sampleprepcompend kak050-kemm06 ht 2014-v21-slutlig

33
Sample preparation, KAK050/KEMM06, HT 2014 SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG.docx Senast sparat 20141103 20.43 SAMPLE PREPARATION IN CHROMATOGRAPHIC ANALYSIS Extraction KarlGustav Wahlund Centre for Analysis and Synthesis Department of Chemistry Lund University Contents Introduction ............................................................................................................... 2 Basics of sample preparation ..................................................................................... 3 Fundamentals of extraction ....................................................................................... 6 Solvent extraction .............................................................................................................. 6 Liquidliquid extraction (LLE) ................................................................................................. 7 Fraction extracted ................................................................................................................. 8 Batch extraction ................................................................................................................12 Single batch extraction ........................................................................................................ 12 Repeated batch extraction .................................................................................................. 12 Continuous extraction .......................................................................................................13 Extraction techniques and applications .............................................................................14 Techniques .......................................................................................................................... 14 Applications ......................................................................................................................... 15 Octanol/water distribution constants, K D,o/w ................................................................................. 15 Solid phase extraction (SPE) ........................................................................................................... 16 Quantitative treatment of liquidliquid extraction.................................................... 21 A neutral nonprotic analyte ..............................................................................................21 Distribution constant........................................................................................................... 21 What determines the value of the distribution constant, K D ? ....................................................... 22 Distribution ratio ................................................................................................................. 24 More about total concentrations ........................................................................................ 25 A neutral weak organic acid HX .........................................................................................26 A neutral weak organic base B ..........................................................................................29 How to use the log D – pH diagrams (loglog plots) ............................................................31 Applications of liquidliquid extraction ..................................................................... 32 Separation of acids and bases by single batch liquidliquid extraction ...............................32 Two neutral weak acids, HX and HY .................................................................................... 32 Two neutral weak bases, codein and papaverin ................................................................. 33 LITERATURE ................................................................................................................ 33

Upload: others

Post on 03-Feb-2022

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

Sample  preparation,  KAK050/KEMM06,  HT  2014  

SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG.docx Senast sparat 2014-­‐11-­‐03  20.43  

SAMPLE  PREPARATION  IN  CHROMATOGRAPHIC  ANALYSIS  Extraction  Karl-­‐Gustav  Wahlund  Centre  for  Analysis  and  Synthesis  Department  of  Chemistry  Lund  University  

Contents  Introduction  ...............................................................................................................  2  

Basics  of  sample  preparation  .....................................................................................  3  

Fundamentals  of  extraction  .......................................................................................  6  Solvent  extraction  ..............................................................................................................  6  

Liquid-­‐liquid  extraction  (LLE)  .................................................................................................  7  Fraction  extracted  .................................................................................................................  8  

Batch  extraction  ................................................................................................................  12  Single  batch  extraction  ........................................................................................................  12  Repeated  batch  extraction  ..................................................................................................  12  

Continuous  extraction  .......................................................................................................  13  Extraction  techniques  and  applications  .............................................................................  14  

Techniques  ..........................................................................................................................  14  Applications  .........................................................................................................................  15  

Octanol/water  distribution  constants,  KD,o/w  .................................................................................  15  Solid  phase  extraction  (SPE)  ...........................................................................................................  16  

Quantitative  treatment  of  liquid-­‐liquid  extraction  ....................................................  21  A  neutral  nonprotic  analyte  ..............................................................................................  21  

Distribution  constant  ...........................................................................................................  21  What  determines  the  value  of  the  distribution  constant,  KD?  .......................................................  22  

Distribution  ratio  .................................................................................................................  24  More  about  total  concentrations  ........................................................................................  25  

A  neutral  weak  organic  acid  HX  .........................................................................................  26  A  neutral  weak  organic  base  B  ..........................................................................................  29  How  to  use  the  log  D  –  pH  diagrams  (log-­‐log  plots)  ............................................................  31  

Applications  of  liquid-­‐liquid  extraction  .....................................................................  32  Separation  of  acids  and  bases  by  single  batch  liquid-­‐liquid  extraction  ...............................  32  

Two  neutral  weak  acids,  HX  and  HY  ....................................................................................  32  Two  neutral  weak  bases,  codein  and  papaverin  .................................................................  33  

LITERATURE  ................................................................................................................  33    

Page 2: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

2  

Introduction  

Sample  preparation  is  a  most  important  and  indispensable  part  in  any  quantitative  analytical  determination  method.  It  has  a  decisive  influence,  in  fact  cardinal,  on  the  quality  of  the  reported  result,  consequently  the  accuracy  and  precision.  Without  knowing  these  it  can  be  risky,  even  meaningless,  to  try  to  draw  any  advanced  conclusions  on  the  interpretation  of  the  result,  for  example  as  a  basis  for  decisions  on  various  issues.  Sample  preparation  includes  procedures  known  as  pre-­‐treatments  of  the  original  sample.  They  are  necessary  before  the  final  quantification  of  the  intended  sample  analyte  can  be  made.  The  samples  can  be  of  a  large  variety  such  as  body  fluids  and  tissues,  waste-­‐water,  environmental  polluted  aquatic  waters,  environmentally  spread  chemical  compounds,  chemically  engineered  nanoparticles,  etc.  Each  sample  type  requires  its  specific  pre-­‐treatment.  

The  general  aspects  of  sample  preparation  are  often  described  in  textbooks  for  undergraduate  students,  such  as  your  own,  Quantitative  Chemical  Analysis  by  D.C.  Harris.  In  chromatographic  analysis  the  aim  of  sample  preparation  is  to  obtain  the  analyte  in  a  homogeneous  solution  that  can  be  injected  onto  the  chromatographic  column.  The  solvent  for  the  analyte  needs  to  be  compatible  with  the  mobile  phase  and  the  analyte  solution  obtained  needs  to  be  free  from  interfering  compounds.  For  example,  in  GC  the  analyte  solvent  has  to  be  vaporizable  when  introduced  into  the  sample  injector.  In  column  LC  the  solvent  needs  to  be  completely  miscible  with  the  mobile  phase  solvent.    

One  of  the  most  used  sample  pre-­‐treatments  in  chromatographic  analytical  methods,  as  well  as  many,  many  other,  is  the  extraction  of  the  analyte  from  the  sample  into  a  suitable  solvent.  For  this  reason,  and  also  due  to  the  very  widespread  use  of  extraction  in  general,  the  present  text  is  aimed  to  assist  in  your  understanding  of  the  theory,  principles  and  applications  of  extraction.  Once  you  understand  these  you  will  be  well  prepared  to  deal  with  the  multitude  of  different  extraction  techniques  that  exist,  and  most  importantly,  continue  to  be  developed.  You  will  find  that  the  fundamentals  of  extraction  are  applicable  to  nearly  all  those  techniques.  They  are  not  covered  in  any  detail  here  since  they  are  described  in  your  course-­‐book,  which  is  recommended  for  study.  In  addition,  course  lectures,  lecture  notes,  and  exercises  add  to  the  understanding.    

Care  has  been  taken  to  define  and  explain  concepts,  terms  and  quantities  and  apply  modern  terminology  and  symbols  following  the  recommendations  by  the  International  Union  of  Pure  and  Applied  Chemistry  (IUPAC).  However,  exceptions  occur  where  confusion  needs  to  be  avoided.  In  some  cases  these  exceptions  lead  to  deviations  from  many  textbooks  since  it  can  take  a  long  time  before  newer  terms  and  symbols  find  their  way  into  the  literature.  Clearly,  the  terminology  in  chemistry  has  a  very  long  history  and  tradition,  at  least  from  the  1800s,  and  what  you  find  today  as  recommendations  by  IUPAC  is  a  reflection  of  this  long  tradition.  Unfortunately,  the  last  IUPAC  recommendation  1993  on  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction)  has  caused  confusion.  In  the  present  text  an  attempt  is  made  to  correct  this  and  straighten  it  out.    

To  assist  in  your  understanding  and  interpretation  there  are  inserted  in  the  text  many  citations  

Page 3: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

3  

from  literature  sources  such  as  the  IUPAC  recommendations  and  on-­‐line  dictionaries  (Wikipedia,  www.thefreedictionary.com,  and  more).  Reading  the  original  literature  source,  rather  than  re-­‐interpretations  and  re-­‐phrasings  in  textbooks,  course-­‐books,  and  course  compendia,  helps  your  understanding  of  the  concepts,  terms,  quantities  and  symbols.  The  citations  are  inserted  immediately  after  that  a  certain  term  occurs  in  the  body  text.  You  can  choose  to  read  them  immediately,  or  return  to  them  later.    

Useful  on-­‐line  sources  for  terms  and  words  are:  Swe:  Ordböcker  •    Svenska  Akademiens  ordlista  •    Svenska  Akademiens  ordbok  http://www.sprakradet.se/2130  

Dictionaries    Oxford  English  Dictionary    Encyclopedia    Encyclopedia  Britannica  Encyclopedia  Britannica  (http://www.britannica.com/)  

Since  many  technical  and  chemical  terms  originate  in  Latin  or  Greek  an  even  better  way  of  understanding  is  to  look  for  the  original  Latin  or  Greek  semantic  meaning.  This  same  meaning  is  very  often  the  essence  of  the  terms  as  we  use  them  today.      

Basics  of  sample  preparation  As  mentioned  the  sample  may  be  subjected  to  a  series  of  pre-­‐treatments.  These  are  integral  parts  of  the  sample  preparation  and  are  performed  in  a  certain  sequence.  This  pre-­‐treatment  sequence  often  comprises  four  consecutive  aims  and  they  can  be  achieved  by  four  corresponding  techniques:  

  Sample  pre-­‐treatment  sequence  

  Aim   Technique/Common  term  1.   Isolation   Extraction  

2.   Purification   Clean-­‐up  

3.   Separation   Chromatography  

4.   Detection   Detector    

 

 

The  first  pre-­‐treatment  serves  to  isolate  the  analyte  from  the  main  material  of  the  sample,  i.e.  the  matrix.  

What  is  isolate/isolation?  Isolate  (verb):  place  or  set  apart,  obtain  in  pure  form,  set  apart  from  others.  Context  example:  The  chemist  managed  to  isolate  the  compound.  

Page 4: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

4  

Source:  http://www.audioenglish.net/dictionary/isolate.htm.    Obtain  or  extract  (a  compound,  microorganism,  etc.)  in  a  pure  form.  Source:  http://www.oxforddictionaries.com/definition/english/isolate  

Isolation  [verb]:  the  act  of  isolating  something;  setting  something  apart  from  others.    Source:  1  Click  Oxford  Dictionary.  Isolate  (noun):    A  person  or  thing  which  has  been  or  become  isolated.    Source:  http://www.oxforddictionaries.com/definition/english/isolate.  

What  is  a  matrix?  Matrix  n.,  pl.  matrices  or  matrixes;  swe.  matris:  a  substance,  situation,  or  environment  in  which  something  has  its  origin,  takes  form,  or  is  enclosed.  Source:  http://www.thefreedictionary.com  

If  the  matrix  is  complex,  i.e.  contains  many  different  compounds  at  different  levels  of  concentrations  or  amounts,  the  isolate  may  hardly  become  pure  in  the  analyte.  For  complex  matrices  the  aim  of  the  isolation  at  this  stage  is  to  remove  the  analyte  from  the  majority  of  the  matrix  compounds.  This  isolation  can  commonly  be  made  by  extraction  of  the  analyte  from  the  matrix.    

What  is  extraction?  Extraction  means  that  an  object  is  "drawn  out"  from  its  environment  (lat.  extrahere  "to  draw  out  (of/from)"  from  'ex'  for  out  and  'trahere'  for  draw;  swe.  "dra  ut").  Source:  http://www.thefreedictionary.com  

What  is  to  extract?  To  transfer  a  solute  from  a  liquid  phase  to  another  immiscible  or  partially  miscible  liquid  phase  in  contact  with  it.  Note:  The  term  is  also  applied  to  the  dissolution  of  material  from  a  solid  phase  with  a  liquid  in  which  it  is  not  wholly  soluble  (i.e.  leaching).  Source:  PAC,  1993,  65,  2373,  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction)  1.8, IUPAC  Recommendations  1993.    

 If  the  isolate,  the  extract,  will  contain  other  components  than  the  analyte  so  that  they  will  interfere  in  the  analysis,  the  extract  needs  to  be  subjected  to  some  purification  to  remove  the  interferents.  The  term  clean-­‐up  (swe.  upprening)  represents  various  methods  by  which  the  purification  can  be  obtained.  Interferences  can  occur  in  the  subsequent  chromatographic  separation-­‐detection.  

What  is  an  interferent  (noun)?  (Noun)  interferent  (plural  interferents)  (chemistry),  swe.  störande  ämne.  Any  substance  whose  presence  interferes  with  an  analytical  procedure  and  generates  incorrect  results.  Source:  http://en.wiktionary.org/wiki/interferent  

What  is  an  interference  (noun)?  Swe.  störning.  

 In  chromatographic  separations  column  interferences  can  be  caused  by  

1. compounds  that  cannot  be  separated  from  the  analyte  in  the  column,  2. other  sample  components,  even  the  solvent  itself,  that  causes  some  damage  

to  the  column,  such  as  precipitation  of  solids.  

Page 5: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

5  

 Case  1.  is  counter-­‐acted  by  an  increase  the  separation  selectivity  (α)  of  the  column,  supposing  that  the  separation  efficiency  (N-­‐value)  already  has  been  maximised.  Please  note  that  this  case  presupposes  that  the  interferences  are  also  detection  interferences.  Case  2.  is  counter-­‐acted  by  a  suitable  of  choice  of  the  nature  and  type  of  the  mobile  phase  solvent  in  relation  to  that  in  the  injected  analyte  solution.  

When  no  remaining  interfering  compounds  exist  the  final  chromatographic  separation  and  detection  can  be  achieved,  resulting  in  the  quantification  (quantitative  determination).    

Additionally,  the  extraction  can  be  effectively  used  to  obtain  a  pre-­‐concentration  of  the  analyte,  which  means  that  its  concentration  is  increased  relative  to  in  the  original  sample.  This  occurs  if  the  analyte  is  extracted  into  a  much  smaller  volume  than  that  of  the  original  sample.  Pre-­‐concentration  has  one  very  important  use:    

 

Sometimes  two  or  more  of  the  methods  are  united  in  one,  for  example  if  the  extraction  already  suffices  the  need  for  purification.    

The  composition  of  the  matrix  has  a  strong  influence  on  the  need  for  isolation  and  purification.  Matrices  can  be  from  quite  simple  to  very  complex.  A  simple  water  solution,  or  an  organic  solvent  solution,  of  the  analyte-­‐containing  sample  represents  perhaps  the  simplest  matrix  but  it  can  yet  contain  a  lot  of  compounds  that  may  be  closely  related  to  the  analyte  and  interfere  in  the  separation  -­‐  detection.  More  complex  matrices  are  represented  by  various  environmental,  food,  biological,  biochemical,  biomedical,  and  pharmaceutical/medical  samples.  Blood,  blood  plasma,  and  urine  samples  are  in  focus  in  drug  discovery  and  development  in  the  pharmaceutical  industry.  In  the  food  industry  raw  materials  from  animal  and  plants  may  occur.  Such  complex  sample  matrices  can  be  liquids  (solutions),  liquid  suspensions  (dispersions),  or  solids.  A  liquid  sample  can  contain  dissolved  components  as  well  as  suspended  solid  components.  

When  the  matrix  is  a  solid,  or  contains  insoluble  matter,  the  isolation  and  purification  of  analytes  can  be  very  challenging.    This  is  common  for  plant,  food  and  soil  samples,  especially  if  the  analyte  is  strongly  bound  to,  or  captured,  in  structures  within  the  solid  matrix,  or  if  it  is  insoluble  itself  in  common  extraction  solvents.  High  molar  mass  compounds  such  as  starch,  dietary  fibres,  and  proteins  require  specially  designed  methods  for  their  isolation.  However,  most  of  the  remainder  of  this  text  will  deal  with  common  low  molar  mass  substances.  

 

To  enrich  (swe.  anrika)  the  analyte  so  that  its  concentration  increases  and  the  detector  signal  becomes  higher  for  a  given  sample  volume  injected.  This  is  especially  important  in  trace  analysis  (swe.  spåranalys).  

Page 6: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

6  

 Fundamentals  of  extraction  Extraction  is  in  itself  a  separation  in  which  the  analyte  becomes  separated  from  its  matrix.    

What  is  separation?    “Separation  process:  In  chemistry  and  chemical  engineering,  a  separation  process,  or  simply  a  separation,  is  any  mass  transfer  process  used  to  convert  a  mixture  of  substances  into  two  or  more  distinct  product  mixtures,  at  least  one  of  which  is  enriched  in  one  or  more  of  the  mixture's  constituents.  In  some  cases,  a  separation  may  fully  divide  the  mixture  into  its  pure  constituents.  Separations  are  carried  out  based  on  differences  in  chemical  properties  such  as  size,  shape,  mass,  or  chemical  affinity  between  the  constituents  of  a  mixture,  and  are  often  classified  according  to  the  particular  differences  they  use  to  achieve  separation.  In  the  case  that  no  single  difference  can  be  used  to  accomplish  a  desired  separation,  multiple  processes  will  often  be  performed  in  combination  to  achieve  the  desired  end".  Source:  Wikipedia,  the  free  encyclopedia.  

Solvent  extraction    

(Swe.  lösningsmedelsextraktion)  (Alternative  term:  liquid  extraction;  swe.  vätskeextraktion)  

This  procedure  is  technically  simple.  Just  add  an  immiscible  solvent  to  a  liquid  sample  (solution  or  dispersion),  or  a  solid  sample,  and  shake  the  mixture,  which  means  to  homogenise  it.  Any  sample  component  that  has  enough  solubility  in  the  solvent  can  then  be  extracted.  For  small  organic  analytes,  an  organic  solvent  would  be  preferred.  For  solid  samples,  either  an  aqueous  or  an  organic  solvent  can  be  used,  depending  on  whether  the  sample  analyte  is  water-­‐soluble  or  not.  Common  solvents  for  extraction  are  water,  ethanol,  ethyl  acetate,  diethyl  ether,  dichloromethane,  toluene,  and  hexane.    

What  is  solvent  extraction?  The  process  of  transferring  a  substance  from  any  matrix  to  an  appropriate  liquid  phase.  If  the  substance  is  initially  present  as  a  solute  in  an  immiscible  liquid  phase  the  process  is  synonymous  with  liquid-­‐  liquid  extraction.  Source:    IUPAC  Compendium  of  Chemical  Terminology  1399  of  16221)  and  PAC,  1993,  65,  2373,  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction),  IUPAC  Recommendations  1993,  1.19,  page  2379.  Note:  1.  If  the  extractable  material  is  present  in  a  solid  (such  as  a  crushed  mineral  or  an  ore)  the  term  leaching  may  be  more  appropriate.  The  extractable  material  may  also  be  a  liquid  entrapped  within  or  adsorbed  on  a  solid  phase.  2.  Common  usage  has  established  this  term  as  a  synonym  for  liquid-­‐liquid  distribution.  This  is  acceptable  provided  that  no  danger  of  confusion  with  extraction  from  solid  phases  exists  in  a  given  context.  Source:  PAC,  1993,  65,  2373  (Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction)  (IUPAC  Recommendations  1993))  on  page  2379.  

Solvent  extraction  has  a  long  history  in  preparative  organic  chemistry  to  isolate  various  compounds  from  natural  matrices.  For  example,  ethanol  extraction  can  be  used  to  obtain  extracts  of  various  spices  and  other  compounds  in  plants.  In  the  pharmaceutical/pharmacological  area,  amines,  for  example  alkaloids,  can  be  extracted  from  plants  using  an  organic  solvent,  one  example  being  the  extraction  of  morphine  from  the  dried  milky  exudate  of  the  unripe  seed  capsule  of  the  opium  poppy.  However,  efficient  extraction  of  

Page 7: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

7  

an  alkaloid  requires  basic  conditions  so  that  the  alkaloid  is  present  in  the  neutral  basic  form  that  is  soluble  in  the  organic  extraction  solvent.  Basic  conditions  are  obtained  by  adding  an  aqueous  alkali  solution  to  the  sample  matrix  and  then  performing  the  extraction.    

In  preparative  inorganic  chemistry  solvent  extraction  has  been  used  for  long  time  to  extract  metals  from  minerals  by  leaching  (swe.  lakning)  and  metal  ions  from  soil  in  environmental  and  ecological  investigations,  sometimes  as  complexes  with  inorganic  acids  or  with  chelating  agents.    

Liquid-­‐liquid  extraction  (LLE)  

Solvent  extraction  of  an  aqueous  sample  by  an  immiscible  organic  solvent,  or  solvent  mixture,  technically  refers  to  an  extraction  of  the  sample  analyte  from  an  aqueous  phase  to  an  organic  phase.  This  is  known  as  liquid-­‐liquid  extraction  (LLE).  Common  alternative  terms  are  liquid-­‐liquid  distribution  and  liquid-­‐liquid  partition.  

What  is  distribution?  n.  the  act  of  distributing,  apportionment,  division  into  categories,  a  thing  or  portion  being  distributed,  arrangement  or  location;  swe.  fördela.  Source:  http://www.thefreedictionary.com;  The  apportionment  of  a  solute  between  two  phases.  Note: The term partition (1.15) or extraction (1.9) may also be used in this sense where appropriate.  Source:  IUPAC  Recommendations  1993  on  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction)  (1.4);  PAC,  1993,  65,  2373.  

What  is  partition  and  partitioning?    n.  v.  The  state  of  being  so  divided.  To  divide  into  parts,  pieces,  or  sections.  The  act  or  process  of  dividing  something  into  parts;  swe.  dela  in,  indela,  dela  upp,  uppdela.  Source:  http://www.thefreedictionary.com.  

What  is  liquid-­‐liquid  distribution  (extraction)  (partition)?    The  process  of  transferring  a  dissolved  substance  from  one  liquid  phase  to  another  (immiscible  or  partially  miscible)  liquid  phase  in  contact  with  it.  Note:  Although  extraction,  partition  and  distribution  are  not  synonymous,  extraction  may  replace  distribution  where  appropriate.  Source:  IUPAC  Recommendations  1993  on  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution.  

What  is  an  extract  (noun)?  The  separated  phase  (often  but  not  necessarily  organic)  that  contains  the  material  extracted  from  the  other  phase.  Notes:  Where  appropriate  the  term  "loaded  solvent"  (4.15)  may  be  used,  but  is  not  recommended.  Source:  IUPAC  Recommendations  1993  on  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction)  (2.7).  

What  is  an  extractant?  The  active  component(s)  primarily  responsible  for  transfer  of  a  solute  from  one  phase  to  the  other.  Notes:  (i)  The  term  extracting  agent  is  a  synonym  but  solvent  (2.12)  and  ligand  should  not  be  used  in  this  context.  Source:  IUPAC  Recommendations  1993  on  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction)  (2.8).  

What  is  a  modifier?  

Page 8: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

8  

A  substance  added  to  a  solvent  (2.12)  to  improve  its  properties  e.g.  by  increasing  the  solubility  of  an  extractant  (2.8),  changing  interfacial  parameters,  or  reducing  adsorption  losses.  Source:  IUPAC.  

What  is  the  solvent  (in  liquid-­‐liquid  distribution)?  The  term  applied  to  the  whole  initial  liquid  phase  containing  the  extractant  (2.8).  (2.12?).  Source:  IUPAC.  

 

For  quantitative  chemical  analysis  (quantitative  determination)  of  the  analyte  in  the  original  sample  (the  feed  phase),  it  is  necessary  to  obtain  a  complete  transfer  of  the  analyte  from  the  feed  into  the  extract  (complete  extraction  =  quantitative  extraction)  and  preferably  minimize  the  extraction  of  other  sample  components  that  might  interfere  in  the  following  chromatographic  separation  or  the  detection.  This  means  that  the  extraction  conditions  may  need  to  be  optimised.  For  this  purpose  it  is  important  to  have  tools  for  systematic  regulation  of  the  fraction  extracted  of  the  analyte  in  the  sample.  This  requires  knowledge  of  the  parameters  that  can  influence  the  liquid-­‐liquid  distribution  equilibrium  of  the  analyte  molecules  between  the  two  phases.  The  possibilities  are  enormous  since  the  composition  of  both  liquid  phases  can  be  changed  in  many  ways.  Among  these  is,  for  example,  a  change  of  the  pH  in  the  aqueous  phase  (if  analytes  are  acids  (protogenic)  or  bases  (protophilic),  in  other  words,  protic  molecules)  and  using  mixtures  of  different  organic  solvents,  or  adding  complex  forming  agents  to  the  organic  phase.  

Fraction  extracted    

The  fraction  extracted,  fE,  expresses  how  large  a  fraction  of  the  sample  analyte,  originally  present  in  the  aqueous  phase,  that  is  extracted  into  the  organic  phase.  The  fraction  extracted  is  defined  by    

!! =  !!!!!  

where  QA  is  the  amount  (quantity)  of  analyte  A  found  in  the  organic  extract  and  QoA  is  the  

amount  originally  present  in  the  aqueous  phase,  hence  the  sum  of  the  amount  of  A  in  the  two  phases  after  equilibration.  For  example,  if  nearly  all  amount  is  extracted  the  fraction  extracted  will  be  nearly  1.  This  corresponds  to  a  percentage  fraction  extracted  of  nearly  100%.      

What  is  equilibration?  The  operation  by  which  a  system  of  two  or  more  phases  is  brought  to  a  condition  where  further  changes  with  time  do  not  occur.  From:  PAC,  1993,  65,  2373,  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction),  IUPAC  Recommendations  1993  1.6  

What  is  the  fraction  extracted?  The  fraction  of  the  total  quantity  of  a  substance  extracted  (usually  by  the  solvent)  under  specified  conditions,  i.e.  where  QA  is  the  mass  of  A  extracted  and  Qo

A  is  the  total  mass  of  A  present  at  the  start.  Notes:  1.  fE  may  be  expressed  as  a  percentage,  %fE.  2.  The  term  extractability  is  qualitative  and  should  not  be  used  as  a  synonym  for  fraction  extracted.  4.  The  fraction  extracted  is  also  known  as  the  recovery  factor,  especially  for  a  multistage  process.  

Page 9: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

9  

Source:  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction)  PAC,  1993,  65,  2373  and    IUPAC  Recommendations  1993,  page  2384.  

 

The  percentage  fraction  extracted,  %f!,  of  the  analyte  after  one  single  extraction  can  be  calculated  by  

%!! =100

1+        !!"!!  !!"#  

=100

1+ 1!!  !

 

where  !!"  and  !!"#  are  the  volumes  of  the  aqueous  and  organic  phases  and  r  is  the  phase  volume  ratio  defined  by  ! = !!"# !!".  DA  is  the  so-­‐called  distribution  ratio  for  A  as  defined  by  

 

Capital  C  denotes  the  total  concentrations  (of  A)  in  each  of  the  two  phases.  The  distribution  ratio  and  the  concept  of  total  concentration  will  be  discussed  in  detail  in  further  sections  below.  Please  note  already  here  that  the  equation  for  the  percentage  fraction  extracted  is  asymptotic  and  actually  has  two  asymptotes.  The  relevance  of  this  will  be  detailed  below.  

What  is  the  distribution  ratio  (in  liquid-­‐liquid  distribution)?  The  ratio  of  the  total  analytical  concentration  of  a  solute  in  the  extract  (regardless  of  its  chemical  form)  to  its  total  analytical  concentration  in  the  other  phase.    Source:  IUPAC  (2.7,  3.5)  

What  is  the  phase  ratio  (r)  (in  liquid-­‐liquid  distribution)?  The  ratio  of  the  quantity  of  the  solvent  to  that  of  the  other  phase.  Note:  Unless  otherwise  specified  the  phase  ratio  refers  to  the  phase  volume  ratio.  Source:  IUPAC  (2.12;  3.19).  

In  summary  the  fraction  extracted  depends  on  the  

     

These  two  are  the  parameters  that  can  be  used  to  regulate  the  %  fraction  extracted  to  the  desired  level.  The  most  powerful  parameter  is  the  distribution  ratio  and  to  have  some  idea  of  its  value  makes  possible  a  much  more  intelligent  use  of  the  method  of  extraction  than  otherwise.  It  is  therefore  essential  to  know  what  governs  its  value  and  from  there  conclude  how  it  can  be  regulated.  Clearly,  the  most  accurate  and  successful  planning  of  an  extraction  requires  that  DA  is  known.  The  phase  volume  ratio  has  a  somewhat  more  limited  usefulness  

DA =CA,org

CA,aq

1) analyte  distribution  ratio    

2) phase  volume  ratio.  

Page 10: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

10  

since  it  will  be  rather  impractical  to  use  phase  volume  ratios  >100  and  <0.01.  However,  inside  these  limits  it  is  an  equally  important  regulation  parameter  as  the  distribution  ratio.  

Technically,  this  way  of  performing  the  liquid-­‐liquid  extraction  technique  is  called  batch  extraction  (swe.  satsvis  extraktion)  and  tools  to  use  are  small  extraction  tubes,  preferably  centrifuge  tubes,  large  separatory  funnels  of  a  size  depending  on  the  volumes,  or  Erlenmeyer  flasks  (shake  flasks).  

In  quantitative  analytical  determinations  it  is  essential  to  know  how  to  obtain  complete  extraction,  also  called  quantitative  extraction  (swe.  fullständig  extraktion,  kvantitativ  extraktion)  and  negligible  extraction  (swe.  försumbar  extraktion)  for  a  given  analyte.  Complete  extraction  means  that  nearly  all  amount  of  the  analyte  will  be  extracted.  Negligible  extraction  means  that  nearly  zero  amount  is  extracted,  which  means  that  nearly  everything  remains  in  the  aqueous  phase  (this  condition  can  be  used  for  so  called  back-­‐extraction  of  the  analyte  to  an  aqueous  phase  after  an  initial  quantitative  extraction  to  the  organic  phase).  Ideally,  all  other  sample  components  than  the  analyte  should  be  subject  to  negligible  extraction.  This  means  that  the  only  compound  extracted  would  be  the  analyte.  Such  a  situation  represents  the  ultimate  level  of  extraction  selectivity,  however,  which  is  very  rare  in  practice  for  complex  samples.  The  consequence  is  often  that  the  extract  has  to  be  subjected  to  chromatographic  separation  with  selective  detection.  

The  way  that  the  %  fraction  extracted  depends  on  the  distribution  ratio  !!  is  fundamental  and  experimentally  highly  important.  The  dependence  can  be  calculated  from  the  equation  above  for  %f!,  which  is  graphically  illustrated  in  the  following  Diagram  for  the  case  of  “equal  phase  volumes”,  Vorg  =  Vaq  ;  r  =  1.  

Diagram  The  dependence  of  the  percentage  fraction  extracted    on  the  distribution  ratio  at  equal  phase  volumes.

 

0

20

40

60

80

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

Distribution ratio (DA)

% F

ract

ion

extr

acte

d

Page 11: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

11  

 

The  consequences  of  the  asymptotic  nature  of  the  equation  are  clear  in  the  diagram.  It  means  that  complete  extraction  defined  as  exactly  100%  fraction  extracted  is  impossible  (there  will  always  be  some  molecules  left  in  the  aqueous  phase).  Likewise,  negligible  extraction  in  terms  of  exactly  0%  fraction  extracted  is  also  impossible.    

The  highly  important  Diagram  shows  that  at  DA  =  1,  where  the  %  fraction  extracted  is  50  %,  the  steepness  of  the  curve  is  high.  This  means  the  %  fraction  extracted  is  very  sensitive  to  the  value  of  the  distribution  ratio.  Therefore,  even  minor  variations  in  DA  can  lead  to  large  deviations  in  the  %  fraction  extracted.  This  potentially  results  in  a  non-­‐robust  extraction  method.  Instead,  robust  conditions  should  be  sought  for.  Clearly,  they  exist  at  high  distribution  ratios  where  the  gradient  of  the  function  starts  to  decrease,  for  example  at  !! ≥ 10  where  the  %  fraction  extracted  is  ≥  90%.  

Of  course,  if  a  complete  extraction  is  wanted,  such  as  for  a  quantitative  determination  of  an  analyte  originally  present  in  the  aqueous  phase,  or,  in  a  preparative  extraction  when  a  high  yield  is  wanted,  the  distribution  ratio  should  be  chosen  to  give,  for  example  (please  note:  it  is  Your  choice!)  

%f! ≥ 90%,  if  a  10%  loss  can  be  accepted,  

%f! ≥ 95%,  if  a  5%  loss  can  be  accepted,  and  

%f! ≥ 99%,  if  a  1%  loss  can  be  accepted.  

In  quantitative  determinations  these  values  represent  accuracies,  in  terms  of  percentage  relative  errors,  of  -­‐10%,  -­‐5%,  and  -­‐1%,  respectively.    

It  is  up  to  you  as  the  analyst  to  decide  what  level  of  accuracy  that  is  required  for  a  certain  quantitative  determination.  

Therefore,  the  definition  of  “complete”  and  “negligible”  will  need  to  be  arbitrary  depending  on  the  requirements  in  the  actual  case  and  for  what  purpose  the  results  are  going  to  be  used.  Generally,  however,  there  is  hardly  any  reason  to  strive  for  more  than  99%  fraction  extracted  since  already  the  random  experimental  relative  errors  are  higher  than  this.  Instead,  95%  should  suffice  in  most  cases.  Again:  it  is  your  choice!  

Anyway,  in  general  discussions  it  may  be  suitable  to  define    

In  cases  where  only  rather  low  distribution  ratios  can  be  obtained  (primarily  due  to  limitations  in  increasing  !!  enough  much)  the  possibility  to  use  high  phase  volume  ratios  Vorg/Vaq  can  be  

complete  extraction     as  when   %!! ≥ 99%  

negligible  extraction     as  when   %!! ≤ 1%  

Page 12: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

12  

used.  For  example,  if  only  DA  =  10  can  be  obtained  for  a  certain  compound,  then  only  91%  will  be  extracted  using  equal  phase  volumes.  But  if  the  phase  volume  ratio  Vorg/Vaq  is  increased  to  10,  then  99%  will  be  extracted.  However,  using  very  high  phase  ratios  will  be  experimentally  rather  impractical.  The  upper  limit  may  be  at  about  Vorg/Vaq  =  100.  

When  equal  phase  volumes,  Vorg  =  Vaq,  are  used  the  requirements  on  the  distribution  ratio  to  give  complete  and  negligible  extraction,  respectively,  are:        

These  numbers  may  be  useful  to  remember.  

 

Batch  extraction    

(Swe.  satsvis  extraction)  (Alternative  terms:  static  extraction,  equilibrium  extraction)  

Batch  extraction  means  that  one  portion  (volume)  of  the  aqueous  phase  is  homogenised  (mixed)  with  one  portion  of  the  organic  phase.  This  makes  one  batch.  The  extraction  will  eventually  come  to  equilibrium  after  enough  time  and  intensity  of  homogenisation.  Then  the  extraction  is  finished.  The  equilibration  time  depends  on  the  efficiency  of  the  convection  during  the  homogenisation  and  on  the  rate  of  the  extraction  equilibrium  (kinetics).  

The  alternative  terms  static  extraction  and  equilibrium  extraction  mean  that  the  extraction  has  come  to  equilibrium  so  that  there  will  be  no  further  changes  of  the  analyte  concentration  in  the  aqueous  and  organic  phases.  The  extraction  has  then  reached  static  conditions.    

Single  batch  extraction  

This  was  treated  above  under  Fraction  extracted.  

Repeated  batch  extraction  

Exercise  1  1.  What  level  of  distribution  ratio  must  be  exceeded  if  quantitative  extraction  would  be  obtained  using  equal  phase  volumes?  2.  What  is  the  maximum  distribution  ratio  allowed  when  an  analyte  shall  be  negligibly  extracted  using  equal  phase  volumes.    3.  In  a  single  extraction  experiments  using  equal  phase  volumes  it  was  noted  that  the  %extraction  yield  (%fraction  extracted)  was  only  25%.  What  conditions  can  be  used  to  obtain  99%  without  changing  the  composition  of  the  aqueous  and  organic  phases.  

 

complete  extraction    (%fE    ≥  99  %)            requires     !! ≥ 100    

negligible  extraction    (%fE    ≥  1  %)              requires     !! ≤ 0,01    

Page 13: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

13  

(Alternative  terms:  repeated  static  extraction,  repeated  equilibrium  extraction)    

What  is  the  fraction  extracted?  Continued  from  above.  Notes:  3.  If  the  aqueous  phase  is  extracted  with  successive  portions  of  solvent,  the  phase  volume  ratio  (solvent/feed)  being  r  each  time,  the  fraction  extracted  is  given  by:  /See  equation  below  in  this  compendium/.  Source:  Nomenclature  for  liquid-­‐liquid  distribution  (solvent  extraction),  IUPAC  Recommendations  1993,  page  2384.  

 When  the  distribution  ratio  is  so  low  that  a  complete  extraction  cannot  be  obtained  in  a  single  extraction  it  is  possible  to  increase  the  fraction  extracted  by  repeated  extractions.  This  means  that  the  remaining  fraction  in  the  aqueous  phase  will  be  subject  to  another  extraction  by  adding  fresh  solvent  of  the  same  volume  as  in  the  first  extraction.  Before  this,  the  first  extract  has  to  be  separated  from  the  aqueous  phase  and  collected.  The  following  equation  can  be  used  to  calculate  the  percentage  fraction  remaining  of  analyte  in  the  aqueous  phase  after  n  extractions:  

%!!"#,!  =  100

1  +    !!  !!"#!!"

!  

When  the  percentage  remaining  reaches  1%  a  complete  extraction  has  been  obtained.  The  separated  organic  phases  will  then  be  united  to  collect  the  99%  extracted.  For  practical  reasons  the  upper  limit  of  the  number  of  extractions  may  be  at  n  =  3  –  4.  

Alternatively,  a  direct  calculation  of  the  percentage  fraction  extracted  can  be  made  by  the  following  equation:  

%!! = 100 1−   1  +  !!!!"#!!"  !!

 

   

Continuous  extraction    

(Alternative  terms:  dynamic  extraction,  non-­‐equilibrium  extraction)  

Since  repeated  batch  extraction  can  become  unpractical  when  the  distribution  ratio  is  very  small  (requiring  a  high  number  of  batch  extractions)  a  more  efficient  way  is  to  use  continuous  extraction.  It  can  be  regarded  as  integrated  repeated  batch  extraction  using  a  high  value  of  n.  Continuous  extraction  fits  best  for  solid  samples,  hence  in  solid-­‐liquid  extraction  (meaning  that  

Exercise  2  What  will  the  percentage  extracted  to  the  organic  phase,  %fE,n,org  ,  be  if    1)  the  distribution  ratio  was  DA  =  1,  the  phase  volumes  were  equal,  and  the  number  of  extractions  were  n=1,  n=2,  and  n=4,  respectively?    2)  the  distribution  ratio  was  DA  =  3,  everything  else  the  same.  

Page 14: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

14  

a  solid  is  extracted  by  a  liquid).  One  way  to  perform  it  is  that  fresh  extraction  solvent  be  supplied  continuously  to  the  sample.  Then  the  technique  is  known  as  continuous  flow  extraction.  There  is  a  plentiful  of  techniques  that  have  been  designed  to  perform  continuous  extraction.  Perhaps  the  simplest  is  column  extraction.  The  ground  solid  sample  is  filled  in  a  glass  tube  and  the  extraction  solvent  is  let  flow  through  the  bed  by  gravity.  A  similar  everyday  example  is  the  extraction  of  caffeine  when  preparing  brewed  coffee  on  a  filter  paper.  In  this  case  the  extraction  solvent  is  boiling  water.  Another  possibility  occurs  if  the  solvent  can  be  evaporated.  Then,  after  one  extraction,  it  can  be  distilled,  condensed  and  passed  again  to  the  extraction  flask,  and  so  on  over  and  over  again.  Many  different  apparatuses  have  been  designed  for  this  purpose,  for  example  the  Soxleth  apparatus.    

For  complex  solid  samples  it  is  very  difficult,  nearly  impossible,  to  calculate  the  number  of  batch  extractions  needed  for  complete  extraction.  The  reason  is  that  solid  phases  do  not  follow,  other  than  perhaps  qualitatively,  a  behaviour  corresponding  to  that  of  aqueous  solutions  in  liquid-­‐liquid  extraction.  It  is  usually  impossible  to  determine,  in  advance  and  separately,  a  quantity  that  corresponds  to  the  distribution  ratio  as  applied  in  LLE.  Therefore  it  is  impossible  to  predict  the  fraction  extracted.  In  such  cases,  repeated  batch  extraction  is  at  risk  of  giving  only  partial  extraction.  The  chances  are  better  by  continuous  extraction.    

However,  it  is  impossible  to  predict  how  far  the  continuous  extraction  needs  to  be  driven  in  order  to  reach  complete  extraction1.  Hence,  empirical  knowledge  is  needed  to  guide  in  the  work.    If  well  performed  complete  extraction  may  yet  be  obtained.  Then  the  extraction  needs  to  go  on  until  nearly  no  more  analyte  remains  in  the  sample.  It  is  obvious  that  extraction  can  only  be  obtained  for  the  part  of  the  analyte  that  really  is  extractable.  This  may  not  be  so  in  solid  samples  when  some  unknown  fraction  can  be  buried  in  the  deeper  structure  of  the  solid  material  so  as  to  be  practically  non-­‐extractable  due  to  too  strong  binding  to,  or  too  low  mass  transport  rate  within  the  solid.  Sometimes  therefore  a  distinction  is  made  between  the  extractable  and  the  non-­‐extractable  fraction  of  the  total  amount  of  analyte  in  the  solid  sample.  Since  the  non-­‐extractable  fraction  is  usually  unknown  any  assessment  of  the  completeness  of  the  extraction  only  refers  to  the  extractable  fraction.  

Extraction  techniques  and  applications  

Techniques  

                                                                                                                         

1  Sometimes  the  term  ”exhaustive  extraction”  is  used  (swe.  uttömmande).  It  means  that  the  fraction  extracted  has  been  increased  so  much,  either  by  repeated  batch  extraction  or  continuous  extraction,  so  that  complete  extraction  should  have  been  reached.    

 Liquid-­‐liquid  extraction  (LLE)    Solid  phase  extraction  (SPE)    Liquid-­‐solid  extraction  (LSE)    Solid-­‐liquid  extraction  (SLE)  Supercritical  fluid  extraction  (SFE)  

 Solid-­‐phase  microextraction  (SPME)    Liquid-­‐phase  microextraction  (LPME)  Supported  liquid  membrane  extraction  (SLME)  Hollow  fibre  liquid  phase  

 Pressurised  liquid  extraction  (PLE)  Pressurized  fluid  extraction  (PFE)  Membrane  extraction  (ME)  Electromembrane  extraction  (EME)  

Page 15: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

15  

To  perform  extractions  many  different  extraction  techniques  are  available.  The  list  below    

covers  many  of  them,  the  most  established  as  well  as  newer  ones.  Many  of  these  are  described  in  regular  textbooks.  It  should  be  noted  that  in  some  cases  the  sample  may  be  a  liquid  but  the  extractant  a  solid,  such  as  in  liquid-­‐solid  extraction  and  porous  membrane  extraction.  No  matter,  the  basic  concepts  of  solvent  extraction  described  above  are  applicable,  for  example  regarding  the  fraction  extracted.    

Applications  

Octanol/water  distribution  constants,  KD,o/w  For  several  decades  researchers  have  collected  experimental  data  for  the  distribution  constants  of  a  large  number  of  organic  compounds  in  the  phase  system  1-­‐octanol/water.  The  idea  has  been  that  the  lipophilic  1-­‐octanol  solvent  would  have  a  similarity  to  the  biological  membranes  and  tissues  that  foreign  compounds  have  to  pass  in  order  to  enter  into  an  animal  or  human  body.  If  therefore  a  foreign  compound  has  a  high  KD  in  1-­‐octanol/water,  symbolized  by  KD,oct,  or  KD,o/w,  it  is  thought  that  the  compound  therefore  can  enter  into  an  animal  or  human  body.  The  data  are  usually  presented  in  logarithmic  form,  for  example  as  log  KD,oct  or  log  KD,o/w.    

In  the  literature  the  logarithmic  octanol/water  distribution  constants  are  commonly  presented  as  “log  P”  values.  This  goes  back  to  a  publication  by  Leo,  Hansch,  and  Elkins  in  1971.  The  P  comes  from  “partition  coefficient”  which  is  an  alternate  term  for  distribution  constant  and  which  has  been  frequently  used  in  the  past,  and  still  is.  However,  KD  represents  a  more  strict  terminology  and  will  be  used  in  this  text.    

One  area  where  log  KD,o/w  data  have  been  used  is  in  environmental  science  where  it  is  necessary  to  try  to  predict  how  well  lipophilic  compounds  can  penetrate  into  the  environment,  especially  various  potentially  toxic  lipophilic  compounds.  

Another  area  is  in  pharmacology  and  medicinal  chemistry  where  log  KD,o/w  data  are  used  to  estimate  the  lipophilicity  of  compounds  intended  for  use  as  drugs.  A  high  value  is  thought  to  be  proportional  to  the  tendency  to  reach  the  intended  target  in  the  body,  how  strong  the  effect  of  the  drug  will  be,  and  how  long  it  will  remain  in  the  body  in  the  active  form.  However,  many  biologically  active  compounds  are  ionized  (due  to  acid-­‐base  equilibrium  in  water)  in  the  body  fluids  and  then  the  log  Do/w  data  may  be  more  relevant.  For  this  it  is  necessary  of  course  to  know  the  pKa  value  of  the  compound  and  the  pH  in  the  body  fluid.  Determination  of  log  KD,o/w  is  one  of  the  standard  measurements  that  authorities  require  for  any  new  drug  substance.  Obviously,  the  animal  body  is  so  complex  that  only  a  log  KD,o/w  is  not  enough  to  describe  its  biological  availability.  For  this  reason  distribution  data  for  transport  across  certain  standard  biological  membranes  are  also  demanded.  

  microextraction  (HFLPME)    

Page 16: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

16  

Much  work  has  been  done  to  correlate  the  log  KD,o/w  data  to  the  physiological  effect  of  the  substance.  In  fact,  this  has  been  the  driving  force  behind  the  development  of  the  octanol/water  distribution  constant  data.  The  correlation  work  goes  under  the  term  Quantitative  Structure-­‐Activity  Relationship  (QSAR),  or  more  generally  Quantitative  Structure-­‐Property  Relationship  (QSPR).  Therefore  there  was  a  great  need  for  log  KD,o/w    data  and  to  satisfy  this  need  a  lot  of  interest  has  been  put  into  prediction  of  log  KD,o/w  data  so  that  the  experimental  work  can  be  limited  or  that  data  can  be  predicted  for  substances  that  perhaps  have  not  yet  been  synthesized.  This  knowledge  has  been  put  into  computer  software  which  can  predict  the  log  KD,o/w    for  any  wanted  structure.  

Solid  phase  extraction  (SPE)  (Swe.  fastfasextraktion)  

Solid  phase  extraction  is  one  of  the  most  common  techniques  to  purify,  isolate  and  pre-­‐concentrate  substances  that  are  present  in  aqueous  samples  before  they  are  subjected  to  chromatographic  separation.  Very  short  extraction  columns  packed  with  relatively  large-­‐diameter  (>  37  μm)  particles  (solid  phase)  that  give  a  low  flow  resistance  are  utilized.  This  means  that  a  liquid  flow  can  be  driven  by  gravity,  or  by  a  small  pressure  differential  obtained  by  suction  using  a  vacuum  line.  It  is  the  solid  phase  that  is  the  extractant  in  this  case,  hence  a  liquid-­‐solid  extraction.  The  process  is  of  fundamental  interest  since  it  has  other  applications.  The  main  result  is  a  concentrating  effect,  of  analytes  at  the  top  of  analytical  columns  and  the  use  of  this  phenomenon  for  application  of  large  samples  volumes  on  the  columns.  In  this  context,  large  sample  volumes  refer  to  volumes  much  larger  than  the  column  itself.  Before  going  into  the  details  it  is  necessary  to  derive  some  important  governing  relationships.  

Derivation  of  the  starting  zone  volume  of  the  analyte  The  following  Figure  illustration  explains  in  chromatographic  terms  what  is  going  on  during  the  introduction  of  a  sample  of  volume  !!  into  an  LC  column  if  the  sample  solvent  is  of  lower  elution  strength  than  the  regular  eluent  (the  column  mobile  phase).  During  the  sample  loading,  once  inside  the  column,  the  sample  solvent  itself  acts  as  the  mobile  phase  causing  the  analyte  to  obtain  a  certain  retention  factor  !!.  The  sample  solvent  is  chosen  so  that  it  gives  a  much  higher  retention  factor  than  the  regular  eluent.  

1   2   3  

Eluent  

Page 17: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

17  

Figure.  Illustration  of  the  concentrating  effect.    In  1.  a  sample  of  volume  !0,  containing  an  analyte  dissolved  in  the  sample  solvent,  is  to  be  introduced  into  the  column.  The  sample  volume  corresponds  to  a  zone  width  of  !0.  2.  After,  in  this  case,  ~  25%  of  the  sample  volume  remains  to  be  introduced  into  the  column  the  analyte  has  started  to  become  concentrated  (enriched)  at  the  top  of  the  column  since  it  migrates  under  conditions  of  high  retention,  hence  at  low  transport  velocity,  !!.  This  is  much  lower  than  the  eluent  (mobile  phase)  velocity  itself,  !.  Within  the  column,  therefore,  the  analyte  occupies  only  a  short  distance,  the  enriched  zone.  In  3.  the  !!"#$"  is  the  volume  of  sample  solvent  that  the  analyte  is  dissolved  in  after  complete  enrichment,  right  before  the  start  of  the  elution.  Note  the  slightly  increased  width  of  the  enriched  zone.  

For  the  situation  illustrated  in  the  Figure,  the  expressions  below  can  be  obtained.  

Definitions  !!  =  retention  factor  of  the  analyte  during  sample  application,  hence  when  the  acting  mobile  phase  is  the  sample  solvent  itself,  

!!  =  sample  solution  volume,  

!!  =  sample  solution  zone  width  in  length  units,  

!!"#$"  =  analyte  zone  width  in  volume  units  when  the  sample  has  been  completely  introduced  into  the  column,  i.e.  when  the  complete  sample  volume,  but  not  more,  has  been  loaded.  This  represents  the  starting  conditions  before  the  following  elution  by  the  eluent,  hence  the  analyte  starting  zone,  

!!  =  length  of  the  sample  solvent  zone  in  the  column  when  the  complete  sample  volume  has  been  applied;  this  is  the  distance  into  the  column  that  the  sample  solvent  has  been  introduced  in  order  to  apply  the  full  amount  of  analyte  on  the  column,  

!!!  =  length  of  the  analyte  starting  zone,  i.e.  the  distance  over  which  the  analyte  is  distributed  when  sample  application  is  finished,  

!  =  sample  application  time  (the  time  it  takes  to  introduce  the  sample  plug  completely,  but  not  more,  into  the  top  of  the  column).  

Derivation  The  above  means  that  when  a  sample  plug  is  being  introduced  into  the  column  the  analyte  retention  is  governed  by  the  composition  of  the  solvent  making  up  the  sample  solution.  In  other  words,  the  sample  solvent  itself  is  the  acting  mobile  phase.  If  this  solvent  causes  a  very  high  retention  factor,  the  analyte  will  migrate  slowly  into  the  column,  much  slower  than  the  sample  solvent  itself  is  transported.  Therefore  the  analyte  will  be  transported  into  the  column  a  much  shorter  distance  than  the  solvent.  The  analyte  migration  velocity  and  the  distance  migrated  is  ruled  by  the  standard  chromatographic  relationships.  The  result  is  that  the  analyte  becomes  distributed  over  a  much  shorter  distance  than  the  sample  solvent.  Comparing  with  the  original  sample  volume  the  analyte  has  become  concentrated  into  a  much  smaller  volume.  

Page 18: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

18  

This  represents  an  in  increase  in  its  concentration.  This  is  the  concentrating  effect,  hence  enrichment.      

Please  consider  that  

!!!  ∝  !!"#$"  

!!  ∝  !!  

!!  =  !!!

!   analyte  linear  velocity  (distance/time)  

! = !!

!   eluent/mobile  phase  linear  velocity  

!!!  =  

!!!

!′  

but  also  that  

!!!= !

!!!!              ⇒            !

!!

!!=   !

!!!!  

and  therefore        

 

 

 

and  

 

The  final  two  equations  show,  in  a  nutshell,  and  quantitatively,  how  the  concentrating  effect  can  be  regulated.  The  key  is  the  analyte  retention  factor  that  is  operating  during  the  introduction  of  the  sample  plug  into  the  column.  The  situation  is  simple  and  clear.    

To  obtain  a  low  value  for  !!"#$"  a  large  value  for  the  retention  factor  has  to  be  chosen.  The  volume  ratio  !!"#$"/!!  expresses  the  relative  volume  reduction  of  the  analyte-­‐containing  solution  after  it  has  been  applied  on  the  column.  This  ratio  is  the  inverse  of  the  relative  increase  in  analyte  concentration,  i.e.  the  enrichment  factor  !! !!"#$".  The  higher  retention  factor  chosen  for  the  sample  loading,  the  smaller  becomes  the  analyte  starting  zone  width/volume,  and  the  higher  becomes  the  enrichment  factor.    

!!"#$"  =    !!

1     +    !!  

 

   !!"#$"!!

= !!  !  !!

 

Page 19: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

19  

How  to  use  the  concentrating  effect  The  width  of  the  analyte  starting  zone  is  controlled  by  the  factor  1+  k.  The  retention  factor  is  as  usual  governed  by  the  choice  of  stationary  phase  (the  sorbent)  in  the  column  and  by  the  mobile  phase,  in  this  case  the  solvent  in  the  sample  plug.    

The  reason  for  the  concentrating  effect  is  that  the  analyte  migrates  very  slowly  into  the  column  so  that  it  occupies  only  a  very  short  distance  in  the  early  part.  This  means  that  the  original  analyte  zone  volume  and  width  becomes  contracted  into  a  much  smaller  volume  and  width,  a  sample  volume  contraction.  This  is  obtained  simply  if  the  chosen  conditions  give  a  very  high  retention  factor  since  the  solvent  in  the  sample  works  as  the  mobile  phase  during  sample  application.    

Useful  enrichment  can  only  occur  if  the  analyte  is  very  strongly  retained  during  sample  application,  perhaps  having  at  least  k  >  100.    During  the  following  elution  with  k  ≈  0  ,  as  in  solid  phase  extraction,  the  analytes  are  released  from  the  stationary  phase  and  eluted  in  a  much  smaller  volume  than  the  original  sample  volume.    

Even  in  standard  analytical  chromatography,  where  the  analyte  is  dissolved  in  the  same  solvent  that  makes  up  the  eluent  (mobile  phase),  this  concentrating  effect  is  significant  even  if  ! = !.  Then  the  analyte  concentration  increases  by  a  factor  of  6  after  application  to  the  column  top.  Similarly,  the  analyte  starting  zone  width/volume  is  6  times  smaller  than  in  the  injected  sample.  This  helps  significantly  to  keep  down  the  total  zone  broadening,  especially  considering  that  ideal  chromatography  assumes  that  the  width  of  the  starting  zone  is  negligible  compared  to  the  regular  zone  broadening  occurring  during  the  analyte  migration  through  the  remainder  of  the  column.  Except  this,  the  concentrating  effect  can  be  utilized  for  the  following  purposes.    

A.  Application  of  large  sample  volumes,  relative  to  the  column  volume  (even  of  equal  size  or  more  as  the  column  volume),  on  regular  chromatography  columns.  This  intends  to  eliminate  the  contribution  of  the  otherwise  too  wide  analyte  starting  zone  that  would  have  caused  deterioration  of  the  separation  efficiency.  For  example,  if  a  sample  solution  is  1  ml  and  the  analyte  mass  is  enough  for  detection  after  the  column,  a  standard  150  x  4,5  mm  HPLC  column  can  be  used  if  the  sample  solvent  is  chosen  so  that  it  gives  a  very  high  retention  factor,  hence  a  “weak”  solvent.  A  typical  case  is  a  reversed-­‐phase  HPLC  column  eluted  with  a  methanol  –  water  (1  +  1)  eluent.  If  the  sample  is  dissolved  in  pure  water  a  strong  concentrating  effect  will  be  obtained.  

B.  Enrichment  of  the  analyte  concentration  for  trace  analysis  directly  on  the  separation  column  or  a  pre-­‐column  (sample  volume  >>  column  volume).  Enrichment  is  necessary  if  the  analyte  concentration  in  the  sample  is  much  below  the  detection  limit.  To  reach  an  analyte  mass  above  the  detection  limit  it  will  be  necessary  to  use  a  huge  sample  volume  and  have  its  analyte  concentrated  on  the  top  of  the  column.    There  are  example  when  1000  ml  sample  volumes  have  been  concentrated  on  standard  sized  HPLC  columns.  

Page 20: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

20  

C.  Solid  phase  extraction.  Now,  back  to  the  subject  of  solid  phase  extraction.  In  principle  the  method  contains  the  following  two  extraction  steps  (phase  transfers)  of  the  analytes  that  are  present  in  the  original  water-­‐based  sample  (the  liquid):  

1. Liquid  -­‐    solid  extraction  

2. Solid    -­‐    liquid  extraction  

In  the  liquid-­‐solid  extraction  step  the  process  is  equal  to  that  described  in  the  Figure  above  and  the  aim  is  to  concentrate  the  analyte  in  the  short  extraction  column.  This  requires  strong  retention  obtained  by  proper  choice  of  the  solvent  in  the  sample.  To  have  an  idea  of  the  level  of  the  retention  factor  during  sample  introduction  makes  the  choice  of  conditions  more  logical  than  just  guessing.  

In  more  detail  these  steps  involve:    

1. An  extraction  of  the  analyte  from  the  aqueous  sample  onto  the  solid  phase,  hence  an  adsorption  (sorption)  from  the  aqueous  phase  onto  the  solid  phase.  

2. The  next  step  is  to  elute  the  analyte  from  the  solid  phase  by  using  a  suitable  solvent,  hence  a  desorption  from  the  solid  phase  into  the  solvent.  

The  analyte  recovered  in  step  2.  can  next  be  injected  onto  an  analytical  separation  column,  separated,  detected  and  quantified.  There  are  many  other  steps  and  precautions  that  need  to  be  included  such  as  

1. Wetting  and  conditioning  of  the  extraction  column  

2. Sample  application  to  the  extraction  column  (=  1.  above)  

3. Washing  of  the  extraction  column  

4. Elution  of  the  analyte  from  the  extraction  column  (recovery  of  the  analyte)  (=  2.  above)  

1.  In  the  first  step  the  SPE-­‐column  is  wetted  by  a  solvent  with  good  wetting  properties.  Next  the  column  is  conditioned  with  a  solvent  of  equal  elution  strength  as  the  aqueous  sample  solvent.  2.  In  the  second  step  the  sample  is  applied  onto  the  column  packing  so  that  the  analytes  are  very  well  retained  on  it.  This  requires  that  the  solvent  in  the  sample  is  a  very  “weak”  solvent  in  terms  of  elution  strength  so  that  the  retention  factors  of  the  analytes  become  very  high.  During  the  sample  application  the  sample  solvent  itself  will  function  as  the  mobile  phase.  The  combination  of  the  stationary  phase  in  the  extraction  column  with  the  “mobile  phase”  in  the  sample  solution  should  be  chosen  so  that  k  >>  1  for  the  analytes.  3.  After  sample  application  the  column  is  washed  with  a  solvent  of  equal  elution  strength  as  the  sample  solvent  to  remove  substances  that  are  unretained  (! = 0)  in  order  to  minimize  their  presence  in  the  final  analyte  fraction.  4.  In  the  final  step  the  analyte  is  eluted  in  a  small  volume  with  a  “strong”  mobile  phase  solvent,  and  either  injected  directly  onto  the  analytical  column  for  analyte  separation  or  collected  for  further  treatment.  For  the  technique  to  work  properly,  the  analytes  must  be  very  strongly  retained  during  step  2.  and  very  weakly  retained  (easily  eluted)  during  step  4.    

Page 21: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

21  

The  lesson  to  learn  is  that  to  achieve  a  successful  SPE  you  must  know,  understand,  and  estimate  in  the  best  possible  way  what  the  retention  factors  are  in  steps  2.  and  4.  To  have  a  good  idea  of  these  is  the  key  to  develop  successful  conditions  for  SPE.  The  reason  is  that  both  steps  are  in  themselves  really  chromatographic  retention  processes.    

 Quantitative  treatment  of  liquid-­‐liquid  extraction  In  liquid-­‐liquid  extraction  an  analyte  is  distributed  between  two  immiscible  liquids  as  described  by  the  distribution  equilibrium  or  extraction  equilibrium.  To  obtain  the  two-­‐phase  system  the  two  liquids  need  to  have  very  different  character  in  terms  of  hydrophilicity  or  lipophilicity.  For  example  one  of  them  may  have  a  very  low  hydrophilicity  so  that  it  has  a  very  low  or  limited  solubility  in  water.  Organic  solvents  such  as  hexane,  dichloromethane,  di-­‐ethyl  ether,  and  higher  alcohols  like  octanol  are  good  examples  of  this.  The  other  can  have  a  low  lipophilicity  (or  high  hydrophilicity)  such  as  lower  alcohols  and  water.  The  differences  in  character  depend  on  the  nature  of  the  functional  groups  in  the  solvents.  High  polarity  groups  contribute  to  high  hydrophilicity  whereas  low  polarity  or  zero  polarity  groups  contribute  to  low  hydrophilicity.  Simply,  it  can  be  understood  that  the  two-­‐phase  system  will  occur  because  of  the  relative  insolubility  of  the  phases  in  each  other.    

The  typical  example  of  a  liquid-­‐liquid  phase  system  is  the  combination  of  water  with  for  example  one  of  the  organic  solvents  mentioned  above  so  that  one  phase  is  rich,  or  even  nearly  pure,  in  water,  hence  the  aqueous  phase  (aq),  and  the  other  is  rich  in  organic  solvent,  hence  the  organic  phase  (org).  These  systems  are  often  called  aqueous/organic  liquid  extraction.  

To  use  the  LLE  systems  for  extraction  into  the  organic  phase,  and  obtain  a  suitable  %  fraction  extracted,  it  is  necessary  to  understand  and  express  quantitatively  how  an  analyte  will  be  distributed  between  the  two  phases.  The  first  criterion  to  fulfil  is  of  course  that  the  analyte  has  enough  solubility  in  the  organic  phase.  The  other  is  that  the  analyte  prefers  to  go  to  the  organic  phase  rather  than  to  the  aqueous  phase.  Otherwise  it  will  be  difficult  to  obtain  all  of  the  analyte  in  the  organic  phase  (the  extract).  This  has  to  do  with  the  relative  magnitude  of  intermolecular  interactions  between  the  analyte  molecules  and  the  solvent  molecules  in  the  respective  phases.  

The  following  systematic  presentation  is  relevant  for  low  molar  mass  solutes,  such  as  most  organic  compounds,  but  usually  not  for  high  molar  mass  solutes  such  as  proteins,  starch,  cellulose  and  more.  

A  neutral  nonprotic  analyte  

Distribution  constant  

Consider  a  non-­‐charged  analyte,  A,  that  initially  is  dissolved  in  one  of  the  phases  in  an  aqueous/organic  two-­‐phase  system.  After  dissolution,  for  example  in  the  aqueous  phase,  and  next  adding  the  organic  phase,  the  mixture  will  be  equilibrated  by  thorough  mixing  (shaking;  

Page 22: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

22  

convection).    If  the  analyte  can  be  transferred  (extracted,  distributed,  partitioned)  partly  to  the  organic  phase  and  equilibrium  has  been  reached  (it  is  a  regular  dynamic  equilibrium  process)  it  is  possible  to  define  an  equilibrium  reaction  (or  in  this  case  a  distribution  equilibrium,  see  more  below)  as  

!!"      ⇋  !!"#           equilibrium  reaction  (distribution  equilibrium)  

for  which  the  equilibrium  constant  (in  this  case  the  distribution  constant,  see  more  below)  will  be  given  by    

  equilibrium  constant  (distribution  constant)  

Here  the  symbol  [A]  denotes  the  concentration  of  species  A,  meaning  only  this  single  molecular  form  of  the  substance,  that  is,  only  this  single  species.    

WHAT  IS  A  SPECIES?  (n.  plural  species).  A  defined  individual  molecular  chemical  entity.  

Since  the  equilibrium  involves  two  different  phases  it  is  sometimes  called  a  two-­‐phase  equilibrium.  The  subscripts  “org”  and  “aq”  refer  to  the  two  liquid  phases.  In  older  literature  the  distribution  equilibrium  is  known  as  Nernst´s  distribution  law.  For  a  very  long  time  the  distribution  constant  has  been  known  also  under  the  name  “partition  coefficient”  despite  the  fact  that  it  is  an  equilibrium  constant.  The  partition  coefficient  is  still  frequently  used  and  whenever  you  see  it  you  can  interpret  it  as  being  identical  to  the  distribution  constant.  However,  in  the  present  text  the  term  distribution  constant  will  be  used  consistently.  No  matter  what,  it  is  always  important  to  clearly  define  any  term  and  symbol  used,  otherwise  it  has  no  logical  meaning.    

What  determines  the  value  of  the  distribution  constant,  KD?    The  distribution  constant  would  depend  on  the  relative  size  of  the  intermolecular  forces    between  the  analyte  molecules  (solutes)  and  the  solvent  molecules  in  each  phase.  These  depends  on  both  physical  and  chemical  intermolecular  interactions.  Obviously,  the  most  important  parameter  is  the  molecular  structure  of  the  analyte.  The  intermolecular  interactions  of  a  solute  in  a  given  solvent  would  likely  be  reflected  in  the  solubility  of  the  analyte  in  that  solvent.  Therefore  the  rule  of  “like-­‐dissolves-­‐like”  is  very  helpful  in  predicting  the  trends  in  distribution  constants  that  can  occur  due  to  the  changes  of  functional  groups.  For  example,  if  one  analyte  is  exchanged  for  another,  or  if  the  solvent  in  the  organic  phase  is  changed,  the  distribution  constant  would  change  in  some  direction  (but  which?).  For  example,  an  increase  of  the  solubility  in  the  organic  phase  would  be  expected  to  contribute  to  an  increase  of  the  distribution  constant.  It  is  helpful  to  discuss  the  properties  of  solutes  and  solvents  in  terms  of  their  hydrophilicity,  hydrophobicity,  and  lipophilicity.  

To  understand  the  relationship  between  molecular  structure  and  the  strengths  of  intermolecular  forces  it  is  a  good  idea  to  once  again  consider  your  text  books  in  General/Fundamental  chemistry/Physical  chemistry  on  this  matter.  The  following  well-­‐known  

aq

orgAD A

AK

][][

)( =

Page 23: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

23  

kinds  of  intermolecular  forces  play  a  very  important  role  in  liquid-­‐liquid  distribution.  They  are  listed  by  decreasing  order  of  strength:  

 

The  last  kind,  4.,  is  rather  non-­‐selective,  since  it  exists  between  any  pair  of  organic  solutes,  but  still  is  important  because  it  may  explain  that  the  KD(A)  increases  with  increasing  carbon  chain  length  in  the  analyte.  The  interaction  types  1.  –  3.  are  more  selective  to  molecular  structure  since  they  depend  on  the  presence  of  certain  functional  groups,  namely  the  polar  groups  that  contain  polar  bonds.  Hence,  it  is  important  to  understand  the  character  of  functional  groups  in  a  solute  and  a  solvent  and  how  the  solute  and  solvent  can  interact  with  each  other.  

Hydrogen  bonding  is  the  most  important.  The  strength  of  the  hydrogen  bond  increases  with  the  proton  donating  (protogenic)  property  in  the  following  order  for  some  selected  compounds:    

CHCl3  <  alcohols  <  phenols  <  thiophenols.  

It  also  increases  with  the  proton-­‐accepting  (protophilic)  property  of  the  counter-­‐part  in  the  order:  

sulphides  <  unsaturated  hydrocarbons  <  nitriles  <  neutral  oxygen  compounds  <  amines.  

Some  simple  rules-­‐of-­‐thumb  can  be  stated  regarding  the  choice  of  extraction  solvent:  

Hydrogen  accepting  solvents  (protophilic):  ethers,  esters,  ketones,  water.    Used  when  in  need  to  increase  DA  of  hydrogen  donating  solutes:  carboxylic  acids.  

Hydrogen  donating  solvents  (protogenic,  protic):  chloroform,  dichloromethane,  water.  Used  when  in  need  to  increase  the  DA  of  hydrogen-­‐accepting  solutes:  amines.    

 Amphiprotic  solvents:  higher  alcohols  (butanol,  pentanol,  octanol,  water).  These  are  both  hydrogen  accepting  and  hydrogen  donating.  Can  be  used  as  such  or  as  modifiers  in  hydrocarbon  solvents.  

Hydrocarbon  solvents  (nonpolar,  aprotic,  non-­‐protogenic,  non-­‐protophilic  ):  heptane,  hexane,  decane.  

Protophilic  (solvent):  Capable  of  acting  as  proton  acceptor,  strongly  or  weakly  basic  (as  a  Brønsted  base  ).  Also  called  HBA  (hydrogen  bond  acceptor)  solvent.  See  also:  protogenic  solvent.  Source:  PAC,  1994,  66,  1077  (Glossary  of  terms  used  in  physical  organic  chemistry  (IUPAC  Recommendations  1994))  on  page  1153.  

1. Hydrogen  bonding  2. Dipole  –  dipole  3. Dipole  –  induced  dipole  4. Induced  dipole  –  induced  dipole  (other  terms:  dispersion  forces,  London  forces)  

Page 24: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

24  

Protogenic  (solvent):    Capable  of  acting  as  a  proton  donor  (strongly  or  weakly  acidic  as  a  Brønsted  acid).  The  term  is  preferred  to  the  synonym  protic  or  the  more  ambiguous  expression  acidic  by  itself.  Source:  PAC,  1983,  55,  1281  (Glossary  of  terms  used  in  physical  organic  chemistry)  on  page  1348.  

 

A  polar  bond  has  a  permanent  dipole  quantified  by  its  dipole  moment.  A  nonpolar  bond  is  a  covalent  bond  between  two  atoms  that  has  zero  dipole  moment.  A  polar  molecule  has  a  non-­‐zero  dipole  moment  caused  by  presence  of  one  or  more  polar  bonds.  A  nonpolar  molecule  has  zero  dipole  moment  due  to  the  presence  of  only  nonpolar  bonds.  However,  a  nonpolar  molecule  actually  can  contain  polar  bonds  if  these  are  symmetrically  distributed.  Carbon  dioxide  and  benzene  are  well-­‐known  examples.  Therefore  they  can  interact  with  other  molecules  by  the  interaction  types  1.,  2.,  and  3.  above,  even  if  the  molecules  as  a  whole  strictly  are  nonpolar.  Hence,  it  is  tempting  to  call  them  polar  molecules  but  this  is  not  correct.  It  is  therefore  better  to  reason  about  the  presence  of  polar  groups  in  a  molecule.  

The  term  polarity  is  commonly  used  to  characterise  solutes  and  solvents.  Strictly  it  should  reflect  only  the  dipole  moment  of  compounds  and  the  term  polarity  should  therefore  be  reserved  to  this,  only.  However,  almost  invariably,  people  talk  about  polarity  and  polarity  scales  in  completely  different  aspects  such  as  ordering  solubility  of  a  solute  in  different  organic  solvents,  ordering  the  solubility  of  different  solutes  in  a  specific  organic  solvent,  and  ordering  the  retention  times  of  different  solutes  in  liquid  chromatography.  The  following  citation  from  IUPAC  illustrates  the  situation:    

What  is  polarity?    When  applied  to  solvents,  this  rather  ill-­‐defined  term  covers  their  overall  solvation  capability  (solvation  power)  for  solutes  (i.e.  in  chemical  equilibria:  reactants  and  products;  in  reaction  rates:  reactants  and  activated  complex;  in  light  absorptions:  ions  or  molecules  in  the  ground  and  excited  state),  which  in  turn  depends  on  the  action  of  all  possible,  nonspecific  and  specific,  intermolecular  interactions  between  solute  ions  or  molecules  and  solvent  molecules,  excluding  such  interactions  leading  to  definite  chemical  alterations  of  the  ions  or  molecules  of  the  solute.  IUPAC  Compendium  of  Chemical  Terminology  1142  of  1622.  Source:  PAC,  1994,  66,  1077  (Glossary  of  terms  used  in  physical  organic  chemistry  (IUPAC  Recommendations  1994))  on  page  1151.  

 

Distribution  ratio  

There  are  numerous  situations  when  a  compound  can  exist  in  several  different  forms,  species,  in  a  solution.  Analytically,  therefore,  it  may  be  more  important  to  consider  the  distribution  (extraction)  of  all  substance  forms  (all  species  of  the  substance),  not  only  one  (such  as  for  example  the  species  A  above).  The  main  reason  is  that  most  quantitative  determination  methods  measure  all  forms  together,  since  different  species  cannot  be  distinguished.  

To  treat  this  situation  quantitatively  it  is  necessary  to  introduce  a  different  kind  of  concentration  expression,  the  total  concentration.  It  is  defined  as  the  sum  of  the  concentrations  of  all  present  species  and  is  symbolized  by  capital  C.  For  the  

Page 25: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

25  

substance/compound  A  (swe.  ämne)  its  total  concentration  is  symbolized  by  CA.  If  substance  A  exists  only  as  one  species,  A,  the  total  concentration  reduces  to      

!! =   !  

To  express  the  liquid-­‐liquid  distribution  of  compound  A,  assuming  for  the  moment  that  it  can  occur  also  as  other  species  in  each  of  the  phases  (for  example  as  dimer,  or  complexed  to  a  complexing  agent  if  in  the  organic  phase,  or  as  the  corresponding  base  of  an  acid),  it  is  necessary  to  define  the  distribution  ratio,  DA,  as  the  ratio  of  the  total  concentrations  of  A  in  the  two  phases,    

 

which  results  in  

 

Each  total  concentration  means  the  sum  of  the  concentrations  of  each  species  that  is  present.  In  this  case  compound  A  exists  only  as  one  single  species,  A,  which  means  that    

 and  

   and  then  

 

which  is  equal  to  the  above  distribution  constant  for  the  species  A,  KD(A).  Hence,  when  only  one  single  species  is  present,  the  distribution  ratio  will  equal  the  distribution  constant:  

 More  about  total  concentrations  

The  meaning  and  use  of  total  concentrations  will  be  further  clarified  if  a  case  is  chosen  in  which  the  non-­‐charged  compound  is  a  monoprotic  acid,  which  can  form  a  dimer  in  the  organic  phase  but  also  undergo  acid-­‐base  equilibrium  with  water  in  the  aqueous  phase.  This  can  occur  for  

DA =TotalconcentrationAorgTotalconcentrationAaq

DA =CA,org

CA,aq

CA,org = A[ ]org

CA,aq = A[ ]aq

DA =[A]org[A]aq

)(ADA KD =

Page 26: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

26  

certain  compounds  carrying  the  highly  polar  carboxyl  groups  when  dissolved  in  a  hydrophobic  solvent  like  toluene.  For  benzoic  acid,  HBa  ,  a  dimerization  equilibrium  can  be  written  as    

HBaorg  +  HBaorg  ⇌  (HBa)2,org  

Of  course,  benzoic  acid  can  undergo  acid-­‐base  equilibrium  with  water  in  the  aqueous  phase  and  then  the  distribution  ratio  for  benzoic  acid  will  be  obtained  as    

     

If  developed  further  it  will  be  found  that  the  distribution  ratio  for  HBa  will  be  a  function  of  both  the  distribution  constant,  KD(Ba),  the  dimerization  constant,  and  the  acidity  constant,  Ka(HBa).  The  dimerization  and  the  acid-­‐base  equilibrium  are  regarded  as  side-­‐reactions  or  side-­‐equilibria  (to  the  main  equilibrium,  which  is  the  two-­‐phase  distribution  equilibrium  for  HBa).  Side-­‐equilibria  can  occur  in  both  phases.    

As  an  illustration  of  the  meaning  of  the  total  concentration  it  is  interesting  to  consider  an  aqueous  solution  of  a  polyprotic  acid  such  as  EDTA.  EDTA,  H4A,  has  four  acidic  groups  and  hence  four  different  Ka  values,  one  for  each  carboxyl  group.  When  dissolved  in  water  all  four  carboxyl  groups  can  undergo  acid-­‐base  reaction  with  water  resulting  in  the  four  corresponding  conjugate  bases.  Then  the  total  concentration  of  the  substance/compound  EDTA  can  be  written  as  

!!!!,!" =   !!! !" + !!!! !" + !!!!! !" + !!!! !" + !!! !"  

A  neutral  weak  organic  acid  HX  When  an  organic  acid,  HX,  having  the  acidity  constant  Ka(HX),  has  been  added  to  the  pure  aqueous  phase,  realizing  that  only  its  neutral  acidic  form,  the  conjugate  acid,  can  be  distributed  to  the  organic  phase,  the  distribution  ratio  of  compound  HX  is  written  

 

which  is  based  on  the  acid-­‐base  equilibrium  between  HX  and  water:  

!!!"        +          !!!!"            ⇌            !!"!            +          !!!!"!  

Note  that  the  compound  HX  is  present  in  the  aqueous  phase  in  two  forms,  the  two  species  HX  and  X-­‐,  provided  that  noticeable  acid-­‐base  reaction  has  occurred.  Note  also  that  in  the  organic  phase  only  the  neutral  conjugate  acid  species  is  present.  This  is  because  the  ionic  conjugate  base  X-­‐  cannot  normally  be  distributed  to  an  organic  phase,  like  any  other  ionic  species.    

Two  different  equilibrium  constants  are  involved:  the  distribution  constant  for  HX  according  to    

DHBa =CHBa,org

CHBa,aq

=HBa[ ]org + 2 HBa2[ ]orgHBa[ ]aq + Ba!"# $%aq

DHX =CHX,org

CHX,aq

=[HX]org

[HX]aq +[X!]aq

Page 27: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

27  

 

and  the  acidity  constant  for  HX  according  to  

 

These  can  next  be  substituted  into  the  above  distribution  ratio  expression  to  give  

 which  shows  that  the  distribution  ratio  will  be  governed  by  the  values  of  the  two  equilibrium  constants  and,  in  addition,  the  hydronium  ion  concentration.  This  expression  is  highly  important  since  it  shows  how  to  work  with  the  liquid-­‐liquid  distribution  of  a  weak  organic  acid.  Clearly,  once  the  constants  are  given  after  choosing  a  certain  neutral  acid  and  the  extraction  solvent,  the  distribution  ratio  can  only  be  regulated  by  the  hydronium  ion  concentration  in  the  aqueous  phase.  This  is  the  powerful  tool  that  is  available  for  those  who  want  to  manage  the  liquid-­‐liquid  distribution  of  an  organic  acid.  Simply,  it  is  a  matter  of  choosing  a  suitable  pH  in  the  aqueous  phase  as  obtained  by  the  addition  of  a  suitable  buffer,  for  example  phosphate  buffers.  

An  excellent  way  to  show  the  effect  of  pH  is  to  transform  the  DHX  –equation  above  so  that  it  becomes  a  function  pH.  To  do  this  the  equation  will  be  expressed  in  logarithmic  form  as  

log!!" = log!! !" − log 1 +!!(!")!!

!"    

This  gives  a  possibility  to  plot  log  DHX  vs.  pH  after  further  transformation  to    

log!!" = log!! !" + log1

1 +!!(!")!!

!"    

 

and  even  further  to  

log!!" = log!! !" + log1

1 + 10!"!!!!(!")    

KD(HX ) =[HX]org[HX]aq

Ka(HX ) =H +!" #$aq X%!" #$aq[HX]aq

DHX =KD(HX )

1+Ka(HX )

[H +]aq

Page 28: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

28  

This  shows  how  log  D  will  vary  with  the  experimental  conditions,  that  is,  the  pH  in  the  aqueous  phase.  A  very  useful  illustration  of  the  situation  is  obtained  if  the  above  log  DHX  –  equation  is  presented  as  a  graph  of  log  DHX  versus  pH.  Here  follows  an  example.    

 

 

 

 

Diagram  1:  Log  D-­‐pH  diagram  for  the  distribution  of  a  weak  acidic  analyte,  HX,  between  water  and  organic  phase  and  that  has  pKa(HX)  =  5,0  and  a  KD(HX)  =  300.  The  intersection  of  the  dashed  lines  marks  the  so-­‐called  system  point.  

The  graph  has  a  characteristic  linear  horizontal  part  which  means  that  the  distribution  ratio  asymptotically  approaches  a  constant  value  when  the  pH  is  decreased  so  that  pH  <<  pKa(HX).  This  is  chosen  in  practice  as  pH  <  pKa(HA)  -­‐  2.  Another  characteristic  is  the  linear  part  having  a  slope  of  -­‐1  that  occurs  when  pH  >>  pKa(HX).  This  is  interpreted  in  practice  as  pH  >  pKa(HA)  +  2.  

In  the  intermediate  region,  pH  =  pKa(HA)  ±  2  ,  the  function  is  nonlinear  but  will  always  pass  through  a  point  0.3  log  units  below  the  system  point,  which  is  at  the  intersection  between  the  two  asymptotes.  

Derivation  of  the  log  DHX  –  pH  function.  

Now,  back  to  the  next  previous  equation.    After  inserting  the  acidity  constant  and  the  distribution  constant  used  in  Diagram  1  the  function  above  reduces  to    

log!!" = log!! !" + log1

1 + 10!!    

and  further  

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

pH  =  pK a

(HX)    

log  DHX  =  log  KD(HX)  log  DHX  

 

Page 29: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

29  

log!!" ≈ log!! !" +   log 1      =    log  !! !"  

Hence,  the  distribution  ratio  equals  the  distribution  constant  according  to    

log!!" = log!! !"  

with  an  error  of  only  0.01  log  unit.  This  reflects  that  the  compound  HX  is  practically  completely  neutral  in  this  low  pH  range.  In  other  words,  the  %fraction  as  conjugate  acid  is  ≥  99%  while  the  %fraction  of  the  conjugate  base  X-­‐  is  ≤  1%.  

By  similar  reasoning  another  approximation  is  reached  for  the  case  pH  >>  pKa(HX),  when  the  acid  is  nearly  completely  in  the  conjugate  base  form  (ionized),  to  result  in  

log!!" ≅ log!! !" + !!!(!") − !"  

This  is  obviously  a  straight  line  relationship  between  log  DHX  and  pH  having  a  negative  slope  -­‐1.  The  intercept  is  obtained  as  [log  KD(HX)  +  pKa(HX)].  The  construction  line  for  this  is  linear  with  slope  -­‐1.  It  is  an  asymptote  valid  at  pH  ≥  pKa(HA)  +  2.      

The  logarithmic  diagram  is  intended  for  use  in  planning  experimental  conditions  for  extraction  experiments  and  for  analysing  the  first  experiments  to  give  clues  to  eventual  further  fine-­‐tuning  of  conditions.  This  is  good  enough  for  most  cases.  

 

A  neutral  weak  organic  base  B  Accordingly,  in  analogy  with  the  above  case  of  the  acid  HX  ,  for  a  neutral  basic  analyte  B,  with  the  acidity  constant  Ka(HB+)  of  the  conjugate  acid,  the  following  equations  and  diagram  are  obtained:  

!"!!"        +          !!!!"            ⇌            !!"            +          !!!!"!  

The  acid-­‐base  equilibrium  for  the  conjugate  acid  and  base,  is  here  written  as  a  deprotonation  of  the  conjugate  acid  and  the  acidity  constant  will  be  

!!(!!!) =  ! !"   !!

!"

!"! !"  

(Note:  it  is  much  easier  and  more  systematic  to  only  work  with  acidity  constants  and  forget  about  basicity  constants.)  In  this  case  the  distribution  constant  is  defined  as  

Exercise  3    1.  What  pH  is  needed  to  obtain  DHX  =  100  of  the  acid  in  Diagram  1  using  equal  phase  volumes?  Ocular  reading  of  the  diagram  using  pencil  and  paper  is  satisfactory.      2.  What  pH  is  needed  to  obtain  DHX  =  0.01  of  the  acid  in  Diagram  1?  Ocular  reading  of  the  diagram  using  pencil  and  paper  is  satisfactory.  

Page 30: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

30  

!!(!) =! !"#

! !!  

and  then  the  distribution  ratio  is  written  as  

 

Transfer  to  a  logarithmic  expression  gives  

log!! = log!! ! + log1

1 + 10!!! !!!  !!"  

 This  function  has,  like  for  the  acid  HX,  two  asymptotes,  which  can  be  worked  out  analogously  to  obtain  

Asymptote  1.  For  pH  >>  pKa(HB+)    or  specifically  pH  =  pKa(HB+)    ≥  2    it  reduces  to    

log!! ≅ log!! !  

in  similarity  to  the  derivation  for  the  acid  HX.  

Asymptote  2.  For  pH  <<  pKa(HB+)    and  more  specifically  pH  ≤  pKa(HB+)  -­‐  2  

the  log  DB  -­‐function  becomes    

log!! ≅ log!! ! + log1

10!!! !!!  !!"  

 since    10!!! !!!  !!"  ≥  100  

and  then  further  transformation  gives  

log!! ≅ log!! ! −  !!! !!! + !"  

 which  is  a  straight  line  with  slope  +1.  This  is  Asymptote  2.  

)(

)(

,

,

][][][][

+

++

+=

+==

HBa

BD

aqaq

org

aqB

orgBB

KH

KHBB

BCC

D1

Page 31: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

31  

 

Diagram  2:  Log  D-­‐pH  diagram  for  the  distribution  of  a  neutral  basic  analyte,  B,  between  water  and  organic  phase.  

Here,  the  horizontal  part  occurs  at  pH  >>  pKa(HB+)  meaning  that  in  this  range  the  %fraction  of  the  conjugate  base  B  in  the  aqueous  phase  is  99%  or  higher.  The  corresponding  %fraction  of  the  conjugate  acid  HB+  is  therefore  1%  or  lower.  

log!! ≅ log!! !  

In  the  range  pH  <<  pKa(HB+)  the  function  is  linear  with  a  slope  of  +1  according  to  

log!! ≅ log!! ! − !!! !!! + !"  

 

How  to  use  the  log  D  –  pH  diagrams  (log-­‐log  plots)  This  is  very  simple.  The  only  tools  needed  are  paper,  pencil,  and  ruler.  No  computer  is  needed,  not  even  a  calculator!  This  can  be  done  anywhere  you  are,  even  in  the  laboratory.  Draw  the  two  logarithmic  axes,    divide  them  equally  in  log  units,  mark  the  system  point,    draw  the  horizontal  line  up  to  one  pH  unit  from  the  system  point,    draw  the  sloping  line  (slope  +1  or  -­‐1)  up  to  one  pH  unit  from  the  system  point,    make  a  rounded  connection  between  the  two  straight  lines  so  that  it  passes  through  a  point  0.3  log  units  under  the  system  point.  That’s  it!  

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

pH  =  pK a

(HB+

)  

log  DB  

pH  

log  DB  =  log  KD(B)  

pKa(HB+)  =  8,0  

log  KD(B)  =  2,5    

Exercise  4    

1.  What  pH  is  needed  to  obtain  DB  =  100  of  the  base  in  Diagram  1  using  equal  phase  volumes?  Ocular  reading  of  the  diagram  using  pencil  and  paper  is  satisfactory.  

2.  What  pH  is  needed  to  obtain  DB  =  0.01  of  the  base  in  Diagram  1?  Ocular  reading  of  the  diagram  using  pencil  and  paper  is  satisfactory.  

Page 32: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

32  

 

 

   Applications  of  liquid-­‐liquid  extraction    

Separation  of  acids  and  bases  by  single  batch  liquid-­‐liquid  extraction  To  separate  two  analytes  in  one  single  extraction  it  is  necessary  that  one  of  them  goes  quantitatively  to  the  organic  phase  and  the  other  quantitatively  to  the  aqueous  phase.  Clearly,  if  assuming  equal  phase  volumes,  the  distribution  ratio  needs  to  be  100  and  0.01,  respectively,  for  this  to  work.  In  other  words,  the  ratio  of  the  two  D-­‐values  needs  to  be  ≥104.  A  few  examples  follow.  The  graphical  method  based  on  the  log  D-­‐pH  diagrams  is  an  excellent  tool  to  approach  the  problem  systematically.    

Two  neutral  weak  acids,  HX  and  HY  In  this  case  the  two  graphs,  one  for  HX,  and  one  for  HY,  are  plotted  in  the  same  diagram.  The  data  needed  are  the  acidity  constants  and  the  distribution  constants  for  each  acid.    

for  HX:  KD(HX)  =  10000,  pKa(HX)  =  8.0,    For  HY:  KD(HY)  =  1000,  pKa(HY)  =  4.0.    Equal  phase  volumes.  

 

Figure.  Separation  of  two  weak  acids  HX  and  HY  by  liquid-­‐liquid  distribution  in  a  single  extraction.  The  shaded  area  shows  the  pH-­‐range  that  can  be  used  for  quantitative  separation.  To  do  this  a  suitable  buffer  is  needed  in  the  aqueous.  Phosphate  buffer  would  be  a  good  choice.  From  G.  Schill  et  al.,  Separation  Methods.    

A  challenge  for  You!  Use  any  simulation/calculation  computer  program  to  simulate  the  non-­‐approximated  equation  for  log  D  =  f(pH).  This  is  the  non-­‐approximated  function:  

log!!" = log!!(!") + log !1

1 + 10!"!!!!(!")  !  

See  if  you  can  get  the  same  graphs  as  shown  above.  If  so  you  can  generate  many  more  cases  to  learn  from.  

 

Page 33: SamplePrepCompend KAK050-KEMM06 HT 2014-v21-SLUTLIG

 

 

 

 

33  

Two  neutral  weak  bases,  codein  and  papaverin    In  analogy  with  the  extractive  separation  of  the  two  acids  above  the  same  approach  can  be  used  for  two  neutral  bases.  Here  two  basic  drug  substances  are  considered.  One  is  codeine  (I-­‐BC),  the  other  papaverin  (II-­‐BP).  The  following  data  are  available:  for  BC,  log  KD(Bc)  =  2.0  and  pKa(HBc+)  =  6.4,  and  for  Bp,  log  KD(Bp)  =  4.7  and  pKa(HBp+)  =  6.4.  Equal  phase  volumes.  

 

Figure.  Separation  of  two  weak  bases  by  liquid-­‐liquid  distribution  in  a  single  extraction.  The  shaded  area  shows  the  pH-­‐range  that  can  be  used  for  quantitative  separation.  From  G.  Schill  et  al.,  Separation  Methods.  

 

The  shaded  area  shows  the  pH-­‐range  that  can  be  used  for  the  separation.      

LITERATURE  G.  H.  MORRISON  AND  H.  FREISER,  SOLVENT  EXTRACTION  IN  ANALYTICAL  CHEMISTRY,  WILEY,  NEW  YORK,  1957.  

H.  IRVING  AND  R.  J.  P  WILLIAMS,  LIQUID-­‐LIQUID  EXTRACTION,  CH.  31,  P.  1309  –  1365,  IN  I.  M.  KOLTHOFF  AND  P.  J.  

ELVING  (EDS.),  TREATISE  IN  ANALYTICAL  CHEMISTRY,  PART  I,  SECTION  C,  VOL.  3,  INTERSCIENCE,  NEW  YORK,  1961.  

Y.  MARCUS,  SOLVENT  EXTRACTION  OF  INORGANIC  SPECIES  IN  CHEM.  REV.  63  (1963)  139.  

J.  A.  DEAN,  CHEMICAL  SEPARATION  METHODS,  VAN  NOSTRAND,  NEW  YORK,  1969  

Y.  MARCUS  AND  A.  S.  KERTES,  ION  EXCHANGE  AND  SOLVENT  EXTRACTION  OF  METAL  COMPLEXES,  WILEY-­‐INTERSCIENCE,  

NEW  YORK,  1969.  

A.  LEO,  C.  HANSCH  AND  D.  ELKINS,  PARTITION  COEFFICIENTS  AND  THEIR  USES,  CHEM.  REV.,  71,  525  (1971).  

G.  SCHILL  ET  AL,  SEPARATION  METHODS  FOR  DRUGS  AND  RELATED  ORGANIC  COMPOUNDS,  SECOND  ED.    

SWEDISH  PHARMACEUTICAL  PRESS,  STOCKHOLM,  1982;  ISBN  91  86274-­‐01-­‐5.  

A.  MARTÍN-­‐ESTEBAN,  SAMPLE  PREPARATION  FOR  CHROMATOGRAPHIC  ANALYSIS,  CH.  5  IN  ADVANCES  IN  CHROMATOGRAPHY,  

VOL.  51,  EDS.  E.  GRUSHKA  AND  N.  GRINBERG,  CRC  PRESS,  TAYLOR  &  FRANCIS,  BOCA  RATON,  2014.  

IUPAC  GREEN  BOOK  

IUPAC  ORANGE  BOOK  

IUPAC  GOLD  BOOK  

IUPAC  TERMINOLOGY  IN  PHYSICAL  CHEMISTRY  

CHEMICAL  PRINCIPLES,  COURSE  BOOK  FOR  ÅK  1  GRUNDLÄGGANDE  KEMI  FÖR  B  OCH  K    

KOMPENDIUM  TRANSPORTPROCESSER  –  KAT  KOMPENDIUM  I  TERMODYNAMIK  1  OCH  2,  BENGT  JÖNSSON