Как кристаллизовать органические соединения: 11 шагов (с изображениями)

2024 Автор: Jason Gerald | [email protected]. Последнее изменение: 2023-12-16 11:35

Кристаллизация (или перекристаллизация) - наиболее важный метод очистки органических соединений. Процесс удаления примесей путем кристаллизации включает растворение соединения в подходящем горячем растворителе, охлаждение раствора и насыщение его очищаемым соединением, кристаллизацию раствора, выделение его фильтрацией, промывку его поверхности холодным растворителем для удаления остаточных примесей и сушка.

Эту процедуру лучше всего выполнять в контролируемой химической лаборатории, в хорошо вентилируемом помещении. Обратите внимание, что эта процедура имеет широкий спектр применений, включая крупномасштабную промышленную очистку сахара путем кристаллизации сахарного продукта-сырца и удаления примесей.

Шаг

Шаг 1. Выберите подходящий растворитель

Помните термин «подобное растворяется в подобном» или Similia similibus solvuntur, что означает, что вещества с похожей структурой растворяются друг в друге. Например, сахара и соли растворимы в воде, а не в масле - и неполярные соединения, такие как углеводороды, будут растворяться в неполярных углеводородных растворителях, таких как гексан.

• Идеальный растворитель обладает следующими свойствами:

  • Растворимые соединения в горячем состоянии, но не растворяются в холодном состоянии.
  • Отсутствие растворения каких-либо примесей (чтобы они могли быть отфильтрованы при растворении нечистого соединения) или растворения всех примесей (чтобы они оставались в растворе при кристаллизации желаемого соединения).
  • Не вступает в реакцию с соединениями.
  • Не может гореть.
  • Нетоксичен.
  • Недорого.
  • Очень летуч (поэтому легко отделяется от кристаллов).

• Часто бывает трудно определить лучший растворитель, который часто получают экспериментально или с использованием самого неполярного из имеющихся растворителей. Ознакомьтесь со следующим списком наиболее распространенных растворителей (от наиболее полярных до наименее полярных). Обратите внимание, что растворители, которые находятся близко друг к другу, будут смешиваться (растворять друг друга). Жирным шрифтом выделены наиболее часто используемые растворители.

  • Вода (H₂O) является негорючим, нетоксичным растворителем и растворяет многие полярные органические соединения. Недостатком является его высокая температура кипения (100 градусов Цельсия), что делает его относительно нелетучим и трудно отделимым от кристаллов.
  • Уксусная кислота (CH₃COOH) является полезным веществом для реакций окисления, но вступает в реакцию со спиртами и аминами, поэтому его трудно разделить (температура кипения составляет 118 градусов Цельсия).
  • Диметилсульфоксид (ДМСО), метилсульфоксид (CH₃СОЧ₃) в основном используется в качестве растворителя для реакций, редко для кристаллизации. Это вещество кипит при 189 градусах Цельсия, и его трудно отделить.
  • Метанол (CH₃ОЙ) является полезным растворителем для растворения различных соединений с более высокой полярностью, чем у других спиртов. Температура кипения: 65 градусов Цельсия. С.
  • Ацетон (CH3COCH3) является очень хорошим растворителем, недостатком является то, что он имеет низкую температуру кипения 56 градусов Цельсия, поэтому разница в температуре мала в растворимости соединения при температуре кипения и комнатной температуре.
  • 2-бутанон, метилэтилкетон, MEK (CH₃COCH₂CH₃) идеальный растворитель с температурой кипения 80 градусов по Цельсию.
  • Этилацетат (CH₃COOC₂ЧАС₅) идеальный растворитель с температурой кипения 78 градусов по Цельсию.
  • Дихлорметан, хлористый метилен (CH₂Cl₂) полезен в качестве растворителя лигроина, но его температура кипения всего лишь 35 градусов Цельсия слишком низкая, чтобы быть хорошим растворителем для кристаллизации. Тем не мение. его точка замерзания составляет -78 градусов по Цельсию. используя ледяное или ацетоновое мыло,
  • Диэтиловый эфир (CH₃CH₂ОСН₂CH₃) полезен в качестве пары растворителей с лигроином, но его температура кипения 40 градусов Цельсия слишком низкая, чтобы быть хорошим растворителем для кристаллизации.
  • Метил-трет-бутиловый эфир (CH₃OC (CH₃)₃) - недорогой растворитель, хороший заменитель диэтилового эфира из-за его более высокой температуры кипения, 52 градуса по Цельсию.
  • Диоксан (C₄ЧАС₈О₂) это вещество, которое легко отделяется от кристаллов, является слабым канцерогеном, образует пероксиды и имеет температуру кипения 101 градус Цельсия.
  • Толуол (C₆ЧАС₅CH₃) является хорошим растворителем для кристаллизации арильных соединений и заменил наиболее часто используемые ранее бензольные соединения (слабые канцерогены). Недостатком является его высокая температура кипения, 111 градусов по Цельсию, что затрудняет отделение кристаллов.
  • Пентан (C₅ЧАС₁₂) Он широко используется для неполярных соединений, часто как парный растворитель с другими растворителями. Его низкая температура кипения означает, что этот растворитель более полезен при использовании в сочетании со льдом или ацетоном.
  • Гексан (C₆ЧАС₁₄) используется для неполярных соединений, инертен, часто используется как пара растворителей, точка кипения 69 градусов по Цельсию.
  • Циклогексан (C₆ЧАС₁₂) похож на гексан, но дешевле и имеет температуру кипения 81 градус Цельсия.
  • Петролейный эфир представляет собой смесь насыщенных углеводородов, основным компонентом которой является пентан, стоит недорого и может использоваться взаимозаменяемо с пентаном. Температура кипения 30-60 градусов по Цельсию.

  • Лигроин - это смесь насыщенных углеводородов, обладающая свойствами гексана.

    Этапы выбора растворителя:

1. Поместите небольшое количество кристаллов примесного соединения в пробирку и добавьте по одной капле каждого растворителя, чтобы он стекал по стенке пробирки.
2. Если кристаллы в пробирке немедленно растворяются при комнатной температуре, откажитесь от растворителя, поскольку большие количества соединения останутся растворимыми при низких температурах. Попробуйте другой растворитель.
3. Если кристаллы не растворяются при комнатной температуре, нагрейте пробирку на горячей песчаной бане и наблюдайте за кристаллами. Добавьте еще одну каплю растворителя, если кристаллы не растворились. Если кристаллы растворяются при температуре кипения растворителя и снова кристаллизуются при охлаждении до комнатной температуры, вы нашли правильный растворитель. Если нет, попробуйте другой растворитель.

4. Если после процесса тестирования растворителя не найдено ни одного подходящего растворителя, используйте пару растворителей. Растворите кристаллы в лучшем растворителе (доказано, что растворяет кристаллы), затем добавьте менее подходящий растворитель в горячий раствор, пока он не станет мутным (раствор насыщается растворенным веществом). Пары растворителей необходимо смешивать друг с другом. Некоторые полезные пары растворителей: уксусная кислота - вода, этанол - вода, диоксан - вода, ацетон - этанол, этанол - диэтиловый эфир, метанол - 2-бутанон, этилацетат - циклогексан, ацетон - лигроин, этилацетат - лигроин, диэтиловый эфир - лигроин, дихлорметан - лигроин, толуол - лигроин.

   

   Шаг 2. Растворите примесное соединение

   Чтобы выполнить эту процедуру, поместите соединение в пробирку. Чтобы ускорить растворение, измельчите крупные кристаллы палочкой для перемешивания. Добавляйте по каплям растворитель. Чтобы отделить нерастворимые твердые примеси, используйте избыток растворителя для растворения раствора и отфильтруйте твердые примеси при комнатной температуре (см. Процедуру фильтрации на этапе 4), затем выпарите растворитель. Перед нагреванием вставьте древесину аппликатора в пробирку, чтобы избежать перегрева (нагревание раствора выше точки кипения без фактического кипения). Воздух, попавший в древесину, выйдет наружу, образуя ядра, так что раствор может закипеть еще больше. В качестве альтернативы используйте перфорированный фарфоровый чип для кипячения. После удаления твердых примесей и испарения растворителя добавляют растворитель по каплям, перемешивая кристаллы стеклянной мешалкой и нагревая пробирку в паре или песке до полного растворения соединения с минимальным количеством растворителя.

   

   Шаг 3. Удалите цвет раствора

   Пропустите этот шаг, если раствор бесцветный или слегка желтоватый. Если раствор окрашен (в результате образования высокомолекулярных побочных продуктов химической реакции), добавьте избыток растворителя и активированный уголь (уголь) и прокипятите раствор в течение нескольких минут. Цветные примеси будут адсорбироваться на поверхности активированного угля из-за его высокой степени микропористости. Отделите древесный уголь, который уже содержит адсорбированные примеси, фильтрацией, как будет объяснено на следующем этапе.

   

   Этап 4. Твердые частицы отделяют фильтрованием

   Фильтрация может осуществляться путем гравитационной фильтрации, декантации или отделения раствора с помощью пипетки. Как правило, не используйте вакуумную фильтрацию, так как растворитель остывает в процессе, поэтому продукт будет кристаллизоваться на фильтре.

   • Гравитационная фильтрация: это предпочтительный метод для отделения мелкого угля, пыли, ворса и т. Д. Возьмем три колбы Эрленмейера, нагретые на горячем паре или на горячей плите: первая содержит раствор, который нужно профильтровать, вторая содержит несколько миллилитров растворителя и бесштоковую воронку, а третья содержит несколько миллилитров кристаллизующегося раствора, используемого для промывки.. Поместите рифленую фильтровальную бумагу (используется, потому что вы не используете вакуум) на воронку без стержня (без стержня, чтобы насыщенный раствор не охладился и не забил стержень воронки кристаллами) во второй колбе Эрленмейера. Доведите раствор, который нужно профильтровать, до кипения, удалите его полотенцем, затем вылейте раствор на фильтровальную бумагу. Добавьте кипящий растворитель из третьей колбы Эрленмейера к кристаллам, образовавшимся на фильтровальной бумаге, и для промывки первой колбы Эрленмейера, содержащей отфильтрованный раствор, добавьте промыватель на фильтровальную бумагу. Удалите излишки растворителя кипячением отфильтрованного раствора.
   • Декантация: этот метод используется для крупных твердых примесей. Влейте горячий растворитель, чтобы не растворились твердые вещества.
   • Разделение растворителей пипеткой: Этот метод используется для небольшого количества раствора, если твердые примеси достаточно велики. Вставьте пипетку с квадратным наконечником в дно пробирки (круглое дно), затем отделите жидкость, всасывая ее пипеткой. Твердые примеси останутся позади.

   

   Стадия 5. Кристаллизовать желаемое соединение

   Этот этап выполняется в предположении, что все окрашенные и нерастворимые примеси были отделены соответствующими этапами, описанными выше. Удалите излишки растворителя, кипятя его или осторожно обдувая воздухом. Начните с раствора, насыщенного растворенным веществом при температуре кипения. Дайте медленно остыть до комнатной температуры. Начнется кристаллизация. В противном случае начните процесс, вставив затравочные кристаллы, или начните с пробирки со стеклянной мешалкой на границе раздела жидкость-воздух. После начала процесса кристаллизации не трогайте емкость, чтобы образовались крупные кристаллы. Для медленного охлаждения (чтобы образовались более крупные кристаллы) можно изолировать емкость ватой или папиросной бумагой. Более крупные кристаллы легче отделить от примесей. Когда емкость полностью нагреется до комнатной температуры, охладите на льду около пяти минут, чтобы увеличить количество кристаллов.

   

   Шаг 6. Возьмите и промойте кристаллы

   Чтобы выполнить эту процедуру, отделите кристаллы от ледяного растворителя фильтрацией. Фильтрацию можно проводить с помощью воронки Хирша, воронки Бюхнера или путем отделения растворителя с помощью пипетки.

   • Фильтрация с помощью воронки Хирша: поместите воронку Хирша с непромытой фильтровальной бумагой в плотно закрытую вакуумную колбу. Поместите колбу с фильтром на лед, чтобы охладить растворитель. Смочите фильтровальную бумагу кристаллизующимся растворителем. Подсоедините колбу к аспиратору, включите аспиратор и убедитесь, что фильтровальная бумага втягивается вакуумом в воронку. Вылейте и соскребите кристаллы в воронку и снимите вакуум, как только жидкость отделится от кристаллов. Используйте несколько капель ледяного растворителя, чтобы промыть колбу для кристаллизации, и вылейте его в воронку, снова создавая вакуум, и снимите вакуум, как только вся жидкость отделится от кристаллов. Промойте кристаллы несколько раз ледяным растворителем, чтобы удалить оставшиеся загрязнения. Когда вы закончите стирку, оставьте вакуум включенным, чтобы кристаллы высохли.
   • Фильтрация с использованием воронки Бюхнера: Поместите кусок непромытой фильтровальной бумаги на дно воронки Бюхнера и смочите его растворителем. Прикрепите воронку к колбе фильтра с помощью резиновой или синтетической резиновой вставки, чтобы обеспечить вакуумное всасывание. Вылейте и соскребите кристаллы в воронку, затем снимите вакуум, как только жидкость перейдет в колбу и кристаллы останутся на бумаге. Ополосните колбу для кристаллизации ледяным растворителем, добавьте к промытым кристаллам, снова установите вакуум и удалите, когда жидкость отделится от кристаллов. Повторите и промойте столько кристаллов, сколько необходимо. Оставьте вакуум, чтобы в конце кристаллы высохли.
   • Промыть пипеткой, этот метод применяется для промывки кристаллов в небольших количествах. Вставьте пипетку с квадратным наконечником в дно пробирки (с закругленным дном) и отделите жидкость так, чтобы осталось только промытое твердое вещество.

   

   Шаг 7. Высушите вымытое изделие

   Окончательная сушка небольшого количества кристаллизованного продукта может быть достигнута путем сжатия кристаллов между двумя листами фильтровальной бумаги и их сушки на часовом стекле.

   подсказки

   • Если используется слишком мало растворителя, кристаллизация может происходить слишком быстро при охлаждении раствора. Если кристаллизация идет слишком быстро, примеси могут задерживаться в кристалле, так что цель очистки путем кристаллизации не достигается. С другой стороны, если используется слишком много растворителя, кристаллизация может вообще не происходить. Лучше всего, если вы добавите еще немного растворителя, когда он станет насыщенным до точки кипения. Чтобы найти правильный баланс, нужна практика.
   • Пытаясь найти идеальный растворитель с помощью нескольких экспериментов, начните с более низкокипящих и более летучих растворителей, так как их легче разделить.
   • Возможно, самый важный шаг - подождать, пока горячий раствор медленно остынет и дадут кристаллам сформироваться. Очень важно запастись терпением и не прикасаться к охлаждаемому раствору.
   • Если добавлено слишком много растворителя, так что образовалось очень мало кристаллов, выпарить часть растворителя путем нагревания и повторного охлаждения.