CRISTALLIZZAZIONE Laboratorio di Chimica Organica 2 - Prof. Cristina Cimarelli L27 - CHIMICA - AA 2014-2015

natura dell’impurezza uso della sostanza CONCETTO RELATIVO CONCETTO ASSOLUTO PUREZZA misurabile natura dell’impurezza la purezza al 100% non esiste IMPUREZZE < LIMITE DI SENSIBILITA’ DEI SISTEMI ANALITICI PURA sostanza che sottoposta a ripetuti trattamenti di purificazione presenta inalterate tutte le grandezze fisiche caratteristiche

ANALISI DI UN COMPOSTO ORGANICO isolamento della sostanza da una miscela purificazione del composto isolato determinazione delle costanti fisiche ANALISI DI UN COMPOSTO ORGANICO analisi dei dati spettroscopici confronto con la letteratura preparazione di derivati

CRISTALLIZZAZIONE alterazione della sostanza accidentali dovute a naturali – sostanze estratte da matrici vegetali o animali 10% < IMPUREZZE < 20% reazioni secondarie decomposizione dei reagenti sopra al 20% le impurezze devono essere rimosse ricorrendo prima ad altre tecniche di purificazione cromatografia estrazione distillazione in corrente di vapore

CRISTALLIZZAZIONE dissoluzione a caldo saturazione raffreddamento sovrassaturazione solvente precipitante cristallizzazione concentrazione al rotavapor lenta cristalli grandi e puliti veloce cristalli piccoli e sporchi

+ IMPUREZZE INSOLUBILI SOSTANZA + IMPUREZZE SOLUBILI + IMPUREZZE INSOLUBILI FILTRATO IMPUREZZE INSOLUBILI dissoluzione nel solvente al p.eb. filtrazione a caldo cristallizzazione per raffreddamento filtrazione dei cristalli CRISTALLI DELLA SOSTANZA FILTRATO (acque madri) controllo del grado di purezza (p.f. = K) EVENTUALE RICRISTALLIZZAZIONE essiccamento

non deve reagire con il soluto 1 : 5 - 1 : 10 deve solubilizzare il soluto molto a caldo e poco a freddo deve solubilizzare le impurezze sia a caldo che a freddo SOLVENTE deve dare cristalli ben formati deve essere bassobollente p. eb. solvente < p. f. soluto deve essere economico

ALCUNI SOLVENTI COMUNEMENTE USATI Idrocarburi (p.eb. °C) pentano 36 etere di petrolio 37-63 esano 68 eptano 98 cicloesano 80 toluene 110 ottano 125 xileni 140 Alcoli (p.eb. °C) metanolo 65 etanolo 78 Esteri (p.eb. °C) acetato di etile 78 Acidi carbossilici (p.eb. °C) acido acetico 118 Chetoni (p.eb. °C) acetone 56 etilmetilchetone 80 Alogenoderivati (p.eb. °C) diclorometano 41 cloroformio 61 tetracloruro di carbonio 77 Eteri (p.eb. °C) etere etilico 35 tetraidrofurano 66 1,4-diossano 101 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 scelta del solvente dissoluzione nella minima quantità del solvente al p.eb. filtrazione a caldo per allontanare eventuali solidi sospesi raffreddamento del filtrato e cristallizzazione del soluto 7 stadi filtrazione dei cristalli essiccamento dei cristalli controllo del grado di purezza (p.f.)

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 IMPUREZZE 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

CRISTALLIZZAZIONE ESEMPIO Si devono purificare 50 g di una sostanza A impura all’8% del composto X. 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. 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. 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.

Cristallizzazione frazionata Tecnica utile a separare sostanze con solubilità molto diversa nello stesso solvente. Differisce dalla cristallizzazione perché le sostanze vengono sottoposte a cicli ripetuti di cristallizzazione Generalmente è stata sostituita dalla cromatografia, ma è ancora la tecnica principale per la separazione di sali diastereomerici ottenuti dalla risoluzione di miscele racemiche.

Cristallizzazione frazionata MISCELA DI COMPOSTI A (meno solubile)+ B (più solubile) X di A AM (B) evaporazione e cristallizzazione X di A AM di B X di A AM (B) X di A AM (B) MIX X di A AM (B) evaporazione e cristallizzazione evaporazione e cristallizzazione X di A AM (B) A B componente meno solubile componente più solubile

DETERMINAZIONE DELLA PUREZZA rapporti ANALISI ELEMENTARE componenti combustione precisione 0.3% C, H differenza al 100% O

DETERMINAZIONE DELLA PUREZZA PUNTO DI FUSIONE perché la sostanza impura ha un p.f. minore della sostanza pura? 100 80 60 40 20 % 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 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 SIMMETRIA MOLECOLARE molecole simmetriche fondono a temperature maggiori GRANDEZZA DELLA MOLECOLA molecole più grandi fondono a temperature maggiori POLIMORFISMO un composto che cristallizza in più di una forma cristallina ha un punto di fusione per ciascuna di esse

RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE R + S 0 < grado di purezza < 99.99% racemato composto enantiomericamente puro forme enantiomericamente arricchite RISOLUZIONE cristallizzazione diretta derivati diastereomerici

RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE CONGLOMERATO RACEMICO (10%) ++++ ---- COMPOSTO RACEMICO (85%) RACEMATO PSEUDORACEMATO (5%) +-+- -+-+ +++- -+-- +-++

RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE CONGLOMERATO RACEMICO ++++ ---- Le interazioni tra omomeri sono maggiori di quelle tra enantiomeri . 100 % + ee 0 100% - T + - eutettico (+,+/-,-) > (+,-/-,+) L’aggiunta di un enantiomero puro al racemato provoca l’aumento del punto di fusione della miscela. CRISTALLIZZAZIONE DIRETTA + SEPARAZIONE MECCANICA Pasteur CRISTALLI CHIRALI ac. tartarico CRISTALLIZZAZIONE PREFERENZIALE si aggiunge un cristallo di un enantiomero puro alla soluzione sovrassatura del racemato: precipita quell’enantiomero

RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE COMPOSTO RACEMICO +-+-+ -+-+- 100 % ee 0 100% T + - A B racemato 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. Si può ottenere un singolo enantiomero solo da miscele arricchite con ee > della composizione dell’eutettico Tra + e A e tra - e B precipitano rispettivamente + e - puri. Nell’intervallo A-B cristallizza il racemato. CRISTALLI ACHIRALI ORDINATI Non è possibile prevedere se l’arricchimento si verificherà nella soluzione o nel precipitato

RISOLUZIONE DI RACEMATI PER CRISTALLIZZAZIONE PSEUDORACEMATO +++- -+-- +-++ 100 % ee 0 100% T + - 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. CRISTALLI ACHIRALI CASUALI Il comportamento è quasi ideale. Non è possibile separarli per cristallizzazione

RISOLUZIONE DI RACEMATI PER FORMAZIONE DI COMPOSTI DIASTEREOMERI RR SR R + + FORMAZIONE DI SALI IONICI (COMPOSTI ACIDI O BASICI) FORZE CHE INDUCONO LA CRISTALLIZZAZIONE INTERAZIONI SUPRAMOLECOLARI (COMPOSTI DI INCLUSIONE) COMPLESSI A TRASFERIMENTO DI CARICA

RISOLUZIONE DI RACEMATI PER FORMAZIONE DI COMPOSTI DIASTEREOMERI DISPONIBILE A BASSO COSTO IN ELEVATA PUREZZA ENANTIOMERICA AGENTE RISOLVENTE DISPONIBILE IN ENTRAMBE LE FORME ENANTIOMERE FACILMENTE RICICLABILE 1-feniletilammina brucina efedrina stricnina chinina acido tartarico acido mandelico acido malico