Come cristallizzare i composti organici: 11 passaggi (con immagini)

2024 Autore: Jason Gerald | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 11:19

Cristallizzazione (o ricristallizzazione) è il metodo più importante per la purificazione dei composti organici. Il processo di rimozione delle impurità mediante cristallizzazione comprende la dissoluzione del composto in un solvente caldo adatto, il raffreddamento della soluzione e la saturazione con il composto da purificare, la cristallizzazione della soluzione, l'isolamento mediante filtrazione, il lavaggio della sua superficie con solvente freddo per rimuovere le impurità residue e essiccazione.

Questa procedura viene eseguita al meglio in un laboratorio di chimica controllata, in un'area ben ventilata. Si noti che questa procedura ha una vasta gamma di applicazioni, inclusa la purificazione commerciale su larga scala dello zucchero mediante la cristallizzazione del prodotto dello zucchero grezzo e l'abbandono delle impurità.

Fare un passo

Passaggio 1. Scegliere un solvente adatto

Ricorda il termine "il simile dissolve il simile" o Similia similibus solvuntur, che significa che le sostanze con strutture simili si dissolveranno l'una nell'altra. Ad esempio, zuccheri e sali sono solubili in acqua, non nell'olio e i composti non polari come gli idrocarburi si dissolvono in solventi idrocarburici non polari come l'esano.

• Un solvente ideale ha le seguenti proprietà:

  • Composti solubili a caldo, ma non si dissolvono a freddo.
  • Non dissolvendo affatto le impurità (in modo che possano essere filtrate quando si dissolve un composto impuro), o dissolvendo tutte le impurità (in modo che rimangano in soluzione quando il composto desiderato è cristallizzato).
  • Non reagisce con i composti.
  • Non può bruciare.
  • Non tossico.
  • Economico.
  • Molto volatile (quindi può essere facilmente separato dai cristalli).

• È spesso difficile determinare il miglior solvente, che è spesso ottenuto sperimentalmente o utilizzando il solvente più non polare disponibile. Familiarizzare con il seguente elenco dei solventi più comuni (dal più polare al meno polare). Notare che i solventi che sono vicini tra loro si mescoleranno (si dissolveranno a vicenda). I solventi più utilizzati sono in grassetto.

  • Acqua (H₂o) è un solvente non infiammabile e non tossico e dissolve molti composti organici polari. Lo svantaggio è il suo alto punto di ebollizione (100 gradi Celsius), che lo rende relativamente non volatile e difficile da separare dai cristalli.
  • Acido acetico (CH₃COOH) è una sostanza utile per le reazioni di ossidazione, ma reagisce con alcoli e ammine, ed è quindi difficile da separare (punto di ebollizione 118 gradi Celsius).
  • Dimetilsolfossido (DMSO), metilsolfossido (CH₃SOCH₃) utilizzato principalmente come solvente per reazioni, raramente per cristallizzazione. Questa sostanza bolle a 189 gradi Celsius ed è difficile da separare.
  • Metanolo (CH₃OH) è un solvente utile per dissolvere vari composti con una polarità maggiore rispetto ad altri alcoli. Punto di ebollizione: 65 gradi Celsius. C.
  • Acetone (CH3COCH3) è un ottimo solvente, lo svantaggio è che ha un basso punto di ebollizione di 56 gradi Celsius, quindi la differenza di temperatura è piccola nella solubilità del composto al punto di ebollizione e a temperatura ambiente.
  • 2-butanone, metiletilchetone, MEK (CH₃COCH₂CH₃) è un solvente perfetto con un punto di ebollizione di 80 gradi Celsius.
  • Acetato di etile (CH₃COOC₂h₅) è un solvente perfetto con un punto di ebollizione di 78 gradi Celsius.
  • Diclorometano, cloruro di metilene (CH₂Cl₂) utile come partner solvente con la ligroina, ma il suo punto di ebollizione di soli 35 gradi Celsius è troppo basso per produrre un buon solvente di cristallizzazione. Però. il suo punto di congelamento è -78 gradi Celsius. usando ghiaccio o sapone all'acetone,
  • Etere dietilico (CH₃CH₂OCH₂CH₃) utile come coppia di solventi con la ligroina, ma il suo punto di ebollizione di 40 gradi Celsius è troppo basso per fare un buon solvente di cristallizzazione.
  • Metil t-butil etere (CH₃OC(CH₃)₃) è un solvente poco costoso, un buon sostituto dell'etere etilico grazie al suo punto di ebollizione più alto, 52 gradi Celsius.
  • Diossano (C₄h₈oh₂) è una sostanza che si separa facilmente dai cristalli, è un blando cancerogeno, forma perossidi e ha un punto di ebollizione di 101 gradi Celsius.
  • Toluene (C₆h₅CH₃) è un buon solvente per la cristallizzazione dei composti arilici e ha sostituito i composti benzenici precedentemente più comunemente usati (cancerogeni deboli). Lo svantaggio è il suo alto punto di ebollizione, 111 gradi Celsius, che rende difficile la separazione dai cristalli.
  • Pentano (Do₅h₁₂) È ampiamente utilizzato per composti non polari, spesso come solvente di accoppiamento con altri solventi. Il suo basso punto di ebollizione significa che questo solvente è più utile se usato insieme a ghiaccio o acetone.
  • Esano (C₆h₁₄) utilizzato per composti non polari, inerte, spesso utilizzato come coppia di solventi, punto di ebollizione 69 gradi Celsius.
  • Cicloesano (C₆h₁₂) simile all'esano, ma più economico e ha un punto di ebollizione di 81 gradi Celsius.
  • L'etere di petrolio è una miscela di idrocarburi satura il cui componente principale è il pentano, è poco costoso e può essere usato in modo intercambiabile con il pentano. Il punto di ebollizione è 30-60 gradi Celsius.

  • La ligroina è una miscela di idrocarburi satura che ha le proprietà dell'esano.

    Passaggi per la scelta di un solvente:

1. Metti una piccola quantità di cristalli del composto di impurità in una provetta e aggiungi una goccia di ciascun solvente, in modo che possa scorrere lungo il lato della provetta.
2. Se i cristalli nella provetta si dissolvono immediatamente a temperatura ambiente, scartare il solvente perché grandi quantità del composto rimarranno solubili a basse temperature. Prova un solvente diverso.
3. Se i cristalli non si dissolvono a temperatura ambiente, riscaldare la provetta in un bagno di sabbia calda e osservare i cristalli. Aggiungere un'altra goccia di solvente se i cristalli non si sono sciolti. Se i cristalli si dissolvono al punto di ebollizione del solvente e cristallizzano di nuovo una volta raffreddati a temperatura ambiente, hai trovato il solvente giusto. In caso contrario, prova con un altro solvente.

4. Se, dopo il processo di test del solvente, non viene trovato un singolo solvente soddisfacente, utilizzare una coppia di solventi. Sciogliere i cristalli nel solvente migliore (un solvente che ha dimostrato di dissolvere i cristalli), quindi aggiungere il solvente meno favorevole alla soluzione calda finché non diventa torbido (la soluzione è satura di soluto). Le coppie di solventi devono essere mescolate tra loro. Alcune coppie di solventi utili sono acido acetico - acqua, etanolo - acqua, diossano - acqua, acetone - etanolo, etanolo - dietil etere, metanolo - 2-butanone, etil acetato - cicloesano, acetone - ligroina, etil acetato - ligroina, dietil etere - ligroina, diclorometano - ligroina, toluene - ligroina.

   

   Passaggio 2. Sciogliere il composto di impurità

   Per eseguire questa procedura, metti il composto in una provetta. Schiacciare i grandi cristalli con un agitatore per accelerare la dissoluzione. Aggiungere goccia a goccia il solvente. Per separare le impurità solide insolubili, utilizzare il solvente in eccesso per sciogliere la soluzione e filtrare le impurità solide a temperatura ambiente (vedere la procedura di filtrazione al punto 4), quindi evaporare il solvente. Prima di riscaldare, inserire l'applicatore di legno nella provetta per evitare il surriscaldamento (riscaldando la soluzione al di sopra del punto di ebollizione della soluzione senza effettivamente bollire). L'aria intrappolata nel legno uscirà a formare dei nuclei in modo che la soluzione possa bollire ancora di più. In alternativa, utilizzare un chip bollente in porcellana perforata. Dopo aver rimosso le impurità solide ed evaporato il solvente, aggiungere goccia a goccia il solvente agitando i cristalli con un agitatore di vetro e scaldando la provetta in vapore o sabbia fino a completa dissoluzione del composto con minimo solvente.

   

   Passaggio 3. Rimuovere il colore della soluzione

   Salta questo passaggio se la soluzione è incolore o solo leggermente gialla. Se la soluzione è colorata (a causa della formazione di sottoprodotti ad alto peso molecolare nella reazione chimica), aggiungere solvente in eccesso e carbone attivo (carbone) e far bollire la soluzione per alcuni minuti. Le impurità colorate verranno adsorbite sulla superficie del carbone attivo a causa del suo alto grado di microporosità. Separare il carbone che contiene già le impurità adsorbite mediante filtrazione, come verrà spiegato nel passaggio successivo.

   

   Passaggio 4. Separare i solidi mediante filtrazione

   La filtrazione può essere effettuata mediante filtrazione per gravità, decantazione o separazione della soluzione utilizzando una pipetta. In generale, non utilizzare la filtrazione sotto vuoto poiché il solvente si raffredderà durante il processo, quindi il prodotto si cristallizzerà nel filtro.

   • Filtrazione per gravità: questo è il metodo di scelta per separare carbone fine, polvere, lanugine e così via. Prendete tre beute di Erlenmeyer riscaldate a vapore caldo o su piastra calda: la prima contiene la soluzione da filtrare, la seconda contiene alcuni millilitri di solvente e un imbuto senza stelo, mentre la terza contiene alcuni millilitri della soluzione cristallizzante da utilizzare per il lavaggio. Mettere la carta da filtro scanalata (usata perché non si utilizza il vuoto) su un imbuto senza stelo (senza stelo in modo che la soluzione satura non si raffreddi e ostruisca lo stelo dell'imbuto con i cristalli) nella seconda beuta. Portare a ebollizione la soluzione da filtrare, rimuoverla con un asciugamano, quindi versare la soluzione sulla carta da filtro. Aggiungere il solvente bollente della terza beuta di Erlenmeyer ai cristalli formati sulla carta da filtro e per lavare la prima beuta contenente la soluzione filtrata, aggiungere la rondella alla carta da filtro. Rimuovere il solvente in eccesso facendo bollire la soluzione filtrata.
   • Decantazione: questo metodo viene utilizzato per grandi impurità solide. Versare il solvente caldo, in modo che i solidi insolubili vengano lasciati indietro.
   • Separazione del solvente tramite pipetta: Questo metodo viene utilizzato per piccole quantità di soluzione se l'impurità solida è sufficientemente grande. Inserire una pipetta con punta quadrata nel fondo della provetta (fondo circolare), quindi separare il liquido aspirandolo con la pipetta. Le impurità solide rimarranno indietro.

   

   Passaggio 5. Cristallizzare il composto desiderato

   Questa fase viene eseguita partendo dal presupposto che tutte le impurezze colorate e insolubili siano state separate dalle fasi appropriate sopra descritte. Rimuovere l'eventuale solvente in eccesso facendolo bollire o facendo scorrere delicatamente l'aria. Inizia con una soluzione saturata con il soluto al punto di ebollizione. Lasciar raffreddare lentamente a temperatura ambiente. Inizierà la cristallizzazione. Altrimenti, avviare il processo inserendo i cristalli di semi o iniziare in un tubo con un agitatore di vetro all'interfaccia liquido-aria. Una volta avviato il processo di cristallizzazione, non disturbare il contenitore per formare grandi cristalli. Per un raffreddamento lento (per consentire la formazione di cristalli più grandi), puoi isolare il contenitore con cotone o carta velina. I cristalli più grandi sono più facili da separare dalle impurità. Una volta che il contenitore è completamente a temperatura ambiente, raffreddare in ghiaccio per circa cinque minuti per massimizzare il numero di cristalli.

   

   Passaggio 6. Prendi e lava i cristalli

   Per eseguire questa procedura, separare i cristalli dal solvente ghiacciato mediante filtrazione. La filtrazione può essere effettuata con un imbuto Hirsch, un imbuto Buchner o separando il solvente con una pipetta.

   • Filtrazione con un imbuto Hirsch: Collocare un imbuto Hirsh con carta da filtro non lavata in un pallone da vuoto ben chiuso. Mettere la beuta del filtro sul ghiaccio per mantenere il solvente fresco. Bagnare la carta da filtro con il solvente cristallizzante. Collegare il pallone all'aspiratore, accendere l'aspiratore e assicurarsi che la carta da filtro venga tirata dall'aspirapolvere nell'imbuto. Versare e raschiare i cristalli nell'imbuto e togliere il vuoto non appena il liquido si sarà separato dai cristalli. Utilizzare alcune gocce di solvente ghiacciato per lavare il pallone di cristallizzazione e versarlo nell'imbuto reinserindo il vuoto, e rimuovere il vuoto non appena tutto il liquido si è separato dai cristalli. Lavare i cristalli più volte con un solvente ghiacciato per rimuovere eventuali impurità residue. Quando hai finito di lavare, lascia l'aspirapolvere acceso per asciugare i cristalli.
   • Filtrazione con imbuto Buchner: Mettere un pezzo di carta da filtro non lavata sul fondo dell'imbuto Buchner e inumidirlo con del solvente. Fissare l'imbuto alla beuta del filtro con un adattatore di gomma o gomma sintetica per consentire l'aspirazione del vuoto. Versare e raschiare i cristalli nell'imbuto, quindi togliere il vuoto non appena il liquido si è separato nella beuta ei cristalli restano sulla carta. Sciacquare il pallone di cristallizzazione con un solvente ghiacciato, aggiungere ai cristalli lavati, reinstallare il vuoto e rimuovere quando il liquido si è separato dai cristalli. Ripeti e lava tutti i cristalli necessari. Lasciare il vuoto per asciugare i cristalli alla fine.
   • Lavare con una pipetta, questo metodo viene utilizzato per lavare i cristalli in piccole quantità. Inserire una pipetta con punta quadrata nel fondo di una provetta (fondo arrotondato) e separare il liquido in modo che rimanga solo il solido lavato.

   

   Passaggio 7. Asciugare il prodotto lavato

   L'essiccazione finale di piccole quantità di prodotto cristallizzato può essere ottenuta schiacciando i cristalli tra due pezzi di carta da filtro e asciugandoli su un vetro da orologio.

   Suggerimenti

   • Se viene utilizzato troppo poco solvente, la cristallizzazione può verificarsi troppo rapidamente quando la soluzione viene raffreddata. Se la cristallizzazione è troppo veloce, le impurità possono essere intrappolate nel cristallo, così che lo scopo della purificazione per cristallizzazione non viene raggiunto. D'altra parte, se si usa troppo solvente, la cristallizzazione potrebbe non verificarsi affatto. È meglio se aggiungi un po' più di solvente una volta che è saturo al punto di ebollizione. Trovare il giusto equilibrio richiede pratica.
   • Quando si cerca di trovare il solvente ideale attraverso diversi esperimenti, iniziare prima con i solventi a basso punto di ebollizione e più volatili, poiché sono più facili da separare.
   • Forse il passo più importante è aspettare che la soluzione calda si raffreddi lentamente e permetta la formazione dei cristalli. È molto importante essere pazienti e non toccare la soluzione che viene raffreddata.
   • Se si aggiunge troppo solvente in modo da formare pochissimi cristalli, far evaporare parte del solvente riscaldando e ripetere il raffreddamento.