Jak krystalizować związki organiczne: 11 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 11:32

Krystalizacja (lub rekrystalizacja) jest najważniejszą metodą oczyszczania związków organicznych. Proces usuwania zanieczyszczeń przez krystalizację obejmuje rozpuszczenie związku w odpowiednim gorącym rozpuszczalniku, schłodzenie roztworu i nasycenie go oczyszczanym związkiem, krystalizację roztworu, wyizolowanie go przez filtrację, przemycie jego powierzchni zimnym rozpuszczalnikiem w celu usunięcia resztkowych zanieczyszczeń oraz wysuszenie.

Najlepiej wykonywać tę procedurę w kontrolowanym laboratorium chemicznym, w dobrze wentylowanym pomieszczeniu. Należy zauważyć, że ta procedura ma szeroki zakres zastosowań, w tym komercyjne oczyszczanie cukru na dużą skalę poprzez krystalizację produktu z cukru surowego i pozostawienie zanieczyszczeń.

Krok

Krok 1. Wybierz odpowiedni rozpuszczalnik

Zapamiętaj termin „podobne rozpuszcza podobne” lub Similia similibus solvuntur, co oznacza, że substancje o podobnej strukturze będą się w sobie rozpuszczać. Na przykład cukry i sole są rozpuszczalne w wodzie, a nie w oleju – a związki niepolarne, takie jak węglowodory, będą rozpuszczać się w niepolarnych rozpuszczalnikach węglowodorowych, takich jak heksan.

• Idealny rozpuszczalnik ma następujące właściwości:

  • Związki rozpuszczalne na gorąco, ale nie rozpuszczają się na zimno.
  • W ogóle nie rozpuszcza żadnych zanieczyszczeń (aby można je było odfiltrować po rozpuszczeniu zanieczyszczonego związku) lub rozpuszczając wszystkie zanieczyszczenia (aby pozostały w roztworze, gdy żądany związek jest krystalizowany).
  • Nie reaguje ze związkami.
  • Nie można palić.
  • Nietoksyczny.
  • Niedrogi.
  • Bardzo lotny (dzięki czemu można go łatwo oddzielić od kryształów).

• Często trudno jest określić najlepszy rozpuszczalnik, który często otrzymuje się eksperymentalnie lub przy użyciu najbardziej niepolarnego dostępnego rozpuszczalnika. Zapoznaj się z poniższą listą najpopularniejszych rozpuszczalników (od najbardziej polarnego do najmniej polarnego). Zwróć uwagę, że rozpuszczalniki, które są blisko siebie, mieszają się (rozpuszczają się nawzajem). Najczęściej używane rozpuszczalniki są pogrubione.

  • Woda (H₂O) jest niepalnym, nietoksycznym rozpuszczalnikiem i rozpuszcza wiele polarnych związków organicznych. Wadą jest wysoka temperatura wrzenia (100 stopni Celsjusza), co sprawia, że jest stosunkowo nielotna i trudna do oddzielenia od kryształów.
  • kwas octowy (CH₃COOH) jest przydatną substancją w reakcjach utleniania, ale reaguje z alkoholami i aminami, dlatego trudno ją rozdzielić (temperatura wrzenia wynosi 118 stopni Celsjusza).
  • Dimetylosulfotlenek (DMSO), metylosulfotlenek (CH₃SOCH₃) stosowany głównie jako rozpuszczalnik do reakcji, rzadko do krystalizacji. Substancja ta wrze w temperaturze 189 stopni Celsjusza i jest trudna do oddzielenia.
  • Metanol (CH₃OH) jest użytecznym rozpuszczalnikiem do rozpuszczania różnych związków o wyższej polarności niż inne alkohole. Temperatura wrzenia: 65 stopni Celsjusza. C.
  • Aceton (CH3COCH3) jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem, wadą jest to, że ma niską temperaturę wrzenia 56 stopni Celsjusza, więc różnica temperatur jest niewielka w rozpuszczalności związku w temperaturze wrzenia i temperaturze pokojowej.
  • 2-butanon, keton metylowo-etylowy, MEK (CH₃COCH₂CH₃) to doskonały rozpuszczalnik o temperaturze wrzenia 80 stopni Celsjusza.
  • Octan etylu (CH₃COOC₂h₅) to doskonały rozpuszczalnik o temperaturze wrzenia 78 stopni Celsjusza.
  • Dichlorometan, chlorek metylenu (CH₂Cl₂) użyteczny jako partner rozpuszczalnika z ligroiną, ale jego temperatura wrzenia wynosząca tylko 35 stopni Celsjusza jest zbyt niska, aby był dobrym rozpuszczalnikiem do krystalizacji. Jednakże. jego temperatura zamarzania wynosi -78 stopni Celsjusza. przy użyciu mydła lodowego lub acetonowego,
  • Eter dietylowy (CH₃CH₂OCH₂CH₃) przydatna jako para rozpuszczalników z ligroiną, ale jej temperatura wrzenia 40 stopni Celsjusza jest zbyt niska, aby uzyskać dobry rozpuszczalnik do krystalizacji.
  • Eter metylowo-t-butylowy (CH₃OC(CH₃)₃) jest tanim rozpuszczalnikiem, dobrym substytutem eteru dietylowego ze względu na wyższą temperaturę wrzenia, 52 stopnie Celsjusza.
  • Dioksan (C₄h₈O₂) jest substancją, która łatwo oddziela się od kryształów, jest łagodnym czynnikiem rakotwórczym, tworzy nadtlenki i ma temperaturę wrzenia 101 stopni Celsjusza.
  • Toluen (C₆h₅CH₃) jest dobrym rozpuszczalnikiem do krystalizacji związków arylowych i zastąpił dotychczas najczęściej stosowane związki benzenu (słabe czynniki rakotwórcze). Wadą jest wysoka temperatura wrzenia 111 stopni Celsjusza, co utrudnia oddzielenie od kryształów.
  • Pentan (C₅h₁₂) Jest szeroko stosowany do związków niepolarnych, często jako rozpuszczalnik do parowania z innymi rozpuszczalnikami. Jego niska temperatura wrzenia oznacza, że ten rozpuszczalnik jest bardziej użyteczny w połączeniu z lodem lub acetonem.
  • Heksan (C₆h₁₄) stosowany do związków niepolarnych, obojętny, często używany jako para rozpuszczalników, temperatura wrzenia 69 stopni Celsjusza.
  • Cykloheksan (C₆h₁₂) podobny do heksanu, ale tańszy i ma temperaturę wrzenia 81 stopni Celsjusza.
  • Eter naftowy jest nasyconą mieszaniną węglowodorów, której głównym składnikiem jest pentan, jest tani i może być stosowany zamiennie z pentanem. Temperatura wrzenia to 30-60 stopni Celsjusza.

  • Ligroina to nasycona mieszanina węglowodorów o właściwościach heksanu.

    Kroki wyboru rozpuszczalnika:

1. W probówce umieścić niewielką ilość kryształków związku zanieczyszczenia i dodać po jednej kropli każdego rozpuszczalnika, aby spłynął po ściance probówki.
2. Jeśli kryształy w probówce rozpuszczają się natychmiast w temperaturze pokojowej, odrzuć rozpuszczalnik, ponieważ duże ilości związku pozostaną rozpuszczalne w niskich temperaturach. Wypróbuj inny rozpuszczalnik.
3. Jeśli kryształy nie rozpuszczą się w temperaturze pokojowej, podgrzej probówkę w gorącej kąpieli piaskowej i obserwuj kryształy. Dodaj kolejną kroplę rozpuszczalnika, jeśli kryształy się nie rozpuściły. Jeśli kryształy rozpuszczają się w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika i ponownie krystalizują po schłodzeniu do temperatury pokojowej, to znalazłeś właściwy rozpuszczalnik. Jeśli nie, wypróbuj inny rozpuszczalnik.

4. Jeżeli po procesie badania rozpuszczalnika nie znaleziono zadowalającego pojedynczego rozpuszczalnika, należy użyć pary rozpuszczalników. Rozpuść kryształy w lepszym rozpuszczalniku (rozpuszczalnik, który, jak udowodniono, rozpuszcza kryształy), a następnie dodaj mniej korzystny rozpuszczalnik do gorącego roztworu, aż stanie się mętny (roztwór jest nasycony substancją rozpuszczoną). Pary rozpuszczalników muszą być ze sobą zmieszane. Niektóre przydatne pary rozpuszczalników to kwas octowy – woda, etanol – woda, dioksan – woda, aceton – etanol, etanol – eter dietylowy, metanol – 2-butanon, octan etylu – cykloheksan, aceton – ligroina, octan etylu – ligroina, eter dietylowy – ligroina, dichlorometan – ligroina, toluen – ligroina.

   

   Krok 2. Rozpuść zanieczyszczenia

   Aby wykonać tę procedurę, umieść związek w probówce. Zmiażdż duże kryształy mieszadłem, aby przyspieszyć rozpuszczanie. Dodawaj rozpuszczalnik kropla po kropli. Aby oddzielić nierozpuszczalne zanieczyszczenia stałe, użyj nadmiaru rozpuszczalnika do rozpuszczenia roztworu i odfiltruj zanieczyszczenia stałe w temperaturze pokojowej (patrz procedura filtracji w kroku 4), a następnie odparowaj rozpuszczalnik. Przed podgrzaniem włożyć drewno aplikatora do probówki, aby uniknąć przegrzania (podgrzanie roztworu powyżej temperatury wrzenia roztworu bez faktycznego wrzenia). Powietrze uwięzione w drewnie wydostanie się na zewnątrz, tworząc zarodki, dzięki czemu roztwór może wrzeć jeszcze bardziej. Alternatywnie użyj perforowanej porcelanowej wrzącej wiórki. Po usunięciu stałych zanieczyszczeń i odparowaniu rozpuszczalnika, dodawaj kropla po kropli, mieszając kryształy mieszadłem szklanym i ogrzewając probówkę w parze lub piasku do całkowitego rozpuszczenia związku przy minimalnej ilości rozpuszczalnika.

   

   Krok 3. Usuń kolor roztworu

   Pomiń ten krok, jeśli roztwór jest bezbarwny lub tylko lekko żółty. Jeżeli roztwór jest zabarwiony (w wyniku tworzenia się produktów ubocznych o dużej masie cząsteczkowej w reakcji chemicznej), należy dodać nadmiar rozpuszczalnika i węgiel aktywowany (węgiel) i gotować roztwór przez kilka minut. Barwne zanieczyszczenia będą adsorbowane na powierzchni węgla aktywnego ze względu na jego wysoki stopień mikroporowatości. Oddziel węgiel drzewny, który już zawiera zaadsorbowane zanieczyszczenia, przez filtrację, jak zostanie wyjaśnione w następnym kroku.

   

   Krok 4. Oddziel ciała stałe przez filtrację

   Filtrację można przeprowadzić przez filtrację grawitacyjną, dekantację lub oddzielenie roztworu za pomocą pipety. Ogólnie rzecz biorąc, nie należy stosować filtracji próżniowej, ponieważ rozpuszczalnik w trakcie procesu ostygnie, więc produkt wykrystalizuje w filtrze.

   • Filtracja grawitacyjna: jest to metoda z wyboru do oddzielania drobnego węgla drzewnego, kurzu, kłaczków i tak dalej. Weź trzy kolby Erlenmeyera ogrzewane gorącą parą lub na gorącej płycie: pierwsza zawiera roztwór do przefiltrowania, druga zawiera kilka mililitrów rozpuszczalnika i lejek bez nóżki, a trzecia zawiera kilka mililitrów roztworu krystalizującego do płukania. Umieść karbowaną bibułę filtracyjną (używaną, ponieważ nie używasz próżni) na lejku bez nóżki (bez nóżki, aby nasycony roztwór nie ostygł i nie zatkał nóżki lejka kryształami) w drugiej kolbie Erlenmeyera. Doprowadź roztwór do przefiltrowania do wrzenia, usuń go ręcznikiem, a następnie wylej roztwór na bibułę filtracyjną. Dodać wrzący rozpuszczalnik z trzeciej kolby Erlenmeyera do kryształów utworzonych na bibule filtracyjnej i w celu przemycia pierwszej kolby Erlenmeyera zawierającej przefiltrowany roztwór dodać podkładkę do bibuły filtracyjnej. Usunąć nadmiar rozpuszczalnika przez gotowanie przefiltrowanego roztworu.
   • Dekantacja: Ta metoda jest stosowana w przypadku dużych zanieczyszczeń stałych. Wlej gorący rozpuszczalnik, aby pozostały nierozpuszczalne ciała stałe.
   • Oddzielanie rozpuszczalnika za pomocą pipety: Ta metoda jest stosowana dla małej ilości roztworu, jeśli zanieczyszczenie stałe jest wystarczająco duże. W dno probówki (okrągłe dno) włożyć pipetę z kwadratową końcówką, a następnie oddzielić ciecz, odsysając ją za pomocą pipety. Pozostaną zanieczyszczenia stałe.

   

   Krok 5. Krystalizuj żądany związek

   Ten etap przeprowadza się przy założeniu, że wszystkie barwne i nierozpuszczalne zanieczyszczenia zostały oddzielone odpowiednimi etapami opisanymi powyżej. Usunąć nadmiar rozpuszczalnika przez gotowanie go lub delikatnie przepuszczając powietrze. Zacznij od roztworu nasyconego substancją rozpuszczoną w temperaturze wrzenia. Powoli schłodzić do temperatury pokojowej. Rozpocznie się krystalizacja. W przeciwnym razie rozpocznij proces od włożenia kryształów zaszczepiających lub rozpocznij w probówce ze szklanym mieszadłem na granicy ciecz-powietrze. Po rozpoczęciu procesu krystalizacji nie przeszkadzać pojemnikowi tworząc duże kryształy. W celu powolnego chłodzenia (aby umożliwić tworzenie się większych kryształów) pojemnik można zaizolować bawełną lub bibułą. Większe kryształy łatwiej oddzielić od zanieczyszczeń. Gdy pojemnik osiągnie pełną temperaturę pokojową, schłodź na lodzie przez około pięć minut, aby zmaksymalizować liczbę kryształów.

   

   Krok 6. Weź i umyj kryształy

   Aby wykonać tę procedurę, odsącz kryształy od lodowatego rozpuszczalnika. Filtrację można przeprowadzić za pomocą lejka Hirscha, lejka Buchnera lub przez oddzielenie rozpuszczalnika za pomocą pipety.

   • Filtracja za pomocą lejka Hirscha: Umieść lejek Hirsha z niepłukaną bibułą filtracyjną w szczelnie zamkniętej kolbie próżniowej. Umieść kolbę z filtrem na lodzie, aby rozpuszczalnik był chłodny. Zwilżyć bibułę filtracyjną rozpuszczalnikiem krystalizującym. Podłącz kolbę do aspiratora, włącz aspirator i upewnij się, że papier filtracyjny jest wciągany przez próżnię do lejka. Wlej i zeskrob kryształy do lejka i usuń próżnię, gdy tylko ciecz oddzieli się od kryształów. Użyć kilku kropli lodowatego rozpuszczalnika do przemycia kolby krystalizacyjnej i wlać ją do lejka, ponownie umieszczając próżnię i usunąć próżnię, gdy tylko cała ciecz zostanie oddzielona od kryształów. Przemyj kryształy kilka razy lodowatym rozpuszczalnikiem, aby usunąć wszelkie pozostałe zanieczyszczenia. Po zakończeniu prania pozostaw odkurzacz, aby wysuszyć kryształki.
   • Filtracja za pomocą lejka Buchnera: Umieścić kawałek niepłukanej bibuły filtracyjnej na dnie lejka Buchnera i zwilżyć go rozpuszczalnikiem. Przymocuj lejek do kolby filtracyjnej za pomocą gumowej lub syntetycznej gumy dopasowującej, aby umożliwić zasysanie próżniowe. Wlej i zeskrob kryształy do lejka, a następnie usuń próżnię, gdy tylko ciecz zostanie oddzielona do kolby i kryształy pozostaną na papierze. Wypłucz kolbę krystalizacyjną lodowatym rozpuszczalnikiem, dodaj do przemytych kryształów, ponownie zainstaluj próżnię i usuń, gdy ciecz oddzieli się od kryształów. Powtórz i umyj tyle kryształów, ile potrzebujesz. Na koniec pozostaw próżnię, aby wysuszyć kryształy.
   • Myć za pomocą pipety, ta metoda służy do mycia kryształów w małych ilościach. Włóż pipetę z kwadratową końcówką na dno probówki (zaokrąglone dno) i oddziel ciecz tak, aby pozostało tylko przemyte ciało stałe.

   

   Krok 7. Wysuszyć umyty produkt

   Końcowe suszenie niewielkich ilości skrystalizowanego produktu można osiągnąć przez wyciśnięcie kryształów między dwoma kawałkami bibuły filtracyjnej i wysuszenie ich na szkiełku zegarkowym.

   Porady

   • Jeśli zastosuje się zbyt mało rozpuszczalnika, krystalizacja może nastąpić zbyt szybko, gdy roztwór zostanie schłodzony. Jeśli krystalizacja jest zbyt szybka, zanieczyszczenia mogą zostać uwięzione w krysztale, tak że cel oczyszczania przez krystalizację nie zostanie osiągnięty. Z drugiej strony, jeśli zastosuje się zbyt dużo rozpuszczalnika, krystalizacja może w ogóle nie wystąpić. Najlepiej, jeśli dodasz trochę więcej rozpuszczalnika po nasyceniu w temperaturze wrzenia. Znalezienie właściwej równowagi wymaga praktyki.
   • Próbując znaleźć idealny rozpuszczalnik za pomocą kilku eksperymentów, zacznij od rozpuszczalników o niższej temperaturze wrzenia i bardziej lotnych, ponieważ łatwiej je rozdzielić.
   • Być może najważniejszym krokiem jest poczekanie, aż gorący roztwór powoli ostygnie i uformują się kryształy. Bardzo ważne jest, aby być cierpliwym i nie dotykać schładzanego roztworu.
   • Jeśli doda się zbyt dużo rozpuszczalnika tak, że utworzy się bardzo mało kryształów, odparuj część rozpuszczalnika przez ogrzewanie i powtórz chłodzenie.