Как очистить органические соединения

Кристаллизация (или рекристаллизация) – важнейший метод очистки органических соединений. Процесс удаления примесей путем кристаллизации включает растворение соединения в соответствующем нагретом растворителе, охлаждение и насыщение раствора очищаемым соединением, его кристаллизацию из раствора, изоляцию с помощью фильтрования, промывание холодным растворителем, чтобы удалить остаточные примеси, и сушку. Этот процесс лучше всего проводить в оборудованной химической лаборатории, в хорошо проветриваемой зоне. Заметьте, что процедура имеет широкое применение, включая промышленное очищение сахара путем кристаллизации необработанного продукта, которая исключает примеси из состава.

Шаги

1. 1 Выберите подходящий растворитель. Вспомните афоризм подобное растворяется в подобном: Similia similibus solvuntur. Например, сахар и соль водорастворимы, но не жирорастворимы, а неполярные соединения, такие как углеводороды, растворятся в неполярных углеводородных растворителях, таких как гексан.
   • Идеальный растворитель имеет следующие свойства:
     • Он растворяет соединение, в горячем, но не в холодном состоянии.
     • Он или не растворяет примеси вообще (тогда они могут быть отфильтрованы из растворенной смеси), или растворяет их очень хорошо (в таком случае они останутся в растворе, когда желаемое соединение будет кристаллизовано).
     • Он не реагирует с очищаемым соединением.
     • Не воспламеняется.
     • Не является токсичным.
     • Недорого стоит.
     • Очень летуч (поэтому может быть легко удален из кристаллов).
   • Часто трудно решить, какой растворитель лучший; растворитель часто выбирают экспериментальным путем или используют самый неполярный растворитель из доступных. Ознакомьтесь со следующим списком распространенных растворителей (от самых полярных до менее полярных). Заметьте, что соседние по списку растворители могут смешиваться друг с другом (они растворяют друг друга). Используемые чаще всего растворители выделены жирным шрифтом.
     • Вода (H2O) – не воспламеняется, нетоксична, дешева и растворяет многие полярные органические соединения; ее недостатком является высокая температура кипения (1000C), что делает воду относительно нелетучей и затрудняет ее удаление из кристаллов.
     • Уксусная кислота (CH3COOH) полезна для окислительных реакций, но взаимодействует со спиртами и аминами, и поэтому нелегко испаряется (точка кипения при 1180C)
     • Диметилсульфоксид (DMSO), метилсульфоксид (CH3SOCH3) главным образом используются в качестве растворителей для реакций, редко – для кристаллизации.
     • Метанол (CH3OH) – полезный растворитель, который растворяет соединения более полярные, чем другие спирты.
     • Ацетон (CH3COCH3) – хороший растворитель; его недостаток заключается в низкой температуре кипения (560C), приводящей к малым различиям растворимости соединения в точке кипения и при комнатной температуре.
     • 2-Бутанон, метилэтилкетон, MEK (CH3COCH2CH3) – отличный растворитель с температурой кипения 800C.
     • Этилацетат (CH3COOC2H5) – очень хороший растворитель с температурой кипения 780C.
     • Дихлорметан, метиленхлорид (CH2Cl2) полезен в смеси с лигроином, но его температура кипения (350C) слишком низка для того, чтобы он был хорошим растворителем для кристаллизации.
     • Диэтиловый эфир (CH3CH2OCH2CH3) полезен в смеси с лигроином, но его температура кипения (400C) слишком низка для того, чтобы он был хорошим растворителем для кристаллизации.
     • Метил-трет-бутиловый эфир (CH3OC(CH3)3) – дешевый, хороший заменитель диэтилового эфира с более высокой точкой кипения (520C).
     • Диоксан (C4H8O2) легко удалить из кристаллов; слабый канцероген; формирует пероксиды; температура кипения 1010C.
     • Толуол (C6H5CH3) – отличный растворитель для кристаллизации арильных соединений, который заменил некогда широко используемый бензол (слабый канцероген); недостаток – высокая точка кипения (1110C), из-за которой толуол трудно удалить из кристаллов.
     • Пентан (C5H12)широко используется для неполярных соединений; часто используют в смеси с другим растворителем.
     • Гексан (C6H14) используют для неполярных соединений; инертен; часто используется в смеси; кипит при 690C.
     • Циклогексан (C6H12) похож на гексан, но дешевле и кипит при 810C.
     • Петролейный эфир – смесь насыщенных углеводородов, главный компонент которой – пентан; дешевый, взаимозаменяем с пентаном; точка кипения 30-600C.
     • Лигроин – смесь насыщенных углеводородов, обладающая свойствами гексанов.
       
       
       
       Шаги для выбора растворителя
   1. Поместите несколько кристаллов неочищенного соединения в пробирку и по стенке добавьте одну каплю растворителя.
   2. Если кристаллы растворились сразу при комнатной температуре, откажитесь от этого растворителя, поскольку слишком большое количество соединения останется в растворе при низкой температуре, и попробуйте другой.
   3. Если кристаллы не растворяются при комнатной температуре, нагревайте пробирку на песчаной бане и наблюдайте за кристаллами. Добавьте еше каплю растворителя, если они не растворяются. Если они растворились при температуре кипения растворителя и снова кристаллизовались при охлаждении до комнатной температуре, вы нашли подходящий растворитель. В ином случае попробуйте другой.
   4. Если после подбора методом проб и ошибок не был найден удовлетворительный растворитель, используйте смесь из двух растворителей. Растворите кристаллы в лучшем растворителе (в котором они почти растворяются) и добавляйте более слабый растворитель к горячему раствору, пока он не станет мутным (насыщенным растворенным веществом). Растворители в паре должны быть смешиваемы друг с другом. Некоторые полезные пары растворителей: уксусная кислота-вода, этанол-вода, ацетон-вода, диоксан-вода, ацетон-этанол, этанол-диэтиловый эфир, метанол- 2-бутанон, этилацетат-циклогексан, ацетон-лигроин, этилацетат-лигроин, диэтиловый эфир-лигроин, дихлорметан-лигроин, толуол-лигроин
2. 2 Растворите неочищенное соединение. Чтобы это сделать, поместите вещество в пробирку. Раскрошите большие кристаллы стеклянной палочкой, чтобы ускорить растворение. Добавляйте растворитель по каплям. Для удаления нерастворимых твердых примесей используйте избыток растворителя и профильтруйте раствор при комнатной температуре (см. шаг 4), после чего выпарите растворитель. Перед нагреванием поместите в пробирку деревянную палочку, чтобы избежать перегрева (нагрева раствора до температуры выше точки кипения без кипения). Воздух, находящийся в дереве, будет выходить, образуя ‘’ядра’’, обеспечивающие равномерное кипение. В качестве альтернативы можно использовать пористые фарфоровые фишки. После того, как твердые примеси были удалены, а растворитель испарился, добавляйте растворитель по каплям, перемешивая кристаллы стеклянной палочкой и нагревая пробирку на паровой или песчаной бане, до полного растворения вещества минимальным количеством растворителя.
3. 3 Обесцветьте раствор. Пропустите этот шаг, если раствор бесцветен или имеет слабый желтый оттенок. Если раствор окрашен (из-за высокомолекулярных побочных продуктов химической реакции), добавьте избыток растворителя и активированный уголь (графит) и кипятите раствор несколько минут. Окрашенные примеси адсорбируются на поверхность активированного угля благодаря высокой степени его микропористости. Удалите уголь с адсорбированными примесями с помощью фильтрации, как описано в следующем шаге.
4. 4 Удаление нерастворенных веществ с помощью фильтрации. Фильтрование может быть выполнено путем гравитационной фильтрации, декантации или удаления растворителя с помощью пипетки. Обычно не используют вакуумную фильтрацию, т.к. горячий растворитель при этом остывает, а продукт кристаллизуется на фильтре.
   • Гравитационная фильтрация – это лучший метод для удаления мелкого угля, пыли, волокон и т.д. Нагревайте на паровой бане или плите три колбы Эрленмейера: первая содержит раствор, который предстоит профильтровать, во второй находится несколько миллилитров растворителя и бесстебельная воронка, в третьей – несколько миллилитров растворителя, который понадобится для ополаскивания. Поместите рифленую фильтровальную бумагу (полезна, поскольку вы не используете вакуум) в бесстебельную воронку над второй колбой (отсутствие трубки на конце предотвращает охлаждение насыщенного раствора и засорение воронки кристаллами). Доведите до кипения раствор, который нужно профильтровать, возьмите колбу с помощью полотенца и вылейте раствор на фильтровальную бумагу. Добавляйте кипящий растворитель из третьей колбы на любые кристаллы, формирующиеся на бумаге, а также сполосните первую колбу, содержавшую фильтруемый раствор, и вылейте остаток на фильтровальную бумагу. Кипячением удалите избыток растворителя из профильтрованного раствора.
   • Декантация используется для крупных твердых примесей. Просто слейте (сцедите) горячий растворитель, оставляя нерастворимый осадок в прежней емкости.
   • Удаление растворителя с помощью пипетки: этот метод используется для малых объемов раствора и достаточно крупных твердых примесей. Поместите пипетку с квадратным носиком на дно пробирки (округлое дно) и всасыванием заберите жидкость, оставляя в пробирке твердые примеси.
5. 5 Кристаллизуйте интересующий вас раствор. Этот шаг предполагает, что любые окрашенные и нерастворимые примеси были удалены на соответствующих этапах, описанных выше. Удалите излишки растворителя, кипячением или выдуванием легким потоком воздуха. Начинайте с раствора, насыщенного растворенным веществом, в точке кипения. Дайте ему медленно остыть до комнатной температуры. Должна начаться кристаллизация. В противном случае, инициируйте процесс, добавив зародышевый кристалл или царапая пробирку стеклянной палочкой у границы раздела фаз. Когда кристаллизация началась, постарайтесь не трогать контейнер, чтобы могли сформироваться большие кристаллы. Чтобы обеспечить медленное охлаждение (которое позволяет формировать более крупные кристаллы), вы можете изолировать контейнер ватой или бумажными полотенцами. Большие кристаллы легче отделить от примесей. Когда контейнер полностью охладится до комнатной температуры, охлаждайте его на льду еще около пяти минут, чтобы достигнуть максимального количества кристаллов.
6. 6 Соберите и промойте кристаллы: для этого отделите кристаллы от холодного растворителя с помощью фильтрации. Это можно сделать с помощью воронки Хирша или Бюхнера, или удалить растворитель с помощью пипетки.
   • Фильтрация с помощью воронки Хирша: поместите воронку Хирша с нерифленой фильтровальной бумагой в плотно прилаженную вакуумную пробирку. Поместите пробирку на лед, чтобы растворитель оставался холодным. Намочите фильтровальную бумагу растворителем для кристаллизации. Подсоедините пробирку к аспиратору, включите его и убедитесь, что фильтровальная бумага втянулась вакуумом в воронку. Вылейте и отскребите кристаллы в воронку и выключите аспиратор, как только вся жидкость будет удалена. Используйте несколько капель холодного растворителя, чтобы сполоснуть пробирку, вылейте остатки в воронку и снова используйте вакуум до удаления жидкости. Промойте кристаллы несколько раз холодным растворителем, чтобы устранить остатки примесей. По окончании промывок оставьте аспиратор включенным до высыхания кристаллов.
   • Фильтрация с использованием воронки Бюхнера: поместите кусок нерифленой фильтровальной бумаги на дно воронки Бюхнера и намочите растворителем. Плотно установите воронку в пробирку с помощью адаптора из резины или синтетического каучука, чтобы использовать вакуумное отсасывание. Вылейте и отскребите кристаллы в воронку и выключите аспиратор, как только вся жидкость будет удалена, а кристаллы останутся на бумаге. Сполосните кристаллизационную пробирку холодным растворителем, добавьте остатки к кристаллам и снова используйте вакуум до удаления жидкости. Повторяйте и промывайте кристаллы столько раз, сколько понадобится. Оставьте аспиратор включенным до высыхания кристаллов.
   • Промывка с использованием пипетки используется для малого количества кристаллов. Поместите пипетку с квадратным носиком на дно пробирки (округлое дно) и всасыванием заберите жидкость, оставляя в пробирке промытые кристаллы.
7. 7 Высушите промытый продукт: конечная сушка для малого количества кристаллизованного продукта можно выполнить, подсушивая кристаллы между листами фильтровальной бумаги или оставив их сушиться на часовом стекле. 550px]]

Советы

• Если используется слишком мало растворителя, кристаллизация при охлаждении может произойти очень быстро. При этом примеси могут оказаться внутри кристалла, проваливая задачу очищения путем кристаллизации. С другой стороны, если использовать слишком много растворителя, кристаллизация может не произойти вообще. Лучше всего добавлять еще намного растворителя после насыщения в точке кипения. Чтобы найти правильный баланс, требуется практика.
• Когда вы ищете идеальный растворитель методом проб и ошибок, начинайте с самых летучих и имеющих низкую температуру кипения, поскольку их легче удалить.
• Возможно, самый важный этап – ожидание, пока горячий раствор медленно остынет и сформируются кристаллы. Это крайне важно быть терпеливым и позволить раствору остывать непотревоженным.
• Если добавлено так много растворителя, что формируются маленькие кристаллы, выпарите немного растворителя, нагревая раствор, а затем повторно охлаждайте.

Что вам понадобится

• Органическое соединение для кристаллизации
• Подходящий растворитель
• Пробирки или реакционные контейнеры
• Стеклянная палочка
• Деревянная палочка, или пористые фарфоровые фишки для кипячения
• Активированный уголь (графит)
• Паровая баня или плитка
• Колбы Эрленмейера
• Бесстебельковая воронка
• Рифленая и нерифленая фильтровальная бумага
• Пипетки
• Аппарат с воронкой Хирша или Бюхнера
• Часовое стекло