Как да кристализираме органични съединения: 11 стъпки (със снимки)

2024 Автор: Jason Gerald | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 10:56

Кристализация (или прекристализация) е най -важният метод за пречистване на органични съединения. Процесът на отстраняване на примесите чрез кристализация включва разтваряне на съединението в подходящ горещ разтворител, охлаждане на разтвора и насищане с пречистеното съединение, кристализиране на разтвора, изолиране чрез филтриране, измиване на повърхността му със студен разтворител за отстраняване на остатъчните примеси и сушене.

Тази процедура се извършва най-добре в контролирана химическа лаборатория, в добре проветриво помещение. Имайте предвид, че тази процедура има широк спектър от приложения, включително мащабно търговско пречистване на захар чрез кристализиране на суровия захарен продукт и оставяне на примесите зад тях.

Стъпка

Стъпка 1. Изберете подходящ разтворител

Запомнете термина „подобно се разтваря като“или Similia similibus solvuntur, което означава, че вещества с подобна структура ще се разтварят едно в друго. Например захарите и солите са разтворими във вода, а не в масло - и неполярни съединения като въглеводороди ще се разтварят в неполярни въглеводородни разтворители като хексан.

• Идеалният разтворител има следните свойства:

  • Разтворимите съединения, когато са горещи, но не се разтварят, когато са студени.
  • Неразтваряне на никакви примеси (така че да могат да се филтрират, когато се разтвори нечисто съединение), или разтваряне на всички примеси (така че да останат в разтвор, когато желаното съединение кристализира).
  • Няма да реагира със съединения.
  • Не може да изгори.
  • Нетоксичен.
  • Евтино.
  • Много летливи (така че могат лесно да бъдат отделени от кристали).

• Често е трудно да се определи най -добрият разтворител, който често се получава експериментално, или чрез използване на най -неполярния наличен разтворител. Запознайте се със следния списък с най -често срещаните разтворители (от най -полярните до най -малко полярните). Обърнете внимание, че разтворителите, които са близо един до друг, ще се смесват (разтварят един друг). Най -често използваните разтворители са удебелени.

  • Вода (H₂О) е незапалим, нетоксичен разтворител и ще разтвори много полярни органични съединения. Недостатъкът е високата му точка на кипене (100 градуса по Целзий), което я прави сравнително нелетлива и трудно се отделя от кристалите.
  • Оцетна киселина (СН₃COOH) е полезно вещество за окислителни реакции, но реагира с алкохоли и амини и поради това е трудно да се отдели (точката на кипене е 118 градуса по Целзий).
  • Диметил сулфоксид (DMSO), метил сулфоксид (CH₃СОЧ₃) използва се главно като разтворител за реакции, рядко за кристализация. Това вещество кипи при 189 градуса по Целзий и е трудно да се отдели.
  • Метанол (СН₃ОХ) е полезен разтворител за разтваряне на различни съединения с по -висока полярност от другите алкохоли. Точка на кипене: 65 градуса по Целзий. ° С.
  • Ацетон (CH3COCH3) е много добър разтворител, недостатъкът е, че има ниска точка на кипене от 56 градуса по Целзий, така че разликата в температурата е малка в разтворимостта на съединението при точка на кипене и стайна температура.
  • 2-Бутанон, метил етил кетон, MEK (CH₃COCH₂CH₃) е перфектен разтворител с точка на кипене 80 градуса по Целзий.
  • Етилацетат (СН₃COOC₂З₅) е перфектен разтворител с точка на кипене 78 градуса по Целзий.
  • Дихлорометан, метиленхлорид (СН₂Кл₂) полезен като разтворител партньор с лигроин, но точката му на кипене от само 35 градуса по Целзий е твърде ниска, за да стане добър разтворител за кристализация. Въпреки това. неговата точка на замръзване е -78 градуса по Целзий. използване на лед или ацетонов сапун,
  • Диетилов етер (СН₃CH₂OCH₂CH₃) полезен като двойка разтворители с лигроин, но точката му на кипене от 40 градуса по Целзий е твърде ниска, за да се получи добър разтворител за кристализация.
  • Метил t -бутилов етер (СН₃OC (CH₃)₃) е евтин разтворител, добър заместител на диетилов етер поради по -високата му точка на кипене, 52 градуса по Целзий.
  • Диоксан (C.₄З₈О₂) е вещество, което лесно се отделя от кристалите, е мек канцероген, образува пероксиди и има точка на кипене 101 градуса по Целзий.
  • Толуен (C₆З₅CH₃) е добър разтворител за кристализация на арилни съединения и е заменил най -често използваните преди това бензолни съединения (слаби канцерогени). Недостатъкът е високата му точка на кипене, 111 градуса по Целзий, което затруднява отделянето от кристалите.
  • Пентан (C₅З₁₂) Той се използва широко за неполярни съединения, често като сдвояващ разтворител с други разтворители. Ниската му точка на кипене означава, че този разтворител е по -полезен, когато се използва заедно с лед или ацетон.
  • Хексан (C.₆З₁₄) използвани за неполярни съединения, инертни, често използвани като двойка разтворители, точка на кипене 69 градуса по Целзий.
  • Циклохексан (C.₆З₁₂) подобен на хексан, но по -евтин и има точка на кипене 81 градуса по Целзий.
  • Петролният етер е наситена въглеводородна смес, чийто основен компонент е пентан, е евтин и може да се използва взаимозаменяемо с пентан. Точката на кипене е 30-60 градуса по Целзий.

  • Лигроинът е наситена въглеводородна смес, която има свойствата на хексан.

    Стъпки за избор на разтворител:

  1. Поставете малко количество кристали от примесното съединение в епруветка и добавете по една капка от всеки разтворител, така че да може да потече надолу отстрани на епруветката.
  2. Ако кристалите в епруветката се разтворят веднага при стайна температура, отхвърлете разтворителя, тъй като големи количества от съединението ще останат разтворими при ниски температури. Опитайте с друг разтворител.
  3. Ако кристалите не се разтварят при стайна температура, загрейте епруветката в гореща пясъчна баня и наблюдавайте кристалите. Добавете още една капка разтворител, ако кристалите не са се разтворили. Ако кристалите се разтварят при точката на кипене на разтворителя и кристализират отново, когато се охладят до стайна температура, сте намерили подходящия разтворител. Ако не, опитайте с друг разтворител.

  4. Ако след процеса на тестване на разтворител не се намери задоволителен единичен разтворител, използвайте двойка разтворители. Разтворете кристалите в по -добрия разтворител (разтворител, за който е доказано, че разтваря кристалите), след което добавете по -неблагоприятния разтворител към горещия разтвор, докато стане мътен (разтворът е наситен с разтвореното вещество). Двойките разтворители трябва да се смесват помежду си. Някои полезни двойки разтворители са оцетна киселина - вода, етанол - вода, диоксан - вода, ацетон - етанол, етанол - диетилов етер, метанол - 2 -бутанон, етилацетат - циклохексан, ацетон - лигроин, етилацетат - лигроин, диетилов етер - лигроин, дихлорометан - лигроин, толуен - лигроин.

     

     Стъпка 2. Разтваряйте примесното съединение

     За да извършите тази процедура, поставете съединението в епруветка. Натрошете големи кристали с разбъркваща пръчка, за да ускорите разтварянето. Добавете разтворителя капка по капка. За да отделите неразтворимите твърди примеси, използвайте излишния разтворител за разтваряне на разтвора и филтрирайте твърдите примеси при стайна температура (вижте процедурата за филтриране в стъпка 4), след което разтворителят се изпарява. Преди нагряване поставете апликаторната дървесина в епруветката, за да избегнете прегряване (нагряване на разтвора над точката на кипене на разтвора, без действително кипене). Въздухът, задържан в дървесината, ще излезе, за да образува ядра, така че разтворът може да кипи още повече. Друга възможност е да използвате перфориран порцеланов чипс за кипене. След като твърдите примеси се отстранят и разтворителят се изпари, добавете разтворителя капка по капка, като разбърквате кристалите със стъклена бъркалка и загрявате епруветката в пара или пясък, докато съединението се разтвори напълно с минимален разтворител.

     

     Стъпка 3. Отстранете цвета на разтвора

     Пропуснете тази стъпка, ако разтворът е безцветен или само леко жълт. Ако разтворът е оцветен (в резултат на образуването на странични продукти с високо молекулно тегло при химическата реакция), добавете излишък от разтворител и активен въглен (въглерод) и кипете разтвора за няколко минути. Оцветените примеси ще се адсорбират върху повърхността на активен въглен поради високата си степен на микропорьозност. Отделете въглищата, които вече съдържат адсорбираните примеси, чрез филтриране, както ще бъде обяснено в следващата стъпка.

     

     Стъпка 4. Отделяне на твърди частици чрез филтриране

     Филтрирането може да се извърши чрез гравитационно филтриране, декантиране или разделяне на разтвора с помощта на пипета. По принцип не използвайте вакуумна филтрация, тъй като разтворителят ще се охлади в процеса, така че продуктът ще кристализира във филтъра.

     • Гравитационна филтрация: това е методът на избор за отделяне на фини въглища, прах, мъх и т.н. Вземете три колби Erlenmeyer, загряти на гореща пара или на котлон: първата съдържа разтвора, който трябва да се филтрира, втората съдържа няколко милилитра разтворител и фуния без стъбла, докато третата съдържа няколко милилитра от кристализиращия разтвор, който да се използва за измиване. Поставете набраздената филтърна хартия (използвана, защото не използвате вакуум) върху фуния без стъбла (без стебло, така че наситеният разтвор да не се охлади и задръсти фунията с кристали) във втората колба на Erlenmeyer. Оставете разтвора да се филтрира до кипене, отстранете го с кърпа, след което изсипете разтвора върху филтърната хартия. Добавете кипящия разтворител от третата колба на Erlenmeyer към кристалите, образувани върху филтърната хартия и за измиване на първата колба Erlenmeyer, съдържаща филтрирания разтвор, добавете шайбата към филтърната хартия. Отстранете излишния разтворител, като кипнете филтрирания разтвор.
     • Декантиране: Този метод се използва за големи твърди примеси. Изсипете горещия разтворител, така че неразтворимите твърди частици да останат.
     • Разделяне на разтворител с пипета: Този метод се използва за малки количества разтвор, ако твърдият примес е достатъчно голям. Поставете пипета с квадратен връх в дъното на епруветката (кръгло дъно), след това отделете течността, като я засмучете с пипетата. Твърдите примеси ще останат.

     

     Стъпка 5. Кристализирайте желаното съединение

     Тази стъпка се извършва при предположението, че всички оцветени и неразтворими примеси са разделени чрез съответните стъпки, описани по -горе. Отстранете излишния разтворител, като го кипнете или леко тече въздух. Започнете с разтвор, наситен с разтвореното вещество при точката на кипене. Оставете бавно да се охлади до стайна температура. Кристализацията ще започне. В противен случай стартирайте процеса, като поставите зародишните кристали или започнете в епруветка със стъклена бъркалка на интерфейса течност-въздух. След като процесът на кристализация е започнал, не пречи на контейнера да образува големи кристали. За бавно охлаждане (за да се образуват по -големи кристали), можете да изолирате контейнера с памук или салфетка. По -големите кристали се отделят по -лесно от примесите. След като контейнерът е напълно на стайна температура, охладете върху лед за около пет минути, за да увеличите максимално броя на кристалите.

     

     Стъпка 6. Вземете и измийте кристалите

     За да извършите тази процедура, отделете кристалите от леденостудения разтворител чрез филтруване. Филтрирането може да се извърши с фуния на Хирш, фуния на Бюхнер или чрез отделяне на разтворителя с помощта на пипета.

     • Филтриране с фуния на Хирш: Поставете фуния на Хирш с непочистена филтърна хартия в плътно затворена вакуумна колба. Поставете филтърната колба върху лед, за да поддържа разтворителя хладен. Намокрете филтърната хартия с кристализиращия разтворител. Свържете колбата с аспиратора, включете аспиратора и се уверете, че филтърната хартия е изтеглена от вакуума във фунията. Изсипете и изстържете кристалите във фунията и отстранете вакуума веднага щом течността се отдели от кристалите. Използвайте няколко капки ледено студен разтворител, за да измиете колбата за кристализация и да я излеете във фунията, докато поставите отново вакуума, и премахнете вакуума веднага след като цялата течност се отдели от кристалите. Измийте кристалите няколко пъти с ледено студен разтворител, за да отстраните останалите примеси. Когато приключите с измиването, оставете вакуума да изсъхне кристалите.
     • Филтриране с помощта на фуния на Бюхнер: Поставете парче непочистена филтърна хартия в долната част на фунията на Buchner и я навлажнете с разтворител. Закрепете фунията към филтърната колба с каучук или синтетичен каучук, за да разрешите вакуумно засмукване. Изсипете и изстържете кристалите във фунията, след което отстранете вакуума веднага щом течността се отдели в колбата и кристалите останат върху хартията. Изплакнете колбата за кристализация с ледено студен разтворител, добавете към измитите кристали, инсталирайте отново вакуума и отстранете, когато течността се отдели от кристалите. Повторете и измийте толкова кристали, колкото е необходимо. Оставете вакуума да изсъхне кристалите в края.
     • Измийте с пипета, този метод се използва за измиване на кристали в малки количества. Поставете пипета с квадратен връх в дъното на епруветка (заоблено дъно) и отделете течността, така че да остане само измитото твърдо вещество.

     

     Стъпка 7. Изсушете измития продукт

     Окончателното изсушаване на малки количества кристализиран продукт може да се постигне чрез изстискване на кристалите между две парчета филтърна хартия и изсушаването им върху часовниково стъкло.

     Съвети

     • Ако се използва твърде малко разтворител, кристализацията може да настъпи твърде бързо, когато разтворът се охлади. Ако кристализацията е твърде бърза, примесите могат да бъдат уловени в кристала, така че целта на пречистване чрез кристализация да не бъде постигната. От друга страна, ако се използва твърде много разтворител, може изобщо да не настъпи кристализация. Най -добре е да добавите малко повече разтворител, след като се насити при точката на кипене. Намирането на правилния баланс изисква практика.
     • Когато се опитвате да намерите идеалния разтворител чрез няколко експеримента, започнете първо с по -ниско кипящи и по -летливи разтворители, тъй като те са по -лесни за отделяне.
     • Може би най -важната стъпка е да изчакате горещият разтвор да се охлади бавно и да позволи образуването на кристали. Много е важно да бъдете търпеливи и да не докосвате разтвора, който се охлажда.
     • Ако се добави твърде много разтворител, така че да се образуват много малко кристали, изпарете част от разтворителя чрез нагряване и повторно охлаждане.