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

Purificazione di composti tramite ricristallizzazione

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Übersicht

Fonte: Laboratorio del Dr. Jimmy Franco – Merrimack College

La ricristallizzazione è una tecnica utilizzata per purificare i composti solidi. 1 I solidi tendono ad essere più solubili nei liquidi caldi che nei liquidi freddi. Durante la ricristallizzazione, un composto solido impuro viene sciolto in un liquido caldo fino a quando la soluzione non è satura, quindi il liquido viene lasciato raffreddare. 2 Il composto dovrebbe quindi formare cristalli relativamente puri. Idealmente, eventuali impurità presenti rimarranno nella soluzione e non saranno incorporate nei cristalli in crescita (Figura 1). I cristalli possono quindi essere rimossi dalla soluzione mediante filtrazione. Non tutto il composto è recuperabile: alcuni rimarranno nella soluzione e andranno persi.

La ricristallizzazione non è generalmente considerata una tecnica di separazione; piuttosto, è una tecnica di purificazione in cui una piccola quantità di un’impurità viene rimossa da un composto. Tuttavia, se le proprietà di solubilità di due composti sono sufficientemente diverse, la ricristallizzazione può essere utilizzata per separarli, anche se sono presenti in quantità quasi uguali. La ricristallizzazione funziona meglio quando la maggior parte delle impurità sono già state rimosse con un altro metodo, come l’estrazione o la cromatografia su colonna.

Figure 1
Figura 1. Lo schema generale per la ricristallizzazione.

Grundsätze

Una ricristallizzazione di successo dipende dalla corretta scelta del solvente. Il composto deve essere solubile nel solvente caldo e insolubile nello stesso solvente quando è freddo. Ai fini della ricristallizzazione, si consideri al 3% p/v la linea di demarcazione tra solubile e insolubile: se 3 g di un composto si dissolvono in 100 ml di solvente, è considerato solubile. Nella scelta di un solvente, maggiore è la differenza tra solubilità a caldo e solubilità a freddo, maggiore è il prodotto recuperabile dalla ricristallizzazione.

La velocità di raffreddamento determina la dimensione e la qualità dei cristalli: il raffreddamento rapido favorisce i piccoli cristalli e il raffreddamento lento favorisce la crescita di cristalli grandi e generalmente più puri. Il tasso di ricristallizzazione è generalmente maggiore a circa 50 °C al di sotto del punto di fusione della sostanza; la massima formazione di cristalli avviene a circa 100 °C sotto il punto di fusione.

Sebbene i termini “cristallizzazione” e “ricristallizzazione” siano talvolta usati in modo intercambiabile, tecnicamente si riferiscono a processi diversi. La cristallizzazione si riferisce alla formazione di un nuovo prodotto insolubile da una reazione chimica; questo prodotto precipita quindi fuori dalla soluzione di reazione come un solido amorfo contenente molte impurità intrappolate. La ricristallizzazione non comporta una reazione chimica; il prodotto grezzo viene semplicemente disciolto in soluzione, quindi le condizioni vengono modificate per consentire ai cristalli di ri-formarsi. La ricristallizzazione produce un prodotto finale più puro. Per questo motivo, le procedure sperimentali che producono un prodotto solido per cristallizzazione normalmente includono una fase finale di ricristallizzazione per dare il composto puro.

Verfahren

Eseguire tutte le fasi in una cappa aspirante per prevenire l’esposizione ai fumi del solvente. 1. Selezione di un solvente Porre 50 mg del campione (N-bromosuccinimide) in un matraccio Erlenmeyer. Aggiungere 0,5 ml di solvente bollente (acqua). Se il campione si dissolve completamente, la solubilità nel solvente freddo è troppo alta per essere un buon solvente di ricristallizzazione. Se il campione non si dissolve nel solvente freddo, riscaldare la provetta fino a quando il solvente non bolle. Se il campione non si è completamente sciolto a questo punto, aggiungere altro solvente bollente a goccia, fino a quando tutto il solido si dissolve. Se ci vogliono più di 3 ml per sciogliere il campione nel solvente caldo, la solubilità in questo solvente è probabilmente troppo bassa per renderlo un buon solvente di ricristallizzazione. Se la prima scelta di solvente non è un buon solvente di ricristallizzazione, provane altri. Se non è possibile trovare un singolo solvente che funziona, provare un sistema a due solventi. Se non è possibile trovare un singolo sistema a solvente adatto, potrebbe essere necessaria una coppia di solventi. Quando si identifica una coppia di solventi, ci sono diverse considerazioni chiave 1) Il primo solvente dovrebbe facilmente dissolvere il solido. 2) Il secondo solvente deve essere miscibile con il1° solvente, ma avere una solubilità molto più bassa per il soluto. Come regola generale “likes dissolve likes”, il che significa che i composti polari tendono ad essere solubili in solventi polari e i composti non polari sono spesso composti non polari più solubili. Coppie di solventi comuni (Tabella 1) Assicurarsi che il solvente abbia un punto di ebollizione di almeno 40 °C, in modo che vi sia una ragionevole differenza di temperatura tra solvente bollente e solvente a temperatura ambiente. Assicurarsi che il solvente abbia un punto di ebollizione inferiore a circa 120 °C, in modo che sia più facile rimuovere le ultime tracce di solvente dai cristalli. Assicurarsi inoltre che il punto di ebollizione del solvente sia inferiore al punto di fusione del composto, in modo che il composto si formi come cristalli solidi piuttosto che come olio insolubile. Confermare che le impurità sono insolubili nel solvente caldo (in modo che possano essere filtrate a caldo, una volta che il composto è disciolto) o solubili nel solvente freddo (in modo che rimangano disciolte durante l’intero processo). 2. Sciogliere il campione in solvente caldo Posizionare il composto da ricristallizzare in un matraccio Erlenmeyer. Questa è una scelta migliore di un becher, poiché i lati inclinati aiutano a intrappolare i vapori di solvente e rallentare la velocità di evaporazione. Mettere il solvente (acqua) in un matraccio Erlenmeyer separato e aggiungere patatine bollenti o una barra di agitazione per mantenerlo in ebollizione senza intoppi. Riscaldarlo a ebollizione su una piastra elettrica. Aggiungere solvente caldo a un matraccio a temperatura ambiente contenente il composto in piccole porzioni, ruotando dopo ogni aggiunta, fino a quando il composto è completamente sciolto. Durante il processo di dissoluzione, mantenere la soluzione sempre calda appoggiandola anche sulla piastra di cottura. Non aggiungere più solvente caldo del necessario – quanto basta per sciogliere il campione. Se una porzione del solido non sembra dissolversi, anche dopo che è stato aggiunto più solvente caldo, è probabile che sia dovuto alla presenza di impurità molto insolubili. Se ciò accade, interrompere l’aggiunta di solvente ed eseguire una filtrazione a caldo prima di procedere. Per eseguire una filtrazione a caldo, piegare un pezzo di carta da filtro in una forma a cono scanalato e posizionarlo in un imbuto senza stelo di vetro. Aggiungere un eccesso del 10-20% di solvente caldo alla soluzione calda per consentire l’evaporazione nella procedura. Versare la soluzione attraverso la carta. Se i cristalli iniziano a formarsi in qualsiasi momento durante il processo, aggiungere una piccola porzione di solvente caldo per dissolverli. 3. Raffreddamento della soluzione Impostare il pallone contenente il composto disciolto su una superficie che non conduca il calore troppo rapidamente, ad esempio un tovagliolo di carta posto su un banco. Coprire leggermente il matraccio mentre si raffredda per evitare l’evaporazione e per evitare che la polvere cada nella soluzione. Lasciare indisturbato il pallone fino a quando non si raffredda a temperatura ambiente. Una volta formati i cristalli, posizionare la soluzione in un bagno di ghiaccio per assicurarsi che si ottiene la massima quantità di cristalli. Le soluzioni devono essere lasciate indisturbate nel bagno di ghiaccio per 30 minuti a 1 ora, o fino a quando il composto sembra essersi completamente cristallizzato fuori soluzione. Se non è evidente alcuna formazione cristallina, può essere indotta graffiando le pareti interne del pallone con un’asta di vetro o aggiungendo un piccolo cristallo seme dello stesso composto. Se questo non funziona ancora, probabilmente è stato usato troppo solvente. Riscaldare la soluzione, lasciare bollire parte del solvente, quindi raffreddarlo. 4. Isolare e asciugare i cristalli Mettere la fiaschetta fredda contenente i cristalli appena formati su un banco. Coprire leggermente il matraccio per evitare l’evaporazione e per evitare che la polvere cada nella soluzione. Isolare i cristalli mediante filtrazione sotto vuoto, utilizzando un imbuto Büchner o Hirsch (bloccare prima il pallone su un supporto ad anello). Risciacquare i cristalli sull’imbuto Büchner con una piccola quantità di solvente fresco e freddo (lo stesso solvente utilizzato per la ricristallizzazione) per rimuovere eventuali impurità che potrebbero attaccarsi ai cristalli. Per asciugare i cristalli, lasciarli nell’imbuto del filtro e aspirare l’aria attraverso di essi per diversi minuti. I cristalli possono anche essere essiccati all’aria permettendo loro di rimanere scoperti per diverse ore o giorni. I metodi più efficienti includono l’essiccazione sottovuoto o il posizionamento in un essiccatore. Solvente polare Meno solvente polare Acetato di etile Esano Metanolo Diclorometano Acqua Etanolo Toluene Esano Tabella 1. Coppie di solventi comuni.

Ergebnisse

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.

Offenlegungen

  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).

Referenzen

  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).

Transkript

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).