液液萃取與離子對分配

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建立於 2026年10月22日

學習重點 掌握「中性分子偏向有機相、離子型偏向水相」，並依分析目的決定要收集哪一層。 理解 Nernst 分配定律的適用條件，能計算單次及多次萃取的回收率與水層殘留量。 運用酸鹼調整、鹽析與少量多次萃取提高回收率，辨認乳化與溶劑選擇的限制。 理解離子對須由相反電荷配對，尤其注意 taurine 的電荷會隨 pH 改變。 比較液液萃取與固相萃取，並連結酸鹼純化流程與 GC 分析。 核心觀念 一、分配定律與兩相條件 液液萃取（抽提）利用溶質在兩個互不相溶、能形成獨立液相的溶劑間分配。兩相可有限度互溶，但不能完全混成單一相。乙醚、正己烷、環己烷及氯仿常見於水相萃取；四氫呋喃、乙腈、甲醇等與水互溶，不適合作為一般水／有機兩相萃取的溶劑。 依 Nernst 分配定律，在固定溫度、固定溶劑系統，且溶質以相同分子型態存在的稀溶液中，分配係數 K＝有機相濃度／水相濃度，為定值。 改變的條件分配係數 K說明 兩相溶劑體積不變K 是濃度比，體積改變只影響分配到各相的總量 溫度會改變溶解度隨溫度變化 溶劑種類會改變不同溶劑對溶質的溶解能力不同 同時存在多種溶質各自不受影響理想稀溶液中，各溶質的分配與單獨存在時相同 分配比 D是分析物在有機相與水相的各種型態總濃度之比；當分析物可解離時，D 通常隨 pH 改變。題目若直接給定分配係數且未要求處理解離，依其指定方向代入計算即可。 二、酸鹼控制：先確認目標要留在哪一層 分析物促進進入有機相促進留在水相 弱酸 HA降低 pH，使 HA 增多提高 pH，使 A－增多 弱鹼 B提高 pH，使游離鹼 B 增多降低 pH，使 BH＋增多 弱酸符合 [A－]／[HA]＝10 的（pH－pKa）次方；弱鹼則以其共軛酸 BH＋的 pKa 判斷，[B]／[BH＋]＝10 的（pH－pKa）次方。 弱酸充分萃入有機相：常將 pH 調至 pKa－2，約 99% 為未解離型。 弱鹼有效萃入有機相：一般要求 pH－pKa ≥ 1；高出 1 時約 91% 為游離鹼，高出 2 時約 99%。 pH＝pKa 時兩種型態各半，不算充分萃取條件。 miconazole 例：miconazole 為弱鹼，pKa＝6.5。溶於 pH 4.0 的乙腈／乙酸鈉緩衝液時主要呈帶正電型，保留於含水乙腈相；加入正己烷可移除霜劑中的油脂成分。降至 pH 3.0 仍高度離子化，可得相近回收率。但中性水溶性色素不帶電，其分配不受 pH 調整影響，且本身水溶性高，會隨分析物留在含水相，所以「酸化可協助移除中性水溶性色素」是錯誤推論。 鹼性藥物的酸鹼純化流程（如 cyclizine）： 加稀硫酸使主成分成鹽（BH＋）留在水層，以乙醚分配洗去中性與酸性的脂溶性雜質，保留水層。 水層加氨水調至鹼性，使主成分轉為游離鹼 B。 以乙醚萃取，收集乙醚層供紫外光測定。 這種「先酸洗、再鹼萃」的流程干擾最少、回收率最佳。若只酸化後收乙醚層，主成分仍在水層；若鹼化後只取水層，主成分已進入乙醚；若鹼萃後再以稀硫酸反萃，主成分又回到水層。 三、回收率與少量多次萃取 設起始總量為 W、水相體積為 V₁、有機相體積為 V₂，K＝有機相濃度／水相濃度： 單次萃取後水相殘留量＝W × V₁／（KV₂＋V₁）。 單次有機相回收率＝KV₂／（KV₂＋V₁）×100%。 每次均用等體積 V₂ 新鮮有機溶劑萃取，共 n 次：Wn＝W[V₁／（KV₂＋V₁）]n。 此式描述的是抽提（萃取）的效果，與蒸餾、分餾、沈澱無關。 計算例一：1.5%（w/v）水溶液 100 mL 含溶質 1.5 g＝1500 mg，乙醚／水分配係數為 4，以等體積乙醚萃取一次，水相殘留比例＝100／（4×100＋100）＝1／5，故殘留 300 mg。 計算例二：氯仿／水分配係數為 3，水相 10 mL、氯仿 30 mL，回收率＝（3×30）／（3×30＋10）＝90／100＝90%。 固定有機溶劑總量時，分成數次、每次使用新鮮溶劑，通常比一次全部加入的回收率高。每次分層後須移走有機相，再加入新溶劑。 四、鹽析與乳化 水相加入氯化鈉至飽和可產生鹽析效應，降低有機物在水中的溶解度，促進其進入有機相，提高萃取率；飽和食鹽水亦常用於協助分層。萃取有機酸時應酸化（pH 低於 pKa），若加鹼反而使其解離留在水相，回收更差。 乳化是液滴分散於另一相、難以聚結分層，會妨礙取樣與回收。在生物鹼分離精製中，生物鹼與植物成分常具界面活性，乳化是最難克服的困難；相較之下，酸量不足可補加酸、溶劑部分互溶或蒸氣壓大可經操作調整，都較易解決。乳化可視情況採靜置、輕柔混合、加鹽或離心處理。 五、液液萃取與固相萃取比較 比較項目液液萃取固相萃取 SPE 主要機制兩液相間分配固相保留分析物或干擾物，再洗滌、洗脫 溶劑量一般較多一般較少 乳化可能發生無兩液相乳化問題 溶劑條件須與水不互溶、能形成兩相須配合填料與保留、洗脫條件 回收率取決於方法條件，不能斷言某法必然較高 六、離子對萃取的配對原則 離子型分析物不易直接進入低極性有機相，可加入相反電荷且具疏水性的配對離子，形成整體電中性的離子對，再以有機溶劑萃取。 分析物型態配對試劑例子 酸性分析物（陰離子）四級銨鹽（陽離子，如 tetrabutylammonium）bromocresol purple、indole acetic acid、taurine（鹼性 pH 下） 鹼性分析物（陽離子）陰離子界面活性劑（如烷基磺酸鹽）aminoglycosides 等含多個胺基的鹼性藥物 bromocresol purple 為酸性染料、indole acetic acid 含羧酸，兩者解離後帶負電，應配四級銨鹽，不是陰離子界面活性劑。 aminoglycosides 的多個胺基質子化後帶正電，應配陰離子試劑，不是四級銨鹽。 taurine 含強酸性磺酸基與胺基，屬兩性離子；提高 pH 使胺基去質子化後呈淨負電，能與四級銨鹽配對。不能只看它含胺基便判為陽離子。 七、萃取與 GC 分析的連結 以 GC 分析 bupivacaine 製劑中的不純物 dimethylaniline 時：dimethylaniline 為鹼性芳香胺，以環己烷萃取前應鹼化使其成游離鹼；若酸化會使其質子化留在水相，回收率反而下降。dimethylaniline 分子較小、揮發性較高，滯留時間比 bupivacaine 短；可用溫度梯度（程式升溫）提高解析度與效率，並可用內標準品法定量。 常考陷阱 「液液萃取的溶劑需能互溶」：錯，兩相必須不互溶才能分層分配。 「液液萃取溶劑用量比固相萃取少」：錯，液液萃取一般較多。 「固相萃取較易乳化」：錯，乳化是液液萃取的問題。 「溫度、溶劑改變時分配係數不變」「多溶質共存時分配與單獨存在不同」：皆錯；只有改變溶劑體積時 K 不變。 「萃取有機酸應將 pH 調高於 pKa」「回收不佳時加鹼並少量多次萃取」：錯，應酸化；少量多次本身正確，但加鹼錯誤。 「四氫呋喃是適當萃取溶劑」：錯，四氫呋喃與水互溶。 「萃取鹼性雜質前先酸化可增加回收率」：錯，鹼性物酸化後成鹽留在水相。 「酸化可移除中性水溶性色素」：錯，中性物不受 pH 影響，水溶性色素仍留在含水相。 「pH＝pKa 就能充分萃取」：錯，此時僅一半為中性型。 計算殘留量時忘記換算單位：1.5% 的 100 mL 是 1500 mg，算出殘留 1／5 為 300 mg，而非 0.3 或 1.2。 「生物鹼精製最難克服的是酸量不足」：錯，補酸即可；乳化無法分層才最難處理。 離子對看名稱就配對：先判斷操作 pH 下的實際電荷，負配四級銨、正配陰離子界面活性劑。 記憶口訣 酸遇酸成分子，鹼遇鹼成游離；要留水，反著調。 酸減二，鹼加一，pH＝pKa 只一半。 負找季銨，正找陰；總量固定，少量多次。 體積變 K 不變，溫度溶劑一換 K 就變。