Oczyszczanie stałych związków organicznych przez krystalizacje

Stałe związki organiczne, bezpośrednio wydzielone w reakcji, nie są zwykle czyste, lecz zawierają niewielkie ilości innych związków (tzw. zanieczyszczeń) powstających jednocześnie z pożądanym produktem reakcji. Oczyszcza się je zazwyczaj przez krystalizację z odpowiedniego rozpuszczalnika lub z mieszaniny rozpuszczalników. Należy jednak pamiętać, że bezpośrednia krystalizacja surowego produktu reakcji nie zawsze jest wskazana, gdyż niektóre zanieczyszczenia mogą opóźniać krystalizację, a nawet czasem całkowicie uniemożliwić tworzenie się kryształów; ponadto krystalizacja może w tych warunkach prowadzić do dużych strat substancji oczyszczanej. Z tych względów przed krystalizacją, jeżeli tylko jest to możliwe, należy zastosować inne metody wstępnego oczyszczania, np. destylację z parą wodną, pod zmniejszonym ciśnieniem, destylację frakcyjną, ekstrakcję w aparacie Soxhleta lub innym odpowiednim aparacie ekstrakcyjnym. Oczyszczanie substancji stałych przez krystalizację oparte jest na różnicy ich rozpuszczalności w odpowiednim rozpuszczalniku lub w mieszaninie rozpuszczalników. W najprostszym ujęciu krystalizacja polega na:

1) rozpuszczeniu zanieczyszczonej substancji w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku ogrzewając w temperaturze wrzenia lub w pobliżu temperatury wrzenia, pod chłodnicą zwrotną

2) odsączeniu gorącego roztworu od części nierozpuszczalnych i od przypadkowych zanieczyszczeń,

3) pozostawieniu przesączu do chwili oziębienia, co powoduje krystalizację rozpuszczonego związku

4) oddzieleniu kryształów od pokrywającego je roztworu (ługu pokrystalicznego). Czystość otrzymanej substancji stałej sprawdza się po osuszeniu (zwykle przez oznaczenie tt. i w razie potrzeby poddaje ponownej krystalizacji ze świeżego rozpuszczalnika. Krystalizację powtarza się aż do chwili otrzymania czystego związku, a więc zwykle do chwili, gdy temperatura topnienia oczyszczanej substancji przestaje się zmieniać po kolejnej krystalizacji.

Podstawy teoretyczne krystalizacji

Usuwanie zanieczyszczeń przez krystalizację, stają się zrozumiałe na tle następujących rozważań: Załóżmy, że zanieczyszczenia obecne są w stosunkowo niewielkiej ilości, nie przekraczającej zwykle 5% całości. Oznaczmy czystą substancję przez A, a zanieczyszczenia przez B i załóżmy, że zanieczyszczenia wynoszą 5%. Najczęściej rozpuszczalność związku A (RA) i rozpuszczalność B (Rb) w poszczególnych rozpuszczalnikach są różne (wpływ jednej substancji na rozpuszczalność drugiej nie jest brany pod uwagę). Dla każdego rozpuszczalnika mogą zajść dwa następujące przypadki: 1) zanieczyszczenie jest lepiej rozpuszczalne od substancji oczyszczanej (RB > RA) lub 2) zanieczyszczenie jest mniej rozpuszczalne niż substancja oczyszczana (Rb < Ra). Oczywiście w przypadku pierwszym po kilku krystalizacjach otrzymuje się czysty związek A, a B pozostaje w ługach pokrystalicznych. Przypadek drugi można objaśnić na następującym przykładzie: Załóżmy, że rozpuszczalności związków A i B w określonym rozpuszczalniku w temperaturze pokojowej (15°) wynoszą 10 g i 3 g na 100 ml rozpuszczalnika. Jeśli rozpuścimy 50 g surowego materiału (zawierającego 47,5 g A i 2,5 g B) w 100 ml gorącego rozpuszczalnika i oziębimy roztwór do temp. 15°, to ług pokrystaliczny będzie zawierał 10 g A i 2,5 g (tzn. całość) B, ponadto otrzymamy 37,5 g czystego związku.

Kryteria wyboru rozpuszczalnika do krystalizacji

Rozpuszczalnik używany do krystalizacji powinien posiadać następujące cechy: a) dużą zdolność rozpuszczania krystalizowanej substancji na gorąco i stosunkowo niewielką w temperaturze pokojowej lub poniżej tej temperatury, b) powinien rozpuszczać zanieczyszczenia bardzo dobrze lub rozpuszczać je tylko w bardzo nieznacznym stopniu, c) sprzyjać wytwarzaniu dobrze wykształconych kryształów oczyszczanego związku oraz d) powinien być łatwy do usunięcia z ich powierzchni, a więc mieć względnie niską temperaturę wrzenia. Rozpuszczalnik nie może oczywiście reagować chemicznie z substancją oczyszczaną. Jeśli mamy dwa rozpuszczalniki nadające się w jednakowym stopniu do krystalizacji danej substancji, to o wyborze rozpuszczalnika decydują ostatecznie takie czynniki, jak łatwość manipulacji, zapalność i cena. Jako rozpuszczalnika do krystalizacji w miarę możności nie należy używać eteru. Częściowo z powodu jego łatwej palności, a częściowo z powodu skłonności do wypełzania na ścianki naczynia, co powoduje wydzielanie się substancji stałej przez całkowite odparowanie zamiast przez krystalizację. Należy także unikać używania dwusiarczku węgla, tw. 46°, Gdyż ma on niebezpiecznie niską temperaturę samorzutnego zapłonu i tworzy z powietrzem mieszaniny silnie wybuchowe. Rzadziej stosuje się następujące rozpuszczalniki: metyloetylo keton, (tw.80°C), chlorek etylenu (tw;.84°C), dioksan (tw. 101°C, pary trujące) toluen (tw.110°C), pirydyna (tw. 115,5°C), chlorobenzen (tw.132°C), (di-etylowy eter glikolu etylenowego) (tw.134,5°C), eter n-butylowy (tw.141°C), sym-czterochloroetan (tw.147°C), nitrobenzen (tw.209,5°C) oraz benzoesan etylu (tw.213°C).Wyboru rozpuszczalnika nie można zazwyczaj dokonać wyłącznie na zasadzie rozważań teoretycznych, lecz w braku wskazówek należy dobrać go na podstawie prób doświadczalnych. Ok. 0,1 g sproszkowanej substancji umieszcza się w małej próbce, a rozpuszczalnik dodaje się po kropli (najlepiej z kalibrowanego wkraplacza), stale wstrząsając probówką. Po dodaniu ok. l ml rozpuszczalnika mieszaninę ogrzewa się do wrzenia, zachowując należytą ostrożność, jeżeli rozpuszczalnik jest palny. W przypadku, gdy cała ilość substancji nie ulegnie rozpuszczeniu, dodaje się więcej rozpuszczalnika porcjami po 0,5 ml, ogrzewając za każdym razem do wrzenia. Jeżeli po dodaniu 3 ml rozpuszczalnika substancja pozostaje nie rozpuszczona , to można przyjąć, że jest ona w tym rozpuszczalniku dość trudno rozpuszczalna i należy wyszukać inny rozpuszczalnik. Gdy substancja rozpuści się w gorącym rozpuszczalniku całkowicie (lub prawie całkowicie), roztwór w probówce oziębia się, aby przekonać się czy nastąpi krystalizacja. Jeśli krystalizacja nie następuje od razu, może to być spowodowane brakiem odpowiednich zarodków umożliwiających wzrost kryształów. W takim przypadku należy potrzeć za pomocą pałeczki szklanej ściany probówki poniżej powierzchni roztworu (drobne cząstki szkła mogą służyć jako doskonałe zarodki krystalizacji). Jeśli krystalizacja nie następuje nawet po kilku minutach pocierania i oziębienia mieszaniną lodu z solą, to dany rozpuszczalnik należy odrzucić. Gdy natomiast wydzielą się kryształy, wówczas notuje się ich ilość. Tego rodzaju próby powtarza się z innymi rozpuszczalnikami, używając za każdym razem czystej probówki, i wybiera najodpowiedniejszy; należy przy tym zanotować w przybliżeniu jaki stosunek ilościowy rozpuszczalnika i substancji oczyszczanej daje najlepsze wyniki krystalizacji. W przypadku, gdy dana substancja jest zbyt dobrze rozpuszczalna w jednym rozpuszczalniku, a za mało w drugim, można niekiedy osiągnąć doskonałe wyniki, stosując rozpuszczalniki mieszane, czyli „parę rozpuszczalników". Oba rozpuszczalniki muszą oczywiście mieszać się w każdym stosunku. Krystalizację z rozpuszczalników mieszanych przeprowadza się w temperaturze zbliżonej do temperatury wrzenia ich mieszaniny. Substancję rozpuszcza się w tym rozpuszczalniku, w którym jest ona dobrze rozpuszczalna, a następnie dodaje się ostrożnie, na gorąco, drugi rozpuszczalnik, w którym jest ona źle rozpuszczalna, aż do powstania lekkiego zmętnienia. Zmętnienie to usuwa się przez dodanie niewielkiej ilości pierwszego rozpuszczalnika, a mieszaninie pozwala się ostygnąć do temperatury pokojowej, przy czym następuje wydzielanie się kryształów. Do krystalizacji stosuje się następujące pary rozpuszczalników: alkohol i woda, alkohol i benzen, benzen i eter naftowy, aceton i eter naftowy, kwas octowy i woda.

Następujące uogólnienia mogą dopomóc w doborze rozpuszczalnika do krystalizacji, należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że znane są liczne wyjątki (dokładniejsze omówienie):

1. Związki organiczne rozpuszczają się na ogół najłatwiej w rozpuszczalnikach zbliżonych własnościami do własności chemicznych i fizycznych związku krystalizowanego.

2. Rozpuszczalność związku w miarę posuwania się w szeregu homologicznym zbliża się coraz bardziej do rozpuszczalności węglowodoru, z którego można dany związek wyprowadzić.

3. Związki polarne rozpuszczają się lepiej w rozpuszczalnikach polarnych, a gorzej w nie polarnych ( i na odwrót ).

Szczegółowy przebieg krystalizacji

Przypuśćmy, że wybraliśmy najodpowiedniejszy rozpuszczalnik i oznaczyliśmy w przybliżeniu potrzebną ilość rozpuszczalnika w stosunku do ilości oczyszczanej substancji, w sposób opisany poprzednio, lub też na podstawie odpowiednich źródeł zawierających dane odnoszące się do rozpuszczalności. Substancję stałą umieszcza się w małej kolbie kulistej lub stożkowej i dodaje rozpuszczalnik w ilości nieco mniejszej od ilości obliczonej oraz kilka kawałeczków porowatej porcelany lub jeszcze lepiej kapilarkę ułatwiającą wrzenie. Jeśli rozpuszczalnik nie jest palny, trujący a cena jego nie jest zbyt wysoka, chłodnicę zwrotną można zastąpić lejkiem o krótkiej nóżce. Mieszaninę ogrzewa się do wrzenia i dodaje rozpuszczalnik przez chłodnicę (lub bezpośrednio do kolby, gdy nie używa się chłodnicy); aż do chwili otrzymania przezroczystego roztworu, przy czym nie bierze się pod uwagę zanieczyszczeń nierozpuszczalnych. Jeśli temperatura wrzenia rozpuszczalnika nie przekracza 800C , używa się łaźni wodnej lub łaźni parowej; w przypadku stosowania wyżej wrzących rozpuszczalników, należy ogrzewać na łaźni powietrznej, płytce elektrycznej. Sączenie gorącego roztworu. Wrzący lub gorący roztwór należy szybko przesączyć, unikając oziębienia (jeśli rozpuszczalnik jest palny, trzeba zgasić palniki w całym sąsiedztwie). Sączy się zwykle przez sączek fałdowany umieszczony w stosunkowo dużym lejku o krótkiej, szerokiej nóżce; w ten sposób zmniejsza się do minimum możliwość zatkania nóżki lejka przez wydzielające się kryształy. Nieraz przed sączeniem wskazane jest ogrzanie lejka w suszarce. Lejek umieszcza się w kolbie stożkowej mogącej pomieścić cały roztwór; można również uchwycić lejek łapą lub umieścić go w stojaku, a przesącz zbierać w zlewce; bardziej wskazane jest jednak na ogół używanie do tego celu kolby stożkowej. Podczas należycie przeprowadzonego sączenia jedynie bardzo niewiele substancji krystalizuje na sączku; wydzielone kryształy należy zebrać, przenieść do pierwszej kolby, ponownie rozpuścić i przesączyć. Przesącz przykrywa się szkiełkiem zegarkowym i odstawia do spokojnej krystalizacji. Chcąc otrzymać duże kryształy, wytrącony osad należy rozpuścić przez podgrzanie (pod chłodnicą zwrotną, gdy rozpuszczalnik jest palny), a kolbę owinąć w ręcznik tak, aby roztwór stygnął powoli. Jeśli pożądany jest osad drobno krystaliczny, to gorący nasycony roztwór miesza się energicznie i oziębia szybko wodą lub wodą z lodem. Jeśli krystalizacja rozpoczyna się natychmiast, gdy tylko roztwór nieco się oziębi lub, gdy zachodzi potrzeba przesączenia dużej ilości gorącego roztworu, to podczas sączenia lejek (wraz z sączkiem karbowanym) należy ogrzewać zewnętrznie płaszczem z gorącą wodą. Podczas sączenia rozpuszczalników palnych przez sączek usuwa się palnik. Lejek może być również umieszczony w płaszczu podgrzewanym elektrycznie stopień podgrzewania jest wówczas regulowany za pomocą odpowiedniej opornicy lub autotransformatora. Operując dużymi ilościami wodnego lub innego roztworu, z którego osad nie wytrąca się natychmiast po oziębieniu, można sączyć przez lejek Büchnera. Bibuła powinna być gęsta i przed załączeniem pompy, zwilżona używanym do krystalizacji rozpuszczalnikiem, wtedy dopiero można roztwór wlać na sączek. Szczegóły doświadczalne dotyczące krystalizacji z rozpuszczalników mieszanych, (czyli pary rozpuszczalników) wynikają z podanego już opisu; najodpowiedniejszy stosunek obu rozpuszczalników określa się za pomocą wstępnych próbek na małą skale.

Trudności napotykane podczas krystalizacji

Niekiedy w czasie krystalizacji zamiast oczekiwanego produktu stałego wydziela się druga warstwa ciekła, tzw. „olej". Olej ten często później zestala się, chociaż może upłynąć wiele czasu zanim nastąpi krystalizacja. Otrzymany w ten sposób związek stały zawiera najprawdopodobniej nieco ługu pokrystalicznego, a więc czystość jego jest niewielka. Jeśli dana substancja ma niską temperaturę topnienia, to takie, pozornie nienormalne; zachowanie jej musi być koniecznie związane z obecnością zanieczyszczeń, lecz jest to najprawdopodobniej przykład układu, w którym fazy stałe stanowią składniki czyste, mieszające się ze sobą jedynie częściowo w stanie ciekłym. Wydzielaniu się oleju można zapobiec przez znaczne rozcieńczenie roztworu, prowadzi to jednak do dużych strat. Najprawdopodobniej najlepiej jest w tym przypadku ogrzać mieszaninę ponownie aż do otrzymania roztworu przezroczystego i pozwolić jej ostygnąć. Gdy tylko zacznie wydzielać się olej, roztwór miesza się energicznie, aby otrzymać zawiesinę oleju w roztworze, tak, aby pojawiające się przy oziębieniu kryształy rosły w całej objętości roztworu; a nie tylko w wydzielonym oleju, co zmniejsza znacznie okluzję ługu pokrystalicznego. Po zniknięciu oleju przerywa się mieszanie i pozwala kryształom opaść. Można niekiedy ułatwić krystalizację przez dodanie bardzo niewielkiej ilości surowego związku; czyli „zaszczepiając" roztwór.

Niekiedy powstają roztwory przesycone, z których pierwsze kryształy wydzielają się z trudnością; może to być czasem spowodowane obecnością niewielkich ilości substancji smolistych lub żywicowatych, działających jak koloid ochronny. Krystalizację można wywołać następującymi metodami:

1. Przez pocieranie wewnętrznych ścian naczynia pałeczką szklaną. Powoduje to odrywanie drobnych cząstek szkła, które mogą działać jako zarodki krystalizacji lub powstawanie rys na powierzchni naczynia, co ułatwia szybszą orientację kryształów.

2. Przez zaszczepienie roztworu niewielką ilością substancji stałej lub kryształami izomorficznymi; zapoczątkowuje to często krystalizacją, która przebiega dalej, aż do osiągnięcia stanu równowagi. Kryształy służące do zaszczepienia można otrzymać przez oziębienie bardzo cienkiej warstewki roztworu do niskiej temperatury. Kilka kropel roztworu umieszcza się w probówce lub zlewce i obracając naczyniem rozciąga w postaci cienkiej błonki na jego ścianach, naczynie oziębia się następnie w mieszaninie lodu z solą lub w innej odpowiedniej mieszaninie oziębiającej. Lepszy sposób, pozwalający uniknąć konieczności zdrapywania utworzonych kryształów, a co za tym idzie ewentualnego ich stopienia, (gdy związek jest zanieczyszczony lub ma niską temperaturę topnienia), polega na zwilżeniu niewielkiej perełki szklanej przesyconym roztworem danej substancji, umieszczeniu jej w probówce i oziębieniu tej probówki w mieszaninie oziębiającej, co powoduje wytworzenie się kryształów na powierzchni perełki. Perełkę tę można następnie przenieść z probówki do naczynia zawierającego roztwór substancji krystalizowanej.

3. Przez oziębienie roztworu w mieszaninie oziębiającej (lód i sól, lód i chlorek wapnia lub stały dwutlenek węgla i eter). Należy pamiętać, że szybkość powstawania kryształów jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury, lecz znów bardzo silne oziębienie zwiększa lepkość roztworu, a tym samym może w dużym stopniu hamować krystalizację. W tym przypadku należy pozwolić na powolne ogrzanie się roztworu, tak, aby umożliwić wytworzenie się kryształów w chwili, gdy zostanie osiągnięty najbardziej sprzyjający krystalizacji zakres temperatur. Z chwilą powstania zarodków kryształów nieznaczne podniesienie temperatury roztworu sprzyja najczęściej tworzeniu się kryształów o większych rozmiarach.

4. Przez dodanie kilku kawałków stałego dwutlenku węgla; w ten sposób powstaje pewna ilość ośrodków o niskiej temperaturze, co ułatwia powstawanie kryształów.

5. Jeśli wszystkie te sposoby zawiodą, należy roztwór pozostawić w lodówce na dłuższy okres czasu. Trzeba niekiedy wykazać wiele cierpliwości, aby dać roztworowi wszelką możliwą sposobność do krystalizacji.

Produkt reakcji chemicznej wyodrębniony przez ekstrakcję za pomocą rozpuszczalnika i następne jego usunięcie może, na skutek obecności zanieczyszczeń, wydzielić się nie w postaci krystalicznej, lecz jako olej. Na ogół wskazane jest olej ten doprowadzić do zakrzepnięcia przed dalszym oczyszczaniem przez krystalizację. Można w tym celu posłużyć się metodą 1 lub 2 (powyżej); metoda 2 nie daje się zawsze zastosować ze względu na trudności w otrzymaniu kryształów niezbędnych do zaszczepienia, daje ona jednak zwykle dobre wyniki. Inny sposób postępowania polega na dodaniu niewielkiej ilości rozpuszczalnika organicznego, w którym dany związek jest słabo rozpuszczalny lub nierozpuszczalny i pocieraniu pałeczką szklaną lub rozcieraniu w moździerzu aż do pojawienia się kryształów; nieraz trzeba rozcierać całą godzinę, zanim pojawią się oznaki zestalania się. Inny skuteczny sposób polega na pozostawieniu oleju w eksykatorze próżniowym nad żelem krzemionkowym lub innym środkiem suszącym. Jeśli żadna z wymienionych metod nie doprowadzi do zakrzepnięcia oleju, można spróbować bezpośredniej jego krystalizacji: otrzymany roztwór należy wygotować z węglem odbarwiającym, gdyż może to doprowadzić do usunięcia zanieczyszczeń utrudniających tworzenie się kryształów. Niekiedy udaje się. Wykrystalizowany produkt odsączamy pod zmniejszonym ciśnieniem ten sposób oddziela się związek przekrystalizowany. Należy jednak dodać,że ług pokrystaliczny przedstawia pewną wartość, gdyż można z niego odzyskać dodatkowe ilości produktu. W związku z tym, przesącz po odsączeniu kryształów należy przenieść do innego naczynia, zagęścić zachowując odpowiednia ostrożność (gdyż rozpuszczalnik jest najczęściej palny) i w ten sposób otrzymujemy drugi, nieraz dalsze rzuty kryształów. Dalsze rzuty kryształów są zazwyczaj mniej czyste od kryształów otrzymanych pierwotnie i należy je powtórnie przekrystalizować ze świeżego rozpuszczalnika. Jeżeli rozpuszczalnik użyty do krystalizacji ma stosunkowo wysoka temperaturę wrzenia to osad należy przemyć nisko wrzącym rozpuszczalnikiem, aby kryształy można było łatwo osuszyć, oczywiste jest ze związek użyty do przemycia musi być nierozpuszczalny lub słabo rozpuszczać się w lotnym rozpuszczalniku.

Krystalizacja w atmosferze gazu obojętnego

Substancje rozkładające się (lub ulegające innym zmianom) w zetknięciu z powietrzem należy krystalizować w atmosferze obojętnej, takiej jak dwutlenku węgla, azotu, argonu lub helu rzadziej wodoru. Działanie aparatury pokazanej na rys.1. jest jasne i nieomal samo przez się zrozumiałe; oba połączenia szlifowe można zastąpić korkami gumowymi. Surową substancję umieszcza się w kolbie A. Zamyka krany 1 i 2 i usuwa powietrze z aparatury poprzez kran 3, następnie wpuszcza się do niej gaz obojętny, aż do osiągnięcia ciśnienia atmosferycznego. Usuwanie powietrza i wpuszczanie gazu obojętnego powtarza się kilkakrotnie. Rozpuszczalnik wprowadza się poprzez rozdzielacz B. Kolbę A ogrzewa się za pomocą odpowiedniej łaźni aż do rozpuszczenia osadu, w czasie tej operacji przez aparaturę można przepuszczać strumień gazu obojętnego. Następnie pozwala się zawartości kolby ostygnąć, aby umożliwić krystalizację. Przez pochylenie kolby A, załączenie pompy do kranu (3) i źródła gazu obojętnego do kranu (1) ług pokrystaliczny przenosi się na sączek C ze szkła spiekanego, unikając w ten sposób zatkania kryształami wylotu rurki D. Kryształy pozostałe w kolbie A można w razie potrzeby przekrystalizować powtórnie. W końcu, przepuszczając w dalszym ciągu gaz obojętny, zawiesinę kryształów w ługu pokrystalicznym przenosi się przez załączenie pompy na sączek C. Odmienny sposób sączenia polega na umieszczeniu płytki ze szkła spiekanego na końcu rurki D (zamiast w lejku cylindrycznym); w tym przypadku kryształy pozostają w kolbie A