Очистка соединений путем рекристаллизации

Рекристаллизация — это метод очистки твердых соединений.

Чтобы выполнить рекристаллизацию, примесное твердое соединение смешивают с горячим растворителем с образованием насыщенного раствора. По мере охлаждения этого раствора растворимость соединения снижается, и из раствора вырастают чистые кристаллы.

Рекристаллизация часто используется в качестве заключительного этапа после других методов разделения, таких как экстракция или колоночная хроматография. Рекристаллизация также может быть использована для разделения двух соединений с очень разными свойствами растворимости. В этом видео будет проиллюстрирован выбор растворителя для рекристаллизации, очистки органического соединения от раствора, а также представлены некоторые приложения в химии.

Кристаллизация начинается с зародышеобразования. Молекулы растворенного вещества объединяются, образуя стабильный маленький кристалл, за которым следует рост кристаллов. Зарождение происходит быстрее на сайтах зародышеобразования, таких как кристаллы затравки, царапины или твердые примеси, чем спонтанно в растворе. Возбуждение также может способствовать быстрому зародышеобразованию. Тем не менее, быстрый рост может привести к заделке примесей, если выращивать его не в оптимальных условиях.

Растворимость соединения имеет тенденцию увеличиваться с повышением температуры и в значительной степени зависит от выбора растворителя. Чем больше разница в растворимости при высокой и низкой температуре, тем больше вероятность того, что растворенное вещество выйдет из раствора при охлаждении и образует кристаллы.

Выбранный растворитель должен иметь температуру кипения не менее 40?? Таким образом, существует значительная разница температур между кипением и комнатной температурой. Для обеспечения кристаллизации температура кипения растворителя также должна быть ниже точки плавления растворенного вещества. Быстрое охлаждение раствора индуцирует образование множества центров зародышеобразования, тем самым способствуя росту множества мелких кристаллов. Тем не менее, медленное охлаждение вызывает образование меньшего количества центров зародышеобразования и способствует образованию более крупных и чистых кристаллов. Таким образом, предпочтение отдается медленному охлаждению.

Кроме того, можно подобрать растворитель для минимизации примесей. Если примесь раствора более растворима, чем само растворенное вещество, то его можно смыть с полностью сформировавшихся кристаллов холодным растворителем. Однако, если примесь менее растворима, она сначала кристаллизуется, а затем может быть отфильтрована из нагретого раствора до рекристаллизации растворенного вещества.

Если ни один растворитель не обладает необходимыми свойствами, можно использовать смесь растворителей. Для пары растворителей первый растворитель должен легко растворять твердое вещество. Второй растворитель должен иметь меньшую растворимость для растворенного вещества и смешиваться с первым растворителем. К распространенным парам растворителей относятся этилацетат и гексан, толуол и гексан, метанол и дихлорметан, а также вода и этанол.

Теперь, когда вы понимаете принципы рекристаллизации, давайте рассмотрим процедуру очистки органического соединения путем рекристаллизации.

Чтобы начать эту процедуру, поместите 50 мг образца в стеклянную пробирку.

Добавьте 0,5 мл растворителя комнатной температуры. Если соединение полностью растворяется, растворимость в холодном растворителе слишком высока для использования для рекристаллизации. В противном случае нагрейте смесь в пробирке до кипения.

Если соединение не растворяется полностью в кипящем растворителе, нагрейте еще одну порцию растворителя до кипения. Добавляйте кипящий растворитель по каплям в пробирку до полного растворения твердого вещества или до тех пор, пока пробирка не содержит 3 мл растворителя. Если твердое вещество все еще не растворяется, то его растворимость в этом растворителе слишком низка.

Убедитесь, что примеси либо нерастворимы в горячем растворителе, чтобы их можно было отфильтровать после растворения, либо растворимы в холодном растворителе, чтобы они оставались в растворе после завершения рекристаллизации. Если растворитель соответствует всем критериям, он пригоден для рекристаллизации.

Чтобы начать рекристаллизацию, нагрейте растворитель до кипения на горячей плите в колбе Эрленмейера с мешалкой. Поместите рекристаллизуемое соединение в другую колбу Эрленмейера при комнатной температуре.

Далее добавьте в состав небольшую порцию горячего растворителя. Перемешайте смесь в колбе, а затем также поставьте на горячую плиту. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока образец полностью не растворится или пока добавление растворителя не приведет к дальнейшему растворению.

Добавьте в раствор 10% избыток горячего растворителя для учета испарения. Поместите фильтровальную бумагу в воронку Бахнера. Отфильтруйте раствор для удаления нерастворимых примесей. Если при фильтрации образуются кристаллы, растворите их каплями горячего растворителя.

Остудите раствор на столе. Накройте колбу крышкой, чтобы предотвратить потерю растворителя из-за испарения и предотвратить попадание твердых частиц в раствор.

Оставьте колбу в покое, пока она не остынет до комнатной температуры. Перемешивание при охлаждении может привести к быстрой кристаллизации, в результате чего образуются менее чистые кристаллы. Если при охлаждении не наблюдается образования кристаллов, вызывайте кристаллизацию, осторожно царапая внутренние стенки колбы стеклянным стержнем или добавляя небольшой кристалл затравки рекристаллизуемого соединения.

Если образование кристаллов не может быть вызвано, повторно нагрейте раствор, чтобы выкипятить часть растворителя, а затем снова охладите растворитель до комнатной температуры.

Как только кристаллы сформируются, приготовьте ледяную ванну. Держа раствор под крышкой, охладите раствор в ледяной бане до тех пор, пока кристаллизация не завершится.

Зажимаем фильтрующую колбу на кольцевой подставке и подключаем колбу к вакуумной линии. Установите воронку Бахнера и адаптер в горлышко колбы.

Вылейте смесь раствора и кристаллов в воронку и начните вакуумную фильтрацию. Оставшиеся в колбе кристаллы промойте в воронку холодным растворителем. Кристаллы на воронке промыть холодным растворителем, чтобы удалить растворимые загрязнения.

Продолжайте втягивать воздух через воронку, чтобы высушить кристаллы, а затем выключите вакуумный насос. При необходимости кристаллам можно дать постоять при комнатной температуре для сушки на воздухе или поместить в эксикатор перед хранением кристаллизованного твердого вещества.

Желтые примеси, присутствующие в сыром компаунде, были удалены, в результате чего образовалось твердое вещество грязно-белого цвета. На основе идентификации соединения и примесей чистота кристаллов может быть проверена с помощью ЯМР-спектроскопии, измерения температуры плавления или визуального осмотра.

Очистка путем рекристаллизации является важным инструментом для химического синтеза и анализа.

Рентгеновская кристаллография — это мощный метод определения характеристик, который идентифицирует трехмерную атомную структуру молекулы. Для этого требуется чистый монокристалл, который получается путем рекристаллизации. Некоторые классы молекул, такие как белки, трудно кристаллизовать, но их структура чрезвычайно важна для понимания их химических функций. При тщательном подборе условий рекристаллизации даже эти классы молекул могут быть проанализированы с помощью рентгеновской кристаллографии. Чтобы узнать больше об этом процессе, посмотрите видео из этой коллекции о выращивании кристаллов для кристаллографии.

Нечистые реагенты могут вызывать нежелательные побочные реакции. Очистка реагентов путем рекристаллизации улучшает чистоту продукта и выход продукта. После того, как твердый продукт был выделен и промыт, выход реакции также может быть увеличен за счет удаления летучих веществ из фильтрата и повторной кристаллизации продукта из полученного твердого вещества. Белки-антифризы, или АФП, экспрессируются во многих организмах, которые живут в ледяной среде. АФП препятствуют росту внутреннего льда, связываясь с плоскостями льда, препятствуя рекристаллизации в более крупные кристаллы льда. Различные АФП связываются с разными типами плоскостей кристаллов льда. Исследование механизмов связывания AFP включает их адсорбцию на отдельных кристаллах льда. Правильный рост одного кристалла льда имеет важное значение для получения четких и информативных результатов. Эти белки находят применение от разработки холодостойких культур до криохирургии.

Вы только что посмотрели представление JoVE об очистке соединений путем рекристаллизации. Теперь вы должны быть знакомы с принципами метода, процедурой очистки и некоторыми применениями рекристаллизации в химии.

Спасибо за просмотр!