Comment cristalliser des composés organiques : 11 étapes (avec photos)

2024 Auteur: Jason Gerald | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 11:11

Cristallisation (ou recristallisation) est la méthode la plus importante pour la purification des composés organiques. Le processus d'élimination des impuretés par cristallisation comprend la dissolution du composé dans un solvant chaud approprié, le refroidissement de la solution et sa saturation avec le composé à purifier, la cristallisation de la solution, son isolation par filtration, le lavage de sa surface avec un solvant froid pour éliminer les impuretés résiduelles, et séchage.

Cette procédure est mieux effectuée dans un laboratoire de chimie contrôlée, dans un endroit bien ventilé. Notez que cette procédure a un large éventail d'applications, y compris la purification commerciale à grande échelle du sucre en cristallisant le produit de sucre brut et en laissant les impuretés derrière.

Étape

Étape 1. Choisissez un solvant approprié

Rappelez-vous le terme « comme se dissout comme » ou Similia similibus solvuntur, qui signifie que des substances ayant des structures similaires se dissolvent les unes dans les autres. Par exemple, les sucres et les sels sont solubles dans l'eau, pas dans l'huile - et les composés non polaires tels que les hydrocarbures se dissolvent dans les solvants hydrocarbonés non polaires tels que l'hexane.

• Un solvant idéal a les propriétés suivantes:

  • Composés solubles à chaud, mais ne se dissolvent pas à froid.
  • Ne pas dissoudre du tout les impuretés (afin qu'elles puissent être filtrées lorsqu'un composé impur est dissous) ou dissoudre toutes les impuretés (afin qu'elles restent en solution lorsque le composé souhaité est cristallisé).
  • Ne réagira pas avec les composés.
  • Ne peut pas brûler.
  • Non toxique.
  • Peu coûteux.
  • Très volatil (il peut donc être facilement séparé des cristaux).

• Il est souvent difficile de déterminer le meilleur solvant, qui est souvent obtenu expérimentalement, ou en utilisant le solvant le plus apolaire disponible. Familiarisez-vous avec la liste suivante des solvants les plus courants (du plus polaire au moins polaire). Notez que les solvants proches les uns des autres vont se mélanger (se dissoudre). Les solvants les plus fréquemment utilisés sont en gras.

  • Eau (H₂O) est un solvant ininflammable et non toxique et dissout de nombreux composés organiques polaires. L'inconvénient est son point d'ébullition élevé (100 degrés Celsius), ce qui le rend relativement non volatil et difficile à séparer des cristaux.
  • Acide acétique (CH₃COOH) est une substance utile pour les réactions d'oxydation, mais réagit avec les alcools et les amines, et est donc difficile à séparer (le point d'ébullition est de 118 degrés Celsius).
  • Diméthylsulfoxyde (DMSO), méthylsulfoxyde (CH₃SOCH₃) principalement utilisé comme solvant pour les réactions, rarement pour la cristallisation. Cette substance bout à 189 degrés Celsius et est difficile à séparer.
  • Méthanol (CH₃OH) est un solvant utile pour dissoudre divers composés avec une polarité plus élevée que les autres alcools. Point d'ébullition: 65 degrés Celsius. C.
  • Acétone (CH3COCH3) est un très bon solvant, l'inconvénient est qu'il a un point d'ébullition bas de 56 degrés Celsius, de sorte que la différence de température est faible dans la solubilité du composé au point d'ébullition et à la température ambiante.
  • 2-Butanone, méthyléthylcétone, MEK (CH₃COCH₂CH₃) est un solvant parfait avec un point d'ébullition de 80 degrés Celsius.
  • Acétate d'éthyle (CH₃COOC₂H₅) est un solvant parfait avec un point d'ébullition de 78 degrés Celsius.
  • Dichlorométhane, chlorure de méthylène (CH₂Cl₂) utile comme solvant avec la ligroïne, mais son point d'ébullition de seulement 35 degrés Celsius est trop bas pour faire un bon solvant de cristallisation. Toutefois. son point de congélation est de -78 degrés Celsius. avec de la glace ou du savon à l'acétone,
  • Éther diéthylique (CH₃CH₂LCO₂CH₃) utile comme paire de solvants avec la ligroïne, mais son point d'ébullition de 40 degrés Celsius est trop bas pour faire un bon solvant de cristallisation.
  • Éther de méthyle et de t-butyle (CH₃OC(CH₃)₃) est un solvant peu coûteux, un bon substitut à l'éther diéthylique en raison de son point d'ébullition plus élevé, 52 degrés Celsius.
  • Dioxane (C₄H₈O₂) est une substance qui se sépare facilement des cristaux, est légèrement cancérigène, forme des peroxydes et a un point d'ébullition de 101 degrés Celsius.
  • Toluène (C₆H₅CH₃) est un bon solvant pour la cristallisation des composés aryles et a remplacé les composés benzéniques les plus couramment utilisés auparavant (agents cancérigènes faibles). L'inconvénient est son point d'ébullition élevé, 111 degrés Celsius, ce qui le rend difficile à séparer des cristaux.
  • Pentane (C₅H₁₂) Il est largement utilisé pour les composés non polaires, souvent comme solvant d'appariement avec d'autres solvants. Son point d'ébullition bas signifie que ce solvant est plus utile lorsqu'il est utilisé avec de la glace ou de l'acétone.
  • Hexane (C₆H₁₄) utilisé pour les composés non polaires, inerte, souvent utilisé comme paire de solvants, point d'ébullition 69 degrés Celsius.
  • Cyclohexane (C₆H₁₂) similaire à l'hexane, mais moins cher et a un point d'ébullition de 81 degrés Celsius.
  • L'éther de pétrole est un mélange d'hydrocarbures saturés dont le composant principal est le pentane, est peu coûteux et peut être utilisé de manière interchangeable avec le pentane. Le point d'ébullition est de 30 à 60 degrés Celsius.

  • La ligroïne est un mélange d'hydrocarbures saturés qui a les propriétés de l'hexane.

    Étapes pour choisir un solvant:

1. Mettez une petite quantité de cristaux du composé d'impureté dans un tube à essai et ajoutez une goutte de chaque solvant, afin qu'il puisse s'écouler sur le côté du tube à essai.
2. Si les cristaux dans le tube à essai se dissolvent immédiatement à température ambiante, rejetez le solvant car de grandes quantités du composé resteront solubles à basse température. Essayez un autre solvant.
3. Si les cristaux ne se dissolvent pas à température ambiante, chauffez le tube à essai dans un bain de sable chaud et observez les cristaux. Ajouter une autre goutte de solvant si les cristaux ne se sont pas dissous. Si les cristaux se dissolvent au point d'ébullition du solvant et se cristallisent à nouveau lorsqu'ils sont refroidis à température ambiante, vous avez trouvé le bon solvant. Sinon, essayez un autre solvant.

4. Si, après le processus de test de solvant, aucun solvant unique satisfaisant n'est trouvé, utilisez une paire de solvants. Dissolvez les cristaux dans le meilleur solvant (un solvant qui a fait ses preuves pour dissoudre les cristaux), puis ajoutez le solvant le moins favorable à la solution chaude jusqu'à ce qu'elle devienne trouble (la solution est saturée de soluté). Les paires de solvants doivent être mélangées entre elles. Certaines paires de solvants utiles sont l'acide acétique - eau, éthanol - eau, dioxane - eau, acétone - éthanol, éthanol - éther diéthylique, méthanol - 2-butanone, acétate d'éthyle - cyclohexane, acétone - ligroïne, acétate d'éthyle - ligroïne, éther diéthylique - ligroïne, dichlorométhane - ligroïne, toluène - ligroïne.

   

   Étape 2. Dissoudre le composé d'impureté

   Pour effectuer cette procédure, mettez le composé dans un tube à essai. Écraser les gros cristaux avec un agitateur pour accélérer la dissolution. Ajouter le solvant goutte à goutte. Pour séparer les impuretés solides insolubles, utilisez un excès de solvant pour dissoudre la solution et filtrez les impuretés solides à température ambiante (voir la procédure de filtration à l'étape 4), puis évaporez le solvant. Avant de chauffer, insérez le bois applicateur dans le tube à essai pour éviter la surchauffe (chauffage de la solution au-dessus du point d'ébullition de la solution sans réellement faire bouillir). L'air emprisonné dans le bois en sortira pour former des noyaux afin que la solution puisse bouillir encore plus. Alternativement, utilisez une puce en porcelaine perforée bouillante. Une fois les impuretés solides éliminées et le solvant évaporé, ajouter le solvant goutte à goutte tout en remuant les cristaux avec un agitateur en verre et en chauffant le tube à essai dans de la vapeur ou du sable jusqu'à ce que le composé soit complètement dissous avec un minimum de solvant.

   

   Étape 3. Retirez la couleur de la solution

   Sautez cette étape si la solution est incolore ou légèrement jaune. Si la solution est colorée (en raison de la formation de sous-produits de poids moléculaire élevé dans la réaction chimique), ajoutez un excès de solvant et du charbon actif (charbon) et faites bouillir la solution pendant quelques minutes. Les impuretés colorées seront adsorbées sur la surface du charbon actif en raison de son degré élevé de microporosité. Séparez le charbon qui contient déjà les impuretés adsorbées par filtration, comme cela sera expliqué dans l'étape suivante.

   

   Étape 4. Séparer les solides par filtration

   La filtration peut être effectuée par filtration gravitaire, décantation ou séparation de la solution à l'aide d'une pipette. En général, n'utilisez pas de filtration sous vide car le solvant se refroidira au cours du processus, de sorte que le produit se cristallisera dans le filtre.

   • Filtration gravitaire: c'est la méthode de choix pour séparer le charbon fin, la poussière, les peluches, etc. Prenez trois erlenmeyers chauffés à la vapeur chaude ou sur une plaque chauffante: le premier contient la solution à filtrer, le second contient plusieurs millilitres de solvant et un entonnoir sans pied, tandis que le troisième contient plusieurs millilitres de la solution cristallisante à utiliser pour le lavage. Placer du papier filtre cannelé (utilisé car vous n'utilisez pas d'aspirateur) sur un entonnoir sans tige (pas de tige pour que la solution saturée ne refroidisse pas et ne bouche pas la tige de l'entonnoir avec des cristaux) dans le deuxième erlenmeyer. Porter à ébullition la solution à filtrer, la retirer avec un torchon, puis verser la solution sur le papier filtre. Ajouter le solvant bouillant du troisième erlenmeyer aux cristaux formés sur le papier filtre et pour laver le premier erlenmeyer contenant la solution filtrée, ajouter la rondelle sur le papier filtre. Eliminer l'excès de solvant en faisant bouillir la solution filtrée.
   • Décantation: Cette méthode est utilisée pour les grosses impuretés solides. Versez le solvant chaud, de sorte que les solides insolubles soient laissés pour compte.
   • Séparation des solvants par pipette: Cette méthode est utilisée pour une petite quantité de solution si l'impureté solide est suffisamment grande. Insérez une pipette à embout carré dans le fond du tube à essai (fond circulaire), puis séparez le liquide en l'aspirant avec la pipette. Les impuretés solides seront laissées pour compte.

   

   Étape 5. Cristallisez le composé souhaité

   Cette étape est réalisée en supposant que toutes les impuretés colorées et insolubles ont été séparées par les étapes appropriées décrites ci-dessus. Éliminez tout excès de solvant en le faisant bouillir ou en faisant doucement circuler de l'air. Commencez avec une solution saturée de soluté au point d'ébullition. Laisser refroidir lentement à température ambiante. La cristallisation va commencer. Sinon, démarrez le processus en insérant les germes de cristaux ou commencez dans un tube avec un agitateur en verre à l'interface liquide-air. Une fois que le processus de cristallisation a commencé, ne dérangez pas le récipient pour former de gros cristaux. Pour un refroidissement lent (pour permettre à de plus gros cristaux de se former), vous pouvez isoler le récipient avec du coton ou du papier de soie. Les cristaux plus gros sont plus faciles à séparer des impuretés. Une fois que le récipient est complètement à température ambiante, réfrigérez-le sur de la glace pendant environ cinq minutes pour maximiser le nombre de cristaux.

   

   Étape 6. Prenez et lavez les cristaux

   Pour effectuer cette procédure, séparez les cristaux du solvant glacé par filtration. La filtration peut être réalisée avec un entonnoir Hirsch, un entonnoir Buchner, ou en séparant le solvant à l'aide d'une pipette.

   • Filtration avec un entonnoir Hirsch: Placer un entonnoir Hirsh avec du papier filtre non rincé dans une fiole à vide hermétiquement fermée. Placer le flacon filtre sur de la glace pour garder le solvant au frais. Mouiller le papier filtre avec le solvant de cristallisation. Connectez le ballon à l'aspirateur, allumez l'aspirateur et assurez-vous que le papier filtre est tiré vers le bas par l'aspirateur dans l'entonnoir. Verser et gratter les cristaux dans l'entonnoir, et retirer le vide dès que le liquide est séparé des cristaux. Utiliser quelques gouttes de solvant glacé pour laver le flacon de cristallisation et le verser dans l'entonnoir en réinsérant le vide, et retirer le vide dès que tout le liquide a été séparé des cristaux. Laver les cristaux plusieurs fois avec un solvant glacé pour éliminer les impuretés restantes. Une fois le lavage terminé, laissez l'aspirateur allumé pour sécher les cristaux.
   • Filtration à l'aide d'un entonnoir Buchner: Placez un morceau de papier filtre non rincé au fond de l'entonnoir Buchner et humidifiez-le avec du solvant. Fixez l'entonnoir au flacon du filtre avec un adaptateur en caoutchouc ou en caoutchouc synthétique pour permettre l'aspiration sous vide. Verser et gratter les cristaux dans l'entonnoir, puis retirer le vide dès que le liquide est séparé dans le ballon et que les cristaux restent sur le papier. Rincer le flacon de cristallisation avec un solvant glacé, ajouter aux cristaux lavés, réinstaller le vide et retirer lorsque le liquide s'est séparé des cristaux. Répétez et lavez autant de cristaux que nécessaire. Laissez le vide pour sécher les cristaux à la fin.
   • Laver à l'aide d'une pipette, cette méthode est utilisée pour laver les cristaux en petites quantités. Insérez une pipette avec un embout carré dans le fond d'un tube à essai (fond arrondi) et séparez le liquide de sorte que seul le solide lavé reste.

   

   Étape 7. Séchez le produit lavé

   Le séchage final de petites quantités de produit cristallisé peut être réalisé en pressant les cristaux entre deux morceaux de papier filtre et en les séchant sur un verre de montre.

   Des astuces

   • Si trop peu de solvant est utilisé, la cristallisation peut se produire trop rapidement lorsque la solution est refroidie. Si la cristallisation est trop rapide, les impuretés peuvent être piégées dans le cristal, de sorte que le but de purification par cristallisation n'est pas atteint. D'un autre côté, si trop de solvant est utilisé, la cristallisation peut ne pas se produire du tout. Il est préférable d'ajouter un peu plus de solvant une fois qu'il est saturé au point d'ébullition. Trouver le bon équilibre demande de la pratique.
   • Lorsque vous essayez de trouver le solvant idéal à travers plusieurs expériences, commencez par les solvants à point d'ébullition inférieur et les plus volatils, car ils sont plus faciles à séparer.
   • L'étape la plus importante est peut-être d'attendre que la solution chaude refroidisse lentement et permette la formation de cristaux. Il est très important d'être patient et de ne pas toucher à la solution en cours de refroidissement.
   • Si trop de solvant est ajouté de sorte que très peu de cristaux se forment, évaporez une partie du solvant en chauffant et en répétant le refroidissement.