Purification des composés par recristallisation

La recristallisation est une technique de purification des composés solides.

Pour effectuer la recristallisation, un composé solide impur est mélangé à un solvant chaud pour former une solution saturée. Au fur et à mesure que cette solution refroidit, la solubilité du composé diminue et des cristaux purs se développent à partir de la solution.

La recristallisation est souvent utilisée comme étape finale après d’autres méthodes de séparation telles que l’extraction ou la chromatographie sur colonne. La recristallisation peut également être utilisée pour séparer deux composés ayant des propriétés de solubilité très différentes. Cette vidéo illustrera la sélection des solvants pour la recristallisation, la purification d’un composé organique à partir d’une solution, et présentera quelques applications en chimie.

La cristallisation commence par la nucléation. Les molécules de soluté se rassemblent pour former un petit cristal stable, qui est suivi d’une croissance cristalline. La nucléation se produit plus rapidement sur les sites de nucléation tels que les cristaux de graines, les rayures ou les impuretés solides que spontanément en solution. L’agitation peut également favoriser une nucléation rapide. Cependant, une croissance rapide peut conduire à l’incorporation d’impuretés si elle n’est pas cultivée dans des conditions optimales.

La solubilité d’un composé a tendance à augmenter avec la température et dépend fortement du choix du solvant. Plus la différence de solubilité à haute et basse température est grande, plus il est probable que le soluté sorte de la solution en refroidissant et forme des cristaux.

Le solvant choisi doit avoir un point d’ébullition d’au moins 40 °. C, il y a donc une différence de température significative entre l’ébullition et la température ambiante. Le point d’ébullition du solvant doit également être inférieur au point de fusion du soluté pour permettre la cristallisation. Le refroidissement rapide de la solution induit la formation de nombreux sites de nucléation, favorisant ainsi la croissance de nombreux petits cristaux. Cependant, le refroidissement lent induit la formation de moins de sites de nucléation et favorise les cristaux plus grands et plus purs. Ainsi, un refroidissement lent est préférable.

De plus, un solvant peut être sélectionné pour minimiser les impuretés. Si une impureté de solution est plus soluble que le soluté lui-même, elle peut être lavée des cristaux entièrement formés avec un solvant froid. Cependant, si une impureté est moins soluble, elle cristallisera d’abord, puis pourra être filtrée hors de la solution chauffée, avant la recristallisation du soluté.

Si aucun solvant n’a les propriétés nécessaires, un mélange de solvants peut être utilisé. Pour une paire de solvants, le premier solvant doit dissoudre facilement le solide. Le deuxième solvant doit avoir une solubilité plus faible pour le soluté et être miscible avec le premier solvant. Les paires de solvants courantes comprennent l’acétate d’éthyle et l’hexane, le toluène et l’hexane, le méthanol et le dichlorométhane, ainsi que l’eau et l’éthanol.

Maintenant que vous comprenez les principes de la recristallisation, passons en revue une procédure de purification d’un composé organique par recristallisation.

Pour commencer cette procédure, placez 50 mg de l’échantillon dans un tube à essai en verre.

Ajouter 0,5 mL de solvant à température ambiante. Si le composé se dissout complètement, la solubilité dans le solvant froid est trop élevée pour être utilisée pour la recristallisation. Sinon, chauffez le mélange dans le tube à essai à ébullition.

Si le composé ne se dissout pas complètement dans le solvant bouillant, chauffez une autre portion de solvant à ébullition. Ajouter le solvant bouillant goutte à goutte dans le tube à essai jusqu’à ce que le solide se dissolve complètement ou jusqu’à ce que le tube à essai contienne 3 mL de solvant. Si le solide ne se dissout toujours pas, sa solubilité dans ce solvant est trop faible.

Confirmez que les impuretés sont soit insolubles dans le solvant chaud afin qu’elles puissent être filtrées après la dissolution, soit solubles dans le solvant froid afin qu’elles restent en solution une fois la recristallisation terminée. Si un solvant répond à tous les critères, il convient à la recristallisation.

Pour commencer la recristallisation, chauffer le solvant à ébullition sur une plaque chauffante dans un erlenmeyer à l’aide d’un agitateur. Placez le composé à recristalliser dans un autre erlenmeyer à température ambiante.

Ensuite, ajoutez une petite portion de solvant chaud au composé. Faites tourbillonner le mélange dans le ballon puis placez-le également sur la plaque chauffante. Répétez ce processus jusqu’à ce que l’échantillon soit complètement dissous ou jusqu’à ce que l’ajout de solvant n’entraîne plus de dissolution.

Ajoutez un excès de 10 % de solvant chaud à la solution pour tenir compte de l’évaporation. Placez le papier filtre dans une configuration d’entonnoir B ?chner. Filtrez la solution pour éliminer les impuretés insolubles. Si des cristaux se forment lors de la filtration, dissolvez-les avec des gouttes de solvant chaud.

Refroidissez la solution sur la paillasse. Couvrez le ballon pour éviter la perte de solvant par évaporation et pour empêcher les particules de pénétrer dans la solution.

Laissez le ballon tranquille jusqu’à ce qu’il ait refroidi à température ambiante. L’agitation pendant le refroidissement peut provoquer une cristallisation rapide, produisant des cristaux moins purs. Si aucune formation cristalline n’est évidente lors du refroidissement, induisez la cristallisation en grattant doucement les parois intérieures du ballon avec une tige de verre ou en ajoutant un petit cristal de graine du composé à recristalliser.

Si la formation de cristaux ne peut pas être induite, réchauffez la solution pour faire bouillir une partie du solvant, puis refroidissez à nouveau le solvant à température ambiante.

Une fois les cristaux formés, préparez un bain de glace. En gardant la solution couverte, refroidissez la solution dans le bain de glace jusqu’à ce que la cristallisation semble complète.

Fixez un ballon de filtration à un support annulaire et connectez le ballon à une conduite de vide. Placez un entonnoir et un adaptateur Büchner dans l’embouchure de la fiole.

Versez le mélange de solution et de cristaux dans l’entonnoir et commencez la filtration sous vide. Rincez les cristaux restants dans le ballon dans l’entonnoir avec un solvant froid. Lavez les cristaux sur l’entonnoir avec un solvant froid pour éliminer les impuretés solubles.

Continuez à aspirer de l’air à travers l’entonnoir pour sécher les cristaux, puis éteignez la pompe à vide. Si nécessaire, les cristaux peuvent être laissés à température ambiante pour sécher à l’air libre ou placés dans un dessiccateur avant de stocker le solide cristallisé.

Les impuretés jaunes présentes dans le composé brut ont été éliminées, ce qui donne un solide blanc cassé. Sur la base de l’identité du composé et des impuretés, la pureté des cristaux peut être vérifiée par spectroscopie RMN, mesures du point de fusion ou inspection visuelle.

La purification par recristallisation est un outil important pour la synthèse et l’analyse chimique.

La cristallographie aux rayons X est une technique de caractérisation puissante qui permet d’identifier la structure atomique tridimensionnelle d’une molécule. Cela nécessite un monocristal pur, qui est obtenu par recristallisation. Certaines classes de molécules telles que les protéines sont difficiles à cristalliser, mais leurs structures sont extrêmement importantes pour comprendre leurs fonctions chimiques. Avec une sélection minutieuse des conditions de recristallisation, même ces classes de molécules peuvent être analysées par cristallographie aux rayons X. Pour en savoir plus sur ce processus, regardez la vidéo de cette collection sur la croissance des cristaux pour la cristallographie.

Les réactifs impurs peuvent provoquer des réactions secondaires indésirables. La purification des réactifs par recristallisation améliore la pureté et le rendement du produit. Une fois qu’un produit solide a été isolé et lavé, le rendement de réaction peut également être augmenté en éliminant les substances volatiles du filtrat et en recristallisant le produit à partir du solide résultant. Les protéines antigel, ou AFP, sont exprimées dans de nombreux organismes qui vivent dans des environnements glacés. Les AFP entravent la croissance interne de la glace en se liant aux plans de glace, inhibant la recristallisation en cristaux de glace plus gros. Différents AFP se lient à différents types de plans de cristaux de glace. L’étude des mécanismes de liaison de l’AFP consiste à les adsorber sur des cristaux de glace uniques. La croissance correcte d’un seul cristal de glace est essentielle pour des résultats clairs et informatifs. Ces protéines ont des applications allant de l’ingénierie de cultures résistantes au froid à la cryochirurgie.

Vous venez d’assister à l’introduction de JoVE à la purification des composés par recristallisation. Vous devriez maintenant être familiarisé avec les principes de la technique, une procédure de purification et certaines applications de la recristallisation en chimie.

Merci d’avoir regardé !