再結晶により物質を浄化

再結晶は、固体化合物の精製技術です。

再結晶を行うには、不純な固体化合物を高温の溶媒と混合して飽和溶液を形成します。この溶液が冷えると、化合物の溶解度が低下し、溶液から純粋な結晶が成長します。

再結晶は、抽出やカラムクロマトグラフィーなどの他の分離方法の最終ステップとしてよく使用されます。再結晶は、溶解性特性が非常に異なる2つの化合物を分離するためにも使用できます。このビデオでは、再結晶のための溶媒選択、溶液からの有機化合物の精製について説明し、化学におけるいくつかのアプリケーションを紹介します。

結晶化は核形成から始まります。溶質分子が集まって安定した小さな結晶を形成し、その後に結晶成長が起こります。核形成は、溶液中で自然に起こるよりも、種結晶、引っかき傷、固体不純物などの核形成部位でより速く起こります。攪拌も急速な核形成を促進する可能性があります。ただし、急速な成長は、最適な条件で成長させないと不純物の取り込みにつなが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り、溶媒の選択に大きく依存します。高温と低温での溶解度の差が大きいほど、溶質が冷却時に溶液から出て結晶を形成する可能性が高くなります。

選択した溶媒は、少なくとも40??Cであるため、沸騰と室温の間には大きな温度差があります。また、結晶化を可能にするためには、溶媒の沸点が溶質の融点より低くなければなりません。溶液の急速な冷却は、多くの核形成部位の形成を誘導し、したがって多くの小さな結晶の成長を促進する。しかし、ゆっくりとした冷却は、より少ない核形成部位の形成を誘発し、より大きく、より純粋な結晶を好む。したがって、ゆっくりとした冷却が好ましい。

さらに、不純物を最小限に抑えるために溶媒を選択することができます。溶液の不純物が溶質自体よりも溶解性が高い場合は、完全に形成された結晶を冷たい溶媒で洗い流すことができます。ただし、不純物の溶解性が低い場合、不純物は最初に結晶化し、溶質の再結晶前に加熱された溶液からろ過できます。

必要な特性を持つ単一の溶媒がない場合は、溶媒の混合物を使用することができます。溶媒ペアの場合、最初の溶媒は固体を容易に溶解する必要があります。第2の溶媒は、溶質に対する溶解度が低く、第1の溶媒と混和性でなければなりません。一般的な溶媒ペアには、酢酸エチルとヘキサン、トルエンとヘキサン、メタノールとジクロロメタン、水とエタノールなどがあります。

再結晶の原理を理解したところで、次は再結晶による有機化合物の精製手順を見ていきましょう。

この手順を開始するには、サンプル50 mgをガラス試験管に入れます。

0.5 mLの室温溶媒を加えます。化合物が完全に溶解すると、冷溶媒への溶解度が高すぎて再結晶に使用できません。それ以外の場合は、試験管内の混合物を沸騰するまで加熱します。

化合物が沸騰性溶媒に完全に溶解しない場合は、溶媒の別の部分を沸騰するまで加熱します。沸騰性溶媒を試験管に滴下して、固体が完全に溶解するまで、または試験管に3mLの溶媒が含まれるまで加えます。それでも固体が溶解しない場合は、この溶媒への溶解度が低すぎます。

不純物が高温の溶媒に不溶であるため、溶解後にろ過できるか、または再結晶が完了した後も溶液中に残るように低温の溶媒に可溶であることを確認します。溶媒がすべての基準を満たしている場合、その溶媒は再結晶に適しています。

再結晶を開始するには、攪拌棒付きの三角フラスコのホットプレートで溶媒を沸騰するまで加熱します。再結晶する化合物を別の三角フラスコに室温で入れます。

次に、化合物に少量の高温溶媒を加えます。フラスコ内で混合物を渦巻き、ホットプレートにも置きます。サンプルが完全に溶解するまで、または溶媒の添加によってそれ以上の溶解がなくなるまで、このプロセスを繰り返します。

蒸発を考慮して、溶液に10%の高温溶媒を過剰に加えます。濾紙をB?chner漏斗セットアップに置きます。溶液をろ過して、不溶性の不純物を取り除きます。ろ過中に結晶が形成された場合は、それらを一滴の高温溶媒で溶解します。

ベンチトップで溶液を冷却します。フラスコを覆って、蒸発による溶媒の損失を防ぎ、微粒子が溶液に混入しないようにします。

フラスコが室温に冷えるまで、フラスコをそのままにしておきます。冷却中の攪拌により、急速な結晶化を引き起こし、純度の低い結晶が生成される場合があります。冷却しても結晶形成が見られない場合は、ガラス棒でフラスコの内壁をやさしく引っ掻くか、再結晶する化合物の小さな種結晶を追加して結晶化を誘導します。

結晶形成を誘導できない場合は、溶液を再加熱して溶媒の一部を沸騰させた後、溶媒を再度室温まで冷却してください。

結晶が形成されたら、氷浴を準備します。溶液を覆ったまま、結晶化が完了したように見えるまで氷浴で溶液を冷却します。

cl ろ過フラスコをリングスタンドに接続し、フラスコを真空ラインに接続します。B?chner漏斗とアダプターをフラスコの口にセットします。

溶液と結晶の混合物を漏斗に注ぎ、真空ろ過を開始します。フラスコに残っている結晶を冷たい溶媒で漏斗に洗い流します。漏斗の結晶を冷たい溶媒で洗い、可溶性不純物を取り除きます。

漏斗に空気を送り続けて結晶を乾燥させ、真空ポンプをオフにします。必要に応じて、結晶を室温で放置して風乾させるか、結晶化した固体を保存する前にデシケーターに入れることができます。

原油化合物に存在する黄色の不純物が除去され、オフホワイトの固体が得られます。化合物と不純物の同一性に基づいて、結晶の純度をNMR分光法、融点測定、または目視検査で確認することができます。

再結晶による精製は、化学合成や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特定する強力な特性評価技術です。これには、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、分子の中には結晶化が困難なものもありますが、その構造は化学機能を理解するために非常に重要です。再結晶条件を慎重に選択することで、これらのクラスの分子でさえもX線結晶構造解析で分析できます。このプロセスの詳細については、結晶学のための結晶の成長に関するこのコレクションのビデオをご覧ください。

不純な反応物は、望ましくない副反応を引き起こす可能性があります。反応物を再結晶して精製すると、生成物の純度と収率が向上します。固体生成物を単離して洗浄すると、濾液から揮発性物質を除去し、得られた固体から生成物を再結晶させることで、反応収率も向上させることができます。不凍タンパク質(AFP)は、氷の環境に生息する多くの生物で発現しています。AFPは、氷面に結合することで内部の氷の成長を妨げ、より大きな氷の結晶への再結晶を阻害します。AFPが異なれば、結合する氷晶面も異なります。AFPの結合メカニズムを調べるには、それらを単一の氷の結晶に吸着させることが必要です。単一の氷の結晶の適切な成長は、明確で有益な結果を得るために不可欠です。これらのタンパク質は、耐寒性作物のエンジニアリングから凍結手術まで応用されています。

JoVEによる再結晶による化合物の精製の紹介をご覧になりました。これで、この技術の原理、精製手順、および化学における再結晶のいくつかの応用について理解しているはずです。

ご覧いただきありがとうございます!