Bài 7: KỸ THUẬT KẾT TINH VÀ XÁC ĐỊNH ĐIỂM CHẢY I. KỸ THUẬT KẾT TINH Kết quả cuối cùng của quá trình chiết tách, phân lập và tinh chế là phải thu được hợp chất sạch, thông thường dưới dạng tinh thể ngoài trừ những chất lỏng và chất vô định hình không thể kết tinh được . Quá trình kết tinh bao gồm việc chọn dung môi, hoà tan nóng và lọc, gạn tinh thể ra khỏi dung dịch mẹ và làm khô tinh thể. Trong các bước trên việc chọn dung môi thích hợp có tầm quan trọng quyết định kết quả của sự kết tinh. II. I.1 Chọn dung môi Đối với các hợp chất đã biết, thường trong các tài liệu tham khảo đều có cho biết dung môi kết tinh và điểm chảy của nó. Đối với các chất chưa biết, phải chọn dung môi để kết tinh theo các qui tắc sau: - Một dung môi tốt để kết tinh một hợp chất khi nó hòa tan được nhiều hợp chất đó ở nhiệt độ sôi, và rất ít tan ở nhiệt độ thường. Một dung môi để kết tinh tốt thì độ hòa tan ở nhiệt độ sôi thường phải cao gấp 5 lần ở nhiệt độ thường. - Nếu không tìm được dung môi thích hợp thì phải phối hợp 2 dung môi. Trong 2 dung môi đó, phải có một dung môi có khả năng hòa tan nhiều hợp chất kết tinh ở nhiệt độ sôi và dung môi kia thì không hoặc ít hòa tan. Hai dung môi này phải hỗn hợp với nhau thành một dung dịch trong suốt và đồng nhất. - Thông thường một chất rắn dễ hòa tan trong dung môi có cấu trúc hình học tương tự nó. Thí dụ ester dể hòa tan trong cồn hoặc ethyl acetat. Các hydrocarbon dễ hòa tan trong eter dầu hỏa, benzen, hexan. - Các chất có nhiều nhóm OH, các glycoside dễ tan trong các dung môi ưa nước như MeOH, EtOH và các hỗn hợp dung môi có nước. - Thường các hợp chất dễ tan trong nước sẽ khó tan trong các dung môi hữu cơ và ngược lại. - Dung môi dùng kết tinh không được tạo thành hợp chất mới với chất kết tinh. - Dung môi kết tinh tốt phải có nhiệt độ sôi tương đối cao. Nhiệt độ sôi của nó càng cao thì sẽ có nhiều thời gian để hình thành tinh thể, tuy nhiên cũng không nên quá cao vì sẽ khó bay hơi trong khi kết tinh, đồng thời nhiệt độ cao có thể làm phân hủy chất kết tinh. - Trên thực tế để kết tinh các hợp chất tự nhiên, ta hay dùng MeOH hoặc hỗn hợp của MeOH với một dung môi khác. Việc chọn dung môi kết hợp với MeOH tùy thuộc vào tính hoà tan của chất cần kết tinh . III. I.2. Cách xác định độ hoà tan của một chất đối với dung môi Cân một lượng chính xác chất tan trong ống nghiệm, dùng ống hút có chia vạch 0,1 ml nhỏ dung môi muốn hòa tan chất kết tinh, nhỏ từ từ vào cho đến khi hợp chất tan hoàn toàn. Sau mỗi lần cho dung môi vào, cần lắc mạnh ống nghiệm để hoà tan chất. Tỷ lệ giữa lượng chất rắn với thể tích dung môi đủ để hòa tan hoàn toàn là độ hòa tan của dung môi ấy với chất rắn ở nhiệt độ thường. Cách xác định độ hòa tan ở nhiệt độ sôi cũng tiến hành tương tự, và được thực hiện trong nồi đun cách thủy. Căn cứ vào độ hòa tan đã được xác định để tính lượng dung môi cần thiết cho sự kết tinh. Thí dụ: hợp chất có độ hoà tan: 5mg trong 1ml dung môi B ở nhiệt độ thường 45 mg trong 1 ml ở nhiệt độ sôi Dung môi này hoà tan chất ở nhiệt độ sôi gấp 9 lần ở nhiệt độ thường nên có thể dùng làm dung môi kết tinh. Nếu có 500 mg chất thì lượng dung môi cần dùng là : 1mlx 500/45 ≈ 11 ml Như vậy có thể dùng khoảng 12 ml dung môi để kết tinh 500 mg hợp chất trên. Căn cứ vào độ tan ở nhiệt độ thường (5mg/ml), người ta có thể ước tính lượng hợp chất còn lại trong dung dịch sau khi kết tinh. IV. I.3. Cách hòa tan nóng Để kết tinh một lượng nhỏ chất rắn (10-20mg), nên sử dụng bình cầu nhỏ hoặc ống nghiệm nhỏ. - Trường hợp dùng một dung môi: Cho chất rắn vào bình, đổ một lượng dung môi đã tính trước vào bình, đun cách thủy đến sôi đồng thời lắc đều. Khi dung dịch trở nên trong suốt, lấy bình ra để nguội và cho vào tủ lạnh để yên kết tinh. - Trường hợp dùng hỗn hợp 2 dung môi : thí dụ A là dung môi tan, B là dung môi không tan hoặc ít tan. Trong bình cầu có chứa bột chất kết tinh, cho một lượng nhỏ dung môi A đun sôi các thủy. Tiếp tục cho từng ít dung môi A cho đến khi chất rắn vừa tan hết. sau đó dùng ống hút lấy dung môi B cho từng ít một vào bình cho đến khi dung dịch bắt đầu đục. Bình vẫn đun sôi, lấy dung môi A cho vào bình cho đến khi dung dịch bắt đầu trong suốt trở lại. Lấy bình ra, để nguội ở nhiệt độ thường, sau đó cho vào tủ lạnh để yên kết tinh. V. I.4. Gạn lấy tinh thể và làm khô Nếu lượng tinh thể ít thì không nên lọc vì sẽ hao hụt nhiều. Nghiêng bình hút dung dịch mẹ ra một bình khác, dùng ống hút lấy dung môi rữa nhẹ nhàng tinh thể. Sau đó để khô tự nhiên 1-2 giờ, cho vào bình hút ẩm vài ngày trước khi đo điểm nóng chảy hoặc phân tích quang phổ. Bảng 25:Một số dung môi kết tinh thường dùng MeOH-H 2 O EtOH-Aceton EtOH-H 2 O EtOAc MeOH Ether-EtOAc EtOH Hexan-EtOAc MeOH-EtOAc Ethet-Aceton MeOH-Aceton Hexan VI. XÁC ĐỊNH ĐIỂM CHẢY Đối với chất rắn kết tinh, điểm chảy là một thông số vật lý quan trọng. Thông thường việc làm đâu tiên sau khi thu được tinh thể sạch là xác định điểm chảy. Điểm chảy là tiêu chuẩn để kiểm tra mức độ tinh khiết của hợp chất. Nếu điểm chảy của 2 loại tinh thể thu được sau 2 lần kết tinh chỉ chênh lệch nhau không quá 0,5 o C thì có thể xem như sản phẩm kết tinh đã tinh khiết. Nếu một hợp chất kết tinh có điểm chảy còn thấp xa so với điểm chảy lý thuyết thì chứng tỏ sản phẩm thu được chưa tinh khiết và phải tiếp tục tinh chế và kết tinh lại. Trong nhiều trường hợp, điểm chảy xác định được phải đối chiếu với tài liệu tham khảo đã có thể đưa ra những kết luận sơ bộ, hoặc nhận định sơ bộ về hợp chất đang nghiên cứu. Xác định điểm chảy còn một lợi thế nữa là sử dụng rất ít mẫu thử. Với dụng cụ đo điểm chảy dùng kính hiển vi hay kính lúp chỉ cần vài tinh thể cũng đủ để xác định điểm chảy. Với phương pháp dùng ống mao quản cũng chỉ dùng 1-2mg mẫu. VII. II.1. Đo điểm chảy bằng ống mao quản Chọn ống mao quản thủy tinh có độ dày đều nhau, đường kính 1-2mm dài 70- 100mm, một đầu hàn kín. Ống phải thật sạch và khô. Cho một ít bột chất thử lên mặt kính đồng hồ, nhúng đầu mao quản vào bột, lật ngược ống lên, thả nhẹ nhàng đáy ống lên một mặt kính, để bột vào đáy ống. Tiếp tục làm như vậy cho đến khi chiều cao của bột trong ống khoảng 5mm. Buộc ống mao quản vào nhiệt kế sao cho phần ống mao quản có mẫu chất thử nằm ngang với bầu thủy ngân của nhiệt kế, nhưng một phần chất thử nằm cao hơn bầu thủy ngân mọt ít. Điểm quan trọng trong kỹ thuật xác định điểm chảy bằng ống mao quản là phải tạo môi trường nhiệt độ đồng đều tại vùng tiếp xúc với bầu thủy ngân và chất thử trong ống mao quản. Ống Thiele có bán trên thị trường thỏa mãn được yêu cầu trên. Tùy theo yêu cầu nhiệt độ có thể dùng các chất lỏng sau đây. - Để xác định điểm chảy trong vòng 200 o C có thể dùng dầu parafin. - Để xác định định điểm chảy trong vòng 300 o C thì dùng acid sulfuric đặc. - Để xác định định điểm chảy trong vòng 350 o C thì dùng hỗn hợp gồm 6 phần acid sulfuric và 4 phần sulfat kali. - Để xác định định nhiệt độ trong vòng 250-350 o C thì dùng sáp parafin. Đun nóng chất lỏng bằng đèn cồn hoặc khí đốt, cho nhệt độ chất lỏng tăng lên từ từ 2-3 0 C / phút. Khi nhiệt độ gần đến điểm chảy thì tốc độ tăng nhiệt độ khoảng 1 0 C/ phút. Nếu chất chảy mà không bị phân hủy thì khi xác định điểm chảy xong, nâng nhiệt kế lên khỏi mặt chất lỏng, chất thử nguội sẽ rắn lại sau đó xác định điểm nóng chảy lần 2. II.2. Xác định điểm chảy bằng dụng cụ điện có lắp kính hiển vi hoặc kính lúp Có 2 loại dụng cụ xác định điển chảy: một loại có gắn kính lúp (Fisher-Johns melting point apparatus) và một loại tốt hơn, quan sát mẫu bằng kính hiển vi (Kofler hot stage with microscope). Các dụng cụ này có ưu điểm là dùng rất ít chất thử. Vì có bộ phận phóng đại, nên theo dõi quá trình nóng chảy của tinh thể rõ ràng. Nhiệt độ cung cấp bởi bộ phận gia nhiệt điều khiển tự động nên nhiệt độ tăng từ từ và ổn định. Để đo điểm chảy bằng các dụng cụ trên, lúc đầu cho nhiệt độ tăng khoảng 3 o C/ phút. Khi đến gần nhiệt độ nóng chảy thì tăng khoảng 1 o C/ 3phút. Khi các gốc tinh thể đã bắt đầu biến dạng là lúc bắt đầu chảy và khi các tinh thể đã biến thành hạt dầu hình cầu hoặc hình trứng thì quá trình tan chảy kết thúc. Hai thời điểm này là lúc ghi trị số điểm chảy. VIII. II.3. Điểm chảy hỗn hợp (mixed melting point0 Hỗn hợp 2 chất rắn khác nhau sẽ có điểm chảy thấp hơn điểm chảy của từng chất rắn riêng rẽ. Hai chất rắn nếu cùng một loại hợp chất thì hỗn hợp của chúng có điểm chảy không thay đổi so với điểm chảy của hợp chất riêng rẽ. Đặc tính này được ứng dụng để xác định một hợp chất chưa biết dựa vào một chất chuẩn đã biết. Tuy vậy cũng có một số trường hợp ngoại lệ, khi có sự tạo thành chất mới giữa 2 hợp chất trong quá trình tiếp xúc ở nhiệt độ cao. Vì vậy điểm chảy của một hỗn hợp cũng chỉ có giá trị tương đối để phối hợp với các kết quả phân tích khác khi kết luận về một hợp chất phân tích. IX. II.4. Điểm chảy hịêu chỉnh và không hiệu chỉnh Khi tham khảo tài liệu, chúng ta gặp một số trường hợp ghi điểm chảy hiệu chỉnh (corrected m.p) và một số trường hợp ghi điểm chảy không hiệu chỉnh (uncorrected m.p), đặc biệt những số liệu về điểm chảy công cố những năm gần đây, thường là điểm chảy hiệu chỉnh. Hai loại điểm chảy này nhiều khi sai khác nhau khỏang 5-6 o C, vì vậy cần phải biết cách hiệu chỉnh để sự so sánh, đối chiếu được chính xác. Độ chính xác của điểm chảy phụ thuộc nhiều vào loại nhiệt kế được sử dụng. Các nhiệt kế sản xuất ra đều được tiêu chuẩn hóa. Nhưng do quá trình sử dụng lâu với nhiệt độ cao, bầu thủy tinh chứa thủy ngân của nhiệt kế có thể bị biến dạng. Trung bình bầu thủy tinh này chứa lượng thủy ngân tương đưong với 6000 vạch chia độ trên thân nhiệt kế. Vì vậy, một sự biến đổi nhỏ của bầu thủy ngân cũng gây ra sai số lớn về nhiệt độ trên thân nhiệt kế. Hơn nũa, các vạch kế chia vạch được xác định trong điều kiện môi trường nhiệt độ hoàn toàn đồng nhất. Nhưng khi xác định điểm chảy, dù bằng phương pháp nào đi nữa cũng chỉ có bầu thủy ngân và một phần nhỏ nhiệt kế nằm ngoài có nhiệt độ thấp hơn. Sự giản nở của lớp thủy ngân trong các phần này không giống với lớp thủy ngân trong môi trường nhiệt độ thí nghiệm. Sự khác nhau này dẫn đến sai số khi đo. Để khắc phục nguyên nhân sai số trên, hiện nay có sản xuất một loại nhiệt kế mà khi chia vạch, chỉ có một phần dưới của nhiệt kế đặt trong môi trường thí nghiệm, còn phần trên nằm trong môi trường khí quyển. Loại nhiệt kế này, trên thân có một vòng tròn ghi 76 mmHg. Khi sử dụng nhiệt kế, cần chú ý sao cho đường vòng này nằm ngang giữa mặt phân cách giữa môi trường thí nghiệm và khí quyển. Với loại nhiệt kế này, nhiệt độ đo được không phải hiệu chỉnh. Có thể hiệu chỉnh nhiệt độ nóng chảy dựa vào công thức sau: C = 0,000154(t 1 -t 2 )N Dùng một nhiệt kế thứ 2(B) buộc chung với nhiệt kế đo điểm chảy (A) sao cho bầu thủy ngân của nhiệt kế B nằm chính giữa đoạn thủy ngân không nhúng vào chất lỏng của nhiệt kế A. t 1: điểm chảy đọc trên nhiệt kế A t 2: điểm chảy đọc trên nhiệt kế B N: số độ tương ứng với số đoạn thủy ngân không nhúng vào chất lỏng của nhiệt kế A. 0,000154: là chênh lệch về hệ số giãn nở giữa thủy tinh và thủy ngân. C: nhiệt độ hiệu chỉnh Nhiệt độ hiệu chỉnh cộng với nhiệt độ đo được ở nhiệt kế A là điểm chảy hiệu chỉnh của hợp chất thử. Với các chất có điểm chảy <100 o C thì trị số hiệu chỉnh nhiệt độ này bé, nhưng đối với những chất có điểm chảy >200 0 C thi nhiệt độ hiệu chỉnh có thể từ 3-6 o C. Với cách hiệu chỉnh này, cũng chỉ giải quyết sai số do sự chênh lệch thể tích thủy ngân trên và dưới mặt chất lỏng. Vì vậy cũng có giá trị tương đối. II.5. Hiệu chỉnh nhiệt độ bằng các hóa chất chuẩn có điểm chảy xác định Cách hiệu chỉnh chính xác là định kỳ hiệu chỉnh nhiệt kế bằng các hoá chất có điểm chảy xác định. Dưới đây là bảng kê các hóa chất có điểm chảy ổn định thường được dùng để hiệu chỉnh nhiệt kế. Bảng 26: Bảng kê các hoá chất có điểm chảy ổn định Hợp chất Điểm chảy ( o C) Nước đá 0 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, các bộ dụng cụ đo điểm chảy có trang bị một bộ các hoá chất chuẩn kèm theo để định kì kiểm tra và hiệu chỉnh nhiệt kế. Cách xác định điểm chảy của các chất chuẩn hòan toàn giống như đối với mẫu thử. . Bài 7: KỸ THUẬT KẾT TINH VÀ XÁC ĐỊNH ĐIỂM CHẢY I. KỸ THUẬT KẾT TINH Kết quả cuối cùng của quá trình chiết tách, phân lập và tinh chế là phải thu được hợp chất sạch, thông thường dưới dạng tinh. EtOH và các hỗn hợp dung môi có nước. - Thường các hợp chất dễ tan trong nước sẽ khó tan trong các dung môi hữu cơ và ngược lại. - Dung môi dùng kết tinh không được tạo thành hợp chất mới với chất. sẽ khó bay hơi trong khi kết tinh, đồng thời nhiệt độ cao có thể làm phân hủy chất kết tinh. - Trên thực tế để kết tinh các hợp chất tự nhiên, ta hay dùng MeOH hoặc hỗn hợp của MeOH với một dung