Механізми процесу екстракції

Д.І.Менделєєв довів, що при розчиненні речовин утворюються нестійкі сполуки розчиненої речовини з молекулами розчинника. Якщо розчинником є вода, то у розчині утворюютьсягідрати, якщо органічний розчинник – сольвати. Розчинення та екстракція – це процеси, в яких дуже помітно проявляється дія міжмолекулярних сил.

Причини, які викликають розчинення або екстракцію, різні. Між нейтральними молекулами при екстракції (фізичний механізм) виникають сили Ван-дер-Ваальса. Існують три типи взаємодії за рахунок цих сил:

• орієнтаційна взаємодія (диполь-дипольна) виникає між молекулами з постійним дипольним моментом, в результаті якого молекули як магніти притягуються одна до одної;

• індукційна взаємодія, що проявляється у тих випадках, коли одна молекула полярна, а друга – неполярна. Полярна молекула створює у сусідній неполярній індукований диполь, після чого обидві молекули притягуються одна до одної;

• дисперсна взаємодія відбувається між неполярними молекулами. Аона створюється миттєвими диполями, утвореними міжядрами та електронами атомів, що входять до даної молекули.

При екстракції, обумовленій силами Ван-дер-Ваальса, не утворюються сольвати певного складу (неспецифічна сольватація). Ці сили дуже малі. Константа розподілу при цьому значно менша порівняно з константами розподілу даної речовини між іншими розчинниками і водою (дія водневих зв’язків0.

Другим видом взаємодії є сольватація молекули досліджуваної речовини однією або декількома молекулами екстрагента з утворенням сольвату певного складу (специфічна сольватація). Сольватація відбуваєтьтся внаслідок донорно-акцепторної взаємодії (утворення комплексів) або під впливом міжмолекулярних зв’язків (водневих).

Міжмолекулярний водневий зв’язок виникає при наявності двох функціональних груп: одна група – це донори протонів, наприклад, -СООН, -ОН, --NН₂, друга група – акцептори протонів, наприклад, азот амінів, кисень ефірної, спиртової, карбонільної груп, а також атоми фтору та хлору.

Водневі зв’язки слабші від звичайних хімічних зв’язків, але значно міцніші від сил Ван-дер-Ваальса. Одночасно з утворенням сольватів певного складу між молекулами досліджуваних речовин і екстрагента завжди діють сили Ван-дер-Ваальса, однак їхній вплив не відчувається.

Третьою причиною екстракції може бути хімічна взаємодія розчиненої речовини з екстрагентом або із спеціально введеним реагентом, який утворює з досліджуваною речовиною екстраговані сполуки. Сюдт відноситься екстракція у вигляді солей, йонних асоціатав, внутрікомплексних сполук.

При екстракції речовин гідратна оболонка молекул розчиненої речовини руйнується. Молекули в гідратній оболонці заміщуються молекулами органічного

розчинника, в результаті чого утворюються сольвати молекул розчиненої речовини, які легко переходять у органічний розчинник. Добре екстрагуються молекули тих речовин, сольвати яких у фазі органічного розчинника є міцнішими, ніж гідрати цих молекул у воді.

Складнішими є процеси екстракції електролітів, які у водних розчинах частково або повністю розпадаються на йони. Йони, які несуть певний заряд, добре гідратуються диполями води. Зв’язок йонів з диполями води відносно міцний. тому йони, які мають міцні гідратні оболонки, залишаються у водній фазі і не екстрагуються органічними розчинниками. Це необхідно враховувати при екстракції органічних речовин, які є слабкими електролітами. Ступінь екстракції цих речовин залежить від рН середовища. зі зміною рН розчину змінюється дисоціація молекул, і, відповідно, і відносна кількість недисоційованих молекул речовини. Із збільшенням кількості недисоційованих молекул збільшується ступінь екстракції слабких електролітів і навпаки. Графічна залежність ступеня екстракції речовини від рН середовища називається кривою (ізотермою) екстракції.

Екстракція органічних кислот. Недисоційовані молекули органічних кислот у водних розчинах є електронейтральними і слабко гідратуються молекулами води. При контакті водних розчинів з органічними розчинниками електронейтральні молекули легко сольватуються і тому переходять у шар органічного розчинника. Слабкі кислоти при дисоціації розпадаються на йони у водних розчинах, особливо при рН  7, отримують відповідний заряд і легко гідратуються диполями води. Зв’язок молекули води з йонами кислот відносно міцний. тому такі йони слабко сольватуються молекулами органічних розчинників і не екстрагуються органічними розчинниками із водних розчинів. При зменшенні рН розчинів відбувається збільшення кількості недисоційованих молекул, а, відповідно, і збільшується кількість екстрагованої кислоти. При значному півищенні концентрації водневих йонів у водному розчині можна практично повністю перевести слабку кислоту у недисоційований стан і цим підвищити її ступінь екстракції. Ступінь екстракції слабких кислот залежить від природи органічних розчинників, рН середовища та співвідношення об’ємів двох фаз.

Екстракція основ. Органічні основи, до яких відносяться алкалоїди та їхні численні синтетичні аналоги, є фармацевтичними препаратами. При певних умовах при дії кислот на органічні основи утворюються їхні солі, які у водних розчинах дисоціюють на йони, отже, погано екстрагуються.

Недисоційовані молекули органічних основ слабко гідратуються молекулами води, але добре сольватуються молекулами органічних розчинників. Навпаки, йони, утворені при дисоціації солей органічних основ, добре гідратуються молекулами води і стабко сольватуються молекулам органічних розчинників. Ступінь екстракції органічних основ залежить від рН середовища, оскільки від рН середовища залежить ступінь дисоціації цих сполук. Органічні основи добре екстрагуються із слабко основного середовища і погано екстрагуються із кислого середовища.

Екстракція амфотерних сполук. До амфотерних сполук, які використовуються у фармації, відносяться сполуки, які містять амінний азот і фенольні групи (морфін, сальсолін), а також сполуки, що містять амінний азот та карбоксильну групу (амінокислоти). Ці сполуки залежно від рН середовища дисоціюють як основи ( в кислому середовищі), так і як кислоти ( в основному середовищі). Екстракція амфотерних сполук залежить від рН середовища, оскільки при зміні рН середовища міняється кількість йонів та недисоційованих молекул амфотерних сполук. Амфотерні сполуки, які знаходяться в молекулярному стані, екстрагуються органічними розчинниками. Йони амфотерних сполук добре гідратуються молекулами води і майже не екстрагуються органічними розчинниками.

найбільші кількості амфотерних сполук екстрагуються при значенні рН, яке відповідає ізоелектричній точці амфотерних сполук, коли йоногенні групи амфотерних сполук дисоційовані у рівній та мінімальній кількості, тобто їхній сумарний заряд наближається до нуля.