
[ HA]1

K  [H  ]
D
Hệ số phân chia phụ thuộc vào pH

K a  [H ]
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết lỏng - lỏng
Ví dụ: Dung dòch nước của một amin 0,010 M có K = 3, Kb = 1 x 10-5, 50 ml
dung dòch trên được chiết bằng 100 ml dung môi
(3,0 1,0 109 )
 2,73
a) Ở pH = 10,00 D 

(1,0 109  1,0 1010 )

q

50
 0,15  15%
(50  2,73  100)

50
(3,0  1,0  10 9 )
q

 0,65  65%
b) Ở pH = 8,00 D 
 0,273
9
8
(50  0,273  100)
(1,0  10  1,0  10 )

D

K  Ka
qn

Ka  [H ]
So sánh:
pH

10,00

8,00
Nguyễn Đức Tuấn



V


1




 V  DV  
2 
 1

n
0
-2
Log D

Nồng độ amin còn lại
trong pha nước

BH+

-4

B

-6

0,0015 M
0,0065 M

2

4

6

8

10

12

pH

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết lỏng - lỏng
 Hiệu suất chiết (độ chiết hay hệ số chiết):

Q

R

B

QAO

QB: toàn bộ lượng QB của S chiết được vào pha hữu cơ
QAO: lượng chất tan S trong dung dòch nước ban đầu

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Các phương pháp chiết lỏng - lỏng
 Chiết đơn: hiệu suất chiết thấp
Hiệu suất chiết:

1
R  1
1 k'

với

VB
k'  KD
VA

 Chiết lặp: hiệu suất chiết cao hơn nhưng tốn nhiều thời gian, công sức

VB
1

 Chiết n lần, VB ml dung môi/lần: R  1 
với k '  K D
n
(1  k ' )
VA
 Chiết n lần, VB ml dung môi/n lần: R  1 

1
 K D VB 
1  n V 
A


n

 Phòng thí nghiệm: chiết gián đoạn hay chiết liên tục

 Chiết ngược dòng: hiệu suất chiết rất cao, tách được nhiều chất
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Các phương pháp chiết lỏng - lỏng
Dụng cụ
dùng chiết
gián đoạn
và liên tục
Ngâm

Đun hồi lưu

Soxhlet

Chiết bằng máy có bộ
phận khuấy và nghiền
Bình ngấm kiệt
Nguyễn Đức Tuấn

Ngấm kiệt liên tục
Đại học Y Dược TPHCM


Chiết ngược dòng
 Nguyên tắc: dung môi chiết và dung dòch chiết di
chuyển ngược chiều và tiếp xúc với nhau
 Mục tiêu: tách hai hay nhiều chất tan bằng một
loạt sự phân chia giữa hai pha lỏng – lỏng
 Chiết gián đoạn qua nhiều bước

 Chiết liên tục qua nhiều bước

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết gián đoạn qua nhiều bước
 Giả sử có hai chất tan A và B trong hỗn hợp AB đang tồn
tại ở pha dưới L (lower phase), được chiết bằng pha trên U

(upper phase)
 Ban đầu:
 [A] = 1 mM

 [B] = 1 mM
 DA = [A]U/[A]L = 4, DB = [B]U/[B]L = 1. Điều kiện cần

thiết cho sự tách riêng là hai chất phải có D hoàn toàn
khác nhau
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Sơ đồ chiết gián đoạn qua nhiều bước
Bước 0

U0
L0

Bước 1

U1mới

U0

L0

L1mới

Bước 2

U2mới

U1

U0

L0

L1

L2mới

Bước 3

U3mới

U2

U1

U0

L0

L1

L2

L3mới

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết gián đoạn qua nhiều bước
Bước 0:
Bước 1:

Bước 2:

Pha
A (mM)
B (mM)
U0
0,8
0,5
Ống 0
L0
0,2
0,5
U1 (mới)
0,16
0,25
Ống 0
L0
0,04
0,25

U0
0,64
0,25
Ống 1
L1 (mới)
0,16
0,25
Pha U0 được chuyển vào ống có L2 mới
Pha U1 được chuyển vào ống có L1 cũ
Pha U2 mới được đổ lên pha L0 cũ

Sau khi cân bằng ở mỗi ống sự phân chia theo DA = 4, DB = 1

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết gián đoạn qua nhiều bước
Số ống (r)
0
Số
bước
(n)

Pha trên
(A)
0
Pha dưới
(A)

1

0
1
2
3
4
5
S*

(A)
0,8
(A)
0,2
(A)
0,16
(A)
0,04
(A)
0,032
(A)
0,008
(A)
0,0064
(A)
0,0016
(A)
0,00128
(A)
0,00032

(A)
0,000256
(A)
0,000064
(A)
0,00032

1
Pha
trên
(B)
0
Pha
dưới
(B)
1
(B)
0,5
(B)
0,5
(B)
0,25
(B)
0,25
(B)
0,125
(B)
0,125
(B)
0,0625

(B)
0,0625
(B)
0,03125
(B)
0,03125
(B)
0,15625
(B)
0,15625
(B)
0,03125

Nguyễn Đức Tuấn

2

3

4

5

Phân chia ngược dòng của A và B
S: % A hoặc B trong mỗi ống
sau 5 bước
(A)
0,64
(A)
0,16

(A)
0,256
(A)
0,064
(A)
0,0768
(A)
0,0192
(A)
0,02048
(A)
0,00512
(A)
0,00512
(A)
0,00128
(A)
0,0064

(B)
0,25
(B)
0,25
(B)
0,25
(B)
0,25
(B)
0,1875
(B)

0,1875
(B)
0,125
(B)
0,125
(B)
0,078125
(B)
0,078125
(B)
0,15625

(A)
0,512
(A)
0,128
(A)
0,3072
(A)
0,0768
(A)
0,12288
(A)
0,03072
(A)
0,04096
(A)
0,01024
(A)
0,0512

(B)
0,125
(B)
0,125
(B)
0,1875
(B)
0,1875
(B)
0,1875
(B)
0,1875
(B)
0,15625
(B)
0,15625
(B)
0,3125

(A)
0,4096
(A)
0,1024
(A)
0,32768
(A)
0,08192
(A)
0,16384

(A)
0,04096
(A)
0,2048

(B)
0,0625
(B)
0,0625
(B)
0,125
(B)
0,125
(B)
0,15625
(B)
0,15625
(B)
0,3125

(A)
0,32768
(A)
0,08192
(A)
0,32768
(A)
0,08192
(A)
0,4096

(B)
0,03125
(B)
0,03125
(B)
0,078125
(B)
0,078125
(B)
0,15625

(A)
0,262144
(A)
0,065536
(A)
0,32768

(B)
0,015625
(B)
0,015625
(B)
0,03125

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết gián đoạn qua nhiều bước

 Sau 5 bước gộp các ống 0, 1 và 2 vào lọ I và
các ống 4 và 5 vào lọ II. Ta có:
Lọ I
Lọ II

A (mM)
0,05792
0,73728

Tỷ lệ
73,7%

B (mM)
0,5
0,1875

Tỷ lệ
50%

Mức độ tinh khiết*
B: 89%
A: 74%

 Độ tinh khiết của A được tính theo cơng thức [A]/([A] + [B])

 Độ tinh khiết của B:

[B]/([A] + [B])

Nhận xét:

A càng ngày càng cách xa B khi số bước càng tăng
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết liên tục qua nhiều bước
 Sơ đồ minh họa chiết ngược dòng liên tục từ sơ đồ
chiết gián đoạn qua nhiều bước
U9*

U8*
SP

U7*

U6
L0

U5
L1

U4
L2

U3
L3

U2
L4

U1
L5

U0
L6

===> MP
L7* L8* L9*

Dấu * là các pha mới

Với:
 Pha trên U di động dọc theo pha dưới L bất động
 Pha trên gọi là pha động MP (Mobile Phase)
 Pha dưới gọi là pha tónh SP (Stationary Phase)

 Giả sử A được chiết bằng phân chia ngược dòng theo
sơ đồ trên. Phân đoạn A ở pha trên là p% và ở pha dưới
là q%. Ta có p + q = 1
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết liên tục qua nhiều bước
Phân đoạn A ở mỗi ống sau mỗi bước di chuyển của pha động

Bước
chiết n

1
2
3
4
....

0

1

Số ống r
2

q
q2
q3
q4
.....

p
2pq
3pq2
4pq3
.....

p2
3p2q
6p2q2
.....

3

4

p3
4p3q
.....

p4
....

Nhận xét: Nhò thức (p + q)n khai triển
Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Chiết liên tục qua nhiều bước
 Phân đoạn f (fraction) trong ống r sau bước chiết n:

f

n! pr qnr
(n  r)!r!

 Với n lớn, ống chứa lượng chất A cao nhất (rmax):

rmax # np
Ví dụ:
A có p = 4/5 (DA = 4), sau 100 bước chiết ta có rmax # 100 x 4/5 # 80: ống 80

B có p = ½ (DB = 1), sau 100 bước chiết ta có rmax # 100 x 1/2 # 50: ống 50

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Độ rộng của dải và năng suất phân giải

B

A

Phân đoạn chất tan trong mỗi ống (f)

Phân đoạn chất tan trong mỗi ống (f)

Tách A và B bằng phân chia ngược dòng qua 100 bước chiết

A

DA = 4 và DB = 7/3

DA = 4 và DB = 1

Ống
59 - 72

Ống
81-90

Độ tinh
khiết

A

2,27%

38,90%

97,94%

B

66,06%

0,82%

96,68%

- Ống 70 - 90 hoàn toàn là A
- Ống 40 - 60 hoàn toàn là B

Nguyễn Đức Tuấn

B

Đại học Y Dược TPHCM

Ứng dụng của chiết lỏng - lỏng
 Chiết bằng dung môi hữu cơ
 Nhiều phân tử CHC và một số ít chất VC có độ tan trong dung môi
hữu cơ lớn gấp nhiều lần độ tan trong nước
 Các yếu tố ảnh hưởng:
 Cấu trúc phân tử
 Thuốc thử tạo phức mang điện tích: Au, Fe trong HBr tạo
phức tan trong ether etylic

 pH:
 Xà phòng/pH thấp tạo acid tan trong DMHC
 Muối alcaloid/pH cao chuyển alcaloid base tan trong DMHC

Nguyễn Đức Tuấn

Đại học Y Dược TPHCM


Ứng dụng của chiết lỏng - lỏng
 Chiết với chelator kim loại
 Ion kim loại + chất phối trí  phức tan trong DMHC
 Chất phối trí (ligand) hay dùng:

N
N
H

C
N

SH

O

NH4

N

O

N

N
N
OH

Dithizone
Nguyễn Đức Tuấn

8-hydroxyquinolin

Cupferron
Đại học Y Dược TPHCM