viii lezione tecniche purificazione cristall. distill.

Tecniche di separazione e purificazione dei composti organici
I composti organici, sia di origine naturale che prodotti in laboratorio mediante sintesi chimica, si trovano
spesso miscelati ad altre sostanze dalle quali devono essere separati.
SOSTANZA NATURALE presente in una data matrice biologica, per ottenere il composto allo stato puro, è
necessario estrarlo dalla matrice, separarlo e purificarlo dagli altri composti eventualmente presenti.
PRODOTTO DI SINTESI CHIMICA, può essere necessario rimuovere il solvente, gli eventuali reagenti in
eccesso, il catalizzatore e/o i possibili prodotti collaterali della reazione.
Tecnica
Stato di
aggregazione
Proprietà
chimico-fisica
Distillazione
Liquido
Punto di
ebollizione
Cristallizzazione
Solido
Solubilità
Estrazione con
solventi
Liquido/Solido
Ripartizione tra fasi
Cromatografia
Liquido/Solido
Ripartizione tra fasi
Tecniche di
purificazione:
distillazione
Distillazione
La distillazione è una tecnica che permette di separare i diversi componenti di una miscela
liquida sfruttando il loro diverso punto di ebollizione
Consiste nell’evaporazione di un liquido seguito dalla condensazione del vapore e
dalla raccolta del condensato (distillato) in un recipiente separato da quello
iniziale.
Rappresenta il principale metodo per la purificazione di liquidi
Distillazione semplice
Distillazione a pressione ridotta
Distillazione frazionata
Distillazione in corrente di vapore
L’equilibrio liquido - vapore
In un liquido puro ad ogni temperatura si instaura
un equilibrio dinamico tra le particelle in fase
liquida ed in fase vapore.
Quando la tensione di vapore, che aumenta in
maniera
esponenziale
con
l’aumento
di
temperatura, raggiunge la pressione atmosferica,
il liquido è all’ebollizione.
Per un liquido esistono diverse temperature di ebollizione in funzione della
pressione a cui il liquido è soggetto. Più la temperatura di ebollizione è bassa,
maggiore è la volatilità del liquido
Tensioni di vapore di diversi liquidi
La tensione di vapore (P°) è la pressione esercitata dalle molecole
che evaporano da un liquido in un recipiente chiuso quando la
velocità di evaporazione e condensazione diventano uguali
La tensione di vapore di un liquido, esprime la tendenza delle sue molecole a passare nello
stato gassoso
Legge di Raoult
Due liquidi (A e B) reciprocamente solubili e non interagenti formano una
soluzione ideale e obbediscono alla legge di Raoult:
PA=PoA XA
PB=PoB XB
Per una miscela di n componenti si ha:
Pi=Poi Xi
P°i= tensione di vapore del componente iesimo puro
Pi=tensione di vapore del componenete iesimo in miscela
Xi=frazione molare del componente iesimo nella fase liquida
Legge di Raoult
Per la legge di Raoult, il vapore in equilibrio con una
miscela di liquidi è più ricco nel componente più
volatile (avente punto di ebollizione più basso) rispetto
alla miscela di partenza.
Psz a 28°C di 100gr glucosio in 100gr di H2O (P°H2O = 28.35 mmHg)
Se un soluto non volatile viene sciolto in un liquido, ad esempio l’acqua, diminuisce la
tendenza delle molecole di acqua, il solvente, di abbandonare la soluzione e passare allo stato
di vapore. La tensione di vapore della soluzione è più bassa della tensione di vapore quella
dell’acqua.
Una soluzione contenente un
soluto non volatile presenta una
tensione di vapore più bassa di
quella del solvente puro, perché il
soluto blocca parzialmente la fuga
di molecole di solvente dalla
superficie della soluzione.
In una soluzione, formata dai
liquidi A e B completamente
miscibili, la pressione parziale
del
vapore
di
ciascun
componente nella fase gassosa
sovrastante, si ottiene per ogni
temperatura, moltiplicando la
sua frazione molare nella fase
liquida, per la pressione che
esso
eserciterebbe
alla
medesima temperatura, se si
trovasse allo stato puro.
Legge di Dalton
La composizione del vapore sarà diversa da quella della miscela liquida
in equilibrio con esso. Per essa vale la legge di Dalton:
PA=Pt YA
PB=Pt YB
La pressione totale di vapore ( Ptot ) esistente sopra la miscela binaria avente una data
composizione si ottiene sommando la pressione di vapore del componente A a quella
del componente B:
Ptot = Pa + Pb
Pt= pressione totale del sistema
Pi=tensione di vapore del componente in miscela
Yi=frazione molare del componente nella fase vapore
Distillazione: Legge di Raoult
Diagramma isotermo liquido-vapore (L-V) di un sistema ideale bicomponente A e B completamente
miscibili tra loro:
V
L = zona di esistenza della fase liquida
V = zona di esistenza della fase vapore
p°A = tensione di vapore di A puro
p°B = tensione di vapore di B puro
χa = na/(na+nb) frazione molare di A
L
χb = nb/(na+nb) frazione molare di B
Per la legge di Dalton, la pressione
totale del sistema è:
Ptot = pA + pB = χap°A +
χbp°B
La composizione della fase vapore ≠ composizione fase liquida:
Data temperatura di ebollizione e pressione totale del sistema
all’ebollizione si ricava la composizione di fase liquida e del vapore in
equilibrio fra di loro e le si pongono in un opportuno diagramma
(diagramma lenticolare)
La distillazione permette di separare i due
componenti a diversa volatilità di una
soluzione sfruttando il fatto che il vapore
risulta più ricco nel componente più volatile.
Facendo ricondensare i vapori, la nuova
soluzione che se ne ottiene risulta
anch'essa più concentrata nell'elemento più
volatile.
Eseguendo più volte il processo è possibile
separare completamente i due componenti.
Il diagramma lenticolare o di ebollizione
È un diagramma a pressione
costante in cui a ciascun estremo
corrisponde un componente puro e
l’ascissa è una frazione molare che
può essere sia in fase liquida che in
fase vapore
• Il diagramma lenticolare riporta in ordinata le temperature di ebollizione, e in
ascissa le frazioni molari dei componenti della miscela. In corrispondenza di ciascun
asse di temperatura, corrisponde in ascissa la frazione molare X = 1. Le frazioni
molari del componente sono 0 all’altro asse
Diagramma lenticolare
Se si fa bollire una miscela
di Xa=0.2 (Xb=0.8) dalla
composizione di partenza
del liquido si arriva alla
curva di bolla…
e liberare i primi vapori di
composizione Y che
condensati danno il primo
distillato a composizione
più ricca nel componente
più volatile
140,0
P= 760 mm Hg
120,0
Vapore
100,0
Temperature
È la temperatura alla quale
la miscela inizia a bollire..
Miscela esano(A)-ottano(B)
L+V
80,0
60,0
Liquido
40,0
20,0
A Puro 0,0
XA=1
0
XB=0
Primo vapore
Primo distillato
Y
B Puro
XA=0
XB=1
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Frazioni molari
• L’asse delle ascisse riporta la frazione molare sia dei liquidi che dei vapori
Soluzioni non ideali
Molte miscele a causa di attrazioni o repulsioni non
mostrano un comportamento ideale e non seguono la legge di
Raoult!
I) Deviazioni positive:
Interazioni A-B < A-A, B-BP
le molecole possono liberarsi più
facilmente, creando perciò
una P maggiore
II) Deviazioni negative:
Interazioni A-B > A-A, B-BP
Un AZEOTROPO è una miscela costituita da due o più sostanze che si comportano all’ebollizione come un
composto puro, dato che bolle a temperatura costante producendo un vapore che ha la stessa composizione
del liquido.
Solvente
P.E. °C
Etanolo
78,4
Acqua
100
Benzene
80,1
Metanolo
64,7
Cicloesano
80,7
Acetone
56
Cloroformio 61
2-butanone
79,6
Un AZEOTROPO è una miscela costituita da due o più sostanze che si comportano all’ebollizione come un
composto puro, dato che bolle a temperatura costante producendo un vapore che ha la stessa composizione
del liquido.
E’ causato da una leggera
attrazione tra le molecole
Sono meno comuni rispetto
a quelli con il minimo
Soluzioni non ideali: azeotropi
L’acqua forma azeotropi con molte sostanze, cosicché è opportuno eliminarla del
tutto con essiccanti prima della distillazione
Azeotropo: 96% EtOH 4% H2O BP=78.1°C BP EtOH=78.3°C
Azeotropo C6H6-H2O-EtOH BP 65°C
si elimina l’acqua
Azeotropo EtOH-C6H6 BP 68°C
si elimina C6H6
EtOH BP 78.3
da l’etanolo puro
Distillazione semplice
Si usa per:
• separare liquidi da solidi o da liquidi altobollenti;
• separare liquidi che differiscono di molto nella
volatilità;
• recuperare solventi organici da miscele con
sostanze non volatili.
Distillazione Frazionata
In questo tipo di distillazione si interpone una colonna (colonna di
frazionamento) tra il sito di vaporizzazione e quello di
condensazione.
Nella colonna avvengono una serie di condensazioni sulla
superficie fredda ed evaporazioni ad opera dei vapori caldi
provenienti dal pallone di distillazione, che permettono
l’instaurarsi di equilibri multipli liquido/vapore che aumentano
l’efficienza del processo di distillazione.
I cicli di condensazione e di vaporizzazione che avvengono alla
superficie della colonna e del suo eventuale riempimento
amplificano il potere di separazione ed il processo equivale ad
una serie di processi di distillazione e condensazione.
Ogni ciclo arricchisce il vapore del composto più
volatile, mentre quello meno volatile tenderà a
ritornare nel pallone di distillazione
Distillazione Frazionata
100% A
100% B
Colonne di rettifica
Colonna di Bruun
Riempimenti
a) Anello Raschig; b) Spirale di Braunschweig; d) Sella
Distillazione a pressione ridotta
Si utilizza per:
•composti con punto di ebollizione molto alto
(> 200°C);
• composti che si decompongono alle relative
temperature di ebollizione a pressione
atmosferica.
P (mmHg)
H2O
760
355
150
55
17
T (°C)
100
80
60
40
20
Pressione in mmHg
L’applicazione del vuoto permette di diminuire la temperatura di
ebollizione.
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatura (°C)
Distillazione a pressione ridotta
La distillazione sotto vuoto richiede una sorgente efficace di vuoto ed un sistema
completamente sigillato. Tutti i giunti smerigliati devono essere lubrificati con
silicone per alto vuoto.
Nomografo
La temperatura di ebollizione può
essere
stimato
in
modo
approssimativo utilizzando dei
nomogrammi costituiti da tre
scale. La scala centrale riporta la
temperatura di ebollizione a
pressione atmosferica e la curva a
destra la pressione in torr. La
proiezione sulla scala di sinistra
della retta che unisce la pressione
ridotta a cui si opera con la
temperatura di ebollizione a
temperatura atmosferica, fornisce
la temperatura di ebollizione alla
pressione ridotta utilizzata.
Evaporatore rotante (Rotavapor)
La più comune applicazione della distillazione sotto vuoto non
frazionata è l’utilizzo dell’evaporatore rotante o Rotavapor,
utilizzato per la concentrare soluzioni, con rimozione parziale o
totale del solvente
Distillazione in corrente di vapore
La distillazione in corrente di vapore è una distillazione azeotropica
in cui il composto bassobollente è l’acqua.
Il distillato contiene più acqua che composto organico, in quanto la
tensione di vapore dell’acqua, il componente più bassobollente, è
molto più grande di quella del composto immiscibile più altobollente.
La distillazione in corrente di vapore interessa la maggior parte delle piante aromatiche: Anice,
Cannella, Origano, Garofano, Lavanda, Issopo, Geranio, Menta, Basilico, Rosmarino, Timo, Salvia,
Sandalo, Ylang-Ylang, Finocchio, Cipresso, Ginepro, ecc. e si riserva per quegli oli essenziali
scarsamente solubili in acqua e i cui costituenti non sono decomposti dal calore.
Generalmente le piante aromatiche si distillano allo stato fresco perchè una loro conservazione,
protratta anche per poche ore, può innescare dei processi fermentativi capaci di distruggere in
parte l'essenza o di alterarne la fragranza del profumo
Distillazione
La distillazione è un processo utilizzato per separare il liquido da
una soluzione di un solido in un liquido o per separare due o più
liquidi.
Essa sfrutta la differenza di volatilità di sostanze diverse, cioè la
differente tendenza con cui esse passano in fase di vapore.
La distillazione è basata sul fatto che il vapore derivante
dall’ebollizione di una miscela di sostanze si arricchisce nel
componente più volatile, che ha il punto di ebollizione più basso.
Quando poi il vapore viene raffreddato e condensato, il liquido che
ne deriva contiene in prevalenza il componente più volatile.
La miscela originale, invece, contiene in prevalenza il componente
meno volatile.
Distillazione
Rappresenta il principale metodo per la purificazione di liquidi

Distillazione semplice
•
Separare composti con differenza di p.eb. elevata (> 80 °C);
•
Purificare liquidi da impurezze non volatili;
•
Concentrare soluzioni, con rimozione parziale o totale del solvente

Distillazione frazionata
•
Separare composti con differenze di p.eb < 80°C

Distillazione a pressione ridotta
•
composti con punto di ebollizione molto alto (> 200°C);
•
Composti termolabili

Distillazione in corrente di vapore
•
Per separare sostanze termolabili o altobollenti immiscibili con l’acqua
Tecniche di
purificazione:
cristallizzazione
Cristallizzazione
La cristallizzazione è il risultato di due fasi successive:
NUCLEAZIONE (formazione dei germi cristallini)
ACCRESCIMENTO
Se la velocità di nucleazione è maggiore di quella di accrescimento si
avrà precipitazione.
Se la velocità di nucleazione è minore di quella di accrescimento si avrà
cristallizzazione.
Cristallizzazione
Una soluzione si dice SATURA quando la tendenza di un soluto a
cristallizzare è uguale alla tendenza opposta a tornare in soluzione. La
saturazione e una condizione di equilibrio.
Una soluzione si dice SOVRASSATURA quando un solido è presente in
soluzione in quantità superiore alla quantità di saturazione. In questo
caso prevale la tendenza a cristallizzare.
Una soluzione si dice DILUITA quando contiene una qunatità di soluto
inferiore alla quantità di saturazione. In questo caso prevale la
tendenza del soluto a solubilizzarsi.
Fondamentale è la scelta del solvente
Per eseguire una cristallizzazione si deve:
a) scegliere il solvente o la miscela di solventi idonea: la sostanza da
purificare deve essere poco solubile a temperatura ambiente e molto
solubile a caldo.
solubilità
(C): solvente
scadente
molto solubile a tutte le temperature
(A): buon solvente
molto solubile ad alte temperature
poco solubile a temp. ambiente
(B): solvente
scadente
poco solubile a tutte le temperature
temperatura
b) solubilizzare la miscela solida nel solvente idoneo, in modo da ottenere
una soluzione satura a caldo;
c) raffreddare lentamente la soluzione;
d) isolare per filtrazione i cristalli dalla soluzione (acque madri);
e) lavare ed essiccare i cristalli;
f) ripetere i processi di cristallizzazione sino a quando restano costanti
le proprietà fisiche per almeno tre cristallizzazioni successive.
T
Te
Tx
Curva di solubilità
Ta
Tg
C2
C1
Cs
Conc.
Criteri di scelta del solvente di cristallizzazione
SOLVENTE determina:
Purezza dei cristalli, resa, velocità di cristallizzazione e abito
cristallino
La scelta del solvente ideale può dipendere dalle caratteristiche strutturali del
composto da cristallizzare, ma quasi sempre è frutto di prove e di esperienza.
Caratteristiche del solvente ideale:
 inerte chimicamente nei riguardi della sostanza da cristallizzare;
 in esso la sostanza deve essere molto solubile a caldo e poco a freddo;
 non deve possedere volatilità molto elevata (basso p.e.);
 non deve avere scarsa volatilità (alto p.e.);
 non deve avere un punto di ebollizione superiore al punto di fusione della
sostanza da cristallizzare
Solvente
p.e. (°C)
infiammabilità
tossicità
etere di petrolio
30-50
+++
++
esano
69
+++
+++
cicloesano
81
+++
++
cloroformio
61
--
++++
cloruro di metilene
40
--
++
etere etilico
35
++++
++
acetato di etile
77
++
++
tetraidrofurano
65
++
+++
etanolo
78
++
+++
metanolo
65
++
++++
acido acetico
118
--
++++
acqua
100
--
--
Casi Particolari:
Diossano (101°)
Piridina (115°)
Nitrobenzene (211°)
N,N-dimetil-formammide
(153°)
Miscele di solventi
Etere etilico – etere di petrolio
acetone – etere di petrolio
Etanolo – etere etilico
Etanolo – cloroformio
Metanolo –cloroformio
Acetone – acqua
Etanolo – acqua
Metanolo - acqua
Come si opera:
 Solubilizzare la sostanza nella minima quantità di solvente in cui sia solubile
anche a freddo (o a temperature non molto elevate) e aggiungere un secondo
solvente, miscibile con il primo, in cui il solido sia poco o affatto solubile.
 L’aggiunta del secondo solvente viene fatta lentamente fino ad ottenere un
leggero intorbidimento della soluzione.
 Attendere la cristallizzazione, eventualmente raffreddare.
FILTRAZIONE
La filtrazione è una pratica di laboratorio che può essere utilizzata sia
per scopi separativi, volendo eliminare impurezze solide da liquidi o
soluzioni,
che
per
scopi
sintetici
volendo
isolare
un
composto precipitato da una soluzione o cristallizzato.
Filtrazione per gravità
Filtrazione sottovuoto
Filtrazione per gravità
Si chiama filtrazione per gravità perché il liquido attraversa per gravità
la barriera porosa (carta), lasciando il solido su di essa.
La filtrazione può risultare lenta
ma il filtrato ottenuto sarà limpido
La barriera porosa è rappresentata
da un filtro di carta “a pieghe”. Le
pieghe accelerano la filtrazione e
riducono il contatto con l’imbuto
(superficie fredda)
Filtrazione per gravità
Filtrazione sottovuoto
Vuoto
Applicando il vuoto
è
velocizzare la filtrazione.
possibile
È sempre opportuno interporre una
trappola tra sistema di filtrazione e la
fonte del vuoto, per prevenire perdite
di prodotto e contaminazioni.
Trappola
Attenzione a non usare un vuoto spinto
per solventi molto volatili, bollirebbero!!!
Esempio pratico: Cristallizzazione dell’acido benzoico
Campione di acido
benzoico impuro
Campione di acido
benzoico dopo la
cristallizzazione
1. DISSOLUZIONE DELLA SOSTANZA A CALDO
Scaldare la sostanza con acqua sufficiente
a sciogliere le sostanze solubili
Se è necessario aggiungere altra acqua
2. FILTRAZIONE A CALDO
Assicurarsi che l’imbuto per filtrare a caldo sia di vetro
Filtrare a caldo
Far evaporare un po’ d’acqua
Usare una bacchetta quando si allontana il solvente
3. RAFFREDDAMENTO DELLA SOLUZIONE FILTRATA
Man mano che la soluzione si raffredda
si formano i cristalli
Raffreddare fino a cristallizzazione completa
4. SEPARAZIONE DEI CRISTALLI DALLE ACQUE MADRI
hirshs
buchners
Mettere un disco di carta da filtro sul buchner
Filtrare e lavare il prodotto
5. LAVAGGIO ED ESSICCAMENTO DEI CRISTALLI
Lavare i cristalli con solvente
Campione di acido benzoico impuro
Porre i cristalli in essiccatore
acido benzoico dopo la cristallizzazione
Cristallizzazione frazionata
cristalli I xx
+ solvente
filtrazione
a.m. IA
concentrazione
a.m. IB
concentrazione
a.m. IC
concentrazione
filtrazione
a.m. ID
filtrazione
cristalli II xx
+ solvente
cristalli III xx
+ solvente
filtrazione
IIa
filtrazione
filtrazione
filtrazione
IIB
filtrazione
IIC
cristalli IV xx
IIIA
filtrazione
IIIB
Si utilizza per separare due solidi, uno come cristallo e
l’altro nelle acque madri.
xx IVA
IIA = xx IIA + a.m. IIA
IIB = xx IIB + a.m. IIB
IIIA = xx IIIA + a.m. IIIA
IIC = xx IIC + a.m. IIC
IIIB = xx IIIB + a.m. IIIB
RISOUZIONE Di ENANTIOMERI MEDIANTE:
CRISTALLIZZAZIONE DIRETTA DEI SALI DIASTEREOISOMERI
Le reazioni acido-base vengono comunemente utilizzate in quanto procedono velocemente e portano
(solitamente) a sali cristallini puri che possono essere separati tramite cristallizzazione frazionata. Questi sali
purificati, vengono successivamente trattati con acidi minerali o idrossidi acquosi allo scopo di liberare gli
enantiomeri desiderati.
ACIDI
CHIRALI
*
COOH
O
Naproxene
BASI
CHIRALI
*
NH2
*
NH2
-metilbenzilammina
1-fenil-2-(p-tolil)etilammina
RISOUZIONE Di ENANTIOMERI MEDIANTE:
TRASFORMAZIONE IN DIASTEREOISOMERI E CRISTALLIZZAZIONE
Un metodo generale di risoluzione di una coppia di enantiomeri consiste nel farli reagire con un reagente chirale
(agente risolvente). Questo convertirà i due enantiomeri in due diastereoisomeri che possono essere separati, ad
esempio, con la cristallizzazione frazionata
H3 C H
*
* COOH
R
O
H3 C H
COOH
* COOH
O
S
O
(RS)-Naproxene
R1
R2
R3
H3 C H
*
R
O
CONH
*
*
C- NH2
S
R1
R2
C
S R3
H
H3 C
*
+
S
O
R1
CONH
*
C R2
S R3
RISOUZIONE Di ENANTIOMERI MEDIANTE:
TRASFORMAZIONE IN DIASTEREOISOMERI E CRISTALLIZZAZIONE
H3 C H
*
2
* CONH C R
R
S R3
O
H3 C H
R1
* COOH
R
idrolisi
O
(R)-Naproxene
H3 C
O
H
R1
*
2
* CONH C R
S
S R3
H3 C
idrolisi
H
* COOH
S
O
(S)-Naproxene
Dopo separazione mediante cristallizzazione, ciascun diastereoisomero viene
idrolizzato ottenendo i due enantiomeri puri