有機化合物を結晶化する方法

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結晶化は、有機化合物を精製する最も重要な方法の1つです。結晶化により不純物を除去するプロセスには、化合物を適切な熱溶媒に溶解することが含まれます。これにより、溶液が冷却され、精製された化合物で飽和し、ろ過前の溶液で結晶化が起こります、冷たい溶剤で表面をきれいにして残留不純物を除去し、乾燥させます。
換気が良好な化学実験室では、この操作が簡単になります。また、この手順では、粗糖を結晶化して不純物を除去することによる大規模な商業的糖精製など、幅広い用途に対応できることに注意してください。

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適切な溶媒を選択してください。 2つの同様の製品が溶解することを決して忘れないでください。たとえば、砂糖と塩は水に溶けますが、油には溶けません。また、炭化水素などの一部の非極性化合物は、ヘキサンなどの非極性炭化水素溶媒に溶解します。
- 理想的な溶媒には、次の特性が必要です。
  - 溶液が熱い場合は化合物を溶解しますが、冷たい場合は溶解しません。
  - 不純物をまったく溶解しません（不純な化合物が溶解したときにろ過できるようにするため）、または不純物を溶解します（化合物が結晶化した後に溶液中に残っているもののため）。
  - 彼は化合物と反応しません。
  - 可燃性ではありません。
  - 毒性はありません。
  - それほど費用はかかりません。
  - それは非常に揮発性です（結晶を簡単に除去するため）。
- 最適な溶媒を選択するのは難しい場合があります。多くの場合、いくつかの実験の後に1つを選択するか、使用可能な最小の非極性溶媒を使用します。以下の一般的な溶媒のリスト（最も極性の高いものから最も低いものまで）をよく理解してください。隣り合う溶媒は混和性であることに注意してください（つまり、一方を他方に溶解します）。最も頻繁に使用される溶媒は太字です。
  - 水（H₂O） ほとんどの極性有機化合物を溶解する不燃性、非毒性、安価な溶媒です。高沸点（100℃）であるという欠点があり、揮発性が低く、結晶の除去が困難です。
  - 酢酸（CH₃COOH） 酸化反応には有用ですが、アルコールやアミンと反応するため、除去が困難です（沸点は118℃）。
  - ジメチルスルホキシド（DMSO）およびメチルスルホキシド（CH₃SOCH₃) 主に反応の溶媒として使用され、結晶化にはほとんど使用されません。それらは189℃で沸騰し、除去するのは困難です。
  - メタノール（CH₃）OH 他のアルコールよりも大きな極性の化合物を溶解する有用な溶媒です。その沸点は65℃です。
  - レーストーン（CH3COCH3） 優れた溶媒です。その欠点の中でも、低沸点（56℃）であり、沸点と室温での化合物の溶解度にはほとんど差がありません。
  - ブタノン、エチルメチルケトンまたはMEK（CH₃COCH₂CH₃) 沸点が80℃の優れた溶媒です。
  - 酢酸エチル（CH₃COOC₂H₅) 沸点78℃の優れた溶媒です。
  - ジクロロメタン、塩化メチレン（CH₂Cl₂) 石油エーテルと組み合わせると便利ですが、沸点（35℃）が低すぎて結晶化に適した溶媒になりません。ただし、ドライアイスまたはアセトン浴で-78℃まで冷却できます。
  - ジエチルエーテル（CH₃CH₂OCH₂CH₃) 石油エーテルを含む有用な溶媒ですが、その沸点（40℃）は低すぎて良好な結晶化溶媒にはなりません。
  - メチルエーテルトン-ブチル（CH₃OC（CH₃)₃) 沸点が高く（52℃）、ジエチルエーテルの代替品としてはほとんどコストがかかりません。
  - ジオキサン（C₄H₈O₂) 結晶から簡単に除去でき、発ガン性は中程度で、過酸化物を形成し、101℃で沸騰します。
  - トルエン（C₆H₅CH₃) これは、以前に広く使用されていたベンゼンに代わるダリル化合物の結晶化のための優れた溶媒です（穏やかな発癌物質です）。その欠点の中でも、沸点が高い（111℃）ため、結晶の除去が困難になります。
  - ペンタン（C₅H₁₂) 非極性化合物に広く使用されています。多くの場合、別の溶媒と組み合わせて使用されます。沸点が低いため、ドライアイスまたはアセトン浴を使用している場合に便利です。
  - ヘキサン（C₆H₁₄) 非極性化合物に使用され、不活性であり、別の溶媒とともに使用されることが多く、その沸点は69℃です。
  - シクロヘキサン（C₆H₁₂) はヘキサンに似ていますが、コストが低く、沸点が81℃です。
  - 石油エーテルは、ペンタンが主成分である飽和炭化水素の混合物であり、費用がかからず、ペンタンを置き換えることが多く、その沸点は30〜60℃です。
  - リグロインは、ヘキサンの特性を示す飽和炭化水素の混合物です。
    
    適切な溶媒を選択する方法は次のとおりです。
1. 不純な化合物の結晶をテストチューブに入れ、チューブの側面に沿って走らせる溶媒を一滴加えます。
2. 結晶が室温ですぐに溶解する場合は、低温で溶解する化合物が多すぎるため、溶媒を廃棄し、別のものを試してください。
3. 結晶が室温で溶解しない場合は、温かい砂浴で試料を温め、結晶を観察します。溶解しない場合は、追加の溶媒を追加します。それらが溶媒の沸点から溶解し、室温まで冷却したときに再結晶する場合、適切な溶媒が見つかりました。そうでない場合は、別のものを試してください。
4. いくつかのテストを行った後、良い溶媒が見つからない場合は、ペアを使用します。結晶を最適な溶媒（すでに溶解している溶媒）に溶解し、熱溶液に不透明になるまで（溶媒が溶質で飽和するまで）悪い溶媒を追加します。使用する溶媒は両方とも混和性でなければなりません。役に立つ可能性のある溶媒のペアをいくつか示します：水と酢酸、水とエタノール、水とアセトン、水とジオキサン、アセトンとエタノール、エタノールとジエチルエーテル、メタノールとブタノン、メチルアセテートとシクロヘキサン、アセトンとリグロイン、酢酸エチルとリグロイン、ジエチルエーテルとリグロイン、ジクロロメタンとリグロイン、トルエンとリグロイン。
不純な化合物を溶解します。 化合物を試験管に入れます。溶解を改善するために、大きな結晶をピペットで粉砕します。溶媒を一滴ずつ追加します。不溶性の固体不純物を除去するには、より多くの溶媒を使用して溶液を希釈し、室温で不純物をろ過し（ステップ4を参照）、溶媒を蒸発させます。加熱する前に、試験管に木製の棒を入れて試験管が過熱しないようにします。つまり、溶液を沸騰させずに溶媒の沸点以上に加熱します。木材に閉じ込められた空気は、液体を適切に沸騰させる「核」を形成するために出てきます。それ以外の場合は、多孔質磁器チップも使用できます。不純物を除去して溶媒が蒸発したら、ガラスピペットで結晶を攪拌し、化合物が溶けるまで蒸気または砂浴で試験管を加熱しながら、一滴ずつ追加します。できるだけ少ない溶媒で完全に溶解します。
ソリューションを漂白します。 色が付いていないか、黄色の明るい色調しかない場合は、この手順をスキップしてください。溶液が着色している場合（化学反応の高分子副産物の生成の結果）、溶媒と活性炭を追加し、数分間溶液を沸騰させます。着色された不純物は、その微細孔度が高いため、活性炭の表面に吸着されます。次のステップの説明に従って、不純物を吸着した炭をろ過して除去します。
ろ過により固形物を除去します。 重力、デカンテーション、または溶媒除去方法をピペットで使用できます。一般に、プロセス中に高温の溶媒が冷却され、フィルター内の製品が結晶化するため、吸引の方法は避けてください。
- 重力ろ過の場合：これは、活性炭、ほこり、綿毛などを除去するための最良の方法です。スチームバスまたはホットプレートで加熱された3つの三角フラスコを入手します。 1つはろ過する溶液、もう1つはロッドレス漏斗付きの数ミリリットルの溶媒、3つ目はすすぎ用の結晶化溶媒の数ミリリットルです。吸引フィルターを使用していないときに便利な段ボール製のろ紙を、2番目の三角フラスコ上のロッドレス漏斗（飽和溶液が冷却してステムが結晶で詰まるのを防ぐため）に置きます。ろ過する溶液を沸騰させ、タオルでバイアルをキャッチし、溶液をろ紙に注ぎます。 3番目のバイアルの沸騰した溶媒をろ紙上に形成された結晶に加え、紙をすすぎながらろ過した溶液を含む最初のバイアルをすすぎます。ろ過した溶液を沸騰させて、余分な溶媒を除去します。
- デカンテーションにより：これは大きな不純物をろ過するために使用される溶液です。熱い溶媒を単に注ぎ（デカント）、不溶性の固体を残します。
- ピペットの場合：これは、十分に大きな不純物を含む少量の溶液に使用される溶液です。ピペットの四角い端を標本の底に挿入し、標本に不純物を残して吸引により液体を除去します。
興味のある化合物を結晶化します。 このステップは、着色された不溶性の不純物が前のステップですでに除去されたことを意味します。沸騰させるか、軽い空気流を吹き付けて、余分な溶媒を除去します。沸点で溶質の飽和溶液から始めます。室温までゆっくりと冷まします。結晶化が始まります。そうでない場合は、結晶を追加するか、ガラス棒で試料の内側の端を削って空気と液体を接触させてプロセスを開始します。結晶化が始まったら、大きな結晶が形成されるように試料に触れないように注意する必要があります。これにより徐冷が可能になり（大きな結晶の形成に役立ちます）、綿またはペーパータオルで容器を隔離できます。大きな結晶は不純物から分離しやすいです。容器が室温に戻ったら、氷の中で5分間冷却して結晶の量を増やします。
結晶を回収して洗浄します。 これを行うには、ろ過により氷冷溶媒から結晶を分離します。これを行うには、HirschまたはBuchner漏斗を使用するか、ピペットで結晶を取り除きます。
- Hirsch漏斗でのろ過の場合：漏斗を溝のないろ紙とともに適切な密閉フラスコに入れます。溶媒が冷たいままになるように、バイアルを氷に入れます。結晶化溶媒でろ紙を湿らせます。バイアルを掃除機に取り付け、電源を入れ、ろ紙が掃除機によって漏斗の底に吸い込まれていることを確認します。漏斗に結晶を注ぎ、こすり落とし、すべての液体が結晶に吸い込まれたらすぐに真空を停止します。数滴の氷冷した溶媒を使用して結晶化バイアルをすすぎ、真空をオンにして漏斗に注ぎ、液体がなくなったら再びオフにします。結晶を氷冷溶媒で再度洗浄して、残留不純物を除去します。洗浄が終了したら、真空をオンのままにして結晶を乾燥させます。
- ブフナー漏斗でのろ過：ブフナー漏斗の底に溝のないろ紙を置き、溶剤で湿らせます。十分な吸引力を確保するために、ゴムまたは合成アダプターを使用して漏斗をバイアルに取り付けます。漏斗に結晶を注ぎ、こすり落とし、バイアルに液体がなくなるとすぐに真空をオフにし、残っているのは紙の上の結晶だけです。結晶化バイアルを氷冷溶媒で洗浄し、洗浄した結晶に追加し、真空をオンにして、結晶に液体がなくなったら停止します。必要な回数だけ結晶を繰り返し洗浄します。最後に結晶を乾燥させるために、掃除機をオンのままにします。
- ピペットを使用する場合：少量の結晶を洗浄するためにこの溶液を使用します。四角い先端のピペットを試料の底に挿入し、固体結晶が残っている液体を取り除きます。
最終製品を乾燥させます。 2枚のろ紙の間に結晶を置き、ガラス板の上で乾燥させて、結晶の乾燥を完了します。