Основы перекристаллизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Перекристаллизация - один из самых эффективных методов очистки твердых соединений. Этот метод основан на различной растворимости химических соединений в горячем и холодном растворителе (изогидрическая кристаллизация) или на изменении концентрации раствора (изотермическая кристаллизация).

Растворимость большинства органических соединений существенно зависит от температуры растворителя: с увеличение температуры - увеличивается растворимость. В итоге в горячем растворителе удается растворить большее количества вещества, чем может содержать тот же самый растворитель при низкой температуре. И, при охлаждении, из насыщенного при высокой температуре раствора выпадает "лишнее" вещество.

Вещества различные по структуре (особенно, полярности) имеют различную растворимость в растворителях. Поэтому, в большинстве случаев, удается получать насыщенный раствор лишь по одному компоненту - как следствие именно этот компонент и выделяется при кристаллизации, а другие - остаются в растворенном виде.

Процесс кристаллизации идет на "зародышах" кристаллов (микротрещины посуды, пылинки и т.п.) и при достаточно медленной скорости процесса приводит к монокристаллам индивидуального соединения, характеризующегося особым физическим свойством - Температурой плавления.

Температура плавления - диапазон температуры от начала до полного расплавления вещества при нагревании. Измерение температуры плавления вещества, строение которого уже было ранее установлено, может быть использована для однозначного подтверждения его структуры:

1. Измерить температуру плавления соединения.

2. Сравнить полученное значение со значением в справочной литературе для этого соединения.

Химики наиболее часто используют следующие типы перекристаллизации:

· Перекристаллизация за счет изменения температуры раствора:

1. Перекристаллизация из одного растворителя

2. Перекристаллизация из смеси растворителей

· Перекристаллизация за счет изменения концентрации раствора:

1. Выпаривание части растворителя

2. Высаливание

3. Осаждение

4. Использование аппарата Сокслета

· Особое место занимают техники выращивания монокристалла для рентгеноструктурного анализа (РСА).



1.Выбор растворителей для кристаллизации

1.1 Принципы выбора растворителя для кристаллизации

Основная проблема при выполнении кристаллизации - подбор подходящего растворителя. При выборе растворителя для кристаллизации следует опираться на следующие требования к растворителю.

Требования к растворителю:

1. Растворитель должен хорошо растворять вещество при кипении (нагревании) и плохо растворять при охлаждении.

2. Температура кипения растворителя по возможности должна лежать в диапазоне от 45 - 120 °С. Так как если температура кипения растворителя мала (например, эфир т. кип. 35 °С) разница в температурах между нагретым состоянием и охлажденным мала. А при высокой температуре кипения (этиленгликоль т. кип. 197 °С) вещество может разрушиться от температуры, к тому же растворитель будет долго испаряться с вещества после фильтрования.

Рассмотри три случая, которые могут возникнуть при кристаллизации (см. Диаграмму):

1. Растворитель 1#. Вещество уже достаточно растворимо при комнатной температуре, при и нагревание изменяет растворимость несущественно. Такой растворитель не подойдет, так как перекристаллизация приведет к существенным потерям вещества.

2. Растворитель 2#. Вещество слабо растворяется при комнатной температуре, однако, при нагревании вещество все еще нерастворимо. Растворитель также не подходит для кристаллизации. Так как разница концентрациях между насыщенными растворами при комнатной температуре и при нагревании несущественно.

3. Растворитель 3#. Вещество плохо растворимо при комнатной температуре, однако, при нагревании растворимость существенно повышается. Такой растворитель пригоден для кристаллизации.

Рис.1

1.2 Растворители для кристаллизации. "Подобное растворяется в подобном"

Полярность и температура плавления соединения играют ключевую роль в выборе растворителя для кристаллизации. Так для кристаллизации неполярных соединений подходят неполярные растворители (гексан, пентан), а полярные соединения легко кристаллизуются из полярных растворителей (вода, метанол). Для кристаллизации легкоплавких веществ подходят эфир, хлористый метилен, а для тугоплавких - пиридин, диметилформамид (ДМФА). См. таблицу:

Таблица 1

Соединения	Растворитель
Углеводороды, соединения с длинными углеводородными цепочками, неполярные органические соединения	Петролейный эфир, н-Пентан, н-Гексан, Циклогексан, н-Гептан, Четыреххлористый углерод
Ароматические соединения, углеводороды	Бензол, Толуол
Ангидриды, хлорангидриды	Четыреххлористый углерод
Амиды	Диоксан
Соединения с низкими температурами кипения	Диэтиловый эфир, метиленхлорид
Соединения со средними температурами кипения и средней полярностью	Хлороформ, Этилацетат
Соединения повышенной полярности, нитросоединения, бром содержащие соединения	Ацетон, Этанол, Метанол
Соединения высокой полярности, соли, амиды, карбоновые кислоты	Вода, Уксусная кислота, Ацетонитрил, Метанол
Соединения с высокими температурами плавления	Пиридин, ДМФА

1.3 Подбор растворителя для кристаллизации

Подбор растворителя не следует выполнять на всем веществе. Для этой цели подойдут небольшие навески по 10 - 100 мг. В хорошем растворителе 100 мг вещества должны растворяться ~ в 1 мл растворителя при кипении и образовывать осадок при охлаждении.

1.В пробирку помещаем 10-100 мг вещества.

Рис.2

2. Наливаем растворитель в количестве, в котором он лишь покроет вещество.



Рис.3

кристаллизация растворитель нагревание

3. Проверяем растворяется ли вещество при комнатной температуре.

4. Вещество на рисунке растворилось, следовательно, растворитель не подходит для кристаллизации. Готовим следующую пробу.

5. Если вещество не растворяется при комнатной температуре растворитель следует нагреть до кипения.

Рис.4

6. На рисунке вещество не растворилось даже при кипении, следовательно, такой растворитель не подходит для кристаллизации.

7. На этом этапе можно попробовать добавить в небольшом количестве первый растворитель, в котором вещество хорошо растворимо и выполнить перекристаллизацию из смеси растворителей. Или же перейти к следующему растворителю.

8. Когда мы обнаружим растворитель (или смесь растворителей), в которой вещество нерастворимо при комнатной температуре и растворимо при нагревании, следует охладит полученный раствор до комнатной температуры.

9. Если выпадения осадка не происходит даже при охлаждении льдом или растирании стеклянной палочкой - растворитель не подходит для кристаллизации.

Рис. 5

10. Если при охлаждении из раствора выпадает осадок - растворитель (или их смесь) подходит для кристаллизации.



Рис.6

кристаллизация растворитель нагревание



2.Быстрая или медленная кристаллизация?

Следующая серия диаграмм показывает, что происходит, когда кристаллизация происходит медленно, то есть, если дать раствору достичь комнатной температуре, дождаться образования кристаллов и только после этого поместить в лёд (для получения более высокого выхода).

Желтые треугольники обозначают молекулы примеси, оранжевые шестиугольники - молекулы вещества. 1# Состояние. Молекулы вещества и примеси находятся в растворе, окружены молекулами растворителя2# Состояние. Температура понижается, молекулы вещества начинают собираться в кристаллы. Зарождаются центры кристаллизации.3# Состояние. Температура понижается, молекулы вещества продолжают собираться в кристаллы. Молекулы примеси пытаются встроиться в кристаллическую решетку вещества, однако, их геометрия - неблагоприятна. Этот процесс обратимый, в результате - молекулы примеси возвращаются в раствор, а их место занимают молекулы вещества с благоприятной конфигурацией.4# Состояние. Температура достигает комнатной, практически все вещество оказалось в виде кристаллов, а примеси остались в растворе. Кристаллизация окончена.

Рис.7



Теперь посмотрим, что происходит при быстрой кристаллизации, то есть, если сразу охладить раствор при помощи льда.

1# Состояние. Молекулы вещества и примеси находятся в растворе, окружены молекулами растворителя.2# Состояние. Температура резко понижается, молекулы вещества быстро собираться в кристаллы, захватывая молекулы примеси.3# Состояние. Температура достигает комнатной, практически все вещество оказалось в виде кристаллов, причем значительное количество примеси находится внутри кристаллов. Кристаллизация окончена. Продукт загрязнен.

Рис.8



3.Перекристаллизация за счет изменения температуры раствора

3.1 Перекристаллизация из одного растворителя

Перекристаллизация из одного растворителя - довольно простой способ очистки твердых соединений. В качестве растворителя используется один единственный растворитель, в котором вещество полностью растворяется при нагревании и образует кристаллы при охлаждении.

Область применения

1. Очистка твердых соединений от примесей. Но следует помнить, что количество примеси не должно превышать количество самого вещества, или они должны существенно различаться по растворимости. Иначе можно воспользоваться колоночной хроматографией.

2. Отделение твердого соединения от смолообразных веществ.

3. Разделение некоторых жидких веществ. Пример: отделение уксусной кислоты от воды. При 0 °С уксусная кислота кристаллизуется из воды.

4. Разделение диастереомеров вещества.

3.2 Проведение кристаллизации

1. В колбу помещаем вещество.

Рис.9



2. Наливаем растворитель в количестве, в котором он лишь покроет вещество.

3. Нагреваем суспензию до температуры кипения растворителя.

Рис.10

4. Проверяем растворилось ли вещество до конца.

5. Если вещество не растворилось полностью, добавляем еще растворителя.

Рис.11

6. Если после добавления растворителя количество осадка не уменьшилось - значит это нерастворимая примесь, от которой следует избавиться горячим фильтрованием.

7. Если раствор окрашен, хотя вещество должно быть бесцветным, его можно обесцветить активированным углем.

8. Оставляем раствор медленно остывать до комнатной температуры

9. Если кристаллы при охлаждении не выпадают можно применить несколько методов для вызова кристаллизации.

Рис.12

10. Когда кристаллы выпали их следует отфильтровать вакуумной фильтрацией.

Рис.13

11. Когда все кристаллы окажутся на фильтре их следует промыть чистым растворителем.

12. Чтобы осадок быстрее сох его можно отжать пробкой.

13. Когда осадок станет рыхлым, его можно собрать с фильтра.

3.3 Перекристаллизация из смеси растворителей

Перекристаллизация из смеси растворителей - способ очистки тех твердых соединений, для которых не удается подобрать удобного растворителя для кристаллизации. При этом методе используются несколько растворителей, как правило два: в одном вещество легко растворимо уже при комнатной температуре, во втором плохо растворимо даже при кипении. Оба растворителя должны неограниченно смешиваться друг с другом (так, например, смесь этилацетат/вода не подойдет, т.к. растворители не смешиваются). В результате мы получаем смесь, в которой соотношение растворителей подобрано таким образом, что вещество может быть легко перекристаллизовано.

Область применения

1. Очистка твердых соединений, для которых не удается подобрать единственный растворитель для кристаллизации.

2. Очистка твердых соединений от примесей. Но следует помнить, что количество примеси не должно превышать количество самого вещества, или они должны существенно различаться по растворимости. Иначе можно воспользоваться колоночной хроматографией.

3. Отделение твердого соединения от смолообразных веществ.

4. Разделение диастереомеров вещества.

3.4 Проведение кристаллизации из смеси растворителей

Для наглядности обозначим растворитель, в котором вещество плохо растворимо - 1#, а в котором хорошо растворимо - 2#.

1. В колбу помещаем вещество.

2. Наливаем 1# растворитель, в котором вещество плохо растворимо. В количестве, в котором он лишь покроет вещество.

3. Нагреваем суспензию до температуры кипения растворителя 1#.

4. Небольшими порциями через обратный холодильник прибавляем растворитель 2#, в котором вещество хорошо растворимо.

5. Проверяем растворилось ли вещество до конца.

6. Если вещество не растворилось полностью, добавляем еще 2# растворителя. Если вещество растворилось раньше, чем смесь закипела, по-видимому, мы добавили много 2# растворителя. Для уменьшения потерь можно досуха удалить смесь растворителей на роторном испарителе, если колба круглодонная, и начать заново

7. Если после добавления 2# растворителя количество осадка не уменьшилось - значит это может быть нерастворимая примесь, от которой следует избавиться горячим фильтрованием.

8. Если раствор окрашен, хотя вещество должно быть бесцветным, его можно обесцветить активированным углем.

9. Оставляем раствор медленно остывать до комнатной температуры

10. Если кристаллы при охлаждении не выпадают можно применить несколько методов для вызова кристаллизации

11. Когда кристаллы выпали их следует отфильтровать вакуумной фильтрацией.

12. Когда все кристаллы окажутся на фильтре их следует промыть чистой смесью растворителей того же состава.

13. Чтобы осадок быстрее сох его можно отжать пробкой.

14. Когда осадок станет рыхлым, его можно собрать с фильтра.



4.Перекристаллизация за счет изменения концентрации раствора

4.1 Выпаривание части растворителя

Кроме перекристаллизации основанной на разнице растворимостей при различных температурах, перекристаллизацию можно выполнять, удаляя часть растворителя при одной и той же температуре (изотермическая кристаллизация).

При быстром испарении, например, используя роторный испаритель (см. рис.), кристаллы выпадают несколько загрязненными. Испарение растворителя проводится в вакууме, в водяной бане и при определенной температуре.

Рис.14



После удаления части растворителя и образовании кристаллов, можно повторить обычную кристаллизацию, которая приведет к более чистым кристаллам.

Такой метод часто используется для выделения вещества из раствора, полученного после отфильтровывания кристаллов после первой кристаллизации.

Медленное испарение выполняется в химическом стакане или на чашке Петри (или часовом стекле). Количество растворителя уменьшается медленно, поэтому кристаллы растут медленно и вещество получается чистым.

Метод медленного испарения особенно часто применяется для получения монокристаллов для Рентгеноструктурного анализа.

4.2 Высаливание

При добавлении к концентрированному водному раствору органического вещества неорганической соли (например, хлорид натрия), которая растворяется в воде, происходит перенасыщение раствора и выделение органического вещества из раствора.

Такой метод часто используется для получения большего выхода веществ, которые частично растворимы в воде.

4.3 Переосаждение

При добавлении к концентрированному раствору вещества растворителя, в котором вещество плохо растворимо, происходит быстрое выпадение осадка, который, однако, часто значительно загрязнен примесями, которые к тому же могут вызвать выпадение вещества в виде масла.

Метод используется для выделения растворенных веществ, выпадение которых не происходит ни при растирании стеклянной палочкой, ни при охлаждении.

Пример 1#: Выделение вещества из ДМСО или ДМФА (растворители с высокими температурами кипения, испарить их очень сложно) при добавлении воды.

Пример 2#: Выделение вещества из этилацетата при добавлении гексана или из спиртов при добавлении эфира.



5.Техники выращивания монокристалла для рентгеноструктурного анализа (РСА)

Выращивание кристаллов для РСА анализа довольно длительный и сложный процесс. Обычно для этого требуется 5-100 мг чистого (уже перекристаллизованного) вещества.

После получения монокристаллов, подходящих для РСА, их рекомендуют держать в закрытом бюксе с небольшим количеством растворителя, так как молекулы растворителя могут встраиваться в кристаллическую решетку соединения, а при полном высыхании вещества - покидать ее и разрушать кристалл.

Способ 1#. Медленное испарение единственного растворителя.

Навеску вещества растворяют при комнатной температуре в подходящем растворителе.

Сосуд с раствором неплотно закрывают, чтобы растворитель медленно испарялся.

Оставляют на длительное время для роста кристаллов (~несколько недель).

Способ 2#. Медленное испарение из смеси растворителей.

Навеску вещества растворяют при комнатной температуре в легко летучем растворителе, в котором вещество хорошо растворимо.

Добавляют высоко кипящий растворитель, в котором вещество плохо растворимо. При этом не должна начаться кристаллизация или помутнение раствора. В противном случае следует добавить еще легко летучего растворителя.

Сосуд с раствором неплотно закрывают, чтобы легко летучий растворитель медленно испарялся.

Оставляют на длительное время для роста кристаллов (~несколько дней или недель).

Способ 3#. Медленная газовая диффузия двух растворителей.

Навеску вещества растворяют при комнатной температуре в высоко кипящем растворителе, в котором вещество хорошо растворимо.

Сосуд с раствором помещают в ёмкость, на дне которой налит легко летучий растворитель, в котором вещество не растворимо.

Плотно закрывают систему.

Оставляют на длительное время для роста кристаллов (~несколько дней или недель). При этом легко летучий растворитель диффундирует в раствор с высоко кипящим растворителем и вызывает медленную кристаллизацию вещества.

Способ 4#. Медленная жидкостная диффузия двух растворителей.

Навеску вещества растворяют при комнатной температуре в растворителе, в котором вещество хорошо растворимо. Раствор помещают в узкий сосуд (узкая пробирка, ЯМР ампула).

Осторожно прибавляют растворитель, в котором вещество плохо растворимо (растворители должны смешиваться). В результате получается две фазы.

Плотно закрывают сосуд.

Оставляют на длительное время для роста кристаллов (~несколько дней). При этом растворители медленно смешиваются за счет диффузии, образуя систему, в которой вещество не растворимо, и вызывая медленный рост кристалла.

Размещено на Allbest.ru

...