НЕКОТОРЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЕРАЦИИ

ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Большинство органических соединений имеет т.н. положительный ход растворимости – т.е. их растворимость при нагревании увеличивается. Это свойство является основой одного из методов очистки, называемого перекристаллизацией.
Перекристаллизация представляет собой растворение неочищенного вещества в горячем растворителе, отделение горячего раствора от нерастворимого остатка и последующее охлаждение раствора, в результате чего в осадок выпадает более чистое вещество. В оставшемся после кристаллизации растворе, называемом маточным, зачастую остается много вещества, что снижает общий выход. Поэтому маточные растворы после перекристаллизации концентрируют и стараются выделить из них остатки продукта.

ВЫБОР РАСТВОРИТЕЛЯ

Правильный выбор растворителя для перекристаллизации имеет принципиальное значение. В процессе выбора необходимо учитывать химические свойства как очищаемого вещества, так и имеющихся в исходном препарате примесей. Желательно, чтобы подвергаемое очистке соединение имело большой ход растворимости (разницу в растворимости при разных температурах); примеси же должны либо хорошо растворяться на холоду, либо плохо – при нагревании (по сравнению с очищаемым веществом). Очевидно, что растворитель должен быть химически инертным; желательно – иметь низкую вязкость для быстрого образования хорошо оформленных кристаллов; легко удаляться с поверхности кристаллов при промывке. При выборе растворителя не стоит забывать старое правило – «подобное растворяется в подобном».

С окончательным удачным выбором растворителя можно определиться только опытным путем, проводя серию экспериментов с небольшими количествами. В этих опытах следует использовать как небольшие количества заведомо чистого целевого соединения, так и препарата – объекта очистки. В органической химии в качестве растворителей для проведения перекристаллизации применяют самые разнообразные соединения (воду, спирты, ацетон, простые эфиры, уксусную кислоту, хлороформ. хлористый метилен, бензол и толуол, насыщенные углеводороды – гексан, гептан, петролейный эфир.). Использовать для перекристаллизации легко летучие растворители (например, эфир) можно, но при этом приходится в процессе растворения использовать обратный холодильник; кроме того, кристаллизацию продукта лучше проводить при низкой температуре (в морозильной камере). Для кристаллизации легко растворимых веществ в химической практике используют специальные морозильные камеры, поддерживающие отрицательную температуру.

Если индивидуальный растворитель для перекристаллизации подобрать не удается, применяют двух-, а иногда и трехкомпонентные смеси. Один из практических приемов использования двухкомпонентной смеси заключается в следующем: вещество растворяют в нагретом «хорошем» растворителе, и к полученному раствору по каплям добавляют горячий второй растворитель, плохо растворяющий это соединение, до возникновения устойчивого помутнения. Полученную смесь нагревают до получения прозрачного раствора и оставляют кристаллизоваться. Модификация этого приема – использование низкокипящего «хорошего» растворителя и высококипящего «плохого»: например, вещество растворяют в хлористом метилене, затем прибавляют толуол. Полученную смесь нагревают до температуры выше точки кипения хлористого метилена, отгоняют часть растворителя – в результате смесь обогащается толуолом, и достигается более полное осаждение продукта. Ранее для выделения и перекристаллизации органических соединений широко использовался бензол и содержащие его смеси. Основная причина – низкая стоимость бензола и удобная температура кипения. Однако по целому ряду причин этот растворитель является неудобным: во-первых, он весьма токсичен и проявляет канцерогенные свойства; во-вторых, бензол имеет высокую температуру плавления – +5,5°C – и в холодильник колбу с кристаллизующимся из бензола веществом поставить нельзя. По этим причинам для перекристаллизации намного удобнее толуол или ксилолы.

ФИЛЬТРОВАНИЕ

Образовавшиеся кристаллы отделяют от маточного раствора фильтрованием под уменьшенным давлением на воронке Бюхнера или на воронке Шотта (рис.6, 7). Прибор для фильтрования больших количеств вещества (рис. 7) состоит из толстостенной колбы с отводом (колбы Бунзена) и изготовленной из фарфора воронки с плоским дырчатым дном (воронки Бюхнера). В воронку вкладывается кружок фильтровальной бумаги подходящего диаметра. В современной практике, а также при работе с малыми количествами вещества вместо воронок Бюхнера применяются воронки Шотта, в качестве приемника при этом удобно использовать пробирки с отводом («пальцы» для фильтрования, рис. 6).

Фильтрование под вакуумом относится к потенциально опасным операциям. Следует надевать защитные очки и обматывать колбу Бунзена полотенцем или защищать экраном из сетки, предотвращающим в случае взрыва разлетание осколков. Горячие растворы следует фильтровать с осторожностью, создавая минимальный градиент давления.

Фильтрование проводят следующим образом: сначала смачивают фильтр тем же растворителем. После того, как он практически полностью пройдет через воронку, на нее аккуратно переносят фильтруемое вещество и подсоединяют шланг вакуумного насоса. Если вещество не поместилось полностью, первую порцию фильтруют, снимают вакуум, добавляют следующую порцию и снова присоединяют шланг.

Для снятия вакуума ни в коем случае не закрывать кран водоструйного насоса – это приведет к забрасыванию воды в фильтрат! Необходимо вначале открыть кран на предохранительной склянке или отсоединять шланг!

После отсасывания всей порции фильтруемого вещества вакуум снимают, добавляют небольшое количество растворителя, перемешивают кристаллы стеклянной палочкой, снова подсоединяют шланг от насоса и повторяют фильтрование. Обычно бывает достаточно двукратной промывки кристаллов холодным растворителем. В некоторых случаях можно после этого промыть продукт растворителем с заведомо низкой растворяющей способностью (однако таким, с которым бы смешивался растворитель, в котором проводилась кристаллизация). После отсасывания и промывки осадок отжимают на воронке и затем сушат.

ЭКСТРАКЦИЯ

Для отделения веществ от нерастворимых примесей, разделения органических и неорганических соединений, а также смесей органических веществ различной природы широко
применяют экстракцию. Объектом экстракции может быть как смесь твердых веществ, так и жидкость.