Jak krystalizovat organické sloučeniny: 11 kroků (s obrázky)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 11:01

Krystalizace (nebo rekrystalizace) je nejdůležitější metodou pro čištění organických sloučenin. Proces odstraňování nečistot krystalizací zahrnuje rozpuštění sloučeniny ve vhodném horkém rozpouštědle, ochlazení roztoku a jeho nasycení čištěnou sloučeninou, krystalizaci roztoku, jeho izolaci filtrací, omytí jeho povrchu studeným rozpouštědlem k odstranění zbytkových nečistot a sušení.

Tento postup se nejlépe provádí v kontrolované chemické laboratoři, v dobře větraném prostoru. Všimněte si, že tento postup má širokou škálu aplikací, včetně rozsáhlého komerčního čištění cukru krystalizací surového cukrového produktu a zanecháním nečistot za sebou.

Krok

Krok 1. Vyberte vhodné rozpouštědlo

Pamatujte na výraz „jako se rozpouští jako“nebo Similia similibussoluntur, což znamená, že látky s podobnou strukturou se budou navzájem rozpouštět. Cukry a soli jsou například rozpustné ve vodě, nikoli v oleji - a nepolární sloučeniny, jako jsou uhlovodíky, se rozpustí v nepolárních uhlovodíkových rozpouštědlech, jako je hexan.

• Ideální rozpouštědlo má následující vlastnosti:

  • Za horka rozpustné sloučeniny, ale za studena se nerozpouštějí.
  • Nerozpouští vůbec žádné nečistoty (aby mohly být odfiltrovány, když je rozpuštěna nečistá sloučenina), nebo rozpustí všechny nečistoty (takže zůstávají v roztoku, když je požadovaná sloučenina krystalizována).
  • Nereaguje se sloučeninami.
  • Nelze spálit.
  • Netoxický.
  • Levný.
  • Velmi těkavý (takže jej lze snadno oddělit od krystalů).

• Je často obtížné určit nejlepší rozpouštědlo, které se často získává experimentálně nebo použitím nejpolárnějšího dostupného rozpouštědla. Seznamte se s následujícím seznamem nejběžnějších rozpouštědel (od nejvíce polárních po nejméně polární). Všimněte si, že rozpouštědla, která jsou blízko sebe, se smísí (rozpustí se navzájem). Nejčastěji používaná rozpouštědla jsou vyznačena tučně.

  • Voda (H.₂Ó) je nehořlavé, netoxické rozpouštědlo a rozpouští mnoho polárních organických sloučenin. Nevýhodou je vysoký bod varu (100 stupňů Celsia), díky čemuž je relativně netěkavý a obtížně se odděluje od krystalů.
  • Kyselina octová (CH₃COOH) je užitečnou látkou pro oxidační reakce, ale reaguje s alkoholy a aminy, a proto se obtížně odděluje (teplota varu je 118 stupňů Celsia).
  • Dimethylsulfoxid (DMSO), methylsulfoxid (CH₃SOCH₃) používá se hlavně jako rozpouštědlo pro reakce, zřídka pro krystalizaci. Tato látka vře při 189 stupních Celsia a je těžké ji oddělit.
  • Methanol (CH₃ACH) je užitečné rozpouštědlo pro rozpouštění různých sloučenin s vyšší polaritou než jiné alkoholy. Bod varu: 65 stupňů Celsia. C.
  • Aceton (CH3COCH3) je velmi dobré rozpouštědlo, nevýhodou je, že má nízký bod varu 56 stupňů Celsia, takže rozdíl teplot je malý v rozpustnosti sloučeniny při teplotě varu a teplotě místnosti.
  • 2-butanon, methylethylketon, MEK (CH₃COCH₂CH₃) je dokonalým rozpouštědlem s bodem varu 80 stupňů Celsia.
  • Ethylacetát (CH₃COOC₂H₅) je dokonalé rozpouštědlo s bodem varu 78 stupňů Celsia.
  • Dichlormethan, methylenchlorid (CH₂Cl₂) užitečné jako rozpouštědlový partner s ligroinem, ale jeho bod varu pouze 35 stupňů Celsia je příliš nízký na to, aby bylo dobrým krystalizačním rozpouštědlem. Nicméně. jeho bod mrazu je -78 stupňů Celsia. pomocí ledového nebo acetonového mýdla,
  • Diethylether (CH₃CH₂OCH₂CH₃) užitečné jako pár rozpouštědel s ligroinem, ale jeho bod varu 40 stupňů Celsia je příliš nízký na to, aby bylo dobrým krystalizačním rozpouštědlem.
  • Methyl t -butylether (CH₃OC (CH₃)₃) je levné rozpouštědlo, které je díky vysokému bodu varu 52 stupňů Celsia dobrou náhražkou diethyletheru.
  • Dioxan (C.₄H₈Ó₂) je látka, která se snadno odděluje od krystalů, je mírným karcinogenem, tvoří peroxidy a má bod varu 101 stupňů Celsia.
  • Toluen (C.₆H₅CH₃) je dobrým rozpouštědlem pro krystalizaci arylových sloučenin a nahradilo dříve nejčastěji používané benzenové sloučeniny (slabé karcinogeny). Nevýhodou je vysoký bod varu, 111 stupňů Celsia, což ztěžuje jeho oddělení od krystalů.
  • Pentan (C.₅H₁₂) Je široce používán pro nepolární sloučeniny, často jako párovací rozpouštědlo s jinými rozpouštědly. Jeho nízký bod varu znamená, že toto rozpouštědlo je užitečnější ve spojení s ledem nebo acetonem.
  • Hexan (C.₆H₁₄) používá se pro nepolární sloučeniny, inertní, často se používá jako pár rozpouštědel, bod varu 69 stupňů Celsia.
  • Cyklohexan (C.₆H₁₂) podobný hexanu, ale levnější a má bod varu 81 stupňů Celsia.
  • Petrolether je nasycená směs uhlovodíků, jejíž hlavní složkou je pentan, je levný a lze jej zaměnit s pentanem. Bod varu je 30-60 stupňů Celsia.

  • Ligroin je nasycená uhlovodíková směs, která má vlastnosti hexanu.

    Kroky pro výběr rozpouštědla:

1. Malé množství krystalů sloučeniny nečistot vložte do zkumavky a přidejte jednu kapku každého rozpouštědla, aby mohla stékat po straně zkumavky.
2. Pokud se krystaly ve zkumavce okamžitě rozpustí při pokojové teplotě, rozpouštědlo odmítněte, protože velké množství sloučeniny zůstane rozpustné při nízkých teplotách. Zkuste jiné rozpouštědlo.
3. Pokud se krystaly nerozpustí při pokojové teplotě, zahřejte zkumavku v horké pískové lázni a krystaly pozorujte. Pokud se krystaly nerozpustily, přidejte další kapku rozpouštědla. Pokud se krystaly rozpustí v bodu varu rozpouštědla a krystalizují znovu po ochlazení na pokojovou teplotu, našli jste správné rozpouštědlo. Pokud ne, zkuste jiné rozpouštědlo.

4. Pokud po procesu testování rozpouštědel není nalezeno uspokojivé jediné rozpouštědlo, použijte pár rozpouštědel. Rozpusťte krystaly v lepším rozpouštědle (rozpouštědlo, u kterého bylo prokázáno, že rozpouští krystaly), poté přidejte méně příznivé rozpouštědlo do horkého roztoku, dokud se nezakalí (roztok je nasycen rozpuštěnou látkou). Páry rozpouštědel musí být navzájem smíchány. Některé užitečné páry rozpouštědel jsou kyselina octová - voda, ethanol - voda, dioxan - voda, aceton - ethanol, ethanol - diethylether, methanol - 2 -butanon, ethylacetát - cyklohexan, aceton - ligroin, ethylacetát - ligroin, diethylether - ligroin, dichlormethan - ligroin, toluen - ligroin.

   

   Krok 2. Rozpusťte sloučeninu nečistot

   Chcete -li provést tento postup, vložte směs do zkumavky. Velké krystaly rozdrťte míchací tyčinkou, aby se urychlilo rozpouštění. Přidejte rozpouštědlo po kapkách. K oddělení nerozpustných pevných nečistot použijte k rozpuštění roztoku nadbytečné rozpouštědlo a tuhé nečistoty filtrujte při pokojové teplotě (viz postup filtrace v kroku 4), poté rozpouštědlo odpařte. Před zahříváním vložte dřevo aplikátoru do zkumavky, aby nedošlo k přehřátí (zahřátí roztoku nad bod varu roztoku, aniž by došlo k jeho skutečnému varu). Vzduch zachycený ve dřevě vychází ven a vytváří jádra, takže roztok může ještě více vřít. Alternativně použijte děrovaný porcelánový vařící čip. Poté, co byly odstraněny pevné nečistoty a rozpouštědlo bylo odpařeno, přidávejte rozpouštědlo po kapkách za míchání krystalů skleněným míchadlem a zahřívání zkumavky v páře nebo písku, dokud se sloučenina zcela nerozpustí s minimálním rozpouštědlem.

   

   Krok 3. Odstraňte barvu roztoku

   Pokud je roztok bezbarvý nebo jen slabě žlutý, tento krok přeskočte. Pokud je roztok zbarven (v důsledku tvorby vedlejších produktů s vysokou molekulovou hmotností při chemické reakci), přidejte přebytečné rozpouštědlo a aktivní uhlí (uhlí) a roztok několik minut vařte. Díky vysokému stupni mikroporéznosti budou barevné nečistoty adsorbovány na povrch aktivního uhlí. Oddělte dřevěné uhlí, které již obsahuje adsorbované nečistoty, filtrací, jak bude vysvětleno v dalším kroku.

   

   Krok 4. Pevné látky se oddělí filtrací

   Filtraci lze provést gravitační filtrací, dekantací nebo separací roztoku pomocí pipety. Obecně nepoužívejte vakuovou filtraci, protože rozpouštědlo během procesu vychladne, takže produkt bude krystalizovat ve filtru.

   • Gravitační filtrace: toto je metoda, kterou lze oddělit jemné uhlí, prach, vlákna atd. Vezměte tři Erlenmeyerovy baňky zahřáté na horkou páru nebo na horké plotně: první obsahuje roztok, který se má filtrovat, druhý obsahuje několik mililitrů rozpouštědla a bezkmenovou nálevku, zatímco třetí obsahuje několik mililitrů krystalizačního roztoku, který se použije k promývání. Do druhé Erlenmeyerovy baňky vložte skládaný filtrační papír (používá se, protože nepoužíváte vakuum) na trychtýř bez stopky (žádný stonek, aby nasycený roztok neochladil a neucpal stonek trychtýře krystaly). Roztok, který má být přefiltrován, přiveďte k varu, vyjměte jej ručníkem a poté nalijte na filtrační papír. Vroucí rozpouštědlo z třetí Erlenmeyerovy baňky se přidá ke krystalům vytvořeným na filtračním papíru a k promytí první Erlenmeyerovy baňky obsahující filtrovaný roztok se přidá podložka na filtrační papír. Přebytečné rozpouštědlo se odstraní vařením zfiltrovaného roztoku.
   • Dekantace: Tato metoda se používá pro velké pevné nečistoty. Nalijte horké rozpouštědlo tak, aby nerozpustné pevné látky zůstaly za sebou.
   • Separace rozpouštědla pipetou: Tato metoda se používá pro malé množství roztoku, pokud je pevná nečistota dostatečně velká. Do spodní části zkumavky (kruhové dno) vložte pipetu se čtvercovou špičkou, poté oddělte kapalinu nasátím pipety. Pevné nečistoty zůstanou pozadu.

   

   Krok 5. Krystalizuje požadovanou sloučeninu

   Tento krok se provádí za předpokladu, že všechny barevné a nerozpustné nečistoty byly odděleny příslušnými kroky popsanými výše. Přebytečné rozpouštědlo odstraňte vařením nebo jemným prouděním vzduchu. Začněte roztokem, který je nasycen rozpuštěnou látkou při bodu varu. Necháme pomalu vychladnout na pokojovou teplotu. Krystalizace začne. Jinak začněte proces vložením očkovacích krystalů nebo začněte ve zkumavce se skleněným míchadlem na rozhraní kapalina-vzduch. Jakmile proces krystalizace začne, nerušte nádobu, aby se vytvořily velké krystaly. Pro pomalé chlazení (aby se vytvořily větší krystaly) můžete nádobu izolovat bavlněným nebo hedvábným papírem. Větší krystaly lze snadněji oddělit od nečistot. Jakmile je nádoba plně při pokojové teplotě, chladte na ledu asi pět minut, abyste maximalizovali počet krystalů.

   

   Krok 6. Vezměte a omyjte krystaly

   K provedení tohoto postupu oddělte krystaly od ledově chladného rozpouštědla filtrací. Filtraci lze provést Hirschovou nálevkou, Buchnerovou nálevkou nebo separací rozpouštědla pomocí pipety.

   • Filtrace pomocí Hirschovy trychtýře: Umístěte Hirshovu trychtýř s nespláchnutým filtračním papírem do těsně uzavřené vakuové baňky. Umístěte baňku filtru na led, aby rozpouštědlo zůstalo chladné. Filtrační papír navlhčete krystalizujícím rozpouštědlem. Připojte baňku k odsávači, zapněte odsávačku a zajistěte, aby byl filtrační papír vakuem stažen dolů do trychtýře. Nalijte a oškrábejte krystaly do trychtýře a odstraňte vakuum, jakmile se kapalina oddělí od krystalů. Použijte několik kapek ledově chladného rozpouštědla k promytí krystalizační baňky a nalijte ji do trychtýře při opětovném vložení vakua a vakuum odstraňte, jakmile se z krystalů oddělí veškerá kapalina. Krystaly několikrát promyjte ledově chladným rozpouštědlem, abyste odstranili všechny zbývající nečistoty. Až skončíte s praním, nechte vakuum zapnuté, abyste krystaly vysušili.
   • Filtrace pomocí Buchnerova trychtýře: Na dno Buchnerovy nálevky položte kus nespláchnutého filtračního papíru a navlhčete jej rozpouštědlem. Zajistěte trychtýř k baňce s filtrem pomocí gumového nebo syntetického kaučuku, aby bylo možné vakuové sání. Nalijte a oškrábejte krystaly do trychtýře, poté odstraňte vakuum, jakmile se kapalina oddělí do baňky a krystaly zůstanou na papíře. Krystalizační baňku opláchněte ledově chladným rozpouštědlem, přidej k promytým krystalům, znovu nainstaluj vakuum a vyjmi, když se kapalina oddělí od krystalů. Opakujte a omyjte tolik krystalů, kolik je potřeba. Nechte vakuum na konci vysušit krystaly.
   • Promývejte pomocí pipety, tato metoda se používá k promývání krystalů v malých množstvích. Do dna zkumavky (zaoblené dno) vložte pipetu se čtvercovou špičkou a oddělte kapalinu tak, aby zůstala pouze vypraná pevná látka.

   

   Krok 7. Omyjte promytý produkt

   Konečné sušení malých množství krystalizovaného produktu lze provést stlačením krystalů mezi dva kusy filtračního papíru a jejich sušení na hodinovém skle.

   Tipy

   • Pokud se použije příliš málo rozpouštědla, může dojít ke krystalizaci příliš rychle, když se roztok ochladí. Pokud je krystalizace příliš rychlá, mohou být nečistoty zachyceny v krystalu, takže není dosaženo účelu čištění krystalizací. Na druhou stranu, pokud je použito příliš mnoho rozpouštědla, ke krystalizaci nemusí vůbec dojít. Nejlepší je přidat trochu více rozpouštědla, jakmile je nasycené při bodu varu. Nalezení správné rovnováhy vyžaduje praxi.
   • Když se pokoušíte najít ideální rozpouštědlo pomocí několika experimentů, začněte nejprve s nižší teplotou varu a těkavějšími rozpouštědly, protože je lze snáze oddělit.
   • Asi nejdůležitějším krokem je počkat, až horký roztok pomalu vychladne a nechá se vytvořit krystaly. Je velmi důležité být trpělivý a nedotýkat se ochlazovaného roztoku.
   • Pokud se přidá příliš mnoho rozpouštědla, takže se vytvoří velmi málo krystalů, část rozpouštědla se odpaří zahříváním a opakovaným chlazením.