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| 結晶 | |
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化学において、再結晶化は化学物質を精製するために使用される技術です。化合物と不純物の混合物を適切な溶媒に溶解することにより、目的の化合物または不純物を溶液から除去し、他のものを残します。この名前は、化合物が沈殿するときによく形成される結晶に由来しています。また、再結晶化は、小さな氷結晶を犠牲にして 大きな氷結晶が自然に成長することを指す場合もあります。
化学
化学において、再結晶化[1] :127–132は 化合物を精製するための手順です。最も一般的な状況は、目的の「化合物A」が少量の「不純物B」によって汚染されていることです。精製にはさまざまな方法があり（分離プロセスを参照）、再結晶化はその1つです。また、次のようなさまざまな再結晶化技術も使用できます。
単一溶媒再結晶
通常、「化合物 A」と「不純物 B」の混合物を、混合物を完全に溶解する最小限の量の熱い溶媒に溶解して、飽和溶液を作ります。次に、溶液を冷却します。溶液が冷却されると、溶液中の化合物の溶解度が低下します。その結果、目的の化合物が溶液から落下（再結晶化）します。冷却速度が遅いほど、形成される結晶が大きくなります。
理想的な状況では、不純物 B の溶解度積はどの温度でも超過しません。その場合、固体結晶は純粋な A で構成され、すべての不純物は溶液中に残ります。固体結晶は濾過によって収集され、濾液は廃棄されます。不純物の溶解度積を超えると、不純物の一部が共沈殿します。ただし、不純物の濃度が比較的低いため、沈殿した結晶中の不純物の濃度は、元の固体中の不純物の濃度よりも低くなります。再結晶を繰り返すと、さらに純粋な結晶沈殿が得られます。不純物は融点を下げるため、再結晶のたびに融点を測定することで純度を確認します。NMR分光法を使用して不純物のレベルを確認することもできます。化合物 A の溶解度がゼロではないため、再結晶を繰り返すと材料がいくらか失われます。
結晶化プロセスには、「種」結晶の追加などの開始ステップが必要です。実験室では、ガラス再結晶容器の側面を削って作った極小のガラス片が、結晶が成長する核となることがあります。再結晶が成功するかどうかは、適切な溶媒を見つけるかどうかにかかっています。これは通常、予測/経験と試行錯誤の組み合わせです。化合物は、低温よりも高温で溶解しやすくなければなりません。不溶性の不純物は、高温濾過の技術によって除去されます。
多溶媒再結晶
この方法は、上記と同じですが、2つ（またはそれ以上）の溶媒を使用します。[1]これは、「化合物A」と「不純物B」の両方が最初の溶媒に溶けることを前提としています。2番目の溶媒をゆっくりと加えます。「化合物A」または「不純物B」のいずれかがこの溶媒に溶けず沈殿しますが、「化合物A」/「不純物B」のもう1つは溶液に残ります。したがって、最初の溶媒と2番目の溶媒の割合が重要です。通常、2番目の溶媒は、化合物の1つが溶液から結晶化し始めるまでゆっくりと加えられ、その後、溶液が冷却されます。この手法では加熱は必要ありませんが、加熱してもかまいません。
この方法の逆は、溶媒の混合物が A と B の両方を溶解する場合に使用できます。次に、溶媒の 1 つを蒸留または真空を適用して除去します。これにより、溶媒の割合が変化し、「化合物 A」または「不純物 B」のいずれかが沈殿します。
高温濾過再結晶
高温濾過[1] : 74 は、 「化合物 A」を「不純物 B」と「不溶性物質 C」の両方から分離するために使用できます。この技術では通常、上記のように単一溶媒システムを使用します。「化合物 A」と「不純物 B」の両方が最小量の高温溶媒に溶解すると、溶液を濾過して「不溶性物質 C」を除去します。この物質は、第 3 の不純物化合物から割れたガラスの破片まで、あらゆるものである可能性があります。手順を成功させるには、濾過中に溶解した化合物が溶液から結晶化し、ろ紙または漏斗に結晶が形成されるのを防ぐために、濾過装置が高温であることを確認する必要があります。
これを実現する方法の 1 つは、少量のきれいな溶媒を入れた三角フラスコをホットプレート上で加熱することです。フィルター漏斗を口に当て、熱い溶媒の蒸気でステムを温めます。ジャケット付きのフィルター漏斗も使用できます。フィルター紙は、四つ折りではなく、溝付きが望ましいです。これにより、ろ過が速くなり、目的の化合物が冷却して溶液から結晶化する機会が少なくなります。
多くの場合、ろ過と再結晶化を 2 つの独立した別々のステップとして行う方が簡単です。つまり、「化合物 A」と「不純物 B」を室温で適切な溶媒に溶解し、ろ過し (不溶性の化合物/ガラスを除去するため)、溶媒を除去してから、上記のいずれかの方法を使用して再結晶化します。
シーディング
結晶化には開始段階が必要です。これは自発的に起こる場合もあれば、飽和溶液に少量の純粋な化合物（種結晶）[1]を加えることによって起こる場合もあれば、単にガラスの表面を傷つけて結晶成長の種となる表面を作ることによって起こる場合もあります。塵の粒子でさえ単純な種として機能すると考えられています。
完全な単結晶（X線分析用）
X 線結晶構造解析用の結晶の成長は難しい場合があります。X 線分析には、単一の完全な結晶が必要です。通常、少量 (5～100 mg) の純粋な化合物を使用し、結晶を非常にゆっくりと成長させます。これらの完全な結晶を成長させるには、いくつかの手法を使用できます。
- 単一溶媒のゆっくりとした蒸発 - 通常、化合物は適切な溶媒に溶解され、溶媒はゆっくりと蒸発します。溶液が飽和すると、結晶が形成されます。
- 複数溶媒システムのゆっくりとした蒸発 - 上記と同じですが、より揮発性の高い溶媒の蒸発により溶媒組成が変化します。化合物は揮発性溶媒に溶けやすくなり、そのため化合物は溶液中でますます不溶性になり、結晶化します。
- 低速拡散 - 上記と同様です。ただし、2 番目の溶媒が 1 つの容器から化合物溶液が入っている容器に蒸発します (ガス拡散)。溶液に拡散したガスを含む溶媒の増加により溶媒の組成が変化すると、化合物は溶液にますます溶けにくくなり、結晶化します。
- 界面/低速混合 (多くの場合、 NMR チューブで実行されます)。上記と似ていますが、1 つの溶媒が別の溶媒にガス拡散するのではなく、2 つの溶媒が液体-液体拡散によって混合 (拡散) されます。通常、2 番目の溶媒は、化合物を含む溶液の上に慎重に「重ねられます」。時間の経過とともに、2 つの溶液が混ざります。拡散により溶媒の組成が変化すると、化合物は溶液にますます溶けにくくなり、通常は界面で結晶化します。さらに、下層にはより密度の高い溶媒を使用し、上層にはより高温の溶媒を使用する方が、溶媒の混合が遅くなるため、より適しています。
- 上記の操作を実行するために、「H」の形をした特殊な装置を使用することができます。「H」の縦線の 1 つは化合物の溶液が入ったチューブで、「H」のもう 1 つの縦線は化合物が溶けない溶媒が入ったチューブです。また、「H」の横線は 2 つの縦線を連結するチューブで、このチューブにも 2 つの溶媒の混合を制限する微細なガラス焼結物があります。
- 完全な単一結晶が得られたら、結晶が「乾燥」するのを防ぐために、結晶を結晶化液体とともに密閉容器に保管することをお勧めします。完全な単一結晶には、結晶格子内に結晶化溶媒が含まれている場合があります。結晶からこの内部溶媒が失われると、結晶格子が崩壊し、結晶が粉末に変わる可能性があります。
氷
氷の場合、再結晶化とは、小さな結晶を犠牲にして大きな結晶が成長することを指します。一部の生物学的不凍タンパク質はこのプロセスを阻害することが示されており、その効果は凍結耐性生物に関連している可能性があります。[2]
参照
参考文献
- ^ abcd Harwood, Laurence M.; Moody, Christopher J. (1990年1月1日).実験有機化学: 原理と実践(イラスト版). Blackwell Scientific Publications. ISBN 978-0-632-02016-4。LCCN 88007680。OCLC 18816225。OL 2032038M 。 ウィキデータ Q107313989 。2021 年 6 月 22 日に取得–インターネット アーカイブ経由。
- ^ Kumar Verma、Ashok (2014)。「氷の再結晶化」。雪、氷、氷河百科事典。地球科学百科事典シリーズ。p. 932。doi :10.1007/ 978-90-481-2642-2_439。ISBN 978-90-481-2641-5。
参考図書
- ローレンス・M・ハーウッド、クリストファー・J・ムーディ、ジョナサン・M・パーシー（1999年）。実験有機化学：標準とマイクロスケーリング。ワイリー。ISBN 9780632048199。
- ジョン・レナード、B. ライゴ、ギャリー・プロクター（1994 年 6 月 2 日）。上級実用有機化学。CRC プレス。ISBN 9780748740710。