Reinigen von Verbindungen durch Umkristallisation

Die Rekristallisation ist eine Reinigungstechnik für feste Verbindungen.

Um die Rekristallisation durchzuführen, wird eine unreine feste Verbindung mit heißem Lösungsmittel zu einer gesättigten Lösung vermischt. Wenn diese Lösung abkühlt, nimmt die Löslichkeit der Verbindung ab und reine Kristalle wachsen aus der Lösung.

Die Rekristallisation wird oft als letzter Schritt nach anderen Trennmethoden wie Extraktion oder Säulenchromatographie verwendet. Die Rekristallisation kann auch verwendet werden, um zwei Verbindungen mit sehr unterschiedlichen Löslichkeitseigenschaften zu trennen. Dieses Video veranschaulicht die Lösungsmittelauswahl für die Rekristallisation, die Reinigung einer organischen Verbindung aus der Lösung und stellt einige Anwendungen in der Chemie vor.

Die Kristallisation beginnt mit der Keimbildung. Gelöste Moleküle schließen sich zu einem stabilen kleinen Kristall zusammen, auf den ein Kristallwachstum folgt. Die Keimbildung erfolgt an Keimbildungsstellen wie Impfkristallen, Kratzern oder festen Verunreinigungen schneller als spontan in Lösung. Rühren kann auch eine schnelle Keimbildung fördern. Schnelles Wachstum kann jedoch dazu führen, dass Verunreinigungen eingearbeitet werden, wenn sie nicht unter optimalen Bedingungen angebaut werden.

Die Löslichkeit einer Verbindung nimmt tendenziell mit der Temperatur zu und hängt stark von der Wahl des Lösungsmittels ab. Je größer der Unterschied in der Löslichkeit bei hohen und niedrigen Temperaturen ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass der gelöste Stoff beim Abkühlen aus der Lösung austritt und Kristalle bildet.

Das gewählte Lösungsmittel sollte einen Siedepunkt von mindestens 40?? C, so dass es einen erheblichen Temperaturunterschied zwischen Siede- und Raumtemperatur gibt. Der Siedepunkt des Lösungsmittels muss ebenfalls unter dem Schmelzpunkt des gelösten Stoffes liegen, um eine Kristallisation zu ermöglichen. Das schnelle Abkühlen der Lösung induziert die Bildung vieler Keimbildungsstellen und begünstigt somit das Wachstum vieler kleiner Kristalle. Die langsame Abkühlung führt jedoch zur Bildung von weniger Keimbildungsstellen und begünstigt größere und reinere Kristalle. Daher wird eine langsame Abkühlung bevorzugt.

Zusätzlich kann ein Lösungsmittel ausgewählt werden, um Verunreinigungen zu minimieren. Wenn eine Lösungsverunreinigung löslicher ist als der gelöste Stoff selbst, kann sie mit kaltem Lösungsmittel von den vollständig ausgebildeten Kristallen abgewaschen werden. Wenn eine Verunreinigung jedoch weniger löslich ist, kristallisiert sie zuerst und kann dann aus der erhitzten Lösung herausgefiltert werden, bevor der gelöste Stoff rekristallisiert wird.

Wenn kein einzelnes Lösungsmittel die notwendigen Eigenschaften aufweist, kann eine Mischung von Lösungsmitteln verwendet werden. Bei einem Lösungsmittelpaar sollte das erste Lösungsmittel den Feststoff leicht auflösen. Das zweite Lösungsmittel muss eine geringere Löslichkeit für den gelösten Stoff aufweisen und mit dem ersten Lösungsmittel mischbar sein. Zu den gängigen Lösungsmittelpaaren gehören Ethylacetat und Hexan, Toluol und Hexan, Methanol und Dichlormethan sowie Wasser und Ethanol.

Nachdem Sie nun die Prinzipien der Rekristallisation verstanden haben, gehen wir ein Verfahren zur Reinigung einer organischen Verbindung durch Rekristallisation durch.

Um diesen Vorgang zu beginnen, geben Sie 50 mg der Probe in ein Reagenzglas aus Glas.

Fügen Sie 0,5 ml Lösungsmittel bei Raumtemperatur hinzu. Löst sich die Verbindung vollständig auf, ist die Löslichkeit im kalten Lösungsmittel zu hoch, um zur Rekristallisation verwendet zu werden. Andernfalls erhitzen Sie die Mischung im Reagenzglas zum Sieden.

Wenn sich die Verbindung nicht vollständig im siedenden Lösungsmittel auflöst, erhitzen Sie eine andere Portion des Lösungsmittels zum Sieden. Geben Sie das siedende Lösungsmittel tropfenweise in das Reagenzglas, bis sich der Feststoff vollständig aufgelöst hat oder bis das Reagenzglas 3 ml Lösungsmittel enthält. Wenn sich der Feststoff immer noch nicht auflöst, ist seine Löslichkeit in diesem Lösungsmittel zu gering.

Vergewissern Sie sich, dass Verunreinigungen entweder im heißen Lösungsmittel unlöslich sind, damit sie nach der Auflösung herausgefiltert werden können, oder im kalten Lösungsmittel löslich sind, damit sie nach Abschluss der Rekristallisation in Lösung bleiben. Erfüllt ein Lösungsmittel alle Kriterien, ist es für die Rekristallisation geeignet.

Um die Rekristallisation zu starten, wird das Lösungsmittel auf einer heißen Platte in einem Erlenmeyerkolben mit einem Rührstab zum Sieden gebracht. Die zu rekristallisierende Verbindung wird in einen anderen Erlenmeyerkolben bei Raumtemperatur gegeben.

Fügen Sie als Nächstes eine kleine Portion heißes Lösungsmittel zur Verbindung hinzu. Die Mischung in der Flasche schwenken und ebenfalls auf die Herdplatte stellen. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis sich die Probe vollständig aufgelöst hat oder bis die Zugabe von Lösungsmittel keine weitere Auflösung mehr bewirkt.

Fügen Sie der Lösung einen Überschuss von 10 % heißem Lösungsmittel hinzu, um die Verdunstung auszugleichen. Legen Sie das Filterpapier in einen B?chner-Trichter. Filtern Sie die Lösung, um unlösliche Verunreinigungen zu entfernen. Wenn sich während der Filtration Kristalle bilden, lösen Sie diese mit Tropfen heißem Lösungsmittel auf.

Kühlen Sie die Lösung auf der Arbeitsplatte ab. Decken Sie den Kolben ab, um Lösungsmittelverluste durch Verdunstung zu verhindern und Partikel aus der Lösung fernzuhalten.

Lassen Sie den Kolben ungestört, bis er auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Rühren während des Abkühlens kann zu einer schnellen Kristallisation führen, wodurch weniger reine Kristalle entstehen. Ist beim Abkühlen keine Kristallbildung erkennbar, so wird die Kristallisation herbeigeführt, indem die Innenwände des Kolbens vorsichtig mit einem Glasstab zerkratzt oder ein kleiner Impfkristall der zu rekristallisierenden Verbindung hinzugefügt wird.

Wenn die Kristallbildung nicht induziert werden kann, erhitzen Sie die Lösung erneut, um einen Teil des Lösungsmittels abzukochen, und kühlen Sie das Lösungsmittel dann erneut auf Raumtemperatur ab.

Sobald sich Kristalle gebildet haben, bereite ein Eisbad vor. Halten Sie die Lösung bedeckt und kühlen Sie die Lösung im Eisbad ab, bis die Kristallisation abgeschlossen zu sein scheint.

Klemmen Sie einen Filterkolben an einen Ringständer und schließen Sie den Kolben an eine Vakuumleitung an. Setzen Sie einen B?chner-Trichter und einen Adapter in die Mündung des Kolbens ein.

Gießen Sie die Mischung aus Lösung und Kristallen in den Trichter und beginnen Sie mit der Vakuumfiltration. Die im Kolben verbliebenen Kristalle werden mit kaltem Lösungsmittel in den Trichter gespült. Waschen Sie die Kristalle auf dem Trichter mit kaltem Lösungsmittel, um lösliche Verunreinigungen zu entfernen.

Ziehen Sie weiter Luft durch den Trichter, um die Kristalle zu trocknen, und schalten Sie dann die Vakuumpumpe aus. Falls erforderlich, können die Kristalle bei Raumtemperatur an der Luft trocknen gelassen oder in einen Exsikkator gelegt werden, bevor der kristallisierte Feststoff gelagert wird.

Die in der Rohverbindung vorhandenen gelben Verunreinigungen wurden entfernt, so dass ein cremefarbener Feststoff entsteht. Basierend auf der Identität der Verbindung und der Verunreinigungen kann die Reinheit der Kristalle durch NMR-Spektroskopie, Schmelzpunktsmessungen oder visuelle Inspektion überprüft werden.

Die Aufreinigung durch Rekristallisation ist ein wichtiges Werkzeug für die chemische Synthese und Analyse.

Die Röntgenkristallographie ist eine leistungsfähige Charakterisierungstechnik, mit der die dreidimensionale atomare Struktur eines Moleküls identifiziert werden kann. Dazu wird ein reiner Einkristall benötigt, der durch Rekristallisation erhalten wird. Einige Klassen von Molekülen wie Proteine sind schwer zu kristallisieren, aber ihre Strukturen sind äußerst wichtig für das Verständnis ihrer chemischen Funktionen. Bei sorgfältiger Auswahl der Rekristallisationsbedingungen können auch diese Molekülklassen mittels Röntgenkristallographie analysiert werden. Um mehr über diesen Prozess zu erfahren, sehen Sie sich das Video dieser Sammlung über die Züchtung von Kristallen für die Kristallographie an.

Unreine Reaktanten können unerwünschte Nebenreaktionen hervorrufen. Die Reinigung von Reaktanten durch Rekristallisation verbessert die Reinheit und Ausbeute des Produkts. Nachdem ein festes Produkt isoliert und gewaschen wurde, kann die Reaktionsausbeute auch erhöht werden, indem flüchtige Bestandteile aus dem Filtrat entfernt und das Produkt aus dem resultierenden Feststoff rekristallisiert wird. Frostschutzproteine (AFPs) werden in vielen Organismen exprimiert, die in eisigen Umgebungen leben. AFPs behindern das innere Eiswachstum, indem sie an Eisebenen binden und so die Rekristallisation zu größeren Eiskristallen hemmen. Unterschiedliche AFPs binden an unterschiedliche Arten von Eiskristallebenen. Um die Bindungsmechanismen von AFP zu untersuchen, werden sie an einzelne Eiskristalle adsorbiert. Das richtige Wachstum eines einzelnen Eiskristalls ist für klare und aussagekräftige Ergebnisse unerlässlich. Diese Proteine finden Anwendung in der Entwicklung kälteresistenter Nutzpflanzen bis hin zur Kryochirurgie.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Reinigung von Verbindungen durch Rekristallisation gesehen. Sie sollten nun mit den Prinzipien der Technik, einem Reinigungsverfahren und einigen Anwendungen der Rekristallisation in der Chemie vertraut sein.

Danke fürs Zuschauen!