再結晶により物質を浄化

Purifying Compounds by Recrystallization

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Purifying Compounds by Recrystallization

2.4: Rotary Evaporation to Remove Solvent

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March 04, 2015

Overview

ソース: 博士ジミーフランコ – メリマック大学講座

再結晶は、固体の化合物を浄化するために使用される手法です。¹固体はより冷たい液体でより熱い液体に溶解する傾向があります。再結晶化、ソリューションが飽和し、液体は冷却する許可まで、不純な固体化合物は熱い液体で溶解します。²化合物は、比較的純粋な結晶を形成する必要があります。理想的には、存在する不純物は、溶液中に残ってし、(図 1)、成長の結晶に組み込まれません。結晶は、濾過によりソリューションから除去することができます。回復可能なすべての化合物は-いくつかのソリューションに残ります、失われます。

再結晶は一般的に予想外の分離の手法としてむしろ、それは化合物から少量の不純物を除去する精製技術です。ただし、2 つの化合物の溶解度特性が十分に異なる場合、再結晶化は、ほぼ均等に存在している場合でも、それらを分離する使用できます。再結晶は、ほとんど不純物が抽出または列クロマトグラフィーなどの別の方法で既に削除された場合に最適です。

図 1。再結晶の一般的なスキーム。

Principles

成功した再結晶溶媒の適切な選択により異なります。化合物は、寒い時に熱い溶媒と同じ溶媒に不溶可溶必要があります。再結晶、目的間を考慮する 3 w/v の分割線水溶性と不溶性: 水溶性化合物の 3 g は、100 mL の溶媒に溶解する場合があります。再結晶溶媒、熱い溶解度と溶解性冷間違いが大きい、回復可能なより多くの製品を選択します。

冷却の率は、サイズと結晶の品質を決定します: 小さな結晶を支持する急速な冷却と大規模な一般的に純粋な結晶の成長を支持する遅い冷却します。再結晶化の率は通常、物質の融点以下約 50 ° C で最大最大結晶形成に融点以下約 100 ° C で発生します。

用語「結晶化」と「再結晶」が同じ意味で使用される時が、彼らは技術的に別のプロセスを参照してください。化学反応によって新たに不溶解性製品の形成は、結晶化この製品を多くのトラップ不純物を含む非晶質固体として反応液から沈殿させます。化学反応を伴わない再結晶粗生成物は単にソリューションに溶解し、再形成する結晶を許可する条件を変更し。再結晶より純粋な最終的な製品を生成します。このため、通常結晶化による強固な製品を作り出す実験プロシージャには純粋な化合物を与える最終的な再結晶のステップが含まれます。

Procedure

溶剤ガスへの暴露を防ぐためにヒュームフードのすべての手順を実行します。

1. 溶媒を選択します。

三角フラスコに 50 mg のサンプル (N ブロモスクシンイミド) を配置します。
0.5 mL の沸騰の溶媒 (水) を追加します。試料が完全に溶解する場合は、良い結晶溶媒に冷たい溶媒で溶解度が大きすぎます。
サンプルは冷たい溶媒中に溶解しない場合、は、溶媒は沸騰するまでテストチューブを熱します。
1. サンプルが完全にこの時点で解散はない場合、は、すべての固体が溶解するまでにもっと沸点溶媒を drop-wise、追加しています。熱い溶媒中で試料を溶かす 3 mL 以上かかる場合、この溶媒の溶解性が良い再結晶溶媒にする低すぎるおそらく。
溶媒の最初の選択肢は良い再結晶溶媒で、他を試してください。動作単一溶剤が見つからない場合、2 つの溶媒系をしようと。
1. 適切な単一溶剤システムを見つけることができない場合、溶媒ペアが必要かもしれません。溶媒のペアを識別するには、いくつかの重要な考慮事項 1 があります) 最初の溶媒は容易に固体を解散すべきです。2) 2 つ目の溶媒では、1^st溶剤と混和性であるが、溶質のはるかに低い溶解度する必要があります。
2. 一般的なルールとして「好きなものディゾルブ好き」極性化合物の極性溶媒と非極性化合物に溶解する傾向があることを意味は、しばしばより水溶性の非極性化合物。
3. 一般的な溶剤ペア (表 1)
沸騰の溶媒および室内温度溶媒間の適度な温度差があるので、溶剤が、少なくとも 40 の ° C の沸点であることを確認します。
あることを確認、溶媒沸点以下約 120 ° C 結晶から溶媒の最後の痕跡を削除する方が簡単です。
また溶媒の沸点は化合物形成不水溶性廃油としてではなく、固体の結晶としてので、化合物の融点よりも低いであることを確認します。
不純物がどちらかであることを確認 (彼らは化合物を分解したら、ホットフィルターできます) ので熱い溶媒に不溶または (し、全体のプロセスの中に溶解したまま) 冷たい溶媒に不溶。

2. 熱い溶媒中でサンプルの溶解

三角フラスコで再結晶する化合物を配置します。これは、傾斜の側面トラップ溶剤蒸気を助けるおよび蒸発の速度が遅いので、ビーカーよりもより良い選択です。
別のエルレンマイヤーフラスコに溶媒 (水) を配置し、沸騰のチップやスムーズに沸騰を維持する攪拌棒を追加します。ホットプレートの上に沸騰にそれを熱する。
化合物が完全に溶けるまで、各付加の後で旋回、小さな部分に化合物を含有する室温でフラスコに熱い溶媒を追加します。
1. 溶解処理中にソリューションを保持でホットすべての回でも、ホットプレートの上に休憩します。必要 – 以上より熱い溶媒を追加しない試料を溶かすだけで十分。
固体の部分が解消しない場合は熱い溶媒を追加すると後でさえもそうだ非常に不溶解性の不純物の存在のため。この場合、溶媒を追加するを停止し、続行する前に熱いろ過を行います。
1. 熱いろ過を実行するためにフルーティングを施された円錐形フィルター紙を折るし、ガラスの茎のない漏斗に入れます。
2. 手順で蒸発を許可する高温の溶液に熱い溶媒の 10-20% 過剰を追加します。
3. 紙を溶液を注ぐ。結晶開始フォームプロセス中にいつでも場合、は、それらを解消する温かみのある溶媒の小さな部分を追加します。

3. 冷却ソリューション

フラスコは行われません熱を離れて早すぎる、または卓上セットペーパータオルなど表面に溶存化合物を含有を設定します。
軽く冷やす蒸発を防ぐために、ソリューションに陥るからほこりを防ぐためにフラスコをカバーします。
それは部屋の温度に冷却するまでフラスコを妨げられていない残します。
結晶を形成している、一度結晶の最大量が得られることを確保するための氷浴にソリューションを配置します。ソリューションは、30 分間氷浴で妨げられていない 1 h に委ねられるべきまたは化合物表示が完全に解決から結晶化するまで。
それが中を掻くことによって誘起すること結晶形成を明らかにしない場合ガラス棒または同じ化合物の小さな種結晶を追加することによってフラスコの壁。
1. これはまだ動作するように失敗した場合、あまりにも多くの溶媒は使用でしょう。ソリューションを再加熱、ボイルオフガス、溶媒のいくつかを許可し、それを冷却します。

4. 分離と水晶の乾燥

冷たいフラスコ、ベンチトップに新たに形成された結晶を含むを設定します。
軽く蒸発を防ぐために、ソリューションに陥るからほこりを防ぐためにフラスコをカバーします。
Büchner またはハーシュ漏斗 (クランプリングにフラスコは最初スタンド) を使用して、真空ろ過で結晶を分離します。
結晶を Büchner 漏斗、冷たい新鮮な溶媒 (同じ溶媒再結晶に使用) の少量のリンスの結晶に固着する可能性のあるすべての不純物を除去します。
結晶を乾燥するには、漏斗フィルターでそれらを残すし、数分間それらを介して空気を描画します。結晶は、数時間または数日の帽子をかぶらないで済むも乾することができます。効率的な方法には、真空乾燥または乾燥器で配置することがあります。

極性溶媒	以下の極性溶媒
酢酸エチル	ヘキサン
メタノール	塩化メチレン
水	エタノール
トルエン	ヘキサン

表 1。一般的な溶剤のペア。

再結晶は、固体化合物の浄化手法です。

再結晶を実行するには、不純な固体化合物は飽和溶液を形成する高温溶剤を混ぜています。このソリューションの冷却ソリューションから溶解性化合物の減少と純粋な結晶が成長します。

再結晶は、抽出、またはカラム・クロマトグラフィなど他の分離方法の後最後のステップとして用いられます。再結晶は、非常に異なる溶解性のプロパティを持つ 2 つの化合物を分離する使用ことがあります。このビデオでは、ソリューションから有機化合物の精製、再結晶化の溶媒の選択を説明し、化学のいくつかのアプリケーションを紹介します。

結晶化は核形成を開始します。溶質分子は安定した小さな結晶は、結晶成長が続きますを形成する一緒に来る。核は種結晶、傷、またはソリューションで自発的により固体不純物などの核生成サイトに高速に発生します。攪拌も急速な核形成を促すことがあります。ただし、急速な成長は、栽培に最適な条件ではなかったら、不純物の混入する可能性があります。

化合物の溶解度は温度とともに増加する傾向があるし、溶媒の選択に大きく依存。高、低気温で溶解度の差が広がります、可能性が高く冷却し、結晶の形成とソリューションの出てくる溶質のためです。

沸騰と室温との大きな温度差があるので、少なくとも 40 ° Cの沸点溶剤の選択が必要です。溶媒の沸点は、結晶化を有効にする溶質の融点以下にもなりません。急速冷却ソリューションの多くの核生成サイトの形成を誘導する、従って多くの小さな結晶の成長を支持します。ただし、遅い冷却核生成サイトが少ないの形成を誘導してより大きくより純粋な結晶を支持します。したがって、遅い冷却お勧めします。

さらに、溶媒は、不純物を最小限に抑えるために選択できます。ソリューションの不純物が溶質自体よりより水溶性の場合は、冷たい溶媒を完全に形成された結晶の洗浄ができます。しかし、不純物が少ない水溶性の場合それが最初に結晶化が、温水のソリューションは、溶質の再結晶前をフィルターできます。

単一溶媒が必要なプロパティを持たない場合は、溶剤の混合物を使用できます。溶媒のペアの最初の溶媒は容易に固体を解散すべきです。2 つ目の溶媒は溶質の溶解度が低いを有し、最初の溶媒と混和性である必要があります。一般的な溶剤のペアには、酢酸エチル、ヘキサン、トルエン、ヘキサン、メタノールとジクロロメタン、水とエタノールが含まれます。

再結晶の原理を理解することは、再結晶による有機化合物の精製の手順を行ってみましょう。

この手順を開始するには、ガラス試験管にサンプルの 50 mg を配置します。

部屋の温度溶媒の 0.5 mL を加えます。化合物が完全に分解する場合は、再結晶に使用するコールド溶媒で溶解度が大きすぎます。それ以外の場合、沸騰するテストチューブの混合物を加熱します。

化合物は沸点の溶媒に完全に溶解しない場合は、熱沸騰する溶媒の別の部分です。固体を完全に溶解するまで、または試験管に 3 mL 溶媒にはが含まれています、沸点溶媒を試験管に滴下追加します。まだ固体が溶解しない場合この溶媒に対する溶解性が低すぎます。

ために不純物は解散後フィルターできますように熱い溶媒に不溶または冷たい溶媒に溶解再結晶化が完了した後、彼らは溶液中に残ってそう。溶剤がすべての条件を満たす場合、再結晶に適しています。

攪拌棒三角フラスコにホットプレートの上に沸騰する溶媒を加熱すると、再結晶化を開始します。室温で別の三角フラスコで再結晶する化合物を配置します。

次に、混合物に熱い溶媒の小さな部分を追加します。フラスコ内で渦巻き混合物と同様にホットプレートの上に置きます。サンプルが完全に溶けるまで、または溶媒添加を引き起こさないさらに解散するまで、このプロセスを繰り返します。

熱い溶媒の 10% 超を蒸発を考慮してソリューションに追加します。漏斗を Büchner のセットアップにろ紙を配置します。不溶性不純物を取り除くソリューションをフィルター処理します。ろ過中に結晶を形成、する場合は、熱い溶媒滴と溶解します。

ベンチトップソリューションをクールします。蒸発する溶剤の損失を防ぐために、ソリューションの微粒子を保つためにフラスコをカバーします。

それが部屋の温度に冷却するまでフラスコを妨げられていない残します。攪拌冷却時により少なく純粋な結晶を産する急速結晶化を引き起こす可能性があります。結晶形成を明らかに冷却しない場合は内側を軽く掻くことによって結晶を引き起こすガラス棒や再結晶されている化合物の小さな種結晶を追加するフラスコの壁。

結晶形成が誘発されることができない場合、溶媒のいくつかを沸騰させるソリューションを再加熱して溶剤が部屋の温度をもう一度クールします。

結晶を形成している、一度氷水を準備します。結晶化が完全に表示されるまで、氷浴でソリューションをクールな覆われたソリューションを維持します。

リングスタンドにろ過フラスコをクランプ、フラスコを真空ラインに接続します。フラスコの口に漏斗を Büchner およびアダプターを設定します。

漏斗にソリューションと結晶の混合物を注ぎ、吸引ろ過を開始します。冷たい溶媒漏斗にフラスコ内の残りすべての結晶をすすいでください。冷たい溶媒可溶性不純物を除去すると目標到達プロセスの結晶を洗浄します。

結晶を乾燥し、真空ポンプをオフに漏斗を通して空気を描画していきます。必要に応じて、結晶をできる結晶の固体を保存する前に空気乾燥または乾燥器で配置に室温に立つ場合があります。

オフホワイトの固体を降伏、黄色の不純物の原油の化合物の存在が削除されています。化合物、不純物の id に基づいて、結晶の純度は、NMR 分光法、融点測定又は目視検査で確認できます。

再結晶により精製は化学合成および分析のための重要なツールです。

X 線結晶構造解析は、分子の三次元原子構造を識別する強力な評価手法です。再結晶によって得られる純粋な単結晶が必要です。タンパク質などの分子のいくつかのクラスは結晶化することは困難が、その構造は、化学的機能を理解するため非常に重要。再結晶の条件の慎重な選択と x 線結晶構造解析による分子のも、これらのクラスを分析できます。このプロセスの詳細については、結晶の結晶成長のこのコレクションのビデオを参照してください。

不純な反応は、不要な側反応を引き起こすことができます。再結晶により反応を浄化製品純度・収量を向上させます。固体製品の分離して洗浄した後反応収量も濾液から揮発性物質を削除し、結果の固体から製品を再結晶によって増加することができます。不凍剤蛋白質、または、AFPs は冷たい環境に住んでいる生物の多くで表されます。AFPs は氷面に大きな氷結晶の再結晶化を阻害するのにバインドすることによって内部の氷の成長を妨げます。異なる AFPs は氷結晶面のさまざまな種類にバインドします。Afp 通信バインドメカニズムを調査して 1 つの氷の結晶にそれらを吸着が含まれます。単一氷結晶の適切な成長は明確かつ有益な結果を得るのために不可欠です。これらのタンパク質は、凍結する耐寒性の作物のエンジニアリングからアプリケーションを持っています。

再結晶により物質を浄化するゼウスの導入を見てきただけ。技術、精製法および化学における再結晶のいくつかのアプリケーションの原則に精通している必要がありますできます。

見てくれてありがとう!

Results

再結晶化の結果の例は図 2に示します。黄色の不純物の原油の化合物の存在が削除され、純粋なプロダクトは、オフホワイトの固体として残っています。核磁気共鳴 (NMR) 分光法による再結晶化合物の純度を確認今ことができます。または、同様の方法で融点は文学の融点に公開された融点化合物の場合。必要に応じて、純度が高い許容できるまで複数の recrystallizations を実行できます。

図 2。2 a) 粗化合物 (左)、2 b) ろ過 (中央) 前に、の製品と 2 c を再結晶した) 同じ化合物の結晶 (右) 後。

Applications and Summary

再結晶は、混入する可能性があります任意の不純物を除去することによって化合物を浄化の方法です。それは非常に熱い溶媒に溶けるが、同じ溶剤の冷たいバージョンで非常に不溶解性化合物は、最適です。化合物は、室温で固体をある必要があります。再結晶は多くの場合、大量の不純物の除去に効果的であるが、それは十分に高いレベルへの最終的な化合物の純度を発生しません (抽出または列クロマトグラフィー) などその他の方法の後最終的なクリーンアップ手順として使用されます。

再結晶は、化合物の絶対に純粋な完璧な単結晶を作り出すことができる唯一のテクニックです。これらの結晶は、構造および分子の三次元形状を決定する究極の権威である x 線分析に使用できます。これらのケースで、再結晶の結晶格子、不純物の含有せずフォームを許可するように、数ヶ月に数週間にわたって非常にゆっくりと実行を許可します。または非常にゆっくりと、化合物は水溶性 (また antisolvent と呼ばれる) 他の溶剤と混合する溶媒を許可するこの時間の間にできるだけゆっくり蒸発する溶剤を許可する特別なガラス製品です。

製薬業界も多用、再結晶精製詳細カラム・クロマトグラフィより簡単にスケールアップするための手段だから。³産業用アプリケーションにおける再結晶の重要性再結晶実験カリキュラムを強調する教育者を引き起こしました。⁴たとえば、麻薬スタブジン HIV の影響を低減するために使用、通常別に分離された結晶化。⁵多くの場合、分子研究評価・冷却速度、溶媒の組成などなど、どのような条件下で分離された結晶フォームを理解する必要があるので、複数の異なる結晶構造をあります。これらの異なる結晶形は生物学的に異なって、異なるレートで体に吸収されます。

再結晶の一般的な使用は、氷砂糖を作るのです。氷砂糖は、飽和点にお湯に砂糖を溶解によって行われます。木の棒はソリューションに配置され、ソリューションを冷却し、ゆっくりと蒸発を許可しました。数日後、木の棒中砂糖の大きな結晶が成長しています。

References

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Transcript

Recrystallization is a purification technique for solid compounds.

To perform recrystallization, an impure solid compound is mixed with hot solvent to form a saturated solution. As this solution cools, the solubility of the compound decreases, and pure crystals grow from solution.

Recrystallization is often used as a final step after other separation methods such as extraction, or column chromatography. Recrystallization may also be used to separate two compounds with very different solubility properties. This video will illustrate solvent selection for recrystallization, purification of an organic compound from solution, and will introduce a few applications in chemistry.

Crystallization begins with nucleation. Solute molecules come together to form a stable small crystal, which is followed by crystal growth. Nucleation occurs faster on nucleation sites such as seed crystals, scratches, or solid impurities than spontaneously in solution. Agitation may also encourage rapid nucleation. However, rapid growth can lead to incorporation of impurities if not grown in optimal conditions.

The solubility of a compound tends to increase with temperature, and is highly dependent on the choice of solvent. The greater the difference in solubility at high and low temperature, the more likely it is for the solute to come out of the solution as it cools, and form crystals.

The solvent chosen should have a boiling point of at least 40 °C so there is a significant temperature difference between boiling and room temperature. The solvent’s boiling point must also be below the melting point of the solute to enable crystallization. Rapid cooling of the solution induces the formation of many nucleation sites, thus favors the growth of many small crystals. However, slow cooling induces the formation of fewer nucleation sites, and favors larger and purer crystals. Thus, slow cooling is preferred.

Additionally, a solvent can be selected to minimize impurities. If a solution impurity is more soluble than the solute itself, it can be washed off of the fully formed crystals with cold solvent. However, if an impurity is less soluble, it will crystalize first, and can then be filtered out of the heated solution, prior to recrystallization of the solute.

If no single solvent has the necessary properties, a mixture of solvents can be used. For a solvent pair, the first solvent should readily dissolve the solid. The second solvent must have a lower solubility for the solute and be miscible with the first solvent. Common solvent pairs include ethyl acetate and hexane, toluene and hexane, methanol and dichloromethane, and water and ethanol.

Now that you understand the principles of recrystallization, let’s go through a procedure for purification of an organic compound by recrystallization.

To begin this procedure, place 50 mg of the sample in a glass test tube.

Add 0.5 mL of room temperature solvent. If the compound dissolves completely, the solubility in the cold solvent is too high to be used for recrystallization. Otherwise, heat the mixture in the test tube to boiling.

If the compound does not dissolve completely in the boiling solvent, heat another portion of solvent to boiling. Add the boiling solvent dropwise to the test tube until the solid dissolves completely or until the test tube contains 3 mL of solvent. If the solid still does not dissolve, then its solubility in this solvent is too low.

Confirm that impurities are either insoluble in the hot solvent so they can be filtered out after dissolution or soluble in the cold solvent so they remain in solution after recrystallization is complete. If a solvent meets all criteria, it is suitable for recrystallization.

To start recrystallization, heat the solvent to boiling on a hot plate in an Erlenmeyer flask with a stir bar. Place the compound to be recrystallized in another Erlenmeyer flask at room temperature.

Next, add a small portion of hot solvent to the compound. Swirl the mixture in the flask and then place it on the hot plate as well. Repeat this process until the sample has completely dissolved or until addition of solvent causes no further dissolution.

Add a 10% excess of hot solvent to the solution to account for evaporation. Place filter paper in a Büchner funnel setup. Filter the solution to remove insoluble impurities. If crystals form during filtration, dissolve them with drops of hot solvent.

Cool the solution on the benchtop. Cover the flask to prevent solvent loss to evaporation and to keep particulates out of the solution.

Leave the flask undisturbed until it has cooled to room temperature. Agitation during cooling may cause rapid crystallization, yielding less pure crystals. If no crystal formation is evident upon cooling, induce crystallization by gently scratching the inside walls of the flask with a glass rod or adding a small seed crystal of the compound being recrystallized.

If crystal formation cannot be induced, reheat the solution to boil off some of the solvent, and then cool the solvent to room temperature once more.

Once crystals have formed, prepare an ice bath. Keeping the solution covered, cool the solution in the ice bath until crystallization appears to be complete.

Clamp a filtration flask to a ring stand and connect the flask to a vacuum line. Set a Büchner funnel and adapter in the mouth of the flask.

Pour the mixture of solution and crystals into the funnel and begin vacuum filtration. Rinse any crystals remaining in the flask into the funnel with cold solvent. Wash the crystals on the funnel with cold solvent to remove soluble impurities.

Continue drawing air through the funnel to dry the crystals and then turn off the vacuum pump. If necessary, the crystals may be allowed to stand at room temperature to air dry or placed in a desiccator before storing the crystallized solid.

The yellow impurities present in the crude compound have been removed, yielding an off-white solid. Based on the identity of the compound and the impurities, the purity of the crystals can be verified by NMR spectroscopy, melting point measurements, or visual inspection.

Purification by recrystallization is an important tool for chemical synthesis and analysis.

X-ray crystallography is a powerful characterization technique that identifies the three-dimensional atomic structure of a molecule. This requires a pure single crystal, which is obtained by recrystallization. Some classes of molecules such as proteins are difficult to crystallize, but their structures are extremely important for understanding their chemical functions. With careful selection of recrystallization conditions, even these classes of molecules can be analyzed by X-ray crystallography. To learn more about this process, see this collection’s video on growing crystals for crystallography.

Impure reactants can cause unwanted side reactions. Purifying reactants by recrystallization improves product purity and yield. Once a solid product has been isolated and washed, reaction yield can also be increased by removing volatiles from the filtrate and recrystallizing the product from the resulting solid. Antifreeze proteins, or AFPs, are expressed in many organisms that live in icy environments. AFPs hinder internal ice growth by binding to ice planes, inhibiting recrystallization into larger ice crystals. Different AFPs bind to different types of ice crystal planes. Investigating AFP binding mechanisms involves adsorbing them onto single ice crystals. Proper growth of a single ice crystal is essential for clear and informative results. These proteins have applications from the engineering of cold-resistant crops to cryosurgery.

You’ve just watched JoVE’s introduction to purifying compounds by recrystallization. You should now be familiar with the principles of the technique, a purification procedure, and some applications of recrystallization in chemistry.

Thanks for watching!