Bài 7: KỸ THUẬT KẾT TINH VÀ I XÁC ĐỊNH ĐIỂM CHẢY KỸ THUẬT KẾT TINH Kết cuối trình chiết tách, phân lập tinh chế phải thu hợp chất sạch, thông thường dạng tinh thể trừ chất lỏng chất vơ định hình khơng thể kết tinh Q trình kết tinh bao gồm việc chọn dung mơi, hồ tan nóng lọc, gạn tinh thể khỏi dung dịch mẹ làm khô tinh thể Trong bước việc chọn dung mơi thích hợp có tầm quan trọng định kết kết tinh II I.1 Chọn dung môi Đối với hợp chất biết, thường tài liệu tham khảo có cho biết dung môi kết tinh điểm chảy Đối với chất chưa biết, phải chọn dung môi để kết tinh theo qui tắc sau: - Một dung môi tốt để kết tinh hợp chất hòa tan nhiều hợp chất nhiệt độ sơi, tan nhiệt độ thường Một dung mơi để kết tinh tốt độ hòa tan nhiệt độ sơi thường phải cao gấp lần nhiệt độ thường - Nếu khơng tìm dung mơi thích hợp phải phối hợp dung mơi Trong dung mơi đó, phải có dung mơi có khả hòa tan nhiều hợp chất kết tinh nhiệt độ sôi dung môi khơng hòa tan Hai dung mơi phải hỗn hợp với thành dung dịch suốt đồng - Thông thường chất rắn dễ hòa tan dung mơi có cấu trúc hình học tương tự Thí dụ ester dể hòa tan cồn ethyl acetat Các hydrocarbon dễ hòa tan eter dầu hỏa, benzen, hexan - Các chất có nhiều nhóm OH, glycoside dễ tan dung môi ưa nước MeOH, EtOH hỗn hợp dung mơi có nước - Thường hợp chất dễ tan nước khó tan dung mơi hữu ngược lại - Dung môi dùng kết tinh không tạo thành hợp chất với chất kết tinh - Dung mơi kết tinh tốt phải có nhiệt độ sôi tương đối cao Nhiệt độ sôi cao có nhiều thời gian để hình thành tinh thể, nhiên khơng nên q cao khó bay kết tinh, đồng thời nhiệt độ cao làm phân hủy chất kết tinh - Trên thực tế để kết tinh hợp chất tự nhiên, ta hay dùng MeOH hỗn hợp MeOH với dung môi khác Việc chọn dung môi kết hợp với MeOH tùy thuộc vào tính hồ tan chất cần kết tinh I.2 Cách xác định độ hoà tan chất dung mơi III Cân lượng xác chất tan ống nghiệm, dùng ống hút có chia vạch 0,1 ml nhỏ dung mơi muốn hòa tan chất kết tinh, nhỏ từ từ vào hợp chất tan hồn tồn Sau lần cho dung mơi vào, cần lắc mạnh ống nghiệm để hoà tan chất Tỷ lệ lượng chất rắn với thể tích dung mơi đủ để hòa tan hồn tồn độ hòa tan dung môi với chất rắn nhiệt độ thường Cách xác định độ hòa tan nhiệt độ sôi tiến hành tương tự, thực nồi đun cách thủy Căn vào độ hòa tan xác định để tính lượng dung mơi cần thiết cho kết tinh Thí dụ: hợp chất có độ hồ tan: 5mg 1ml dung mơi B nhiệt độ thường 45 mg ml nhiệt độ sơi Dung mơi hồ tan chất nhiệt độ sôi gấp lần nhiệt độ thường nên dùng làm dung mơi kết tinh Nếu có 500 mg chất lượng dung mơi cần dùng : 1mlx 500/45 11 ml Như dùng khoảng 12 ml dung môi để kết tinh 500 mg hợp chất Căn vào độ tan nhiệt độ thường (5mg/ml), người ta ước tính lượng hợp chất lại dung dịch sau kết tinh I.3 Cách hòa tan nóng IV Để kết tinh lượng nhỏ chất rắn (10-20mg), nên sử dụng bình cầu nhỏ ống nghiệm nhỏ - Trường hợp dùng dung mơi: Cho chất rắn vào bình, đổ lượng dung mơi tính trước vào bình, đun cách thủy đến sôi đồng thời lắc Khi dung dịch trở nên suốt, lấy bình để nguội cho vào tủ lạnh để yên kết tinh - Trường hợp dùng hỗn hợp dung môi : thí dụ A dung mơi tan, B dung mơi khơng tan tan Trong bình cầu có chứa bột chất kết tinh, cho lượng nhỏ dung môi A đun sôi thủy Tiếp tục cho dung môi A chất rắn vừa tan hết sau dùng ống hút lấy dung mơi B cho vào bình dung dịch bắt đầu đục Bình đun sơi, lấy dung mơi A cho vào bình dung dịch bắt đầu suốt trở lại Lấy bình ra, để nguội nhiệt độ thường, sau cho vào tủ lạnh để yên kết tinh V I.4 Gạn lấy tinh thể làm khơ Nếu lượng tinh thể khơng nên lọc hao hụt nhiều Nghiêng bình hút dung dịch mẹ bình khác, dùng ống hút lấy dung môi rữa nhẹ nhàng tinh thể Sau để khơ tự nhiên 1-2 giờ, cho vào bình hút ẩm vài ngày trước đo điểm nóng chảy phân tích quang phổ Bảng 25:Một số dung môi kết tinh thường dùng VI MeOH-H2O EtOH-Aceton EtOH-H2O EtOAc MeOH Ether-EtOAc EtOH Hexan-EtOAc MeOH-EtOAc Ethet-Aceton MeOH-Aceton Hexan XÁC ĐỊNH ĐIỂM CHẢY Đối với chất rắn kết tinh, điểm chảy thông số vật lý quan trọng Thông thường việc làm đâu tiên sau thu tinh thể xác định điểm chảy Điểm chảy tiêu chuẩn để kiểm tra mức độ tinh khiết hợp chất Nếu điểm chảy loại tinh thể thu sau lần kết tinh chênh lệch khơng q 0,5 oC xem sản phẩm kết tinh tinh khiết Nếu hợp chất kết tinh có điểm chảy thấp xa so với điểm chảy lý thuyết chứng tỏ sản phẩm thu chưa tinh khiết phải tiếp tục tinh chế kết tinh lại Trong nhiều trường hợp, điểm chảy xác định phải đối chiếu với tài liệu tham khảo đưa kết luận sơ bộ, nhận định sơ hợp chất nghiên cứu Xác định điểm chảy lợi sử dụng mẫu thử Với dụng cụ đo điểm chảy dùng kính hiển vi hay kính lúp cần vài tinh thể đủ để xác định điểm chảy Với phương pháp dùng ống mao quản dùng 1-2mg mẫu VII II.1 Đo điểm chảy ống mao quản Chọn ống mao quản thủy tinh có độ dày nhau, đường kính 1-2mm dài 70100mm, đầu hàn kín Ống phải thật khơ Cho bột chất thử lên mặt kính đồng hồ, nhúng đầu mao quản vào bột, lật ngược ống lên, thả nhẹ nhàng đáy ống lên mặt kính, để bột vào đáy ống Tiếp tục làm chiều cao bột ống khoảng 5mm Buộc ống mao quản vào nhiệt kế cho phần ống mao quản có mẫu chất thử nằm ngang với bầu thủy ngân nhiệt kế, phần chất thử nằm cao bầu thủy ngân mọt Điểm quan trọng kỹ thuật xác định điểm chảy ống mao quản phải tạo môi trường nhiệt độ đồng vùng tiếp xúc với bầu thủy ngân chất thử ống mao quản Ống Thiele có bán thị trường thỏa mãn yêu cầu Tùy theo yêu cầu nhiệt độ dùng chất lỏng sau - Để xác định điểm chảy vòng 200oC dùng dầu parafin - Để xác định định điểm chảy vòng 300oC dùng acid sulfuric đặc - Để xác định định điểm chảy vòng 350 oC dùng hỗn hợp gồm phần acid sulfuric phần sulfat kali - Để xác định định nhiệt độ vòng 250-350oC dùng sáp parafin Đun nóng chất lỏng đèn cồn khí đốt, cho nhệt độ chất lỏng tăng lên từ từ 2-30C / phút Khi nhiệt độ gần đến điểm chảy tốc độ tăng nhiệt độ khoảng 0C/ phút Nếu chất chảy mà không bị phân hủy xác định điểm chảy xong, nâng nhiệt kế lên khỏi mặt chất lỏng, chất thử nguội rắn lại sau xác định điểm nóng chảy lần II.2 Xác định điểm chảy dụng cụ điện có lắp kính hiển vi kính lúp Có loại dụng cụ xác định điển chảy: loại có gắn kính lúp (Fisher-Johns melting point apparatus) loại tốt hơn, quan sát mẫu kính hiển vi (Kofler hot stage with microscope) Các dụng cụ có ưu điểm dùng chất thử Vì có phận phóng đại, nên theo dõi q trình nóng chảy tinh thể rõ ràng Nhiệt độ cung cấp phận gia nhiệt điều khiển tự động nên nhiệt độ tăng từ từ ổn định Để đo điểm chảy dụng cụ trên, lúc đầu cho nhiệt độ tăng khoảng oC/ phút Khi đến gần nhiệt độ nóng chảy tăng khoảng oC/ 3phút Khi gốc tinh thể bắt đầu biến dạng lúc bắt đầu chảy tinh thể biến thành hạt dầu hình cầu hình trứng trình tan chảy kết thúc Hai thời điểm lúc ghi trị số điểm chảy VIII II.3 Điểm chảy hỗn hợp (mixed melting point0 Hỗn hợp chất rắn khác có điểm chảy thấp điểm chảy chất rắn riêng rẽ Hai chất rắn loại hợp chất hỗn hợp chúng có điểm chảy khơng thay đổi so với điểm chảy hợp chất riêng rẽ Đặc tính ứng dụng để xác định hợp chất chưa biết dựa vào chất chuẩn biết Tuy có số trường hợp ngoại lệ, có tạo thành chất hợp chất trình tiếp xúc nhiệt độ cao Vì điểm chảy hỗn hợp có giá trị tương đối để phối hợp với kết phân tích khác kết luận hợp chất phân tích IX II.4 Điểm chảy hịêu chỉnh không hiệu chỉnh Khi tham khảo tài liệu, gặp số trường hợp ghi điểm chảy hiệu chỉnh (corrected m.p) số trường hợp ghi điểm chảy không hiệu chỉnh (uncorrected m.p), đặc biệt số liệu điểm chảy công cố năm gần đây, thường điểm chảy hiệu chỉnh Hai loại điểm chảy nhiều sai khác khỏang 5-6 oC, cần phải biết cách hiệu chỉnh để so sánh, đối chiếu xác Độ xác điểm chảy phụ thuộc nhiều vào loại nhiệt kế sử dụng Các nhiệt kế sản xuất tiêu chuẩn hóa Nhưng trình sử dụng lâu với nhiệt độ cao, bầu thủy tinh chứa thủy ngân nhiệt kế bị biến dạng Trung bình bầu thủy tinh chứa lượng thủy ngân tương đưong với 6000 vạch chia độ thân nhiệt kế Vì vậy, biến đổi nhỏ bầu thủy ngân gây sai số lớn nhiệt độ thân nhiệt kế Hơn nũa, vạch kế chia vạch xác định điều kiện mơi trường nhiệt độ hồn tồn đồng Nhưng xác định điểm chảy, dù phương pháp có bầu thủy ngân phần nhỏ nhiệt kế nằm ngồi có nhiệt độ thấp Sự giản nở lớp thủy ngân phần không giống với lớp thủy ngân mơi trường nhiệt độ thí nghiệm Sự khác dẫn đến sai số đo Để khắc phục nguyên nhân sai số trên, có sản xuất loại nhiệt kế mà chia vạch, có phần nhiệt kế đặt mơi trường thí nghiệm, phần nằm mơi trường khí Loại nhiệt kế này, thân có vòng tròn ghi 76 mmHg Khi sử dụng nhiệt kế, cần ý cho đường vòng nằm ngang mặt phân cách mơi trường thí nghiệm khí Với loại nhiệt kế này, nhiệt độ đo hiệu chỉnh Có thể hiệu chỉnh nhiệt độ nóng chảy dựa vào công thức sau: C = 0,000154(t1-t2)N Dùng nhiệt kế thứ 2(B) buộc chung với nhiệt kế đo điểm chảy (A) cho bầu thủy ngân nhiệt kế B nằm đoạn thủy ngân khơng nhúng vào chất lỏng nhiệt kế A t1: điểm chảy đọc nhiệt kế A t2: điểm chảy đọc nhiệt kế B N: số độ tương ứng với số đoạn thủy ngân không nhúng vào chất lỏng nhiệt kế A 0,000154: chênh lệch hệ số giãn nở thủy tinh thủy ngân C: nhiệt độ hiệu chỉnh Nhiệt độ hiệu chỉnh cộng với nhiệt độ đo nhiệt kế A điểm chảy hiệu chỉnh hợp chất thử Với chất có điểm chảy 2000C thi nhiệt độ hiệu chỉnh từ 3-6oC Với cách hiệu chỉnh này, giải sai số chênh lệch thể tích thủy ngân mặt chất lỏng Vì có giá trị tương đối II.5 Hiệu chỉnh nhiệt độ hóa chất chuẩn có điểm chảy xác định Cách hiệu chỉnh xác định kỳ hiệu chỉnh nhiệt kế hố chất có điểm chảy xác định Dưới bảng kê hóa chất có điểm chảy ổn định thường dùng để hiệu chỉnh nhiệt kế Bảng 26: Bảng kê hố chất có điểm chảy ổn định Hợp chất Điểm chảy (oC) Nước đá Mentol 42.5 Benzophenon 48.1 p-Nitrotoluen 51.6 Naphtalen 80.2 Acid benzoic 122.4 Ure 132.8 Acid salicylic … 158.3 Thường thường, dụng cụ đo điểm chảy có trang bị hoá chất chuẩn kèm theo để định kì kiểm tra hiệu chỉnh nhiệt kế Cách xác định điểm chảy chất chuẩn hòan tồn giống mẫu thử ... để kết tinh hợp chất tự nhiên, ta hay dùng MeOH hỗn hợp MeOH với dung môi khác Việc chọn dung môi kết hợp với MeOH tùy thuộc vào tính hồ tan chất cần kết tinh I.2 Cách xác định độ hồ tan chất. .. định hợp chất chưa biết dựa vào chất chuẩn biết Tuy có số trường hợp ngoại lệ, có tạo thành chất hợp chất trình tiếp xúc nhiệt độ cao Vì điểm chảy hỗn hợp có giá trị tương đối để phối hợp với kết. .. loại tinh thể thu sau lần kết tinh chênh lệch không 0,5 oC xem sản phẩm kết tinh tinh khiết Nếu hợp chất kết tinh có điểm chảy thấp xa so với điểm chảy lý thuyết chứng tỏ sản phẩm thu chưa tinh