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Organic Chemistry
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JoVE Science Education Organic Chemistry
Purifying Compounds by Recrystallization
  • 00:00Overview
  • 00:58Principles of Recrystallization
  • 03:41Selecting a Solvent
  • 04:50Recrystallization
  • 07:40Applications
  • 09:31Summary

Purificación de compuestos por recristalización

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Overview

Fuente: Laboratorio del Dr. Jimmy Franco – Merrimack College

La recristalización es una técnica utilizada para purificar compuestos sólidos. 1 sólidos tienden a ser más soluble en líquidos calientes que en líquidos fríos. Durante la recristalización, un compuesto sólido impuro se disuelve en un líquido caliente hasta que la solución está saturada, y entonces el líquido se deja enfriar. 2 el compuesto entonces debe formar cristales relativamente puros. Idealmente, las impurezas que están presentes se mantendrá en la solución y no se incorporarán a los cristales crecientes (figura 1). Los cristales pueden eliminarse luego de la solución por filtración. No todo el compuesto es recuperable, algunos permanecerán en la solución y se perderán.

La recristalización no es considerada como una técnica de separación; por el contrario, es una técnica de purificación en el que se elimina una pequeña cantidad de una impureza de un compuesto. Sin embargo, si las propiedades de solubilidad de dos compuestos son lo suficientemente diferentes, la recristalización puede utilizarse para separarlas, aunque están presentes en cantidades casi iguales. Recristalización funciona mejor cuando la mayoría de las impurezas ya se han quitado por otro método, como extracción o columna cromatografía.

Figure 1
Figura 1. El esquema general para recristalización.

Principles

Una recristalización acertada depende de la elección adecuada del disolvente. El compuesto debe ser soluble en el solvente caliente e insoluble en el solvente mismo cuando hace frío. A los efectos de la recristalización, tener en cuenta 3% w/v la línea divisoria entre soluble e insoluble: Si 3 g de un compuesto se disuelve en 100 mL de un solvente, se considera soluble. En la elección de un disolvente, mayor será la diferencia entre solubilidad en caliente y frío solubilidad, el producto más recuperable de recristalización.

La tasa de enfriamiento determina el tamaño y la calidad de los cristales: enfriamiento rápido favorece pequeños cristales, y enfriamiento lento favorece el crecimiento de cristales grandes y generalmente más puros. La velocidad de recristalización es generalmente mayor a unos 50 ° C por debajo del punto de fusión de la sustancia; la máxima formación de cristales se produce a unos 100 ° C por debajo del punto de fusión.

Aunque los términos “cristalización” y “recristalización” a veces se usan indistintamente, técnicamente se refieren a diferentes procesos. Cristalización se refiere a la formación de un nuevo producto insoluble de una reacción química; Este producto entonces se precipita de la solución de reacción como un sólido amorfo que contiene muchas impurezas atrapadas. La recristalización no implica una reacción química; el producto crudo simplemente se disuelve en solución, y luego se cambian las condiciones para permitir que los cristales se vuelven a formar. Recristalización produce un producto final más puro. Por esta razón, los procedimientos experimentales que producen un producto sólido por cristalización normalmente incluyen un paso final de recristalización para dar el compuesto puro.

Procedure

Realizar todos los pasos en una campana de humos para evitar la exposición a los vapores de disolvente. 1. selección de un solvente Coloque 50 mg de la muestra (N-bromosuccinimide) en un matraz Erlenmeyer. Agregar 0,5 mL de solvente (agua) que hierve. Si la muestra se disuelva por completo, la solubilidad en el solvente frío es demasiado alta para ser un solvente de recristalización buena. Si la muestra no se disuelve en el solvente frío, calentar el tubo de ensayo hasta que el solvente se reduce. Si la muestra no se disuelve completamente en este punto, añadir más solvente punto de ebullición mediante goteo, hasta que todo el sólido se disuelva. Si toma más de 3 mL para disolver la muestra en el solvente caliente, la solubilidad en este solvente es probablemente demasiado baja para que sea un disolvente de recristalización buena. Si la primera opción del disolvente no es un solvente de recristalización buena, probar con otros. Si no encuentra un disolvente único que funciona, probar con un sistema solvente dos. Si no puede encontrar un solo sistema solvente adecuado, un par de solvente puede ser necesario. Hora de identificar una pareja solvente, hay varias consideraciones claves 1) el primer solvente fácilmente debe disolver el sólido. 2) el segundo solvente debe ser miscible con el disolvente dest 1, pero tiene una solubilidad mucho más baja para el soluto. Como regla general “como disolver le gusta” lo que significa que los compuestos polares tienden a ser solubles en solventes polares y no polares compuestos suelen ser más solubles compuestos no polares. Pares de disolvente común (tabla 1) Asegúrese de que el disolvente tiene un punto de ebullición de al menos 40 ° C, por lo que hay una diferencia de temperatura razonable entre solvente y disolvente de la temperatura de ebullición. Asegúrese de que el solvente tiene un punto de ebullición por debajo de 120 ° C, por lo que es más fácil eliminar los últimos restos de solvente de los cristales. También asegúrese de que el punto de ebullición del solvente es menor que el punto de fusión del compuesto, por lo que el compuesto forma cristales sólidos en lugar de un aceite insoluble. Confirmar que las impurezas sean insolubles en el solvente caliente (para que puedan ser filtradas hacia fuera, una vez que se disuelve el compuesto) o soluble en el solvente frío (por lo que permanecen disueltos durante todo el proceso). 2. disolver la muestra en el solvente caliente Coloque el compuesto a ser recristalizado en un matraz Erlenmeyer. Se trata de una opción mejor que un vaso de precipitados, ya que los lados inclinados ayudar a vapores de solventes de trampa y retardar la velocidad de evaporación. Coloque el solvente (agua) en un matraz de Erlenmeyer aparte y agregar chips hirviendo o una barra de agitación para mantenerlo hirviendo suavemente. Calentar a ebullición sobre una placa. Añadir solvente caliente a un matraz a temperatura ambiente que contiene el compuesto en pequeñas porciones, se arremolinan después de cada adición, hasta que el compuesto se disuelva completamente. Durante el proceso de disolución, mantener la solución caliente en todo momento descansando sobre la placa, también. No agregue más caliente solvente del necesario – lo suficiente para disolver la muestra. Si una porción del sólido parece no disolverse, incluso después de añadir más solvente caliente, es probable debido a la presencia de impurezas muy insolubles. Si esto sucede, dejar de agregar solvente y hacer una filtración caliente antes de proceder. Para realizar una filtración caliente, doblar un trozo de papel de filtro en forma de cono acanalado y lo coloca en un embudo sin tallo de cristal. Añadir un exceso de 10-20% de disolvente caliente a la solución caliente para permitir la evaporación en el procedimiento. Verter la solución a través del papel. Si los cristales se empiezan a formar en cualquier momento durante el proceso, agregar una pequeña porción del solvente caliente para disolverlas. 3. enfriamiento de la solución Coloque el frasco que contiene el compuesto disuelto en una superficie que no conducen el calor lejos demasiado rápido, tal como una toalla de papel en un banco. Cubra ligeramente el matraz como se enfría para evitar la evaporación y evitar que el polvo caiga en la solución. Deje reposar el frasco hasta que se enfríe a temperatura ambiente. Una vez que los cristales se han formado, colocar la solución en un baño de hielo para asegurar que se obtiene la máxima cantidad de cristales. Las soluciones deben dejarse imperturbadas en el baño de hielo durante 30 min a 1 h, o hasta que el compuesto parece haber totalmente cristalizada de la solución. Si no hay formación de cristales es evidente, puede ser inducida por rayar el interior las paredes del matraz con una varilla de vidrio o mediante la adición de un cristal de la pequeña semilla del mismo compuesto. Si esto todavía no funciona, entonces demasiado solvente fue utilizada probablemente. Recaliente la solución, permitir que algunos del solvente a hervir apagado, luego enfriarlo. 4. aislar y secar los cristales Coloque el matraz frío que contiene el recién formados cristales en un banco. Cubra ligeramente el frasco para evitar la evaporación y evitar que el polvo caiga en la solución. Aislar los cristales por filtración de vacío, utilizando embudo de Hirsch o Büchner (abrazadera el matraz a un anillo de soporte de primera). Lave los cristales en el embudo Büchner con una pequeña cantidad de disolvente fresco, frío (el mismo disolvente utilizado para recristalización) para eliminar las impurezas que pueden pegarse a los cristales. Para secar los cristales, deja en el embudo de filtro y jalar aire a través de ellos durante varios minutos. Cristales pueden también ser secadas al aire por lo que les permite reposar destapado varias horas o días. Más eficientes métodos incluyen secado al vacío o colocar en un desecador. Solvente polar Menos solvente Polar Acetato de etilo Hexano Metanol Cloruro de metileno Agua Etanol Tolueno Hexano Tabla 1. Pares de disolventes comunes.

Results

An example of the results of recrystallization is shown in Figure 2. The yellow impurities present in the crude compound have been removed, and the pure product is left as an off-white solid. The purity of the recrystallized compound can now be verified by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy or, if it is a compound with a published melting point, by how similar its melting point is to the literature melting point. If necessary, multiple recrystallizations can be performed until the purity is acceptably high.

Figure 2
Figure 2. 2a) A crude compound (left), 2b) recrystallized product before filtration (middle), and 2c) the same compound after recrystallization (right).

Applications and Summary

Recrystallization is a method of purifying a compound by removing any impurities that might be mixed with it. It works best when the compound is very soluble in a hot solvent, but very insoluble in the cold version of the same solvent. The compound must be a solid at room temperature. Recrystallization is often used as a final clean-up step, after other methods (such as extraction or column chromatography) that are effective at removing larger amounts of impurities, but that do not raise the purity of the final compound to a sufficiently high level.

Recrystallization is the only technique that can produce absolutely pure, perfect single crystals of a compound. These crystals can be used for X-ray analysis, which is the ultimate authority in determining the structure and three-dimensional shape of a molecule. In these cases, the recrystallization is allowed to proceed very slowly, over the course of weeks to months, to allow the crystal lattice to form without the inclusion of any impurities. Special glassware is needed to allow the solvent to evaporate as slowly as possible during this time, or to allow the solvent to very slowly mix with another solvent in which the compound is insoluble (called antisolvent addition).

The pharmaceutical industry also makes heavy use of recrystallization, since it is a means of purification more easily scaled up than column chromatography.3 The importance of recrystallization in industrial applications has triggered educators to emphasize recrystallization in the laboratory curriculum.4 For example, the drug Stavudine, which is used to reduce the effects of HIV, is typically isolated by crystallization.5 Often, molecules have multiple different crystal structures available, so it is necessary for research to evaluate and understand which crystal form is isolated under what conditions, such as cooling rate, solvent composition, and so forth. These different crystal forms might have different biological properties or be absorbed into the body at different rates.

A more common use of recrystallization is in making rock candy. Rock candy is made by dissolving sugar in hot water to the point of saturation. Wooden sticks are placed into the solution and the solution is allowed to cool and evaporate slowly. After several days, large crystals of sugar have grown all over the wooden sticks.

Disclosures

  1. Mayo, D. W.; Pike, R. M.; Forbes, D. C., Microscale organic laboratory : with multistep and multiscale syntheses. 5th ed.; J. Wiley & Sons: Hoboken, NJ, p xxi, 681 p (2011).
  2. Armarego, W. L. F.; Chai, C. L. L., Purification of laboratory chemicals. 5th ed.; Butterworth-Heinemann: Amsterdam ; Boston; p xv, 609 p (2003).
  3. Ray, P. C.; Tummanapalli, J. M. C.; Gorantla, S. R., Process for the large scale production of Stavudine. Google Patents: (2011).
  4. Hightower, T. R.; Heeren, J. D., Using a Simulated Industrial Setting for the Development of an Improved Solvent System for the Recrystallization of Benzoic Acid: A Student-Centered Project. Journal of Chemical Education 83 (11), 1663 (2006).
  5. Rohani, S.; Horne, S.; Murthy, K., Control of Product Quality in Batch Crystallization of Pharmaceuticals and Fine Chemicals. Part 1: Design of the Crystallization Process and the Effect of Solvent. Organic Process Research & Development 9 (6), 858-872 (2005).

References

  1. Mayo, D. W.; Pike, R. M.; Forbes, D. C., Microscale organic laboratory : with multistep and multiscale syntheses. 5th ed.; J. Wiley & Sons: Hoboken, NJ, p xxi, 681 p (2011).
  2. Armarego, W. L. F.; Chai, C. L. L., Purification of laboratory chemicals. 5th ed.; Butterworth-Heinemann: Amsterdam ; Boston; p xv, 609 p (2003).
  3. Ray, P. C.; Tummanapalli, J. M. C.; Gorantla, S. R., Process for the large scale production of Stavudine. Google Patents: (2011).
  4. Hightower, T. R.; Heeren, J. D., Using a Simulated Industrial Setting for the Development of an Improved Solvent System for the Recrystallization of Benzoic Acid: A Student-Centered Project. Journal of Chemical Education 83 (11), 1663 (2006).
  5. Rohani, S.; Horne, S.; Murthy, K., Control of Product Quality in Batch Crystallization of Pharmaceuticals and Fine Chemicals. Part 1: Design of the Crystallization Process and the Effect of Solvent. Organic Process Research & Development 9 (6), 858-872 (2005).

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.

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JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Purifying Compounds by Recrystallization. JoVE, Cambridge, MA, (2023).