化学

再結晶のやり方-原理やコツをわかりやすく解説!

再結晶のやり方

再結晶の原理とは?溶媒に飽和させる意味!

再結晶は精製操作の一つです。化合物の溶媒に対する溶解度の差を利用して、結晶化させます。多くの化合物は溶媒の温度が高いほど溶解度が大きくなります溶解度ー析出例えば、80℃で飽和させた溶液を20℃まで冷却すると溶け切らなくなった分が結晶で出てきます。

再結晶は精製操作の一つ

2種類以上の化合物が混じっている混合物でも、不純物の量が少なく、それが再結晶溶媒に溶ける場合、目的化合物のみを結晶として取りだせるので、精製することができます。

不要な化合物が多い場合は、不要なものも一緒に結晶として出てきたり、ほしい化合物の結晶の中に不要な物質が入り込むことがあるので、純度の高い結晶は得られません。純度の高い結晶を得たい場合は、カラムや抽出等で精製してから再結晶を行うと良いです。

再結晶以外の精製が難しい場合は、得られた汚い結晶を何度も再結晶を繰り返すことで純度の高い結晶を得ることもできます。

再結晶はどんな時にやるの?

  1. 大スケールでカラムをやるのが大変な時
  2. 純度の高い化合物が必要な時(分析等に利用したい場合)

は再結晶が役立ちます。数十グラムの合成でカラムをかけるのは非常に苦労しますが、再結晶では割と楽にできます。むしろ量が多いほうがやりやすいぐらいです。

芳香環などを含む平面性の高い化合物等は結晶化しやすいです。結晶化しやすい化合物は積極的に再結晶してみましょう。また、化合物を濃縮真空乾燥した時の様子を観察して、固体になったり、結晶が析出したりする場合は再結晶しやすいです。

まとめ

・再結晶は大スケールの反応の精製で役立つ
・高純度な化合物を得るのに有効(ジアステレオマーの分離も可能)
・慣れれば簡便である
・精製法としてはロスが大きい

再結晶のやり方

再結晶の操作は「化合物が低温時(常温時)では溶けにくい溶媒に化合物を加えて、温めてできるだけ溶かし、冷却する」が基本です(冷却法)。化合物をよく溶かす性質の溶媒を良溶媒、溶かしにくい溶媒のことを貧溶媒と呼びます。再結晶はまずこの溶媒探しから始まります。

  1. 下準備(化合物の純度・反応性の確認、水分等の除去、結晶の粉砕)
  2. 溶媒探し・条件検討
  3. 熱時ろ過(不溶物があれば)
  4. 結晶化させる(冷却する・貧溶媒を添加する・濃縮する)
  5. ろ過して結晶を得る。

下準備

  1. TLCで純度確認。精製(分液、カラム)できる場合はしておく
  2. 再結晶可能か確認(反応性を予測して使用できない溶媒を把握する)
  3. 真空乾燥(揮発性成分の除去)

まずはTLCをチェックして純度を確認しましょう。目的物が60%くらいは存在していることが望ましいです。不純物の量が割と多くて、目的物とのRf値が大きく離れている場合は分液やカラムで分離精製したほうが速い場合多いです(結晶化しやすい場合は再結晶しても良い)。特に高極性の原点成分はベタついたオイルとして出てきて結晶を汚すので取り除いたほうが無難です。

次に反応性を確認します。反応性の高い脱離基(Ts, N3, I etc)や求電子性部位(エポキシド、アルデヒド etc)がある場合、使用できる溶媒は何か?(求核性のある溶媒やプロトン性の溶媒、酸・塩基性溶媒)確認します。

再結晶する化合物が結晶化しやすいか確かめるためにも、真空下で濃縮しておきましょう。濃縮時に高沸点溶媒(水やDMSO等)が含まれていると結晶化しにくくなるので、共沸や凍結乾燥、分液、カラム等で除去します。得られた結晶は、溶解しやすいように細かく粉砕しておきます。吸湿性のものは無理にやらなくてもよいです。

再結晶溶媒の検討

再結晶では基本的にどんな溶媒を使ってもOKですが、一般的に

  1. 化合物を高温時に良く溶かす
  2. 化合物と反応しない
  3. 沸点が高すぎない(温めやすいように低すぎてもダメ)

の条件を満たす溶媒を使用します。使用しないほうが良い溶媒としては、

  1. 強酸・塩基性
  2. 高沸点
  3. 猛毒性

の溶媒は使用しないほうが良いでしょう。溶媒は1種類の溶媒でも2種類以上の混合溶媒でもOKです。

・溶媒探しの手順

  1. ミクロチューブ(小さい容器)に少量の化合物(5~10mg程度)を加える
  2. 常温(あるいは低温0℃とか)で溶媒を少量ずつ加えて様子をみる
  3. 溶けない場合は徐々にあたためてみる
  4. 冷やして結晶が出てくるか確認する

常温で溶解するか、しないかをチェックします。常温で溶けない場合は沸点付近まで加熱して溶解するかどうか確認します。溶解した場合は、それを冷やしてみて結晶がでるかチェックします。室温でも出てこない場合は、氷で冷却してみます。溶媒への溶解性は溶媒と化合物の構造(極性)が似ているものほど溶けやすいことが多いです。https://netdekagaku.com/solvethecompound/

再結晶で使用する溶媒は極性の低い順番(適当)で、

アルカン系 ヘキサン(68℃)、シクロヘキサン(81℃)、デカリン(~190℃)
ベンゼン系 ベンゼン(80℃)、トルエン(111℃)、キシレン(144℃)、クロロベンゼン(131℃)、ジクロロベンゼン(181℃)
ハロアルカン類 ジクロロメタン(40℃)、クロロホルム(61℃)、四塩化炭素(77℃)、1,2-ジクロロエタン(84℃)
エーテル類 ジエチルエーテル(34℃)、MTBE(55℃)、ジイソプロピルエーテル(69℃)、ジフェニルエーテル(257℃)
環状エーテル類 1,4-ジオキサン(101℃)、THF(66℃)
エステル類 酢酸エチル(77℃)、酢酸ブチル(126℃)
アミド類 DMF(153℃)、DMA(165℃)、NMP(202℃)
アルコール類 メタノール(65℃)、エタノール(78℃)、イソプロパノール(82℃)、ブタノール(117℃)
その他 アセトン(57℃)、アセトニトリル(82℃)、ニトロメタン(100℃)、水(100℃)、ピリジン(115℃)、酢酸(118℃)

溶ける溶媒が見つからない場合→高沸点溶媒(>100℃)を使用して温めてみる。還流させるのも有効です。ただし、化合物の分解に気をつけましょう。

常温で溶けてしまう溶媒ばかりの場合

  1. ドライアイスーアセトン浴(-78℃)などを使用して0℃以下まで冷却して様子をみる(溶媒が凍結しない温度で!)
  2. 溶ける溶媒と溶けにくい溶媒の混合溶媒を作る(ヘキサンー酢酸エチル、ジクロロメタンーメタノールなど大抵は低極性+高極性溶媒の組み合わせ。この時極性の高い溶媒の沸点が極性の低い溶媒の沸点よりも低いほうが好ましい)

混合溶媒を試して温めてみましょう。見事結晶化ができたらスケールアップしましょう。もしも、ミクロチューブ中で結晶化しなくてもOKです。結晶化させる方法は冷却以外にもあります。

熱時ろか

熱時ろかは必ずしも必要ではありませんが、熱した際になかなか溶けない不純物がある場合は、ろ過したほうがより良い結晶が得られます。結晶化しやすい場合は無理に熱時ろかはしないほうが良いです。ろ過時に結晶化して詰まってしまうことが多いからです。この場合は常温で溶ける溶媒で溶かしてから吸引ろ過してゴミ(ホコリや紙くず、ガラス等、不溶化合物)を取り除いてから再結晶しましょう。熱時ろ過の方法は

  1. ロート(桐山やブフナー等吸引用が好ましい)、ろ紙、洗浄溶媒を各々温めておく
  2. 溶液を一気に流し込んでろ過する
  3. よく温めた溶媒で少し洗う

もし途中で結晶化してしまった場合は、溶かし直して、やり直しましょう。

決まった条件の溶媒で再結晶する

熱時ろかした場合は濾液をそのまま使います(溶媒量が多い場合は再濃縮する)。再結晶の容器は、ナスフラスコが良いです(還流したり、すぐにエバポできるから)。丸底フラスコは結晶が取り出しにくいので向きません。結晶の取り出しやすい三角フラスコを用いても良いです。

温めながら少しずつ溶媒を加えて、飽和させます。あまり飽和させると(過飽和)逆に結晶が出にくくなるので、その一歩手前くらいが良いでしょう。

純度の低いサンプルの場合は飽和溶液はすぐ冷却、擦って結晶を出して再度再結晶を繰り返したほうが時短になります。

純度の高いサンプルは、単結晶が得たい場合などは、なるべくゆっくり冷やします。オイルバスや湯浴を用いた場合、バスごと冷却するという手もあります。とにかくゆっくり冷却して放置しましょう。動かすのも厳禁です

結晶が出ない場合は、氷水やドライアイスバスなどを使って冷却したり、逆に動かして刺激を与えて結晶化を促します。方法としては、揺り動かしたり、超音波を当てたり、容器の内壁の液界面付近をスパーテルでこするという方法があります。また、すでに結晶を持っている場合は、種結晶として加えるとこれを核にして結晶化が進みやすくなります。

結晶をろ過して得る

内壁にくっついた結晶は剥がします。うまく剥がせない場合は、超音波を当てるのも有効ですがすでにある結晶が崩れることがあるので注意します。

ろ過は吸引ろ過が一般的です。自然ろ過では濾液が蒸発して不純物が析出してくることがあるためです。ろ過をやるまえに、洗浄溶媒を準備します。洗浄溶媒としては目的物を溶かさずに、不純物を溶かす溶媒が良いです。再結晶に使用した溶媒を氷浴で冷却したものやそれでも溶けそうな場合は貧溶媒を加えた混合溶媒、あるいは貧溶媒でも良いです。これを得られた結晶の上にかけて結晶をキレイに洗浄しましょう。取り出した結晶はろ紙ごとそのままあるいは、結晶を掻き出して、減圧下で乾燥します。昇華性の場合もあるので注意します。壊れなければ熱をかけても構いません。この時、濾液は捨ててはいけません。再結晶は収率が低いので、濾液に大量に目的物が含まれています

濃縮法、貧溶媒添加法、蒸気拡散法、中和法

上に述べた方法は、再結晶の最もスタンダードな方法である冷却法です。これ以外にも再結晶の方法はあります。良溶媒を蒸発させることによって飽和させる濃縮法や貧溶媒を添加することによって飽和させる貧溶媒添加法、良溶媒に溶かした容器を貧溶媒の蒸気で満たされた空間に密閉することによって、良溶媒中に貧溶媒を徐々に溶かし込む蒸気拡散法、カルボン酸やアミンなどの官能基に対して酸・塩基を加えて塩として晶出させる中和法があります。

濃縮法

濃縮法は少し多めの溶媒に溶かした溶液を徐々に蒸発させることによって、飽和させて結晶化する方法です。溶液が濁ってくるまで濃縮して放置する方法があります。アルミホイルで軽くふたして放置すると徐々に溶媒が飛んで濃縮していきます。この方法は時間がかかりますが、結晶化しにくい化合物でも結晶が得られる場合があります。また結晶も大きい場合が多いです。

貧溶媒添加法

適当な量の良溶媒に溶かした化合物に対して貧溶媒を加える方法です。通常は温めながら行うことが多いと思います。貧溶媒と良溶媒の沸点差が大きくなりすぎないようにします。方法としては、良溶媒に温めながら溶かした溶液に貧溶媒(温めても良い)を加えて濁る手前程度まで加えます(濁らない場合もある)。(貧溶媒の沸点が良溶媒よりも低い場合は濁るまで加えた後、温めながらある程度貧溶媒を蒸発させることによって濁る手前くらいの状態を作り出しやすい)。その後、通常通り冷却して結晶を析出させます。温めずに貧溶媒を徐々に加えていって、結晶を押し出す方法もあります。

蒸気拡散法

蒸気拡散法は、X線結晶解析に使う単結晶を取り出す際などによく用います。方法は、良溶媒に化合物を溶かした溶液が入った容器と、それよりも大きい容器に貧溶媒をTLCを展開する時のように加えた容器の2つを用意します。貧溶媒が入った大きな容器の中に化合物を溶かした小さい容器を入れて、大きな容器のほうの蓋をとじます。こうすることによって、蒸気を介して貧溶媒が良溶媒に溶け込んで行き、徐々に飽和していきます。この方法は時間がかかりますが、大きくキレイな結晶が得やすいです。

中和法

中和法は、化合物が塩を形成する官能基を含むときに利用できます。カルボン酸には塩基、アミンには酸を添加することによって塩を形成できます。カルボン酸塩は分子型(COOH)の時と比べて性質が大きく異なります。塩は極性が高く水に溶けやすい一方で、極性の低い有機溶媒では溶けにくく結晶化もしやすいです。カウンターイオンによって塩の性質が異なります。アルコール中で塩に変換することで一気に結晶化するということもあります。

塩の作り方

分子型の化合物(COOH、スルホン酸等)を水と混和する溶媒(アルコール、アセトニトリル、THF等)に溶解させ、そこに塩基(NaOH、KOH等水溶液やメタノール溶液として)を滴下して加えます。等モル量位加えたら、冷却したり、貧溶媒を加えて析出するかどうかみます。溶媒は非水溶性有機溶媒(トルエン等)でも良いです。

再結晶のコツ・小技

水を試す

有機合成をやっていると見落としがちですが、水も溶媒の一つで、極性の高い化合物にとっては良溶媒で、疎水性の化合物にとっては貧溶媒です。疎水性化合物の場合では、水と混和性の溶媒(アルコールやTHF、アセトニトリル等)に溶解した溶液に水を加えると極性が上がって晶出することがあります。エタノールは高温ではアルコール、低温では水の性質が強くでるといわれています。

再結晶の品質とは?

再結晶の品質には、純度だけではなく、粒子径、形状、結晶多形などがあります。これらは再結晶を行った条件によって変化します。どの溶媒を使用したか、冷却のしかた等々が影響を受けます。

粉になりやすい?

温めた溶液をできるだけゆっくり冷却したほうが結晶が大きくなります。また、不純物が結晶に取り込まれにくくなり、結晶の純度も向上します。また、結晶粒径が小さくなったり純度が低下する原因は急冷以外に、衝撃などもあります。揺らしたりこすったりシない方が良いです。また、容器内壁の傷、あるいは、混入物(ホコリ等)もできるだけ除いたほうが良いです

結晶が出てこない

結晶が出てこない時は、容器の内壁、溶媒の液面付近をスパーテルでこすると結晶化する場合がある。擦った時に、こすった跡が確認できるときは大抵でてくる。超音波洗浄機で刺激を与えてもでてくることがあります。結晶を持っている場合は種結晶として加えて置くとでてくることがあります。急ぎでは無いときは冷蔵庫に長い間放置すると出てくる時もあります。冷却法ではなく濃縮法や溶媒拡散法など別法で再結晶してみる。また、結晶の融点が低い時も結晶化しにくいです。溶けたように見えても固体が溶けてオイルになっている場合もあります。常温で溶けてしまうようなものではより0℃以下の低い温度で再結晶するとうまくいく場合があります。

溶けているように見えない?溶けない?

溶けにくい化合物は飽和するまで時間がかかります。溶けないからと言って溶媒を加えすぎると再結晶できなくなります。その場合は、溶解する化合物をできるだけ細かくしたり、超音波にかけたり、振盪したりしながら、時間をかけて溶かして飽和させます。化合物が安定そうな場合は、還流させてゆっくり溶かす方法もあります。

収率が低い

再結晶はもともと収率が低いです。半分持ってこられたら良いほうです。濾液にかなり化合物が含まれているので捨てないようにしましょう。また再結晶するか、純度によってはカラムを通します。それにしても収率が低い場合は、再結晶溶媒を再検討しましょう。溶解性の悪い溶媒で、大量に加えている場合であれば、もう少し溶けやすい溶媒や、温度をかけられる高沸点溶媒などを用います。また冷却も室温だけでなく、0℃以下(-78℃くらいまでやってみる)まで冷やします。

目的物は無色なはずなのに試料が着色している

着色成分は極微量でも色づくので、TLCで確認できなければ場合にもよりますが、気にしなくても良いです。着色成分の除去は「活性炭」を使います。活性炭は低極性化合物を吸着する力が強いため、極性溶媒(アルコール等)に溶解して、活性炭を少量加えて、加熱撹拌後、セライトろ過します。活性炭は目的物も吸着するため、少量ずつ様子を見ながら行う。

ナスフラスコの底が抜けた!?

500 mLや1 Lといった大きいフラスコほどもろく、結晶化した固体をスパーテルやガラス棒で崩そうとしたり、掻き出そうとして突くと簡単に底が抜けてしまうことがあります。ナスフラスコ置きにおいて慎重にやりましょう。

細かすぎてろ過できない

粉状の固体しか得られないこともあります。この場合は、長時間放って置くか、遠心分離すると沈殿します。遠心分離機1500rpm、5-10分くらい回せば、底に溜まってペレット状になります。遠心分離後、上澄みを取り除いて、溶けない溶媒を加えてペレットを砕いて分散させた後、再度遠心分離、上澄みを取り除く操作を繰り返して固体を洗浄後、窒素を吹きかけてある程度乾燥させたあと、減圧乾燥します。(ある程度乾燥させた後に減圧乾燥させないと飛散することがあるので注意です。

再結晶の参考サイト、動画、書籍

・wikipedia

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%86%8D%E7%B5%90%E6%99%B6

・実験テクニックのまとめ作ろうぜ@

https://wikiwiki.jp/bake-tech/%E5%86%8D%E7%B5%90%E6%99%B6

・有機合成好きのサイト

http://yuuki-gousei.com/2016/04/23/%E5%86%8D%E7%B5%90%E6%99%B6/

・放課後化学講義室

http://chemieaula.blog.shinobi.jp/Entry/171/

動画

・静岡県立大ー再結晶溶媒の決め方

・京都大学-熱時ろかと再結晶

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こめやんは理学博士です!化学の面白さと学ぶメリットを少しでも伝えるために日々頑張ります! ツイッターにて疑問点や依頼などを募集しています! 論文の和訳やレポートのチェックなどでもお気軽にお待ちしております

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