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