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

Purificação de Compostos por Recristalização

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Descripción

Fonte: Laboratório do Dr. Jimmy Franco – Merrimack College

A recristalização é uma técnica usada para purificar compostos sólidos. 1 Os sólidos tendem a ser mais solúveis em líquidos quentes do que em líquidos frios. Durante a recristalização, um composto sólido impuro é dissolvido em um líquido quente até que a solução esteja saturada, e então o líquido é permitido esfriar. 2 O composto deve então formar cristais relativamente puros. Idealmente, quaisquer impurezas presentes permanecerão na solução e não serão incorporadas aos cristais em crescimento (Figura 1). Os cristais podem então ser removidos da solução por filtragem. Nem todo o composto é recuperável — alguns permanecerão na solução e serão perdidos.

A recristalização não é geralmente considerada como uma técnica de separação; em vez disso, é uma técnica de purificação na qual uma pequena quantidade de uma impureza é removida de um composto. No entanto, se as propriedades de solubilidade de dois compostos forem suficientemente diferentes, a recristalização pode ser usada para separá-los, mesmo que estejam presentes em quantidades quase iguais. A recristalização funciona melhor quando a maioria das impurezas já foram removidas por outro método, como extração ou cromatografia de coluna.

Figure 1
Figura 1. O esquema geral de recriminarização.

Principios

Uma recristalização bem sucedida depende da escolha adequada do solvente. O composto deve ser solúvel no solvente quente e insolúvel no mesmo solvente quando está frio. Para fins de recristalização, considere 3% c/v a linha divisória entre solúvel e insolúvel: se 3 g de um composto dissolve em 100 mL de um solvente, é considerado solúvel. Na escolha de um solvente, maior a diferença entre solubilidade quente e solubilidade fria, mais produto recuperável da recristalização.

A taxa de resfriamento determina o tamanho e a qualidade dos cristais: o resfriamento rápido favorece pequenos cristais, e o resfriamento lento favorece o crescimento de cristais grandes e geralmente mais puros. A taxa de recristalização é geralmente maior em cerca de 50 °C abaixo do ponto de fusão da substância; a formação máxima de cristais ocorre a cerca de 100 °C abaixo do ponto de fusão.

Embora os termos “cristalização” e “recrisstallização” às vezes sejam usados de forma intercambiável, eles tecnicamente se referem a diferentes processos. Cristalização refere-se à formação de um novo produto insolúvel por uma reação química; este produto então precipita-se fora da solução de reação como um sólido amorfo contendo muitas impurezas presas. A recristalização não envolve uma reação química; o produto bruto é simplesmente dissolvido em solução, e então as condições são alteradas para permitir que os cristais se re formem. A recristalização produz um produto final mais puro. Por essa razão, procedimentos experimentais que produzem um produto sólido por cristalização normalmente incluem uma etapa final de recristalização para dar o composto puro.

Procedimiento

Realize todas as etapas em um capô de fumaça para evitar a exposição a vapores solventes. 1. Selecionando um Solvente Coloque 50 mg da amostra (N-bromosuccinimida) em um frasco de Erlenmeyer. Adicione 0,5 mL de solvente fervente (água). Se a amostra se dissolver completamente, a solubilidade no solvente frio é muito alta para ser um bom solvente de recristalização. Se a amostra não se dissolver no solvente frio, aqueça o tubo de ensaio até que o solvente ferva. Se a amostra não tiver se dissolvido completamente neste momento, adicione mais solvente fervente em termos de gota, até que todo o sólido se dissolva. Se for preciso mais de 3 mL para dissolver a amostra no solvente quente, a solubilidade neste solvente é provavelmente muito baixa para torná-lo um bom solvente de recristalização. Se a primeira escolha de solvente não for um bom solvente de recristalização, tente outros. Se um único solvente que funciona não puder ser encontrado, tente um sistema de dois solventes. Se você não encontrar um sistema de solvente único adequado, então um par de solventes pode ser necessário. Ao identificar um par de solventes, existem várias considerações-chave 1) O primeiro solvente deve prontamente dissolver o sólido. 2) O segundo solvente deve ser miscível com o solvente1º, mas ter uma solubilidade muito menor para o soluto. Como regra geral , “gosta de dissolver likes” significando que compostos polares tendem a ser solúveis em solventes polares e compostos não polares são frequentemente compostos não polares solúveis. Pares de solventes comuns(Tabela 1) Certifique-se de que o solvente tenha um ponto de ebulição de pelo menos 40 °C, para que haja uma diferença razoável de temperatura entre solvente fervente e solvente de temperatura ambiente. Certifique-se de que o solvente tenha um ponto de ebulição abaixo de 120 °C, por isso é mais fácil remover os últimos traços de solvente dos cristais. Certifique-se também de que o ponto de ebulição do solvente seja menor do que o ponto de fusão do composto, de modo que o composto se forme como cristais sólidos em vez de como um óleo insolúvel. Confirme que as impurezas são insolúveis no solvente quente (para que possam ser filtradas a quente, uma vez que o composto é dissolvido) ou solúveis no solvente frio (para que permaneçam dissolvidos durante todo o processo). 2. Dissolvendo a amostra em solvente quente Coloque o composto para ser recristalizado em um frasco de Erlenmeyer. Esta é uma escolha melhor do que um béquer, uma vez que os lados inclinados ajudam a prender vapores solventes e retardar a taxa de evaporação. Coloque o solvente (água) em um frasco erlenmeyer separado, e adicione lascas ferventes ou uma barra de mexida para mantê-lo fervendo suavemente. Aqueça-o para ferver em uma placa quente. Adicione solvente quente a um frasco à temperatura ambiente contendo o composto em pequenas porções, girando após cada adição, até que o composto seja completamente dissolvido. Durante o processo de dissolução, mantenha a solução quente o tempo todo, descansando-a na placa quente, também. Não adicione mais solvente quente do que o necessário – apenas o suficiente para dissolver a amostra. Se uma parte do sólido não parece se dissolver, mesmo depois de mais solvente quente ter sido adicionado, é provável que seja devido à presença de impurezas muito insolúveis. Se isso acontecer, pare de adicionar solvente e faça uma filtragem quente antes de prosseguir. Para realizar uma filtragem quente, dobre um pedaço de papel filtro em uma forma de cone fluted e coloque-o em um funil sem haste de vidro. Adicione um excesso de 10-20% de solvente quente à solução quente para permitir a evaporação no procedimento. Despeje a solução através do papel. Se os cristais começarem a se formar a qualquer momento durante o processo, adicione uma pequena porção de solvente quente para dissolvê-los. 3. Resfriamento da solução Coloque o frasco contendo o composto dissolvido em uma superfície que não conduza o calor muito rapidamente, como um conjunto de papel toalha em um banco. Cubra levemente o frasco enquanto esfria para evitar a evaporação e para evitar que a poeira caia na solução. Deixe o frasco intacto até esfriar à temperatura ambiente. Uma vez formados os cristais, coloque a solução em um banho de gelo para garantir que a quantidade máxima de cristais seja obtida. As soluções devem ser deixadas intactas no banho de gelo por 30 minutos a 1 h, ou até que o composto pareça ter cristalizado completamente fora de solução. Se nenhuma formação de cristal for evidente, ela pode ser induzida arranhando as paredes internas do frasco com uma haste de vidro ou adicionando um pequeno cristal de sementes do mesmo composto. Se isso ainda não funcionar, então muito solvente foi provavelmente usado. Reaqueça a solução, deixe alguns solventes ferverem e depois esfrie-a. 4. Isolar e Secar os Cristais Coloque o frasco frio contendo os cristais recém-formados em um banco. Cubra levemente o frasco para evitar a evaporação e para evitar que a poeira caia na solução. Isole os cristais por filtragem de vácuo, usando um funil Büchner ou Hirsch (aperte o frasco em um suporte de anel primeiro). Enxágüe os cristais no funil Büchner com uma pequena quantidade de solvente fresco e frio (o mesmo solvente usado para a recristalização) para remover quaisquer impurezas que possam estar grudando nos cristais. Para secar os cristais, deixe-os no funil do filtro e desenhe ar através deles por vários minutos. Os cristais também podem ser secos ao ar, permitindo que eles fiquem descobertos por várias horas ou dias. Métodos mais eficientes incluem secagem a vácuo ou colocação em um desiccador. Solvente Polar Menos Solvente Polar Acetato de etila Hexano Metanol Cloreto de metileno Água Etanol Tolueno Hexano Mesa 1. Pares de solventes comuns.

Resultados

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.

Divulgaciones

  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).

Referencias

  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).

Transcripción

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).