Pārkristalizēšana

Pārkristalizēšanas shēma. Attīrāmajai vielai uzlej šķīdinātāju, uzsilda, kamēr kristāli izšķīst, un atdzesē

Pārkristalizēšana ir vielu attīrīšanas metode, kas pamatojas uz vielu dažādu šķīdību atšķirīgās temperatūrās (visbiežāk vielu šķīdība pieaug, paaugstinoties temperatūrai). Attīrāmo vielu sildot izšķīdina piemērotā šķīdinātājā (parasti lieto ūdeni, 95% etanolu, metanolu, etiķskābi, acetonu, pentānu, heksānu). Kad viela izšķīdusi, šķīdumu atdzesē. Šķīdumam atdziestot, tas kļūst pārsātināts attiecībā pret attīrāmo vielu, un no tā izkrīt tīras vielas kristāli, bet piemaisījumi paliek šķīdumā, jo attiecībā pret tiem šķīdums nav piesātināts. Kristālus pēc dzesēšanas nofiltrē un mazgā ar tīru šķīdinātāju. Šo ērto un salīdzinoši vienkāršo metodi var izmantot atkārtoti, un iegūt ļoti tīras vielas, bet tās trūkums ir liels vielas zudums pārkristalizēšanas laikā — pat līdz pusei vielas var aiziet atkritumos. Vielas var attīrīt ar šo paņēmienu tikai tad, ja tās šķīst kādā šķīdinātājā, turklāt nereaģē ar to.

Lieto arī sarežģītākas pārkristalizēšanas metodes, piemēram, izmantojot vairākus šķīdinātājus vai adsorbējot piemaisījumus karstajā šķīdumā ar aktivēto ogli.

Kristāliskas cietas vielas pareiza attīrīšana

Šajā paņēmienā cietā viela, kam ir piemaisījumi, tiek izšķīdināta šķīdinātājā un pēc tam, šķīdumam atdziestot, tā lēni kristalizējas. Ja savienojums kristalizējas no šķīduma, tad citu savienojumu molekulas, kas ir izšķīdušas šķīdumā, tiek izslēgtas no kristāla augšanas, iegūstot tīru produktu.

Cietas vielas kristalizācija nav tas pats, kas cietas vielas izgulsnēšana. Kristalizācijā notiek lēna, selektīva kristāla augšana, iegūstot tīru produktu. Savukārt izgulsnēšanā parasti cieta viela no šķīduma veidojas ļoti ātri, rodoties sīkkristāliskai vai pat amorfai cietai vielai, kas satur piemaisījumus. Līdz ar to, ja cietu vielu iegūst eksperimentāli izgulsnēšanas ceļā, tad beigās, lai iegūtu tīru vielu, vienmēr ir nepieciešama pārkristalizēšana.

Pārkristalizēšanas stadijas

• Piemērota šķīdinātāja atrašana;
• Pārkristalizējamās vielas izšķīdināšana minimālā karsta šķīdinātāja tilpumā;
• Nešķīstošu piemaisījumu atdalīšana filtrējot;
• Karsta šķīduma lēna atdzesēšana, lai sāktos attīrāmā savienojuma kristalizēšanās no šķīduma;
• Šķīduma nofiltrēšana radušos tīro kristālu izolēšanai.

Šķīdinātāja izvēle

Lai kvalitatīvi pārkristalizētu vielu, svarīgi ir izvēlēties piemērotu šķīdinātāju. Ļoti daudzos gadījumos sintēzes aprakstā ir norādīts šķīdinātājs vielas kristalizācijai. Zināmām vielām šķīdinātājus var atrast rokasgrāmatās vai citā literatūrā.

Tomēr daudzos gadījumos ir nepieciešamas eksperimentāli piemeklēt piemērotu šķīdinātāju, piemēram,:

• ja ir jāoptimizē vielas attīrīšanas apstākļi;
• ja vielas iznākumi ar doto šķīdinātāju ir zemi;
• ja viela pēc kristalizācijas ar doto šķīdinātāju nav pietiekoši tīra;
• ja viela ir jauna un šķīdinātājs nav zināms.

Šajos gadījumos šķīdinātāju piemeklē eksperimentāli, ņemot vērā attīrāmās vielas īpašības. Visieteicamākais šķīdinātājs gan no toksikoloģijas viedokļa, gan no vides viedokļa ir ūdens. Daudzas organiskās vielas šķīst ūdenī. Visās attiecībās ar ūdeni jaucas zemākie spirti, ketoni, karbonskābes, alifātiskie amīni un piridīns — tāda veida vielas pārkristalizēt no ūdens nav iespējams. Ūdenī labi šķīst zemāko organisko skābju sāļi, daudzvērtīgie spirti un fenols, oksiskābes, monosaharīdi, disaharīdi, zemākie aldehīdi, aminoskābes, skābju amīdi. Vairumā gadījumu organisko vielu šķīdība palielinās, temperatūrai paaugstinoties. Ūdeni, kā viegli pieejamu šķīdinātāju, organiskajā sintēzē lieto visur, kur vien tas iespējams, tomēr tā lietošana ir ierobežota. Ūdens vidē var notikt dažādu vielu hidrolīze. Bez tam ūdens šķīdumos organiskās skābes un bāzes ir daļēji jonizētas, bet sintēzēs un kristalizācijā tas ne vienmēr ir vēlams. Ūdenim ir samērā augsta viršanas temperatūra, un vielu izdalīšanas procesā atbrīvošanās no ūdens atlikuma var samazināt vielas kvalitāti. Līdz ar to daudzos gadījumos ūdeni izmantot nevar, tādēļ jāmeklē piemērots organiskais šķīdinātājs. Organisko vielu sintēzē plaši lieto tā saucamos organiskos šķīdinātājus. Svarīgākie organiskie šķīdinātāji ir heksāns, benzols, toluols, dietilēteris, etanols, metanols, acetons, etiķskābe, dihlormetāns, hloroforms, dihloretāns, dimetilformamīds, dimetilsulfoksīds.

Galvenās prasības, kas jāievēro šķīdinātāja izvēlē

• Viela nedrīkst ķīmiski reaģēt ar šķīdinātāju;
• Viela šķīdinātājā labi šķīst paaugstinātā temperatūrā, bet slikti šķīst zemās temperatūrās;
• Šķīdinātājs nav toksisks un tā viršanas temperatūra ir optimāla (DMF, dietilēteris, hloroforms);
• Vēlams, lai šķīdinātāja viršanas temperatūra ir zemāka par vielas kušanas temperatūru.

Dažu organisko vielu šķīdība atkarībā no temperatūras

Viela	20 °C	100 °C
Benzoskābe	2,9 g/L	sāk sublimēties
Vīnskābe	580,2 g/L	770,5 g/L
Acetanilīds	5,4 g/L	50,0 g/L

Kristālu žāvēšana

Kristālu žāvēšanas mērķis ir atbrīvoties no šķīdinātāja atlikuma. Tas ir ļoti svarīgi, jo, veicot analīzes, it īpaši elementanalīzi, šķīdinātāja atlikumi traucē vielas pierādīšanu. Bez tam šķīdinātājā ir arī izšķīduši piemaisījumi. Visvienkāršākais žāvēšanas veids ir kristālu žāvēšana gaisā. Var vielu žāvēt vienkārši Petri trauciņā velkmē. Lai pasargātu kristālus no gaisa mitruma un arī no putekļiem, vielu ievieto eksikatorā. Eksikatorā apakšā var ievietot atbilstošu žāvējošo "aģentu", kas spēj saistīt ūdens un šķīdinātāja atlikumus. Lai žāvēšanas procesu intensificētu, eksikatoram var pieslēgt sūkni un izsūknēt gaisu. Tādējādi viela tiek žāvēta pazeminātā spiedienā jeb vakuumā. Vielu var žāvēt arī paaugstinātā temperatūrā. Ja vielu žāvē parastajā spiedienā, tad to ievieto žāvskapī. Šajā gadījumā, izvēloties temperatūru, ir jāņem vērā tas, ka dažas vielas paaugstinātā temperatūrā sadalās, citas — sublimējas.

Lai atbrīvotos no ūdens un spirta, parasti lieto koncentrētu sērskābi (H2SO₄), fosfora pentoksīdu, izkarsētu CaCl₂, silikagelu vai sārmu. Ja ir jāsavāc benzols, hloroforms, tad eksikatorā var ievietot parafīna gabalus.

Aktivētās ogles izmantošana

Aktivētā ogle

Bieži vien ir grūti atbrīvot cietu vielu no krāsainiem piemaisījumiem. Šie krāsainie piemaisījumi pēc kristalizēšanās bezkrāsainai organiskai cietai vielai var piešķirt krāsainu toni. Tādos gadījumos krāsainā piemaisījuma aizvākšanā izmanto aktivēto ogli. Aktivētā ogle ir ļoti smalki sadalīts ogleklis, kam piemīt liels virsmas laukums, lai varētu absorbēties krāsainie piemaisījumi. Lai no šķīduma aizvāktu krāsainos piemaisījumus, ir nepieciešams ļoti mazs aktivētās ogles daudzums.