Recristallisation

recristallisation

Souvent, le produit souhaité d’une réaction chimique fait partie d’un mélange réactionnel plus complexe, qui peut être composé du solvant, des matériaux de départ et des impuretés. Apprendre à purifier correctement les composés organiques est une technique précieuse en chimie organique. La recristallisation exploite les différences de solubilité du composé souhaité et l’impureté du solvant pour purifier le produit souhaité sous forme solide. Il existe trois méthodes standard de purification : la distillation, l’extraction et la recristallisation.

solubilité

La solubilité d’une substance est la quantité maximale qui se dissout dans un volume fixe d’un solvant donné à une température donnée. Différents solutés ont des solubilités différentes et se dissolvent dans différents solvants. Les solutés peuvent avoir des caractéristiques déterminantes qui se prêtent à être exploitées pour la recristallisation. Les composés présentent l’un des comportements suivants dans un solvant. Tout d’abord, le composé peut être insoluble ou avoir une très faible solubilité dans le solvant à toutes les températures. Deuxièmement, le composé peut être soluble dans le solvant à des températures plus élevées. Troisièmement, le composé peut être soluble dans le solvant à toutes les températures.

L’un des principaux facteurs permettant de déterminer si un soluté se dissout dans un solvant et forme une solution est l’intensité et le type de forces intermoléculaires entre le soluté et le solvant. La règle générale est « semblable se dissout semblable », ce qui signifie que les substances ayant des types similaires de forces intermoléculaires se dissolvent les unes dans les autres. Par exemple, les substances polaires telles que le sel de table (NaCl) se dissolvent bien dans l’eau polaire.

La température est un autre facteur clé qui améliore la solubilité. Pour de nombreuses substances, la solubilité augmente considérablement à des températures plus élevées. Cela est dû au fait que l’augmentation de l’énergie cinétique à des températures plus élevées brise les forces intermoléculaires du soluté qui maintiennent les molécules ensemble. Cela se voit dans la vie de tous les jours. Par exemple, nous savons que le sel de table (NaCl) se dissout bien dans l’eau ; Cependant, plus de dissolutions à des températures plus élevées qu’à des températures plus basses.

Qualitativement, une solution est considérée comme insaturée si la quantité maximale de soluté dissous n’a pas encore été atteinte. Lorsque le maximum de soluté possible est dissous, la solution est saturée. Une solution sursaturée contient plus de soluté dissous que la quantité maximale possible dans des conditions typiques.

recristallisation

La recristallisation tire parti des différences de solubilité entre le produit souhaité et les contaminants à haute température. La première étape de la recristallisation consiste à dissoudre le mélange de produit dans un volume minimal de solvant chauffé qui donne toujours une solution saturée, mais pas sursaturée. Ensuite, la solution est refroidie à température ambiante, ce qui diminue la solubilité du composé souhaité et l’impureté.

Au fur et à mesure que la solution refroidit, la cristallisation du composant pur commence, contrairement aux impuretés encore solubles. Cela se produit lorsque la concentration du composant d’intérêt est nettement supérieure à celle de l’impureté. Tout d’abord, dans la phase de nucléation, le solvant initie l’agglomération aléatoire des molécules de soluté, formant le premier cristal appelé graine ou noyau. Ensuite, dans la phase de croissance ou de cristallisation des particules, d’autres molécules sont ajoutées à la graine, formant un cristal. Le cristal contient le composé pur, tandis que l’impureté reste dans le solvant.

La nucléation se déroule plus rapidement que la croissance des particules dans une solution sursaturée. Avec plus de graines, chaque cristal est plus petit. Ainsi, si la solution est saturée, plutôt que sursaturée, moins de graines se forment, ce qui donne des cristaux plus gros. Le chauffage de la solution à une température plus élevée avant de la refroidir à température ambiante permet la dissolution d’une concentration plus élevée de soluté, diminuant ainsi la sursaturation. De plus, le refroidissement rapide entraîne une nucléation rapide, formant de nombreux petits cristaux et piégeant l’impureté à l’intérieur des cristaux. Le refroidissement lent est préférable pour obtenir des cristaux moins nombreux et plus gros.

Une fois que la solution a refroidi à température ambiante et que les cristaux se sont formés, la solution est filtrée par filtration sous vide. Ensuite, on laisse sécher les cristaux. Le pourcentage de récupération est calculé en divisant la masse du produit récupéré par la masse du produit brut.

Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimie et réactivité chimique. Belmont, Californie : Brooks/Cole, Cengage Learning.

La plupart des produits contiennent des impuretés. Une façon de purifier ces produits est la recristallisation. La recristallisation commence par la dissolution du produit impur dans juste assez de solvant chaud pour former une solution saturée, où autant de soluté que possible est dissous dans le solvant. Tout soluté supplémentaire ne semblera pas se dissoudre.

Un solvant chaud est utilisé car la solubilité augmente généralement avec la température. À mesure que la température augmente, la quantité de soluté qui peut être dissoute dans le solvant augmente. Au fur et à mesure que la solution refroidit, la solubilité du produit diminue et les molécules de soluté se rassemblent pour former de petits cristaux stables appelés noyaux.

C’est la première étape de la cristallisation, appelée nucléation. Une croissance cristalline supplémentaire se produit sur les noyaux parce que les molécules de soluté ont une plus grande affinité pour joindre des cristaux de soluté existants que pour former de nouveaux cristaux. Les impuretés solubles sont laissées en solution.

La cristallisation peut se produire spontanément ou être encouragée en grattant l’intérieur du flacon, en agitant la solution ou en ajoutant un cristal de graine du composé, qui fournissent tous une surface pour une croissance ultérieure.

La recristallisation en gros cristaux purs et de forme régulière ne fonctionne que lorsqu’un solvant approprié est utilisé. Le composé doit être insoluble dans le solvant à température ambiante et soluble à haute température. Idéalement, les impuretés doivent être soit insolubles dans le solvant à haute température, soit solubles dans le solvant à température ambiante.

Si les impuretés sont insolubles dans le solvant chaud, elles sont filtrées avant la cristallisation. Après la recristallisation, les cristaux sont filtrés et lavés avec un solvant froid pour éliminer les impuretés des surfaces. Maintenant, la pureté des cristaux peut être analysée.

Lorsque vous choisissez un solvant, gardez à l’esprit que plus la différence de solubilité entre les températures élevées et les basses températures est grande, plus le soluté est susceptible de sortir de la solution lorsqu’il refroidit pour former des cristaux. La vitesse de refroidissement est également importante dans la recristallisation.

Le refroidissement rapide favorise la formation de nombreux sites de nucléation et la croissance de cristaux plus petits, tandis que le refroidissement induit lentement la formation de moins de sites de nucléation et la croissance de cristaux moins nombreux, plus grands mais plus purs. Ainsi, un refroidissement plus lent est préférable.

Dans ce laboratoire, vous allez recristalliser deux composés organiques impurs, l’acétanilide et l’acide cinnamique trans, puis évaluer la pureté des composés récupérés en comparant leur plage de point de fusion aux valeurs de la littérature.