2.7: Purificazione di composti tramite ricristallizzazione

Eseguire tutte le fasi in una cappa aspirante per prevenire l'esposizione ai fumi del solvente.

1. Selezione di un solvente

1. Porre 50 mg del campione (N-bromosuccinimide) in un matraccio Erlenmeyer.
2. Aggiungere 0,5 ml di solvente bollente (acqua). Se il campione si dissolve completamente, la solubilità nel solvente freddo è troppo alta per essere un buon solvente di ricristallizzazione.
3. Se il campione non si dissolve nel solvente freddo, riscaldare la provetta fino a quando il solvente non bolle.
   1. Se il campione non si è completamente sciolto a questo punto, aggiungere altro solvente bollente a goccia, fino a quando tutto il solido si dissolve. Se ci vogliono più di 3 ml per sciogliere il campione nel solvente caldo, la solubilità in questo solvente è probabilmente troppo bassa per renderlo un buon solvente di ricristallizzazione.
4. Se la prima scelta di solvente non è un buon solvente di ricristallizzazione, provane altri. Se non è possibile trovare un singolo solvente che funziona, provare un sistema a due solventi.
   1. Se non è possibile trovare un singolo sistema a solvente adatto, potrebbe essere necessaria una coppia di solventi. Quando si identifica una coppia di solventi, ci sono diverse considerazioni chiave 1) Il primo solvente dovrebbe facilmente dissolvere il solido. 2) Il secondo solvente deve essere miscibile con il^1° solvente, ma avere una solubilità molto più bassa per il soluto.
   2. Come regola generale "likes dissolve likes", il che significa che i composti polari tendono ad essere solubili in solventi polari e i composti non polari sono spesso composti non polari più solubili.
   3. Coppie di solventi comuni (Tabella 1)
5. Assicurarsi che il solvente abbia un punto di ebollizione di almeno 40 °C, in modo che vi sia una ragionevole differenza di temperatura tra solvente bollente e solvente a temperatura ambiente.
6. Assicurarsi che il solvente abbia un punto di ebollizione inferiore a circa 120 °C, in modo che sia più facile rimuovere le ultime tracce di solvente dai cristalli.
7. Assicurarsi inoltre che il punto di ebollizione del solvente sia inferiore al punto di fusione del composto, in modo che il composto si formi come cristalli solidi piuttosto che come olio insolubile.
8. Confermare che le impurità sono insolubili nel solvente caldo (in modo che possano essere filtrate a caldo, una volta che il composto è disciolto) o solubili nel solvente freddo (in modo che rimangano disciolte durante l'intero processo).

2. Sciogliere il campione in solvente caldo

1. Posizionare il composto da ricristallizzare in un matraccio Erlenmeyer. Questa è una scelta migliore di un becher, poiché i lati inclinati aiutano a intrappolare i vapori di solvente e rallentare la velocità di evaporazione.
2. Mettere il solvente (acqua) in un matraccio Erlenmeyer separato e aggiungere patatine bollenti o una barra di agitazione per mantenerlo in ebollizione senza intoppi. Riscaldarlo a ebollizione su una piastra elettrica.
3. Aggiungere solvente caldo a un matraccio a temperatura ambiente contenente il composto in piccole porzioni, ruotando dopo ogni aggiunta, fino a quando il composto è completamente sciolto.
   1. Durante il processo di dissoluzione, mantenere la soluzione sempre calda appoggiandola anche sulla piastra di cottura. Non aggiungere più solvente caldo del necessario - quanto basta per sciogliere il campione.
4. Se una porzione del solido non sembra dissolversi, anche dopo che è stato aggiunto più solvente caldo, è probabile che sia dovuto alla presenza di impurità molto insolubili. Se ciò accade, interrompere l'aggiunta di solvente ed eseguire una filtrazione a caldo prima di procedere.
   1. Per eseguire una filtrazione a caldo, piegare un pezzo di carta da filtro in una forma a cono scanalato e posizionarlo in un imbuto senza stelo di vetro.
   2. Aggiungere un eccesso del 10-20% di solvente caldo alla soluzione calda per consentire l'evaporazione nella procedura.
   3. Versare la soluzione attraverso la carta. Se i cristalli iniziano a formarsi in qualsiasi momento durante il processo, aggiungere una piccola porzione di solvente caldo per dissolverli.

3. Raffreddamento della soluzione

1. Impostare il pallone contenente il composto disciolto su una superficie che non conduca il calore troppo rapidamente, ad esempio un tovagliolo di carta posto su un banco.
2. Coprire leggermente il matraccio mentre si raffredda per evitare l'evaporazione e per evitare che la polvere cada nella soluzione.
3. Lasciare indisturbato il pallone fino a quando non si raffredda a temperatura ambiente.
4. Una volta formati i cristalli, posizionare la soluzione in un bagno di ghiaccio per assicurarsi che si ottiene la massima quantità di cristalli. Le soluzioni devono essere lasciate indisturbate nel bagno di ghiaccio per 30 minuti a 1 ora, o fino a quando il composto sembra essersi completamente cristallizzato fuori soluzione.
5. Se non è evidente alcuna formazione cristallina, può essere indotta graffiando le pareti interne del pallone con un'asta di vetro o aggiungendo un piccolo cristallo seme dello stesso composto.
   1. Se questo non funziona ancora, probabilmente è stato usato troppo solvente. Riscaldare la soluzione, lasciare bollire parte del solvente, quindi raffreddarlo.

4. Isolare e asciugare i cristalli

1. Mettere la fiaschetta fredda contenente i cristalli appena formati su un banco.
2. Coprire leggermente il matraccio per evitare l'evaporazione e per evitare che la polvere cada nella soluzione.
3. Isolare i cristalli mediante filtrazione sotto vuoto, utilizzando un imbuto Büchner o Hirsch (bloccare prima il pallone su un supporto ad anello).
4. Risciacquare i cristalli sull'imbuto Büchner con una piccola quantità di solvente fresco e freddo (lo stesso solvente utilizzato per la ricristallizzazione) per rimuovere eventuali impurità che potrebbero attaccarsi ai cristalli.
5. Per asciugare i cristalli, lasciarli nell'imbuto del filtro e aspirare l'aria attraverso di essi per diversi minuti. I cristalli possono anche essere essiccati all'aria permettendo loro di rimanere scoperti per diverse ore o giorni. I metodi più efficienti includono l'essiccazione sottovuoto o il posizionamento in un essiccatore.

Tabella 1. Coppie di solventi comuni.

La ricristallizzazione è una tecnica di purificazione dei composti solidi.

Per eseguire la ricristallizzazione, un composto solido impuro viene miscelato con solvente caldo per formare una soluzione satura. Man mano che questa soluzione si raffredda, la solubilità del composto diminuisce e dalla soluzione crescono cristalli puri.

La ricristallizzazione viene spesso utilizzata come fase finale dopo altri metodi di separazione, come l'estrazione o la cromatografia su colonna. La ricristallizzazione può anche essere utilizzata per separare due composti con proprietà di solubilità molto diverse. Questo video illustrerà la selezione del solvente per la ricristallizzazione, la purificazione di un composto organico dalla soluzione e introdurrà alcune applicazioni in chimica.

La cristallizzazione inizia con la nucleazione. Le molecole di soluto si uniscono per formare un piccolo cristallo stabile, seguito dalla crescita dei cristalli. La nucleazione avviene più velocemente su siti di nucleazione come cristalli di semi, graffi o impurità solide che spontaneamente in soluzione. L'agitazione può anche favorire una rapida nucleazione. Tuttavia, una crescita rapida può portare all'incorporazione di impurità se non coltivata in condizioni ottimali.

La solubilità di un composto tende ad aumentare con la temperatura ed è fortemente dipendente dalla scelta del solvente. Maggiore è la differenza di solubilità ad alta e bassa temperatura, più è probabile che il soluto fuoriesca dalla soluzione mentre si raffredda e formi cristalli.

Il solvente scelto deve avere un punto di ebollizione di almeno 40?? C quindi c'è una differenza di temperatura significativa tra l'ebollizione e la temperatura ambiente. Anche il punto di ebollizione del solvente deve essere inferiore al punto di fusione del soluto per consentire la cristallizzazione. Il rapido raffreddamento della soluzione induce la formazione di molti siti di nucleazione, favorendo così la crescita di molti piccoli cristalli. Tuttavia, il raffreddamento lento induce la formazione di un minor numero di siti di nucleazione e favorisce cristalli più grandi e più puri. Pertanto, è preferibile un raffreddamento lento.

Inoltre, è possibile selezionare un solvente per ridurre al minimo le impurità. Se un'impurità della soluzione è più solubile del soluto stesso, può essere lavata via dai cristalli completamente formati con un solvente freddo. Tuttavia, se un'impurità è meno solubile, cristallizzerà per prima e potrà quindi essere filtrata dalla soluzione riscaldata, prima della ricristallizzazione del soluto.

Se nessun singolo solvente ha le proprietà necessarie, è possibile utilizzare una miscela di solventi. Per una coppia di solventi, il primo solvente dovrebbe sciogliere facilmente il solido. Il secondo solvente deve avere una solubilità inferiore per il soluto ed essere miscibile con il primo solvente. Le coppie di solventi comuni includono acetato di etile ed esano, toluene ed esano, metanolo e diclorometano e acqua ed etanolo.

Ora che hai compreso i principi della ricristallizzazione, esaminiamo una procedura per la purificazione di un composto organico mediante ricristallizzazione.

Per iniziare questa procedura, mettere 50 mg del campione in una provetta di vetro.

Aggiungere 0,5 ml di solvente a temperatura ambiente. Se il composto si dissolve completamente, la solubilità nel solvente freddo è troppo alta per essere utilizzata per la ricristallizzazione. In caso contrario, scaldare la miscela nella provetta fino a ebollizione.

Se il composto non si dissolve completamente nel solvente bollente, scaldare un'altra porzione di solvente fino all'ebollizione. Aggiungere il solvente bollente goccia a goccia alla provetta fino a quando il solido non si dissolve completamente o fino a quando la provetta contiene 3 ml di solvente. Se il solido continua a non dissolversi, la sua solubilità in questo solvente è troppo bassa.

Verificare che le impurità siano insolubili nel solvente caldo in modo che possano essere filtrate dopo la dissoluzione o solubili nel solvente freddo in modo che rimangano in soluzione dopo il completamento della ricristallizzazione. Se un solvente soddisfa tutti i criteri, è adatto per la ricristallizzazione.

Per avviare la ricristallizzazione, riscaldare il solvente fino a ebollizione su una piastra calda in un pallone di Erlenmeyer con una barra di agitazione. Porre il composto da ricristallizzare in un altro pallone di Erlenmeyer a temperatura ambiente.

Quindi, aggiungi una piccola porzione di solvente caldo al composto. Agitare il composto nel pallone e poi posizionarlo anche sulla piastra calda. Ripetere questo processo fino a quando il campione non si è completamente sciolto o fino a quando l'aggiunta di solvente non provoca un'ulteriore dissoluzione.

Aggiungere un eccesso del 10% di solvente caldo alla soluzione per tenere conto dell'evaporazione. Posizionare la carta da filtro in una configurazione a imbuto Bâchner. Filtrare la soluzione per rimuovere le impurità insolubili. Se durante la filtrazione si formano dei cristalli, scioglierli con gocce di solvente caldo.

Raffreddare la soluzione sul piano di lavoro. Coprire il pallone per evitare la perdita di solvente per evaporazione e per mantenere il particolato fuori dalla soluzione.

Lasciare il pallone indisturbato fino a quando non si è raffreddato a temperatura ambiente. L'agitazione durante il raffreddamento può causare una rapida cristallizzazione, producendo cristalli meno puri. Se non è evidente alcuna formazione di cristalli al momento del raffreddamento, indurre la cristallizzazione grattando delicatamente le pareti interne del pallone con una bacchetta di vetro o aggiungendo un piccolo cristallo seme del composto da ricristallizzare.

Se non è possibile indurre la formazione di cristalli, riscaldare nuovamente la soluzione per far bollire parte del solvente, quindi raffreddare nuovamente il solvente a temperatura ambiente.

Una volta formati i cristalli, preparare un bagno di ghiaccio. Mantenendo la soluzione coperta, raffreddare la soluzione nel bagno di ghiaccio fino a quando la cristallizzazione non sembra essere completa.

Fissare un pallone di filtrazione a un supporto ad anello e collegare il pallone a una linea del vuoto. Inserire un imbuto Böchner e un adattatore nella bocca del pallone.

Versare la miscela di soluzione e cristalli nell'imbuto e iniziare la filtrazione sottovuoto. Sciacquare i cristalli rimasti nel pallone nell'imbuto con solvente freddo. Lavare i cristalli sull'imbuto con solvente freddo per rimuovere le impurità solubili.

Continuare ad aspirare aria attraverso l'imbuto per asciugare i cristalli, quindi spegnere la pompa del vuoto. Se necessario, i cristalli possono essere lasciati riposare a temperatura ambiente per asciugarli all'aria o posti in un essiccatore prima di conservare il solido cristallizzato.

Le impurità gialle presenti nel composto grezzo sono state rimosse, producendo un solido biancastro. In base all'identità del composto e alle impurità, la purezza dei cristalli può essere verificata mediante spettroscopia NMR, misurazioni del punto di fusione o ispezione visiva.

La purificazione mediante ricristallizzazione è uno strumento importante per la sintesi e l'analisi chimica.

La cristallografia a raggi X è una potente tecnica di caratterizzazione che identifica la struttura atomica tridimensionale di una molecola. Ciò richiede un singolo cristallo puro, che si ottiene per ricristallizzazione. Alcune classi di molecole come le proteine sono difficili da cristallizzare, ma le loro strutture sono estremamente importanti per comprendere le loro funzioni chimiche. Con un'attenta selezione delle condizioni di ricristallizzazione, anche queste classi di molecole possono essere analizzate mediante cristallografia a raggi X. Per saperne di più su questo processo, guarda il video di questa raccolta sulla crescita dei cristalli per la cristallografia.

I reagenti impuri possono causare reazioni collaterali indesiderate. La purificazione dei reagenti mediante ricristallizzazione migliora la purezza e la resa del prodotto. Una volta che un prodotto solido è stato isolato e lavato, la resa di reazione può anche essere aumentata rimuovendo i volatili dal filtrato e ricristallizzando il prodotto dal solido risultante. Le proteine antigelo, o AFP, sono espresse in molti organismi che vivono in ambienti ghiacciati. Le AFP ostacolano la crescita interna del ghiaccio legandosi ai piani di ghiaccio, inibendo la ricristallizzazione in cristalli di ghiaccio più grandi. Diversi AFP si legano a diversi tipi di piani di cristalli di ghiaccio. Lo studio dei meccanismi di legame dell'AFP comporta l'adsorbimento su singoli cristalli di ghiaccio. La corretta crescita di un singolo cristallo di ghiaccio è essenziale per ottenere risultati chiari e informativi. Queste proteine hanno applicazioni che vanno dall'ingegneria di colture resistenti al freddo alla criochirurgia.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai composti purificanti mediante ricristallizzazione. Ora dovresti avere familiarità con i principi della tecnica, una procedura di purificazione e alcune applicazioni della ricristallizzazione in chimica.

Grazie per l'attenzione!