Ako kryštalizovať organické zlúčeniny: 10 krokov (s obrázkami)

Kryštalizácia (alebo rekryštalizácia) je najdôležitejšou metódou čistenia organických zlúčenín. Proces odstraňovania nečistôt kryštalizáciou zahŕňa rozpustenie zlúčeniny vo vhodnom horúcom rozpúšťadle, ochladenie roztoku a jeho nasýtenie čistenou zlúčeninou, jej vykryštalizovanie z roztoku, izoláciu filtráciou, premytie jej povrchu studeným rozpúšťadlom na odstránenie zvyšných nečistôt a vysušenie.[1]

Najlepšie je to urobiť v kontrolovanom chemickom laboratóriu, v dobre vetranom priestore. Všimnite si, že tento postup má široké využitie vrátane komerčného čistenia cukru vo veľkom meradle kryštalizáciou surového cukrového produktu, pri ktorej zostávajú nečistoty.[2]

Kroky


Vedieť, čo je vhodné rozpúšťadlo. Zapamätajte si príslovie „podobné sa rozpúšťa podobne“: polárne zlúčeniny sa rozpúšťajú v polárnych rozpúšťadlách, nepolárne zlúčeniny sa rozpúšťajú v nepolárnych rozpúšťadlách. Napríklad cukor a soľ (polárne zlúčeniny) sa rozpúšťajú vo vode (polárne rozpúšťadlo), ale nie v oleji (nepolárne rozpúšťadlo).[3]

  • Ideálne rozpúšťadlo by malo mať tieto vlastnosti:
    • Rozpustí zlúčeninu, keď je roztok horúci, ale nie, keď je roztok studený.
    • Buď sa nečistoty vôbec nerozpustia (takže môžu byť odfiltruje sa pri rozpúšťaní nečistej zlúčeniny), alebo také, ktoré ich veľmi dobre rozpustia (takže zostanú v roztoku, keď sa požadovaná zlúčenina vykryštalizované).
    • Nereaguje so zlúčeninou.
    • Je nehorľavý.
    • Je netoxický.
    • Je lacný.
    • Je veľmi prchavá (takže sa dá ľahko odstrániť z kryštálov).

Zvážte svoje možnosti. Často je ťažké rozhodnúť o najlepšom rozpúšťadle; rozpúšťadlo sa často vyberá experimentovaním alebo použitím najpolárnejšieho dostupného rozpúšťadla. Oboznámte sa s nasledujúcim zoznamom bežných rozpúšťadiel (od najpolárnejších po najmenej polárne). Všimnite si, že rozpúšťadlá, ktoré spolu susedia, sú miešateľné (rozpúšťajú sa v sebe). Bežne používané rozpúšťadlá sú vyznačené tučným písmom.[4]

    • Voda (H2O) je nehorľavý, netoxický, lacný a rozpúšťa mnohé polárne organické zlúčeniny; jeho nevýhodou je vysoký bod varu (100 °C), čo ho robí relatívne neprchavým a ťažko odstrániteľným z kryštálov, pokiaľ nie sú sušené vo vákuu v exikátore.
    • Kyselina octová (CH3COOH) je užitočný pri oxidačnej reakcii, ale reaguje s alkoholmi a amínmi, a preto sa ťažko odstraňuje (bod varu je 118 °C).
    • Dimetylsulfoxid (DMSO), metylsulfoxid (CH3SOCH3) používa sa najmä ako rozpúšťadlo pri reakciách; zriedkavo na kryštalizáciu. Vrie pri 189 °C (372 °F) a ťažko sa odstraňuje.
    • Metanol (CH3OH) je užitočné rozpúšťadlo, ktoré rozpúšťa zlúčeniny s vyššou polaritou ako iné alkoholy. Bod varu: 65 °C (149 °F).
    • Acetón (CH3COCH3) je vynikajúcim rozpúšťadlom; jeho nevýhodou je nízky bod varu 56 °C (133 °F), ktorý umožňuje malý rozdiel v rozpustnosti zlúčeniny pri jej bode varu a pri izbovej teplote.
    • Butanón (metylétylketón, MEK) (CH3COCH2CH3) je vynikajúcim rozpúšťadlom s bodom varu 80 °C (176 °F).
    • Etylacetát (CH3COOC2H5) je vynikajúcim rozpúšťadlom s bodom varu 78 °C (172 °F).
    • Dichlórmetán, metylénchlorid (CH2Cl2) ) je užitočný ako dvojica rozpúšťadiel s ligroínom, ale jeho bod varu 35 °C (95 °F) je príliš nízky na to, aby bol dobrým rozpúšťadlom na kryštalizáciu. Môže sa však ochladiť na -78 °C pomocou suchého ľadu/acetónového kúpeľa,
    • Dietyléter (CH3CH2OCH2CH3) je užitočný ako dvojica rozpúšťadiel s ligroínom, ale jeho bod varu, 35 °C (95 °F), je príliš nízky na to, aby bol dobrým rozpúšťadlom na kryštalizáciu, pokiaľ sa nepoužije so suchým ľadom/acetónovým kúpeľom.
    • Metyl tert-butyléter (CH3OC(CH3)3) je lacná, dobrá náhrada dietyléteru vzhľadom na jeho vyšší bod varu, 52 °C (126 °F).
    • Dioxán (C4H8O2) ľahko sa odstraňuje z kryštálov; mierny karcinogén; tvorí peroxidy; bod varu 101 °C (214 °F).
    • Toluén (C6H5CH3) je vynikajúcim rozpúšťadlom na kryštalizáciu arylových zlúčenín a nahradil kedysi bežne používaný benzén (slabý karcinogén); nevýhodou je vysoký bod varu 111 °C (232 °F), čo sťažuje jeho odstránenie z kryštálov.
    • Pentán (C5H12) ) je široko používaný pre nepolárne zlúčeniny; často sa používa ako dvojica rozpúšťadiel s iným rozpúšťadlom. Nízky bod varu znamená, že je užitočnejší v spojení so suchým ľadom/acetónovým kúpeľom.
    • Hexán (C6H14) používa sa pre nepolárne zlúčeniny; inertný; často sa používa v dvojici rozpúšťadiel; bod varu 69 °C (156 °F).
    • Cyklohexán (C6H12) je podobné hexánu, ale lacnejšie a má bod varu 81 °C (178 °F).
    • Ropný éter, známy aj ako ligroín, je zmes nasýtených uhľovodíkov, ktorých hlavnou zložkou je pentán; lacný a používa sa zameniteľne s pentánom; bod varu 30-60 °C (86-140 °F).

Vyberte si rozpúšťadlo:[5]

  • Do skúmavky vložte niekoľko kryštálov nečistej zlúčeniny a pridajte jednu kvapku rozpúšťadla, nechajte ho stiecť po strane skúmavky.
  • Ak sa kryštály okamžite rozpustia pri izbovej teplote, odmietnuť rozpúšťadlo pretože pri nízkej teplote zostane rozpustené príliš veľké množstvo zlúčeniny, a skúste iné rozpúšťadlo. Ak plánujete počas rekryštalizácie ochladiť rozpúšťadlo výrazne pod izbovú teplotu, (i.e. pomocou suchého ľadového/acetónového kúpeľa), potom vykonajte túto skúšku s použitím vopred ochladeného rozpúšťadla.
  • Ak sa kryštály nerozpustia v studenom rozpúšťadle, zahrejte skúmavku na horúcom pieskovom kúpeli alebo pomocou teplovzdušnej pištole a pozorujte kryštály. Ak sa nerozpustia, pridajte ďalšiu kvapku rozpúšťadla. Ak sa rozpúšťajú pri teplote varu rozpúšťadla a potom po ochladení na izbovú teplotu opäť kryštalizujú, našli ste vhodné rozpúšťadlo. Ak nie, vyskúšajte iné rozpúšťadlo.
  • Ak sa po procese pokusov a omylov – a nenájde sa jediné vyhovujúce rozpúšťadlo – použije sa dvojica rozpúšťadiel. Kryštály rozpustite v lepšom rozpúšťadle (v ktorom sa ľahko rozpúšťajú) a horšie rozpúšťadlo pridajte do horúce roztok sa zakalí (roztok je nasýtený rozpustenou látkou). Dvojica rozpúšťadiel musí byť navzájom miešateľná. Niektoré užitočné dvojice rozpúšťadiel sú kyselina octová-voda, etanol-voda, acetón-voda, dioxán-voda, acetón-etanol, etanol-dietyléter, metanol-2Butanon, etylacetát-cyklohexán, acetón-ligroín, etylacetát-ligroín, dietyléter-ligroín, dichlórmetán-ligroín, toluén-ligroín.


Rozpustite nečistú zlúčeninu: Na tento účel umiestnite danú zlúčeninu do skúmavky. Rozdrvte veľké kryštály miešacou tyčinkou, aby ste podporili rozpúšťanie. Pridávajte rozpúšťadlo po kvapkách. Ak chcete odstrániť nerozpustné pevné nečistoty, použite prebytočné rozpúšťadlo na zriedenie roztoku a odfiltrujte pevné nečistoty pri izbovej teplote (postup filtrácie pozri v kroku 4), potom odparte rozpúšťadlo. Pred zahrievaním vložte do skúmavky drevenú aplikačnú tyčinku, aby ste zabránili prehriatiu (zahriatiu roztoku nad bod varu rozpúšťadla bez toho, aby skutočne vrel). Vzduch zachytený v dreve vyjde von a vytvorí jadrá umožniť rovnomerné varenie. Alternatívne možno použiť porézne porcelánové varné triesky. Po odstránení pevných nečistôt a odparení rozpúšťadla pridávajte rozpúšťadlo po kvapkách, pričom miešajte kryštály sklenenou tyčinkou a zahrievajte skúmavku na parnom kúpeli alebo pieskovom kúpeli, kým sa zlúčenina úplne nerozpustí s minimálnym množstvom rozpúšťadla.[6]

  • Ak pracujete so zlúčeninou, ktorej teplota topenia je nižšia ako teplota varu rozpúšťadla, uistite sa, že sa neroztopila bez rozpustenia. Ak vidíte dve vrstvy kvapaliny, pridajte trochu viac rozpúšťadla.

  • Odfarbenie roztoku. Tento krok vynechajte, ak je roztok bezfarebný alebo má len svetlý odtieň žltej farby. Ak je roztok sfarbený (čo je dôsledok tvorby vysokomolekulových vedľajších produktov chemických reakcií), pridajte prebytočné rozpúšťadlo a aktívne uhlie (uhlie) a niekoľko minút varte roztok. Farebné nečistoty sa adsorbujú na povrch aktívneho uhlia vďaka jeho vysokému stupňu mikropórovitosti. Uhlie s adsorbovanými nečistotami odstráňte filtráciou, ako je opísané v ďalšom kroku.


    Pevné častice odstráňte filtráciou. Filtrácia sa môže vykonať gravitačnou filtráciou, dekantáciou alebo odstránením rozpúšťadla pomocou pipety. Vo všeobecnosti nepoužívajte vákuovú filtráciu, pretože horúce rozpúšťadlo sa počas procesu ochladí, čo umožní kryštalizáciu produktu vo filtri. Ak nie sú žiadne nerozpustné nečistoty, tento krok vynechajte.[7]

    • Gravitačná filtrácia: táto metóda sa používa na odstránenie jemného uhlia, prachu, žmolkov atď. Pripravte si tri Erlenmeyerove banky zahriate na parnom kúpeli alebo horúcej platni: jedna obsahuje roztok, ktorý sa má filtrovať, druhá obsahuje niekoľko mililitrov rozpúšťadla a lievik bez stopky a tretia obsahuje niekoľko mililitrov kryštalizačného rozpúšťadla, ktoré sa použije na oplachovanie. Vložte ryhovaný filtračný papier (užitočný, pretože nepoužívate vákuum) do lievika bez stopky (bez stopky, aby sa zabránilo ochladeniu nasýteného roztoku a upchatiu stopky kryštálmi) nad druhú Erlenmeyerovu banku. Roztok, ktorý sa má filtrovať, priveďte do varu, uchopte ho do uteráka a roztok nalejte na filtračný papier. Pridajte vriace rozpúšťadlo z tretej Erlenmeyerovej banky na všetky kryštáliky vytvorené na filtračnom papieri a na vypláchnutie prvej Erlenmeyerovej banky, ktorá obsahovala filtrovaný roztok, a pridajte výplach na filtračný papier. Odstráňte prebytočné rozpúšťadlo varením prefiltrovaného roztoku.
    • Dekantácia: Používa sa v prípade veľkých pevných nečistôt (i.e. rozbité sklo). Jednoducho odlejte (dekantujte) horúce rozpúšťadlo, pričom nerozpustné pevné látky zostanú.
    • Odstránenie rozpúšťadla pomocou pipety: Toto sa používa pre malé množstvo roztoku a ak sú tuhé nečistoty dostatočne veľké. Vložte pipetu so štvorcovou špičkou do dna skúmavky (zaoblené dno) a odstráňte kvapalinu pomocou odsávania, pričom tuhé nečistoty zostanú.


    Kryštalizujte zlúčeninu, ktorá vás zaujíma. Tento krok predpokladá, že všetky farebné nečistoty a nerozpustné nečistoty boli odstránené príslušnými krokmi uvedenými vyššie. Odstráňte prebytočné rozpúšťadlo jeho vyvarením alebo vyfúknutím jemným prúdom vzduchu, alebo rotačným odparovaním. Vychádzajte z roztoku nasýteného rozpustenou látkou pri bode varu. Nechajte ju vychladnúť pomaly na izbovú teplotu. Mala by sa začať kryštalizácia. Ak nie, spustite proces pridaním zárodočného kryštálu alebo poškrabaním vnútra skúmavky sklenenou tyčinkou na rozhraní kvapaliny a vzduchu. Po začatí kryštalizácie dbajte na to, aby ste nádobu nenarušili a umožnili tvorbu veľkých kryštálov. Na podporu pomalého ochladzovania (ktoré umožňuje tvorbu väčších kryštálov) môžete nádobu izolovať bavlnou alebo papierovými utierkami. Väčšie kryštály sa ľahšie oddelia od nečistôt. Po úplnom ochladení nádoby na izbovú teplotu ju chladte v ľadovom alebo inom chladiacom kúpeli približne päť minút, aby ste maximalizovali množstvo kryštálov.[8]

    • Ak po ochladení vidíte dve vrstvy kvapaliny, vaša zlúčenina má naolejované; inými slovami, vypadla z roztoku pri teplote vyššej ako je jej teplota topenia. K tomu môže dôjsť najmä vtedy, ak pracujete s pevnou látkou s nízkou teplotou topenia. V tomto prípade pridajte trochu viac rozpúšťadla, znovu zahrejte a skúste to znova. Pred ochladením skúste pridať zárodočný kryštál (ak je k dispozícii) alebo poškriabte vnútro nádoby, aby ste podporili začiatok kryštalizácie.


    Zozbierajte a premyte kryštály: Na tento účel oddeľte kryštály od ľadového rozpúšťadla filtráciou. Toto sa môže vykonať pomocou Hirschovho lievika, Buchnerovho lievika alebo odstránením rozpúšťadla pomocou pipety.[9]

    • Filtrácia pomocou Hirschovho lievika: Umiestnite Hirschov lievik s bez roztoku filtračný papier vo vákuovej banke. Umiestnite filtračnú banku do ľadu, aby sa rozpúšťadlo udržalo v chlade. navlhčite filtračný papier kryštalizačným rozpúšťadlom. Pripojte banku k odsávačke, zapnite odsávačku a presvedčte sa, že filtračný papier je podtlakom stiahnutý na lievik. Kryštály vylejte a zoškrabte na lievik a prerušte vákuum hneď, ako sa z kryštálov odstráni všetka kvapalina. Na opláchnutie kryštalizačnej banky použite niekoľko kvapiek ľadového rozpúšťadla a nalejte ho na lievik, pričom znovu nasaďte vákuum, a vákuum prerušte hneď, ako sa z kryštálov odstráni všetka kvapalina. Kryštály ešte niekoľkokrát premyte ľadovým rozpúšťadlom, aby ste odstránili všetky zvyškové nečistoty. Na konci premývania nechajte zapnuté vákuum, aby sa kryštály vysušili.
    • Filtrácia pomocou Buchnerovho lievika: Umiestnite kúsok neflourované filtračný papier na dne Buchnerovho lievika a navlhčite ho rozpúšťadlom. Priložte lievik tesne k filtračnej banke pomocou adaptéra z gumy alebo syntetickej gumy, aby sa umožnilo vákuové nasávanie. Nalejte a zoškrabte kryštály na lievik a prerušte vákuum hneď po odstránení kvapaliny do banky, pretože kryštály zostanú na papieri. Vypláchnite kryštalizačnú banku ľadovým rozpúšťadlom, pridajte ho k premytým kryštálom, znovu použite vákuum a po odstránení kvapaliny z kryštálov vákuum prerušte. Opakujte a premývajte kryštály toľkokrát, koľkokrát je to potrebné. Na konci nechajte zapnuté vákuum, aby sa kryštály vysušili.
    • Premývanie pomocou pipety: Používa sa na malé množstvo kryštálov, ktoré sa majú premývať. Vložte pipetu so štvorcovým hrotom na dno skúmavky (zaoblené dno) a odstráňte kvapalinu, pričom premyté pevné látky zostanú.

  • Premytý produkt vysušte: Konečné sušenie malého množstva vykryštalizovaného výrobku sa môže uskutočniť tak, že kryštáliky stlačíte medzi listy filtračného papiera a necháte ich vyschnúť na hodinovom skle; prípadne ich môžete umiestniť do banky s okrúhlym dnom a nechať ich na vákuovej linke asi hodinu.[10]
  • Odkazy