Fundamentos da cromatografia, Parte IV: origem das placas teóricas-destilação fracionada e extrações de distribuição de contracorrente

este mês, revisamos a origem da teoria da altura das placas e seu significado físico aplicado à destilação fracionada e extração líquido–líquido de contracorrente, que é considerada a precursora da cromatografia gasosa e líquida do ponto de vista teórico.

destilação fracionada

as placas teóricas e a altura das placas foram aplicadas pela primeira vez em colunas de destilação fracionada na década de 1930. Supunha-se que uma coluna de destilação é composta por uma série de segmentos ou estágios contíguos, cada um contendo condensado em equilíbrio com vapor a uma temperatura específica. Na destilação fracionada, a teoria da altura da placa é usada para avaliar a eficiência da separação e para estimar o comprimento da coluna necessário para atingir uma certa pureza do destilado.A destilação não é uma técnica cromatográfica, mas sim um sistema de contracorrente que consiste em gotículas de condensado constantemente se formando e caindo através de uma “nuvem” crescente de vapor em um abraço intrincado. Conceitualmente, uma placa pode ser considerada como uma região dentro da coluna de destilação onde o condensado se forma, embora momentaneamente, e parcialmente vaporiza. Este vapor, enriquecido no componente mais volátil, sobe a coluna até atingir uma região mais fria onde se condensa novamente. O processo é repetido continuamente até que o vapor enriquecido saia da parte superior do condensador como destilado.

uma explicação mais detalhada do processo de destilação é a seguinte: começamos com uma mistura binária dos componentes a e B, representada por (AB)0, na qual B é o componente mais volátil. Para simplificar, Um componente não está incluído no notações; desde mole frações são implícitas, um aumento de B representa uma diminuição correspondente de A. Quando aquecido ao seu ponto de ebulição, (AB)0 produz uma fase de vapor enriquecido em B, rotulado VB1, em equilíbrio com o (AB)0.

à medida que o VB1 viaja até uma coluna fracionada diatérmica (ou seja, não isolada), ele se condensa parcialmente ao condensado CB1 quando atinge uma zona mais fria ao longo da coluna. CB1, na forma de gotículas, desce, até atingir uma zona com temperatura suficiente para vaporizar parcialmente CB1 para VB2, uma fase de vapor contendo uma fração mole mais alta de B. esses vapores novamente sobem para uma zona de coluna mais fria, onde se condensam parcialmente para formar condensado CB2.

gotículas de CB2 caem para uma zona suficientemente quente dentro da coluna, onde vaporizam parcialmente para formar VB3, que é enriquecido com B. novamente, VB3 sobe a coluna, atingindo uma zona mais fria e parcialmente condensando para CB3, em que CB3 > CB2.

a vaporização e a condensação continuam ao longo da coluna de destilação à medida que a fase de vapor se torna mais enriquecida em B, até que VB4 seja destilada, condensada como CB4 e coletada. Durante a destilação, a composição do pote imóvel torna-se cada vez mais enriquecida com o componente A.

Figura 1: Esquema de destilação fracionada de uma mistura de proporção de 1:1 mol de líquidos A E B, sendo B o mais volátil. Neste exemplo, a coluna de destilação tem três placas teóricas; o condensado e o vapor que constituem o mesmo número de placa são codificados com a mesma cor. Há também uma placa adicional dentro do pote imóvel, (AB) 0 → VB1. Se o comprimento da coluna for 1m, a” altura ” de cada placa teórica é de 33 cm. Durante o refluxo inicial de (AB) 0, a fase de vapor VB1, enriquecida em B, condensa-se a CB1. A primeira placa teórica dentro da coluna é condensado CB1 e VB2, com vapor enriquecido com B. Como VB2 sobe na coluna, condensa a CB2. À medida que o CB2 desce dentro da coluna, ele se volatiliza parcialmente para VB3. O processo é repetido usando todas as placas disponíveis, até que VB4 condensa a CB4, formando destilado AB4. Embora as placas teóricas sejam vistas como regiões físicas dentro das colunas, não há apenas uma sobreposição considerável, mas os locais das placas mudam ao longo de uma destilação.

destilação esquemática do pote ainda para o destilado AB4 é dado na Figura 1 e, aqui resumidas, omitindo-se a notação de Um em fase de vapor e de condensado para maior clareza:

(AB)0 < VB1 = CB1 < VB2 = CB2 < VB3 = CB3 < VB4 = CB4 (destilado AB4 é formado)

A menos que o sinal indica que a toupeira fração do componente B aumenta da esquerda para a direita. Fases com os mesmos subscritos indicam composições idênticas. Pares de fases com o mesmo código de cores representam uma placa teórica. Neste exemplo, temos três placas teóricas dentro da coluna e uma dentro da panela estática. Como não há demarcação clara dentro de uma coluna quanto à localização das placas, o alargamento do pico ou da zona não tem significado físico.

as colunas de destilação de laboratório têm várias A talvez cem placas teóricas, dependendo de seu comprimento e design. As colunas com áreas de superfície aumentadas têm mais placas, tais como colunas embaladas, Vigreux, ou da faixa de gerencio. Parece que o termo “placa” originou–se de saliências ou protuberâncias que foram incorporadas em colunas de destilação para servir como superfícies para equilíbrios vapor-condensado.

a destilação é complicada de modelar matematicamente, uma vez que as condições de equilíbrio e as composições de vapor–condensado estão mudando constantemente durante a destilação. No entanto, relações empíricas têm sido desenvolvidas, tais como a equação de Fenske, que se relaciona com a toupeira fração relação dos componentes A e B do destilado, YA e YB, o pote ainda a composição, XA e XB,

nesta equação, n é o número de pratos teóricos e α é a relativa volatilidade relação dos componentes A e B,

VA e VB são as volatilidades dos componentes, VA = yA/xA e VB = yB/xB, em que y é mole fração na fase de vapor, e x é o correspondente mole fração de fase líquida. (Placas teóricas na destilação é um fenômeno diferente do encontrado na cromatografia, portanto n é usado na equação 1, em vez de N.)

a volatilidade relativa dos componentes é aproximadamente proporcional à razão do ponto de ebulição dos componentes puros. Assim, a separação de componentes com uma grande diferença de ponto de ebulição exigiria relativamente poucas placas teóricas, enquanto um grande número de placas teóricas seria necessário para componentes com uma pequena diferença de ponto de ebulição. Obviamente, o número necessário de placas também depende da pureza alvo do destilado.

aplicabilidade da destilação fracionada

porque a destilação fracionada é baseada no equilíbrio contínuo entre as fases de vapor e líquido, não é uma técnica cromatográfica, mas um processo de separação de baixa eficiência termodinâmica. Embora a Físico-Química da vaporização-condensação tenha sido usada para conceituar a teoria das placas, o procedimento em si não se presta como uma técnica analítica, mas permanece como um método amplamente utilizado em escala laboratorial para purificar compostos voláteis. A destilação também continua sendo o processo dominante para separações industriais de componentes voláteis (4).

a destilação é melhor resumida por Primo Levi, um renomado autor e químico italiano que fica paralisado enquanto observa a purificação do benzeno usando uma coluna Vigreux, “de eficiência discutível” (5):

“a destilação é linda. Em primeiro lugar, porque é uma ocupação lenta, filosófica e silenciosa, que o mantém ocupado, mas dá tempo para pensar em outras coisas, como andar de bicicleta. Então, porque envolve uma metamorfose do líquido ao vapor, e disso mais uma vez ao líquido; mas nesta dupla jornada, para cima e para baixo, a pureza é alcançada, uma condição ambígua e fascinante, que começa com a química e vai muito longe.”

Primo Levi, A Tabela Periódica

Contracorrente de Extração

Em meados do século 20, a separação de sólidos foi limitado principalmente para fracionária cristalização, cromatografia de adsorção, e líquido–líquido, extração; o último dos quais foi o mais popular. As principais desvantagens das extrações, no entanto, eram que elas eram realizadas individualmente em funis separatórios e careciam de poder de resolução. Para aumentar a produtividade e a capacidade de separação, uma nova técnica foi desenvolvida com base em extrações de contracorrente sequenciais-o precursor da LC moderna.

na década de 1940, as extrações clássicas de solvente–solvente foram automatizadas para que múltiplas extrações de solutos pudessem ser realizadas simultaneamente em uma única amostra. Mais importante ainda, o método aproveitou pequenas diferenças constantes de distribuição entre solutos em solução.

a abordagem foi baseada em um processo conhecido como distribuição de contracorrente (CCD), e o sistema mais amplamente utilizado foi desenvolvido por Lyman Craig. O dispositivo Craig CCD consiste em uma série de tubos de design exclusivo com compartimentos inferior (L) e superior (U). Os compartimentos inferiores são preenchidos com o mais denso das duas fases líquidas imiscíveis. Os tubos são projetados para que a fase líquida inferior permaneça estacionária e o conteúdo do tubo superior possa ser transferido sequencialmente de um tubo superior para o outro.

para simplificar os cálculos, as seções inferior e superior geralmente contêm volumes iguais. Dependendo da solubilidade, a amostra é colocada nos primeiros tubos superiores ou inferiores (n = 0). As designações são n para a localização do tubo ou número do tubo, não o número de tubos, e r é o número de transferências ou estágios. Os primeiros tubos superiores e inferiores são codificados n = 0, e para o equilíbrio inicial (antes da primeira transferência ser feita), r = 0.

Antes de um CCD de execução, a constante de equilíbrio K da amostra é estabelecida entre as duas fases líquidas imiscíveis para obter o soluto frações no superior p e inferior fases q,

em que p + q = 1 (ver equação 5).

os primeiros tubos superiores e inferiores são atribuídos U0 e L0, o segundo conjunto de tubos é U1 e L1, e assim por diante. O processo CCD é mostrado esquematicamente na Figura 2, para r = 3.

para iniciar o processo, a amostra é dissolvida em U0 ou L0, o conteúdo é agitado (ou girado no caso de tubos de extração Craig) e o conteúdo pode se separar. O conteúdo de U0 é então transferido ou movido para que eles sejam opostos a L1. O processo é repetido até que o número necessário de tubos seja usado. Normalmente, as unidades Craig CCD podem ter centenas de tubos.

os seguintes procedimentos são usados para as duas transferências iniciais, ou extrações:

A. a extração inicial: r = 0, U0 = p e L0 = Q.

B. A primeira transferência r = 1: Mude a margem superior dos tubos para a direita.

o tubo superior 0 é oposto ao tubo inferior 1; o tubo superior 1 é oposto ao tubo inferior 0. Após o equilíbrio, o conteúdo de soluto nos tubos superior e inferior é o seguinte: U0 = p2, U1 = pq, L0 = q2, L1 = pq.

C. A segunda transferência r = 2: Mude a margem superior dos tubos para a direita.

o tubo superior 0 é oposto ao tubo inferior 2, o tubo superior 1 é oposto ao tubo inferior 1 e o tubo superior 2 é oposto ao tubo inferior 0. Após o equilíbrio, o conteúdo de soluto nos tubos superior e inferior é o seguinte: U0 = p3, U1 = 2p2q, U2 = pq2, L0 = q3, L1 = 2pq2, L2 = p2q.

Soluto distribuição é regulada pela distribuição binomial, em que pn,r é a fração de soluto na fase superior e qn,r é a fração de soluto na fase inferior:

Se mais tubos são adicionados a um CCD de separação, normalmente n > 20, a distribuição binomial se transforma em uma distribuição Gaussiana:

Após r transferências, o desvio padrão resultante do soluto distribuição é

neste formato, σ é expressa em termos do número de tubos. A largura de uma distribuição obtida de uma corrida CCD, que representa 98% do Pico CCD, é, portanto,

como seria de esperar, quanto maior o número de transferências r, maior a distribuição. A largura do perfil CCD também depende do coeficiente de distribuição da amostra. Amostras Com coeficientes de distribuição altos ou baixos dão picos estreitos, com uma largura máxima obtida quando p atinge 0,5.

o tubo com a quantidade máxima de soluto é

onde µ é a localização do tubo ou o número de tubos na concentração máxima pn,r (µ aumenta com o aumento das transferências r). Obviamente, o aparelho CCD deve ter o número apropriado de tubos para acomodar as transferências. A resolução entre os picos adjacentes também aumenta com r.

agora voltamos nossa atenção para o número de placas teóricas em uma extração CCD. O número de placas teóricas N é a razão entre o quadrado do tempo de retenção (ou volume) e a variância de pico σ2, nas unidades correspondentes,

no CCD, as propriedades do soluto são caracterizadas em termos do número de transferências r, não do tempo de retenção. Retenção é t ∝ rp (equação 9) e o pico de largura σ é igual à raiz quadrada do rpq (equação 7), a equação 10 torna-se

Se a extração de volumes na parte superior e inferior fases são iguais, o coeficiente de distribuição K é igual a (ver também a equação 3),

onde Cu e Cl são concentrações de soluto na parte superior e inferior fases, respectivamente. Porque

então

e equação 11 é reduzida para

Equação 15 indica que o número de pratos teóricos em um CCD de execução é igual a uma fração vezes o número de transferências ou extrações. Como K = Cu / Cl = p / q, Quanto mais” tempo ” um soluto gasta na fase superior, maior o número da placa ou a eficiência do CCD. Se p = 1, o soluto permanecerá no primeiro tubo superior à medida que for transferido ou transportado, não diluído, para o último tubo intacto. Se q = 1, o soluto estará para sempre em Lo. Essas condições seriam cromatograficamente análogas aos analitos não mantidos e irreversivelmente retidos, respectivamente.

deve-se mencionar que o número de transferências é igual ao número de tubos de extração, somente se todos os tubos forem usados. Por exemplo, um pesquisador pode decidir usar apenas 500 transferências, embora seu aparelho contenha 1000 tubos. Nesse caso, r = 500, Não 1000, e sua eficiência é reduzida em 50%.

na destilação, o HETP é definido como o comprimento mínimo de um segmento de coluna dentro do qual um soluto está em equilíbrio com as fases superior e inferior. Com relação ao CCD, o HETP seria igual a n = 1, ou o volume de um tubo de extração.

aplicabilidade de extração de contracorrente

o aparelho Craig CCD foi suplantado por modos contínuos ou cromatográficos de CCD em que uma fase líquida é mantida estacionária por forças centrífugas e a outra fase passa por ela usando métodos mecânicos bastante engenhosos (6-9).

um dos projetos mais bem sucedidos é o sistema de centrifugação CCC do planeta da bobina (cromatografia contracorrente), que usa uma bobina helicoidal giratória da tubulação. Outras versões do CCC foram introduzidas, como droplet CCC, cromatografia de partição centrífuga, CCC de alta velocidade e cromatografia de extrusão de eluição.

devido à sua eficiência de separação relativamente baixa, o CCD e as técnicas associadas foram substituídos por cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) para separações analíticas. Os métodos CCD, no entanto, são usados principalmente para purificação semipreparativa de compostos geralmente em matrizes complexas, em vez de para análise.

conclusões

antes do desenvolvimento da cromatografia, foram utilizadas placas teóricas e a altura equivalente a uma placa teórica para avaliar a eficácia da destilação. Assumiu-se que a destilação ocorreu em estágios discretos ou placas ao longo do comprimento da coluna de destilação; quanto maior o número de placas, mais eficiente a destilação.

o conceito de placa foi transportado com sucesso para CCD, que foi a próxima técnica de separação a aparecer. Perfis de concentração de separações CCD poderiam ser previstos usando coeficientes de distribuição de soluto e um modelo de distribuição gaussiana baseado na teoria da altura da placa. Além disso, a extensão da ampliação do Pico e da localização do pico, em termos de número de transferências, também pode ser estimada.

a partir de estudos usando o modelo de altura da placa, a teoria e a prática da cromatografia foram realizadas por Martin e Synge, ganhadores do Prêmio Nobel. Suas contribuições, bem como a abordagem singular de cal Giddings para o alargamento do pico, serão o assunto das próximas várias parcelas dos fundamentos da cromatografia.

(1) H. G. Barth, LCGC North Am. 36(3), 200–202 (2018).

(2) H. G. Barth, LCGC North Am. 36(6), 394–396, 405 (2018).

(3) H. G. Barth, LCGC North Am. 36(7), 472–473, 476 (2018).

(4) J. Pendergast, D. Jewell, D. Vickery e J. Bravo, Chem. Processo. 80(4), 16–21 (2018).

(5) p. Levi, a Tabela Periódica, trans. R. Rosenthal, Capítulo De Potássio (Schocken Books, Nova York, 1984).

(6) https://gfp.people.uic.edu/countercurrent/content/history

(7) J. Brent Friesen, J. B. McAlpine, S. N. Chen, G. F. Pauli, J. Nat. Produto. 78, 1765–1796 (2015).

(9) https://chem.libretexts.org/Core/Analytical_Chemistry/Instrumental_Analysis/Countercurrent_SeparationsChemistry.