CRISTALLIZZAZIONE Laboratorio di Chimica Organica 2 - Prof. Cristina Cimarelli L27 - CHIMICA - AA...
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CRISTALLIZZAZIONE
Laboratorio di Chimica Organica 2 - Prof. Cristina Cimarelli
L27 - CHIMICA - AA 2014-2015
PUREZZACONCETTO
RELATIVO
uso
della sostanza
natura
dell’impurezza
misurabileCONCETTO
ASSOLUTO
PURA
sostanza che sottoposta a ripetuti trattamenti di
purificazione presenta inalterate tutte le grandezze
fisiche caratteristiche
la purezza al 100% non esiste
IMPUREZZE
<
LIMITE DI SENSIBILITA’
DEI SISTEMI ANALITICI
isolamento
della sostanza
da una miscela
determinazione
delle costanti fisiche
confronto con
la letteratura
preparazione
di derivati
analisi dei dati
spettroscopici
purificazione del
composto isolato
ANALISI DI UN COMPOSTO ORGANICO
CRISTALLIZZAZIONE
10% < IMPUREZZE < 20%
alterazione della sostanza
accidentali
naturali – sostanze estratte
da matrici vegetali o animali
decomposizione
dei reagenti
reazioni secondarie
sopra al 20% le impurezze devono
essere rimosse ricorrendo prima
ad altre tecniche di purificazione
•cromatografia
•estrazione
•distillazione in corrente di vapore
dovute a
CRISTALLIZZAZIONE
dissoluzione a caldo
saturazione
raffreddamento
sovrassaturazione
cristallizzazione
solvente precipitante
concentrazione al rotavapor
lenta cristalli grandi e puliti
veloce cristalli piccoli e sporchi
SOSTANZA+ IMPUREZZE SOLUBILI
+ IMPUREZZE INSOLUBILI
•essiccamento
•dissoluzione nel solvente al p.eb.
•filtrazione a caldo
•cristallizzazione per raffreddamento
•filtrazione dei cristalli
FILTRATO IMPUREZZE INSOLUBILI
CRISTALLI DELLA SOSTANZAFILTRATO
(acque madri)
controllo del grado di purezza (p.f. = K)
EVENTUALE RICRISTALLIZZAZIONE
SOLVENTE
deve solubilizzare il soluto
molto a caldo e poco a freddo
deve solubilizzare le impurezze
sia a caldo che a freddo
deve dare cristalli ben formati
non deve reagire con il soluto
R COCl + EtOH R COOEt + HCl
S
T1 : 5 - 1 : 10
deve essere bassobollente
p. eb. solvente < p. f. soluto
deve essere economico
ALCUNI SOLVENTI COMUNEMENTE USATI
Idrocarburi (p.eb. °C)
pentano 36etere di petrolio 37-63
esano 68eptano 98
cicloesano 80toluene 110ottano 125xileni 140
Eteri (p.eb. °C)
etere etilico 35tetraidrofurano 661,4-diossano 101
Chetoni (p.eb. °C)
acetone 56etilmetilchetone 80
Alogenoderivati (p.eb. °C)
diclorometano 41cloroformio 61
tetracloruro di carbonio 77
Alcoli (p.eb. °C)
metanolo 65etanolo 78
Esteri (p.eb. °C)
acetato di etile 78
Acidi carbossilici
(p.eb. °C)
acido acetico 118
acqua 100
Alcune coppie di solventi comunemente usate
meno polare - più polare
esano - etere etilico
esano - acetato di etile
esano - cloroformio
esano - acetone
cicloesano - butanolo
etere etilico - metanolo/etanolo
acqua - metanolo/etanolo
acido acetico - acqua
CRISTALLIZZAZIONE
7 stadi
scelta del solvente
essiccamento dei cristalli
controllo del grado di purezza (p.f.)
dissoluzione nella minima quantità del solvente al p.eb.
filtrazione a caldo per allontanare eventuali solidi sospesi
raffreddamento del filtrato e cristallizzazione del soluto
filtrazione dei cristalli
CRISTALLIZZAZIONE
•devono essere in quantità molto inferiore al soluto
oppure con solubilità molto differente
•le impurezze completamente insolubili nel solvente di
cristallizzazione vengono eliminate per filtrazione
•le impurezze completamente solubili nel solvente di
cristallizzazione restano in soluzione nelle acque madri
•le impurezze con solubilità simile al composto sono in
concentrazione molto inferiore alla saturazione e quindi
non precipitano
IMPUREZZE
CRISTALLIZZAZIONE
•Si devono purificare 50 g di una sostanza A impura all’8% del composto X.
•Cristallizzando con 100 mL del solvente S si otterranno 41 g di cristalli di A,
mentre i 4 g di X sono ancora entro il limite di solubilità di X in S e non
precipitano.
•Se la percentuale di X aumenta p.es. al 12%, nei 50 g di A saranno contenuti
invece 6 g di X.
ESEMPIO
•Cristallizzando con 100 mL del solvente S questa volta si otterranno nel solido
39 g di cristalli di A e 1 g di X. Questo rende necessario un seconda
cristallizzazione per ottenere A puro.
•Entrambe le sostanze hanno solubilità di 5 g/100 mL nel solvente S.
•La sostanza A contiene di 4 g dell’impurezza X, quindi avremo 46 g di A e 4 g
di X.
Cristallizzazione frazionata
•Tecnica utile a separare sostanze con solubilità molto diversa nello stesso
solvente.
•Generalmente è stata sostituita dalla cromatografia, ma è ancora la tecnica
principale per la separazione di sali diastereomerici ottenuti dalla risoluzione di
miscele racemiche.
•Differisce dalla cristallizzazione perché le sostanze vengono sottoposte a cicli
ripetuti di cristallizzazione
Cristallizzazione frazionata
MISCELA DI COMPOSTIA (meno solubile)+ B (più solubile)
X di A AM (B)
MIX
X di A AM di B X di A AM (B)
X di A AM (B) X di A AM (B)X di A AM (B)
componente meno solubile
componente più solubile
A B
evaporazione e
cristallizzazione
evaporazione e
cristallizzazione evaporazione e
cristallizzazione
DETERMINAZIONE DELLA PUREZZA
ANALISI ELEMENTARE
rapporti
componenti
combustione
differenza al 100%
C, H
O
precisione 0.3%
DETERMINAZIONE DELLA PUREZZA
PUNTO DI FUSIONEperché la sostanza impura ha un p.f. minore della sostanza pura?
100
100
80
80
60 40 20 0
6040200
% A
% B
p.f. A
p.f. B
liquido + solido A
liquido + solido B
solido A + solido B
miscela A + B liquidi
T
F
E
D
C
e
f
g
d
e
•abbassamento del punto di fusione
•ampliamento dell’intervallo di fusione
RELAZIONI TRA PUNTO DI FUSIONE E STRUTTURA
FORZE INTERMOLECOLARI
•attrazione ionica
•legame idrogeno
•interazioni dipolo-dipolo
•forze di Van der Waals
NH2
NO2
NH2
NO2
NH2
NO2
111-114°Cp.f. = 70-73°C 146-149°C
SIMMETRIA MOLECOLARE
molecole simmetriche fondono a temperature maggiori
GRANDEZZA DELLA MOLECOLA
molecole più grandi fondono a temperature maggiori
POLIMORFISMOun composto che cristallizza in più di una forma cristallina ha un punto di fusione per ciascuna di esse
RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE
0 < grado di purezza < 99.99%
RISOLUZIONEcristallizzazione diretta
derivati diastereomerici
forme enantiomericamente
arricchite
R + S
racematocomposto
enantiomericamente puro
RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE
RACEMATO
++++++++++++
------------
+-+--+-++-+-
+++--+--+-++
CONGLOMERATO RACEMICO (10%)
COMPOSTO RACEMICO (85%)
PSEUDORACEMATO (5%)
RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE
CRISTALLI CHIRALI
ac. tartarico
•CRISTALLIZZAZIONE DIRETTA + SEPARAZIONE MECCANICAPasteur
•CRISTALLIZZAZIONE PREFERENZIALEsi aggiunge un cristallo di un enantiomero puro alla soluzione sovrassatura del racemato: precipita quell’enantiomero
CONGLOMERATO RACEMICO++++++++++++
------------
•Le interazioni tra omomeri sono
maggiori di quelle tra enantiomeri .
•L’aggiunta di un enantiomero puro al racemato provoca l’aumento del punto di fusione della miscela.
(+,+/-,-) > (+,-/-,+)
100 % +
ee 0
100% -
T
+-
eutettico
RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE
CRISTALLI ACHIRALI ORDINATI
•Si può ottenere un singolo enantiomero solo da miscele arricchite con ee > della composizione dell’eutettico
COMPOSTO RACEMICO+-+-+-+-+-+-+-+
•Le interazioni tra enantiomeri sono maggiori di quelle tra omomeri.
•L’aggiunta di un enantiomero puro al racemato può provocare sia l’aumento che la diminuzione del punto di fusione della miscela.
(+,-/-,+) > (+,+/-,-)
•Tra + e A e tra - e B precipitano rispettivamente + e - puri.
•Nell’intervallo A-B cristallizza il racemato.
•Non è possibile prevedere se l’arricchimento si verificherà nella soluzione o nel precipitato
100 %
ee 0
100%
T
+ -
100 %
ee 0
100%
T
+ -
A B
+ -racemato
RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE
CRISTALLI ACHIRALI CASUALI
PSEUDORACEMATO+++--+--+-++
•Le interazioni tra enantiomeri sono simili a quelle tra omomeri.
•L’aggiunta di un enantiomero puro al racemato non provoca variazioni del punto di fusione della miscela.
(+,-/-,+) ~ (+,+/-,-)
•Il comportamento è quasi ideale.
•Non è possibile separarli per cristallizzazione
100 %
ee 0
100%
T
+ -
100 %
ee 0
100%
T
+ -
RISOLUZIONE DI RACEMATI PER FORMAZIONE DI COMPOSTI DIASTEREOMERI
R S RR SR
R++
FORMAZIONE DI SALI IONICI (COMPOSTI ACIDI O BASICI)
INTERAZIONI SUPRAMOLECOLARI (COMPOSTI DI INCLUSIONE)
COMPLESSI A TRASFERIMENTO DI CARICA
FORZE CHE INDUCONO LA CRISTALLIZZAZIONE
RISOLUZIONE DI RACEMATI PER FORMAZIONE DI COMPOSTI DIASTEREOMERI
DISPONIBILE A BASSO COSTO IN ELEVATA PUREZZA ENANTIOMERICA
DISPONIBILE IN ENTRAMBE LE FORME ENANTIOMERE
FACILMENTE RICICLABILE
AGENTE RISOLVENTE
efedrina1-feniletilammina
acido mandelico
chininastricnina
acido tartarico
brucina
acido malico