Come Cristallizzare dei Composti Organici

La cristallizzazione (o ricristallizzazione) è il metodo più importante per la purificazione dei composti organici. Il processo di rimozione di impurità di cristallizzazione implica che si dissolva un composto in un opportuno solvente caldo, che si lasci raffreddare la soluzione perché diventi satura del composto così purificato, che si cristallizzi, isolandola mediante filtrazione, che si lavi la sua superficie con solvente freddo per rimuovere le impurità residue e che la si lasci asciugare. Ecco una guida dettagliata, passaggio per passaggio, su come cristallizzare dei composti organici. Tutto il procedimento si svolge meglio in un laboratorio chimico controllato, in una zona ben ventilata. Si noti che questa procedura ha ampie applicazioni, tra cui la purificazione commerciale su larga scala dello zucchero per cristallizzazione del prodotto grezzo, che si lascia dietro delle impurità.

Passaggi

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Scegli il solvente appropriato. Ricorda il detto "i simili si dissolvono con i simili": Similia similibus solvuntur. Per esempio, zucchero e sale sono solubili in acqua, ma non nell’olio - e composti non polari quali gli idrocarburi si dissolvono in solventi idrocarburi non polari, come l’esano.
- Il solvente ideale ha queste proprietà:
  - Dissolve il composto quando la soluzione è calda, ma non quando la soluzione è fredda.
  - Non dissolve per niente le impurità (in modo che esse possano essere filtrate quando il composto impuro è sciolto) o le dissolve benissimo (quindi rimangono in soluzione quando il composto desiderato viene cristallizzato).
  - Non reagisce con il composto.
  - Non è infiammabile.
  - È non tossico.
  - È a buon mercato.
  - È molto volatile (quindi può essere rimosso facilmente dai cristalli).
- È spesso difficile decidere il migliore solvente; il solvente è spesso scelto per sperimentazione o usando il solvente non polare maggiormente disponibile. Familiarizza con il seguente elenco di comuni solventi (dai più ai meno polari). Nota che i solventi adiacenti l’uno all’altro sono miscibili (si dissolvono a vicenda). I solventi comunemente usati sono in grassetto.
  - Acqua (H2O): è non infiammabile, non tossica, a buon mercato e dissolve molti composti organici polari; l'inconveniente è l’alto punto di ebollizione (100 gradi C), che la rende relativamente non volatile e difficile da rimuovere dai cristalli.
  - Acido acetico (CH3COOH): è utile per la reazione di ossidazione, ma reagisce con alcoli e ammine e pertanto è difficile da rimuovere (il punto di ebollizione è a 118 gradi C).
  - Dimetilsolfossido (DMSO), solfossido metilico (CH3SOCH3): è utilizzato principalmente come solvente per reazioni; raramente per cristallizzazioni.
  - Metanolo (CH3OH): è un solvente utile che dissolve composti di polarità superiore agli altri alcoli.
  - Acetone (CH3COCH3): è un eccellente solvente; l'inconveniente è il basso punto di ebollizione a 56 gradi C, che permette poca differenza in solubilità di un composto tra il suo punto di ebollizione e la temperatura ambiente.
  - 2-Butanone, metil etil chetone, MEK (CH3COCH2CH3): è un eccellente solvente con punto di ebollizione a 80 gradi C.
  - Acetato di etile (CH3COOC2H5): è un eccellente solvente con punto di ebollizione a 78 gradi C.
  - Diclorometano, cloruro di metilene (CH2Cl2): è utile come coppia di solvente con il ligroin, ma il suo punto di ebollizione, 35 gradi C, è troppo basso per renderlo un buon solvente di cristallizzazione.
  - Dietil etere (CH3CH2OCH2CH3): è utile come coppia di solvente con il ligroin, ma il suo punto di ebollizione, 40 gradi C, è troppo basso per renderlo un buon solvente di cristallizzazione.
  - Metil-t-butil etere (CH3OC(CH3)3): è una scelta ottimale e conveniente che sostituisce l’etere dietilico, dato il suo maggiore punto di ebollizione, 52 gradi centigradi.
  - Diossano (C4H8O2): è facile da rimuovere dai cristalli; leggermente cancerogeno; forma perossidi; punto di ebollizione a 101 gradi C.
  - Toluene (C6H5CH3): è un eccellente solvente per la cristallizzazione di arilici ed ha sostituito il benzene (debole cancerogeno), che una volta era comunemente usato; un inconveniente è l'alto punto di ebollizione a 111 gradi C, che rende difficile rimuoverlo dai cristalli.
  - Pentano (C5H12): è ampiamente usato per composti non polari; spesso utilizzato come solvente in coppia con un altro.
  - Esano (C6H14): è usato per composti non polari; inerte; spesso usato in una coppia di solventi; punto di ebollizione a 69 gradi C.
  - Cicloesano (C6H12): è simile all’esano, ma più economico e ha un punto di ebollizione a 81 gradi C.
  - L’etere di petrolio è una miscela di idrocarburi saturi, di cui il pentano è un componente principale; a buon mercato e utilizzato in modo intercambiabile con il pentano; punto di ebollizione a 30-60 gradi C.
  - Il ligroin è una miscela di idrocarburi saturi con proprietà di esano.
    
    Passaggi per la scelta del solvente:
1. Metti alcuni cristalli del composto impuro in una provetta e aggiungi una sola goccia di solvente, lasciandolo fluire giù dal lato del tubo.
2. Se i cristalli si dissolvono immediatamente a temperatura ambiente, non usare il solvente perché gran parte del composto sarà disciolto a bassa temperatura: cercane un altro.
3. Se i cristalli non si sciolgono a temperatura ambiente, scalda il tubo su un bagno di sabbia calda e osserva i cristalli. Se non si dissolvono, aggiungi una goccia in più di solvente. Se si sciolgono al punto di ebollizione del solvente e poi cristallizzano nuovamente raffreddati a temperatura ambiente, hai trovato un solvente adeguato. Se così non fosse, prova con un altro solvente.
4. Se, dopo un processo per tentativi ed errori, non avrai trovato un solvente soddisfacente, farai bene a utilizzare una coppia di solventi. Sciogli i cristalli nel solvente migliore (quello in cui si sono dissolti prontamente) e aggiungi il solvente più povero alla soluzione calda fino a quando non diventa torbida (la soluzione è satura di soluto). La coppia di solventi deve essere miscibile a vicenda. Alcune coppie accettabili di solvente sono acqua-acido acetico, etanolo-acqua, acetone-acqua, diossano-acqua, acetone-etanolo, etere dietilico-etanolo, metanolo-2Butanone, cicloesano-acetato di etile, acetone-ligroin, ligroin-acetato di etile, etere etilico-ligroin, diclorometano-ligroin, toluene-ligroin.
per farlo, mettilo in una provetta. Schiaccia i grandi cristalli con una bacchetta per favorire la dissoluzione. Aggiungi il solvente goccia a goccia. Per rimuovere le impurità solide, non solubili, utilizza l'eccesso di solvente per diluire la soluzione e filtrare le impurità solide a temperatura ambiente (vedi punto 4 per la procedura di filtrazione), poi fai evaporare il solvente. Prima del riscaldamento, metti un bastoncino di legno nel tubo per evitare il surriscaldamento (il riscaldamento della soluzione avverrà sopra il punto di ebollizione del solvente senza essere realmente bollente). L'aria intrappolata nel legno uscirà sotto forma di nuclei per consentire anche l’ebollizione. In alternativa, possono essere utilizzate dei cocci di porcellana porosa bollente. Rimosse le impurità solide ed evaporato il solvente, aggiungine un po’, goccia dopo goccia, mescolando i cristalli con una bacchetta di vetro e riscaldando il tubo su un bagno di vapore o di sabbia, fino a quando il composto non sarà completamente sciolto con la minima quantità di solvente.
Ignora questo passaggio se la soluzione è incolore o ha solo una leggera tonalità di giallo. Se la soluzione è colorata (derivante dalla produzione di sottoprodotti delle reazioni chimiche di peso molecolare elevato), aggiungi solvente in eccesso e carbone attivo (carbonio) e fai bollire la soluzione per alcuni minuti. Le impurità colorate si adsorbono sulla superficie del carbone attivo, a causa della sua elevata microporosità. Rimuovi il carbone con le impurità adsorbite per filtrazione, come descritto nel passaggio successivo.
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Rimuovi i solidi mediante filtrazione. La filtrazione può essere fatta per filtrazione per gravità, decantazione o rimozione del solvente usando una pipetta. In generale, non utilizzare la filtrazione sotto vuoto, perché il solvente caldo si raffredda durante il processo, permettendo al prodotto di cristallizzarsi nel filtro.
- Filtrazione per gravità: questo è il metodo di scelta per la rimozione di carbone fine, pelucchi, polvere, ecc. Prendi tre matracci di Erlenmeyer riscaldati su un bagno di vapore o piastra calda: uno contenente la soluzione da filtrare, un altro contenente pochi millilitri di solvente e un imbuto senza stelo e l’ultimo con diversi millilitri di solvente per cristallizzazione da utilizzare per il risciacquo. Disponi un filtro di carta scanalata (utile dal momento che non si utilizza l’aspiratore) in un imbuto senza stelo (per impedire alla soluzione satura di raffreddarsi e di intasare lo stelo con i cristalli) sopra la seconda beuta. Porta a bollore la soluzione che deve essere filtrata, afferrala in un tovagliolo e versa la soluzione nel filtro di carta. Aggiungi del solvente bollente dalla terza beuta ai cristalli formatisi sulla carta del filtro e risciacqua il matraccio che conteneva la soluzione filtrata, aggiungendo il risciacquo per la carta da filtro. Rimuovi l'eccesso di solvente facendo bollire la soluzione filtrata.
- Decantazione: è utilizzata per grandi impurità solide. Devi semplicemente far colare (decantare) il solvente caldo, tralasciando i solidi insolubili.
- Rimozione del solvente usando una pipetta: viene utilizzato per una piccola quantità di soluzione e se le impurità solide sono abbastanza grandi. Inserisci una pipetta con punta quadrata nella parte inferiore della provetta (fondo arrotondato) e rimuovi il liquido mediante aspirazione, lasciando le impurità solide.
Questo passaggio presuppone che qualsiasi impurità colorata e insolubile sia stata rimossa con i procedimenti precedenti. Rimuovi qualsiasi eccesso di solvente bollente o soffia con un delicato flusso d'aria. Parti da una soluzione saturata con un soluto al punto di ebollizione. Lascia che si raffreddi lentamente a temperatura ambiente. Dovrebbe iniziare la cristallizzazione. In caso contrario, avvia il processo con l’aggiunta di un seme di cristallo o raschia l'interno della provetta con una bacchetta di vetro nella zona aria-liquido. Una volta che è iniziata la cristallizzazione, fai attenzione a non muovere il contenitore per permettere la formazione di grandi cristalli. Per facilitare un raffreddamento lento (che permette la formazione di cristalli più grandi), si può isolare il contenitore con del cotone o della carta assorbente. I cristalli più grandi sono più facili da separare dalle impurità. Una volta che il contenitore è completamente raffreddato a temperatura ambiente, mettilo nel ghiaccio per circa cinque minuti per massimizzare la quantità di cristalli.
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Raccogli e lava i cristalli: per fare questo, separali dal solvente gelido mediante filtrazione. Questo può essere fatto utilizzando l'imbuto Hirsch, l'imbuto di Buchner o rimuovendo del solvente usando una pipetta.
- Filtrazione utilizzando l'imbuto Hirsch: posiziona l'imbuto Hirsch con carta da filtro non scanalata in un contenitore isotermico per aspiratore montato stretto. Metti la beuta da filtro in ghiaccio per mantenere freddo il solvente. Bagna la carta da filtro con il solvente di cristallizzazione. Aggancia la beuta a un aspiratore, avvialo e accertati che la carta da filtro venga attirata verso l'imbuto. Versa e raschia i cristalli sull'imbuto e interrompi l’aspirazione non appena tutto il liquido è rimosso dai cristalli. Utilizza alcune gocce di solvente ghiacciato per risciacquare il matraccio di cristallizzazione e rimettilo sull’imbuto mentre riapplichi l’aspirazione; interrompila non appena tutto il liquido viene rimosso dai cristalli. Lavali un paio di volte con solvente gelido per rimuovere eventuali impurità residue. Alla fine del lavaggio, lascia attivo l’aspiratore per asciugare i cristalli.
- Filtrazione utilizzando l'imbuto Buchner: inserisci un pezzo di carta da filtro non scanalata nella parte inferiore dell'imbuto Buchner e bagnalo con solvente. Inserisci l'imbuto strettamente contro un recipiente isotermico da filtro tramite una gomma o adattatore di gomma sintetica per consentire l'aspirazione del vuoto. Versa e raschia i cristalli sull'imbuto, e interrompi l’aspirazione non appena il liquido viene rimosso dalla beuta, quando i cristalli vengono lasciati sulla carta. Risciacqua il matraccio di cristallizzazione con solvente ghiacciato, aggiungendolo ai cristalli lavati, riapplica l’aspiratore e interrompilo quando il liquido viene rimosso dai cristalli. Ripeti e lava i cristalli tante volte quanto è necessario. Lascia attivo l’aspiratore per asciugare i cristalli alla fine.
- Lava utilizzando una pipetta: è usata per lavare piccole quantità di cristalli. Inserisci una pipetta con punta quadrata nella parte inferiore della provetta (fondo arrotondato) e rimuovi il liquido, lasciandosi dietro i solidi lavati.
l’essiccazione finale di una piccola quantità di prodotto cristallizzato può essere fatta premendo i cristalli tra fogli di carta da filtro e permettendo loro di asciugare su un vetro da orologio.
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Consigli

Se si usa troppo poco solvente, la cristallizzazione può avvenire troppo rapidamente quando la soluzione è raffreddata. Quando la cristallizzazione avviene troppo rapidamente, possono rimanere intrappolate nei cristalli delle impurità, che contrastano lo scopo della purificazione per cristallizzazione. D'altra parte, se viene usato troppo solvente, la cristallizzazione potrebbe non avvenire affatto. È meglio aggiungere solo un po' più di solvente oltre la saturazione al punto di ebollizione. Trovare il giusto equilibrio richiede pratica.
Quando si cerca di trovare il solvente ideale per tentativi, bisogna iniziare con i solventi più volatili, a bassa temperatura di ebollizione, in primo luogo, perché possono essere rimossi più facilmente.
Se si aggiunge troppo solvente e si formano dei piccoli cristalli durante il raffreddamento, devi far evaporare del solvente riscaldando e ripetendo il raffreddamento.
Forse il passo più importante è attendere che la soluzione bollente raffreddi lentamente e permetta ai cristalli di formarsi. È estremamente importante essere pazienti e lasciare che la soluzione si raffreddi indisturbata.