Cum se cristalizează compușii organici: 11 pași (cu imagini)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 11:34

Cristalizare (sau recristalizarea) este cea mai importantă metodă de purificare a compușilor organici. Procesul de îndepărtare a impurităților prin cristalizare include dizolvarea compusului într-un solvent fierbinte adecvat, răcirea soluției și saturarea acestuia cu compusul purificat, cristalizarea soluției, izolarea acesteia prin filtrare, spălarea suprafeței sale cu solvent rece pentru îndepărtarea impurităților reziduale și uscare.

Această procedură este cel mai bine efectuată într-un laborator de chimie controlat, într-o zonă bine ventilată. Rețineți că această procedură are o gamă largă de aplicații, inclusiv purificarea comercială la scară largă a zahărului prin cristalizarea produsului din zahăr brut și lăsarea în urmă a impurităților.

Etapa

Pasul 1. Alegeți un solvent adecvat

Amintiți-vă termenul „ca se dizolvă ca” sau Similia similibus solvuntur, ceea ce înseamnă că substanțele cu structuri similare se vor dizolva una în cealaltă. De exemplu, zaharurile și sărurile sunt solubile în apă, nu în ulei - și compușii nepolari, cum ar fi hidrocarburile, se vor dizolva în solvenți de hidrocarburi nepolare, cum ar fi hexanul.

• Un solvent ideal are următoarele proprietăți:

  • Compuși solubili la cald, dar nu se dizolvă la rece.
  • Nu se dizolvă deloc impurități (astfel încât să poată fi filtrate atunci când un compus impur este dizolvat) sau dizolvarea tuturor impurităților (astfel încât să rămână în soluție atunci când compusul dorit este cristalizat).
  • Nu va reacționa cu compuși.
  • Nu se poate arde.
  • Non-toxic.
  • Ieftin.
  • Foarte volatil (deci poate fi ușor separat de cristale).

• Este adesea dificil să se determine cel mai bun solvent, care este adesea obținut experimental sau prin utilizarea celui mai nepolar solvent disponibil. Familiarizați-vă cu următoarea listă a celor mai frecvenți solvenți (de la cel mai polar la cel mai puțin polar). Rețineți că solvenții apropiați se vor amesteca (se vor dizolva reciproc). Solvenții cei mai frecvent utilizați sunt cu caractere aldine.

  • Apă (H₂O) este un solvent neinflamabil, netoxic și va dizolva mulți compuși organici polari. Dezavantajul este punctul său de fierbere ridicat (100 grade Celsius), ceea ce îl face relativ nevolatil și dificil de separat de cristale.
  • Acid acetic (CH₃COOH) este o substanță utilă pentru reacțiile de oxidare, dar reacționează cu alcooli și amine și, prin urmare, este greu de separat (punctul de fierbere este de 118 grade Celsius).
  • Dimetil sulfoxid (DMSO), metil sulfoxid (CH₃ASA₃) utilizat în principal ca solvent pentru reacții, rareori pentru cristalizare. Această substanță fierbe la 189 de grade Celsius și este greu de separat.
  • Metanol (CH₃OH) este un solvent util pentru dizolvarea diferiților compuși cu o polaritate mai mare decât alți alcooli. Punct de fierbere: 65 grade Celsius. C.
  • Acetonă (CH3COCH3) este un solvent foarte bun, dezavantajul este că are un punct de fierbere scăzut de 56 grade Celsius, deci diferența de temperatură este mică în solubilitatea compusului la punctul de fierbere și temperatura camerei.
  • 2-butanonă, metil etil cetonă, MEK (CH₃COCH₂CH₃) este un solvent perfect cu un punct de fierbere de 80 grade Celsius.
  • Acetat de etil (CH₃COOC₂H₅) este un solvent perfect cu un punct de fierbere de 78 grade Celsius.
  • Diclorometan, clorură de metilen (CH₂Cl₂) este util ca partener de solvent cu ligroina, dar punctul său de fierbere de numai 35 grade Celsius este prea scăzut pentru a face un solvent de cristalizare bun. In orice caz. punctul său de îngheț este de -78 grade Celsius. folosind săpun cu gheață sau acetonă,
  • Dietil eter (CH₃CH₂OCH₂CH₃) util ca pereche de solvenți cu ligroină, dar punctul său de fierbere de 40 grade Celsius este prea scăzut pentru a face un solvent de cristalizare bun.
  • Metil t-butil eter (CH₃OC (CH₃)₃) este un solvent ieftin, un bun substitut pentru dietil eter datorită punctului său de fierbere mai ridicat, 52 grade Celsius.
  • Dioxan (C₄H₈O₂) este o substanță care se separă ușor de cristale, este un cancerigen ușor, formează peroxizi și are un punct de fierbere de 101 grade Celsius.
  • Toluen (C₆H₅CH₃) este un bun solvent pentru cristalizarea compușilor arii și a înlocuit compușii benzenici utilizați anterior (agenți cancerigeni slabi). Dezavantajul este punctul său de fierbere ridicat, 111 grade Celsius, ceea ce face dificilă separarea de cristale.
  • Pentan (C.₅H₁₂) Este utilizat pe scară largă pentru compuși nepolari, adesea ca solvent de împerechere cu alți solvenți. Punctul său de fierbere scăzut înseamnă că acest solvent este mai util atunci când este utilizat împreună cu gheață sau acetonă.
  • Hexan (C₆H₁₄) utilizat pentru compuși nepolari, inerti, adesea folosiți ca pereche de solvenți, punct de fierbere 69 grade Celsius.
  • Ciclohexan (C₆H₁₂) similar cu hexanul, dar mai ieftin și are un punct de fierbere de 81 de grade Celsius.
  • Eterul de petrol este un amestec de hidrocarburi saturate al cărui component principal este pentanul, este ieftin și poate fi utilizat în mod interschimbabil cu pentanul. Punctul de fierbere este de 30-60 grade Celsius.

  • Ligroina este un amestec saturat de hidrocarburi care are proprietățile hexanului.

    Pași pentru alegerea unui solvent:

1. Puneți o cantitate mică de cristale din compusul de impuritate într-o eprubetă și adăugați o picătură din fiecare solvent, astfel încât să poată curge pe partea eprubetei.
2. Dacă cristalele din eprubetă se dizolvă imediat la temperatura camerei, respingeți solventul, deoarece cantități mari de compus vor rămâne solubile la temperaturi scăzute. Încercați un alt solvent.
3. Dacă cristalele nu se dizolvă la temperatura camerei, încălziți eprubeta într-o baie de nisip fierbinte și observați cristalele. Adăugați încă o picătură de solvent dacă cristalele nu s-au dizolvat. Dacă cristalele se dizolvă la punctul de fierbere al solventului și cristalizează din nou când sunt răcite la temperatura camerei, ați găsit solventul potrivit. Dacă nu, încercați un alt solvent.

4. Dacă, după procesul de testare a solventului, nu se găsește un singur solvent satisfăcător, utilizați o pereche de solvenți. Dizolvați cristalele într-un solvent mai bun (un solvent care s-a dovedit că dizolvă cristalele), apoi adăugați solventul mai puțin favorabil soluției fierbinți până devine tulbure (soluția este saturată cu solutul). Perechile de solvenți trebuie amestecate între ele. Unele perechi de solvenți utili sunt acid acetic - apă, etanol - apă, dioxan - apă, acetonă - etanol, etanol - dietil eter, metanol - 2-butanonă, acetat de etil - ciclohexan, acetonă - ligroină, acetat de etil - ligroină, dietil eter - ligroină, diclormetan - ligroină, toluen - ligroină.

   

   Pasul 2. Se dizolvă compusul de impuritate

   Pentru a efectua această procedură, introduceți compusul într-o eprubetă. Zdrobiți cristale mari cu o tijă de agitare pentru a accelera dizolvarea. Adăugați solventul picătură cu picătură. Pentru a separa impuritățile solide insolubile, utilizați excesul de solvent pentru a dizolva soluția și filtrați impuritățile solide la temperatura camerei (a se vedea procedura de filtrare din pasul 4), apoi evaporați solventul. Înainte de încălzire, introduceți lemnul aplicatorului în eprubetă pentru a evita supraîncălzirea (încălzirea soluției peste punctul de fierbere a soluției fără a fierbe efectiv). Aerul prins în lemn va ieși pentru a forma nuclee, astfel încât soluția să poată fierbe și mai mult. Alternativ, utilizați un cip de fierbere din porțelan perforat. După ce impuritățile solide au fost îndepărtate și solventul s-a evaporat, adăugați solventul picătură cu picătură în timp ce amestecați cristalele cu un agitator de sticlă și încălziți eprubeta în abur sau nisip până când compusul este complet dizolvat cu solvent minim.

   

   Pasul 3. Îndepărtați culoarea soluției

   Treceți peste acest pas dacă soluția este incoloră sau doar ușor galbenă. Dacă soluția este colorată (ca rezultat al formării de subproduse cu greutate moleculară mare în reacția chimică), adăugați excesul de solvent și cărbune activ (cărbune) și fierbeți soluția timp de câteva minute. Impuritățile colorate vor fi adsorbite pe suprafața cărbunelui activ datorită gradului ridicat de microporozitate. Separați cărbunele care conține deja impuritățile adsorbite prin filtrare, așa cum se va explica în pasul următor.

   

   Pasul 4. Separați solidele prin filtrare

   Filtrarea se poate face prin filtrare gravitațională, decantare sau separarea soluției folosind o pipetă. În general, nu utilizați filtrarea sub vid deoarece solventul se va răci în proces, astfel încât produsul se va cristaliza în filtru.

   • Filtrarea prin gravitate: aceasta este metoda aleasă pentru separarea cărbunelui fin, a prafului, a scamei și așa mai departe. Luați trei flacoane Erlenmeyer încălzite pe abur fierbinte sau pe o placă fierbinte: primul conține soluția care trebuie filtrată, al doilea conține mai mulți mililitri de solvent și o pâlnie fără tulpini, în timp ce al treilea conține mai mulți mililitri din soluția de cristalizare care trebuie utilizată pentru spălare. Așezați hârtie de filtru canelată (folosită pentru că nu utilizați un vid) pe o pâlnie fără tulpină (fără tulpină, astfel încât soluția saturată să nu se răcească și să înfunde tulpina pâlniei cu cristale) în al doilea balon Erlenmeyer. Aduceți soluția care trebuie filtrată la fierbere, scoateți-o cu un prosop, apoi turnați soluția pe hârtia de filtru. Adăugați solventul de fierbere din al treilea balon Erlenmeyer la cristalele formate pe hârtia de filtru și pentru a spăla primul balon Erlenmeyer care conține soluția filtrată, adăugați șaiba la hârtia de filtru. Îndepărtați excesul de solvent prin fierberea soluției filtrate.
   • Decantare: Această metodă este utilizată pentru impurități solide mari. Se toarnă solventul fierbinte, astfel încât solidele insolubile să rămână în urmă.
   • Separarea solventului prin pipetă: Această metodă este utilizată pentru o cantitate mică de soluție dacă impuritatea solidă este suficient de mare. Introduceți o pipetă cu vârful pătrat în fundul eprubetei (fundul circular), apoi separați lichidul aspirându-l cu pipeta. Impuritățile solide vor fi lăsate în urmă.

   

   Pasul 5. Cristalizați compusul dorit

   Această etapă se realizează pe baza presupunerii că toate impuritățile colorate și insolubile au fost separate prin etapele corespunzătoare descrise mai sus. Îndepărtați orice exces de solvent prin fierbere sau curgând ușor aer. Începeți cu o soluție care este saturată cu solut la punctul de fierbere. Se lasă să se răcească încet la temperatura camerei. Cristalizarea va începe. În caz contrar, începeți procesul prin introducerea cristalelor de semințe sau începeți într-un tub cu un agitator de sticlă la interfața lichid-aer. Odată ce procesul de cristalizare a început, nu deranjați recipientul pentru a forma cristale mari. Pentru răcire lentă (pentru a permite formarea cristalelor mai mari), puteți izola recipientul cu bumbac sau hârtie de țesut. Cristalele mai mari se separă mai ușor de impurități. Odată ce recipientul este complet la temperatura camerei, răciți-vă pe gheață timp de aproximativ cinci minute pentru a maximiza numărul de cristale.

   

   Pasul 6. Luați și spălați cristalele

   Pentru a efectua această procedură, separați cristalele de solventul rece ca gheața prin filtrare. Filtrarea poate fi efectuată cu o pâlnie Hirsch, o pâlnie Buchner sau prin separarea solventului folosind o pipetă.

   • Filtrarea cu o pâlnie Hirsch: Așezați o pâlnie Hirsh cu hârtie de filtru neînvelită într-un balon vid închis bine. Așezați balonul filtrant pe gheață pentru a menține solventul rece. Udați hârtia de filtru cu solventul de cristalizare. Conectați balonul la aspirator, porniți aspiratorul și asigurați-vă că hârtia de filtru este trasă de aspirator în pâlnie. Se toarnă și se răzuiește cristalele în pâlnie și se îndepărtează vidul imediat ce lichidul este separat de cristale. Utilizați câteva picături de solvent rece ca gheața pentru a spăla balonul de cristalizare și turnați-l în pâlnie în timp ce reintroduceți vidul și îndepărtați vidul imediat ce tot lichidul a fost separat de cristale. Spălați cristalele de mai multe ori cu un solvent rece ca gheața pentru a îndepărta orice impurități rămase. Când ați terminat de spălat, lăsați vidul să usuce cristalele.
   • Filtrare folosind o pâlnie Buchner: Așezați o bucată de hârtie de filtru neînvelită în partea de jos a pâlniei Buchner și umeziți-o cu solvent. Fixați pâlnia de balonul filtrant cu un aparat de cauciuc sau cauciuc sintetic pentru a permite aspirația în vid. Se toarnă și se răzuiește cristalele în pâlnie, apoi se îndepărtează vidul imediat ce lichidul este separat în balon și cristalele rămân pe hârtie. Clătiți balonul de cristalizare cu un solvent rece ca gheața, adăugați-l la cristalele spălate, reinstalați vidul și îndepărtați-l când lichidul s-a separat de cristale. Repetați și spălați câte cristale este nevoie. Lăsați vidul să usuce cristalele la final.
   • Spălați folosind o pipetă, această metodă este utilizată pentru spălarea cristalelor în cantități mici. Introduceți o pipetă cu vârful pătrat în fundul unei eprubete (fund rotunjit) și separați lichidul astfel încât să rămână doar solidul spălat.

   

   Pasul 7. Uscați produsul spălat

   Uscarea finală a unor cantități mici de produs cristalizat poate fi realizată prin strângerea cristalelor între două bucăți de hârtie de filtru și uscarea lor pe o sticlă de ceas.

   sfaturi

   • Dacă se folosește prea puțin solvent, cristalizarea poate apărea prea repede când soluția este răcită. Dacă cristalizarea este prea rapidă, impuritățile pot fi prinse în cristal, astfel încât scopul purificării prin cristalizare nu este atins. Pe de altă parte, dacă se folosește prea mult solvent, cristalizarea poate să nu apară deloc. Cel mai bine este să adăugați un pic mai mult solvent după ce este saturat la punctul de fierbere. Găsirea echilibrului corect necesită practică.
   • Când încercați să găsiți solventul ideal prin mai multe experimente, începeți mai întâi cu solvenții cu fierbere mai mică și mai volatili, deoarece sunt mai ușor de separați.
   • Poate cel mai important pas este să aștepți ca soluția fierbinte să se răcească încet și să permită formarea cristalelor. Este foarte important să aveți răbdare și să nu atingeți soluția răcită.
   • Dacă se adaugă prea mult solvent, astfel încât să se formeze foarte puține cristale, se evaporă o parte din solvent prin încălzire și se repetă răcirea.