Happo-emäs-uutto

Happo-emäs-uutto on menetelmä aineiden erottamiseksi toisistaan niiden happamuus/emäksisyyserojen perusteella. Nämä menetelmät ovat happo-emäsreaktioon perustuvia uuttomenetelmiä. Ne kuuluvat aktiivisen uuton menetelmiin, joissa uutettavat aineet reagoivat uuttoaineiden kanssa.

Teoria

Kuva 1. Orgaanisia emäksiä, happoja ja neutraaleja molekyylejä sisältävä liuos voidaan erottaa happo-emäs-uutolla kolmeksi omanlaisiaan yhdisteitä sisältäväksi liuokseksi. Epäorgaanisia happoja ja emäksiä ovat mm. HCl ja NaOH ja näitä ei voida uuttaa. Oikealla kuvassa ylhäältä lukien molekyylit ovat aniliini, kapronihappo ja fenantreeni. Näiden liuos voidaan uuttaa sopivilla hapoilla ja emäksillä kutakin ainetta sisältäväksi verrattain puhtaaksi liuokseksi.

Happo-emäs-uutto perustuu siihen, että neutraalien molekyylien suolat ovat yleensä vesiliukoisia ja aineet sellaisenaan eivät yleensä ole vesiliukoisia.

Perusidea on tiivistettynä kuvassa 1.

Orgaanisen hapon ja emäksen rasvaliukoisesta liuoksesta voidaan uuttaa emäs vesiliukoisena kerroksena (faasina) erilleen lisätyn hapon vesiliuoksen avulla. Liuoksen alkuperäinen happo ei reagoi lisätyn hapon kanssa, sillä lisätty happo vaatii näiden välisen happo-emäsreaktion tapahtumiseksi emäksen, jonka kanssa se voi reagoida. Liuoksen alkuperäinen happo on liian hapan toimiakseen emäksenä, mutta liuoksen varsinainen emäs reagoi lisätyn hapon kanssa. Siten emäs muuttuu vesiliukoiseksi suolakseen lisätyn hapon vaikutuksesta happo-emäsreaktion kautta. Myöskään neutraali aine (jos sitä on liuoksessa) ei ole kyllin emäksinen reagoidakseen hapon kanssa.

Uutto voidaan tehdä myös lisätyllä emäksellä. Orgaanisen hapon ja emäksen rasvaliukoisesta liuoksesta voidaan uuttaa happo vesiliukoisena kerroksena erilleen lisätyn emäksen vesiliuoksen avulla.

Happo-emäs-uutolla voidaan myös erottaa hyvin heikot hapot hyvin vahvoista hapoista tai hyvin heikot emäkset hyvin vahvoista emäksistä, kunhan näiden happojen tai emästen välisten happovakioiden, eli pK_a (tai emäsvakioiden, eli pK_b) arvojen erot ovat kyllin suuret. Esimerkkejä:

• Hyvin heikot hapot, joilla on fenolinen OH-ryhmä (esim. fenoli, 2-naftoli ja/tai 4-hydroksi-indoli, näiden pK_a on noin 10) voidaan uuttaa vahvoista hapoista kuten bentsoehappo ja/tai sorbiinihappo (pK_a 4-5).
• Hyvin heikot emäkset kuten kofeiini ja/tai p-nitroaniliini (pK_b 13-14) voidaan uuttaa vahvoista hapoista kuten meskaliini ja/tai dimetyylitryptamiini (pK_b 3-4).

Menetelmä käytännössä laboratoriossa

Jos tutkittavan näytteen koostumus on tuntematon, kannattaa alla esiteltyjä uuton vaiheiden eri vaihtoehtoja kokeilla pienillä määrillä näytettä, jotta näyte ei kulu loppuun mikäli ongelmia tulee vastaan. Esim. eri liuottimia ja lisättyjä happoja/emäksiä kannattaa kokeilla.

Jos aine tai aineseos on kiinteä, liuotetaan nesteeksi rasvaliukoisilla liuottimilla, jotka ovat erotetun aineen puhdistusta varten yleensä helposti haihtuvia; puhdistus nimittäin tapahtuu tavallisesti tislaamalla. Liuottimena kannattaa useimmiten käyttää dietyylieetteriä (eetteriä). Myös petrolieetteriä, dikloorimetaania (DCM) tms. voidaan käyttää jos eetteri ei sovi tai sitä ei ole saatavilla. Kiinteää liuotetaan tavallisesti 5 g edestä 30 ml:aan liuotinta.

Hapolla uutettaessa käytetään tavallisesti 1 molaarista (M) suolahappoa tai 1 M rikkihappoa. Emäksellä uutettaessa saatetaan käyttää 1 M NaOH tai 1 M Na₂CO₃. 30 ml liuosta uutetaan yleensä kolme kertaa 10 ml määrällä happoa/emästä (30 ml yhteensä). Rasvaliukoista kerrosta uutetaan useasti, jotta kaikki siinä oleva suolanmuodostaja tai heikko happo/emäs saadaan talteen ja saanto olisi suuri.

Jos uutetaan heikkoa ja vahvaa happoa tai heikkoa ja vahvaa emästä toisistaan, säädetään uutossa yleensä liuoksen pH uutettavien aineiden pK_a (tai pK_b) arvojen väliin. Heikkoja happoja kuten sitruunahappoa, fosforihappoa tai laimeaa rikkihappoa käytetään lievästi happaman pH:n saavuttamiseen. Väkevää suolahappoa tai rikkihappoa voidaan käyttää hyvin happaman pH:n saavuttamiseen. Heikosti emäksisen liuoksen tekemiseen voidaan käyttää ammoniakkia tai natriumvetykarbonaattia (NaHCO₃). K₂CO₃ tai NaOH voidaan käyttää voimakkaan emäksisen pH:n saavuttamiseen.

Kuva 2. Uuttosuppilo sitä tukevassa statiivissa. Kaksi kerrosta (faasia) sisältävästä suppilosta uuttuu alempi faasi dekantteriin. Suppilossa on normaalisti korkki kaulassaan, joka on poistettu uuton ajaksi. Valuminen pysäytetään sulkemalla hana, kun faasit ovat uuttuneet erilleen.

Uutto suoritetaan erotussuppilossa, johon tarvittavat aineet on lisätty. Suppiloon muodostuu vesi- ja rasvaliukoiset kerrokset. Suppiloa ravistetaan hieman kerrosten sekoittumiseksi. Suppilosta päästetään ulos pystyasennossa sinne mahdollisesti muodostunutta painetta lyhyen ravistelun jälkeen. Ravistelu ja paineen poisto toistetaan, kunnes suppiloon ei muodostu enää merkittävästi painetta. Paine johtuu höyrynpaineen muutoksesta suppilossa ja se tasataan mm. siksi, jottei suppilo halkea paineesta tai sieltä ryöppyä uutettavia aineita avattaessa suppilon hana. Lopuksi suppiloa sekoitetaan hieman pitemmän aikaa voimakkaasti tai varoen, jos kerrokset muodostavat helposti vaahtomaisen emulsion. Suppilo jätetään pystyasentoon telineeseen kuten kuvassa 2. Kerrosten annetaan erottua suppilon korkki suljettuna.

Emulsiota voi muodostua erityisesti silloin kun seoksesta on tehty emäksinen ja liuottimena on käytetty dikloorimetaania. Mikäli emulsiota muodostuu, eikä se näytä poistuvan odottamalla ja erottumista avustavan suppilon varovaisella kääntelyllä, voidaan suppilon kerrosten rajapintaa sekoittaa lasisauvalla suppilon kaulan kautta. Jos tämä ei auta, voidaan emulsio uuttaa erilleen ja erottaa se ultraäänipuhdistimessa. Seoksen vesikerroksen ionien lukumäärän lisääminen voi myös auttaa: esim. NaCl, NaSO₄ tai K₂CO₃ saatetaan lisätä. Ionit ovat hyvin vesiliukoisia ja vähentävät rasvaliukoisen kerroksen aineiden liukoisuutta vesikerrokseen. Ionit vievät rasvaliukoisilta aineilta "tilaa" sitomalla läheisyyteensä vettä, jolloin aineille jää vähemmän vesimolekyylejä joiden kanssa ne voisivat vuorovaikuttaa: tätä kutsutaan ulossuolaukseksi. Jos seos on emäksinen (eli uuttoa tehdään emäksellä), voi pieni määrä laimeaa H₂SO₄:ää poistaa emulsion. H₂SO₄:ää ei tule lisätä liikaa, jotta seos ei neutralisoidu tai happamoidu. Etanolin tai muun liuottimen lisäys pipetillä suoraan emulsiota sisältävään rajapintaan voi myös ratkaista ongelman. Kerrokset voivat kuitenkin erottua pelkästään odottamalla, vaikka tässä kestäisi pitkään.

Kerrokset uutetaan erilleen. Usein rasvaliukoista kerrosta uutetaan hapolla/emäksellä vähintään kolmasti (10 ml määrällä happoa/emästä per kerta (yhteensä 10+10+10 = 30 ml) jos uutettavaa liuosta on 30 ml). Uutoista saatavat vesiliukoiset kerrokset yhdistetään. Rasvaliukoista kerrosta ei hävitetä, jos siinä on haluttuja aineita. Jos uutossa on käytetty happoa, tehdään juuri uutettu ja yhdistetty vesiliukoinen liuos emäksiseksi esim. 5 M NaOH:lla, jotta emäksiset tuotteet vapautuvat suoloistaan. Ne muuntuvat kiinteäksi sakaksi ja/tai rasvaliukoiseksi omaksi kerroksekseen seoksessa. Seokseen lisätään eetteriä tai muuta rasvaliukoista haihtuvaa liuotinta. Jos on saatu kiinteää sakkaa, liukenee se tähän lisättyyn liuottimeen. Lisätty liuotinkerros uutetaan erilleen. Liuottimen lisäys ja vesiliukoisen kerroksen uutto toistetaan muutaman kerran ja tästä saadut rasvaliukoiset liuotinta sisältävät kerrokset yhdistetään. Yhdistetty liuotinliuos haihdutetaan esim. tislaamalla ja saadaan kiinteä tai nestemäinen emäksinen tuote tai tuoteseos/liuos, joka voidaan jatkopuhdistaa.

Edellisestä vaiheesta jääneestä rasvaliukoisesta liuoksesta on nyt poistettu emäkset. Liuokseen on jäänyt vain neutraaleita ja happamia aineita. Liuoksesta voidaan erottaa seuraavaksi hapot hieman samaan tapaan kuin edellä, mutta käyttämällä happoa aluksi.

Uutettujen liuosten jatkopuhdistus ja/tai erottelu voidaan tehdä esim. tislaamalla, uudelleenkiteyttämällä ja/tai kromatografisin menetelmin.

Menetelmän rajoitukset

Menetelmä toimii vain hapoille ja emäksille, joilla on kyllin suuri liukoisuusero niiden varattujen (suolojen) ja varauksettomien muotojen välillä. Menetelmä ei toimi:

• kahtaisioneille, joilla hapan ja emäksinen funktionaalinen ryhmä ovat samassa molekyylissä. Esim. glysiini, joka vesiliukoinen laajalla pH-alueella.
• hyvin rasvaliukoisille amiineille, jotka eivät liukene helposti vesiliukoiseen kerrokseen suolana (varauksellisessa muodossaan). Esim. trifenyyliamiini ja triheksyyliamiini.
• hyvin rasvaliukoisille hapoille, jotka eivät liukene helposti vesiliukoiseen kerrokseen suolana. Esim. rasvahapot.
• hyvin vesiliukoisille amiineille kuten ammoniakille, metyyliamiinille tai trietanoliamiinille, sillä nämä ovat täysin tai hyvin liukoisia veteen laajalla pH-alueella.
• vesiliukoisille hapoille kuten etikkahapolle, sitruunahapolle ja useimmille epäorgaanisille hapoille kuten rikkihapolle ja fosforihapolle.

Muita vaihtoehtoja

Mahdollisesti sopivia erotusmenetelmiä Happo-emäs-uuton sijaan ovat mm.:

• suodatus silikageeli tai alumiinioksidi tulpan/suotimen läpi. Varatut suolat adsorboituvat voimakkaasti silikaan tai alumiinioksidiin, eli jäävät sen pintaan kiinni. Neutraalit molekyylit tulevat suotimesta läpi.
• ioninvaihtokromatografia, joka voi erottaa toisistaan hapot, emäkset sekä liuokset, joissa on heikkoja ja vahvoja happoja/emäksiä. Aineet erottuvat eri jakeisiin (fraktioihin). Tämä johtuu aineiden eriävistä affiniteeteistä (sähköisen kiinnittymisen voimakkuuksista) kromatografiakolonnin materiaaliin eri pH-arvoissa.

Katso myös

• Kromatografia - hienovaraisempi menetelmä, mutta voi usein olla hankalampi soveltaa.
• Soxhlet-laite

Ulkoiset materiaalit

• Edu.fi - erotusmenetelmät (suomeksi)