1 2 KRİSTALLENDİRME, ORGANİK ÇÖZÜCÜLERİN UZAKLAŞTIRILMASI VE EKSTRAKSİYON Kristallendirme Kristallendirme işlemi, saf olmayan ve oda sıcaklığında katı olan bileşiklerin saflaştırılmasında kullanılan bir yöntemdir. Yöntemin esası, saf olmayan katı bileşiğin belli miktar bir çözücüde, ısıtıldığında çok iyi çözünmesi ve soğukta ise çözünürlüğünün az olmasına dayanır. Organik reaksiyonlar sonucunda elde edilen katı organik bileşikler genellikle saf değildirler. Safsızlık içeren bu organik kimyasal bileşiklerin saflaştırılması genellikle uygun çözücü veya çözücü karışımlarından kristallendirilerek yapılır. Ancak safsızlığı fazla olan ham ürünlere direkt kristalizasyon işlemi uygulanamaz. Çünkü bazı safsızlıklar kristallenme hızını düşürür, hatta kristal oluşumunu tamamen önleyebilirler, böylece önemli miktarda madde kaybı olabilir. Bu nedenle kristalizasyondan önce ekstraksiyon, distilasyon veya kolon kromatogrofisi bir gibi ön saflaştırma işlemleri uygulanmalıdır. Kristallendirme İşlemi Katıların kristallendirilerek saflaştırılmaları uygun çözücü veya karışımlardaki farklı çözünürlük özelliklerine dayanır. Kristalizasyon işleminin safhaları şu şekildedir: 1. Saf olmayan maddenin uygun çözücüde kaynama noktası veya kaynama noktasına yakın bir sıcaklıkta çözülmesi. 2. Sıcak çözeltinin çözünmemiş madde veya tozlardan süzülerek ayrılması. 3. Sıcak çözeltinin soğumaya bırakılıp, çözünmüş maddenin kristalizasyonunun sağlanması. 4. Kristallerin çözücü fazından süzülerek alınması ve kurutulması. Oluşan kristallerin kurutulduktan sonra saflıkları, erime noktasına bakılarak kontrol edilir, saf değilse çözücü ile yeniden kristallendirilir. Bu işleme rekristalizasyon denir. Erime noktası sabitleşene dek bu işleme devam edilir. Kristallendirme ile safsızlıkların ayrılması şu şekilde olur: Örneğin A maddesi içindeki safsızlık B maddesi olsun (Genelde bir maddede %5 kadar safsızlık olduğu kabul edilir). Seçilen belli bir çözücüde ve belli bir sıcaklıkta A'nın ve B'nin çözünürlükleri SA ve SB olsun. Bu durumda 3 olasılık söz konusu olabilir; 1. Safsızlık saflaştırılacak maddeden çok çözünebilir. SB > SA 2. Safsızlık saflaştırılacak maddeden az çözünebilir. SA > SB 3. Çözünürlükleri eşit olabilir. SA = SB
2 Görüldüğü gibi birinci olasılıkta kristallendirme ile saf A elde edilebilir ve bu durumda safsızlık ana çözeltide kalacaktır. Örneğin; 1OO g lik bir A maddesinin 15 C da 100 ml lik uygun bir çözücü içindeki çözünürlüğü SA = 10g/100 ml ve SB=5 g/100 ml dir. Bu madde kristalizasyon tekniği ile saflaştırılırsa ; 100 g da (A) 5 g safsızlık (B), 95 g A maddesi vardır. 15 C da 100 ml çözücüde B'nin tamamı çözünür, A'nın ise 10 g'ı çözünür; buna göre 85 g A maddesi saf olarak kristallendirilebilir. Kristalizasyonda Kullanılacak Çözücünün Özellikleri 1. Saflaştırılacak maddeyi yüksek sıcaklıkta çok, düşük sıcaklıkta az çözmelidir. 2. Saflaştırılacak maddenin iyi oluşan kristallerini vermelidir. 3. Saflaştırılacak maddenin kristallerinden kolayca ayrılabilmeli ve K.N. 'ı düşük olmalıdır. 4. Saflaştırılacak madde ile reaksiyon vermemelidir. 5. Uçucu, yanıcı ve toksik olmamalı, kolay bulunabilmelidir. Kristalizasyonda çok kullanılan çözücülerden bazıları şunlardır: Su, eter, aseton, kloroform, metanol, karbontetraklorür, etilasetat, etanol, benzen, petrol eteri vs. Yanıcı özellikteki eter, aseton, metanol, etanol, etilasetat, benzen, petrol eteri gibi çözücüler kullanılırken ısıtma çıplak alevde yapılmamalıdır, su banyosu kullanılmalıdır. Kristallendirme işleminde en çok kullanılan çözücüler ve özelliklerini aşağıdaki tabloda gösterilmiştir:
3 Eter fazla uçucu olduğu için kabın kenarlarından yukarıya doğru tırmanır, bu nedenle kristallendirme işlemlerinde mümkün olduğunca kullanılmaması gerekir. Ayrıca eter kısa sürede uçtuğu için madde kabın dibinde tortu olarak kalır. Karbondisülfür de hava ile parlama noktası düşük karışımlar verdiği için mümkün olduğunca kullanılmamalıdır. Kristalizasyonda çözücü seçilmesi, çoğunlukla deneysel olarak tespit edilir. Pratikte 0,1 g madde 1 ml çözücü ile ısıtılmadan çözünüyorsa veya 0,1 g madde 3 ml çözücüla ısıtılarak çözünmüyorsa uygun değildir. Çift Çözücü ile Kristallendirme İşlemi Kristallendirilecek madde bir çözücüde çok kolay, bir başka çözücüde çok az çözünüyorsa iyi bir kristalizasyon işlemi için çözücü çiftleri kullanılabilir. Ancak bu iki çözücünün birbiri ile karışabilir olması gerekir. Bunun için önce madde çok çözündüğü çözücüde çözülür ve daha sonra maddenin az çözündüğü çözücü sıcak olarak azar azar ilave edilir. Hafif bulanıklık meydana gelince ilk çözücüden çok az ilave edilip, soğukta kristallenmeye bırakılır. Alkol-su, benzen-petrol eteri, aseton-petrol eteri en çok kullanılan çözücü çiftleri arasında yer almaktadır. Kristalizasyon Tekniği Kimyasal bileşik için uygun bir çözücü bulunup çözelti kaynama noktasına ulaşılana dek ısıtılır. Kaynamakta olan çözelti soğumaya bırakılmadan önce hızla süzülmelidir. Bunun için genellikle pileli süzgeç kağıdı ve geniş kısa boyunlu bir huni kullanılır. Geniş ve kısa boyun çözeltinin soğuyup, kristallerin oluşmasını ve tıkanıklık yaparak süzmede güçlük çıkmasını önler. İyi bir süzme ile süzgeç kağıdında kristal kalmaz. Süzülen çözeltinin üzeri saat camı ile kapatılarak soğumaya bırakılır. Oluşan kristallerin büyüklüğü soğutma işlemine bağlıdır. Hızlı soğutma ile küçük, yavaş soğutma ile büyük kristal oluşumu sağlanır. Büyük kristaller önemli miktarda çözücü içerirler. Küçük kristaller de ise birim yüzey hacim artacağı için daha fazla safsızlık adsorblayabilirler. Bu nedenle, soğutma genellikle orta ısıda yapılmalıdır. Oluşan kristaller süzgeç kağıdından veya vakumda buchner hunisi kullanılarak süzülür. Kurutma işlemi, açık havada, erime noktası altında, sabit etüvde veya vakum desikatöründe yapılabilir. Kristalizasyonda Karşılaşılabilecek Güçlükler 1. Renk giderme: Ham ürün renkli safsızlıklar içerebilir. Bu safsızlıklar kristaller tarafından adsorblanabileceği için renkli ve kirli kristaller elde edilir. Bunlar aktif kömür gibi safsızlıkları adsorblama kabiliyetindeki maddeler kullanılarak ortamdan uzaklaştırılabilirler. Çözeltiye ham ürünün ağırlığının %1-2 i kadar aktif kömür ilave edilip kaynatılır. Adsorbsiyon gücü fazla olan kömür genellikle büyük moleküllü olan safsızlıkları kolaylıkla adsorblar ve çözeltinin
4 rengini giderir. Aktif kömür fazla miktarda kullanılmamalıdır, aksi takdirde esas maddede absorblanır ve verim düşer. Çözelti süzülerek aktif kömüründen ayrılabilir. 2. Kristallenme güçlüğü ve yağ halinde ayrılma: Kristalizasyonda madde yağ halinde ayrılmış ise (bu durum çabuk soğutma veya çözeltinin derişik olmasından kaynaklanabilir) ısıtılarak çözülür, daha sonra tek fazlı berrak çözelti yavaş yavaş soğutulur veya yağ halinde ayrılmayı önlemek için soğumakta olan çözelti kuvvetle karıştırılır böylece yağ taneleri oluşsa bile biraraya gelmeleri önlenir ve kristallenme sağlanır. Bazen de doymuş çözeltilerden kristallenme başlamaz, bu durumda kristallenmeyi başlatmak için aşağıdaki işlemler uygulanır; Aşı kristali ilave etmek Cam bagetle kaşıma Çok düşük sıcaklıklara dek soğutma yapmak Çözeltideki çözücü miktarını biraz uçurmak Kristalizasyonda Süzme İşlemi Bir karışımda sıvı fazı katı fazdan ayırmak için uygulanan işleme süzme denir. İyi bir kristallenme ile saflaştırma ancak süzme işleminin kusursuz olarak yapılmasına bağlı olduğundan, süzme çok dikkat gerektiren bir işlemdir. Kristallendirme sırasında süzme işlemi çoğunlukla 2 kez uygulanır: 1. Kristallerime başlamadan önce hazırlanan sıcak çözeltinin süzülmesi: Sıcak çözeltilerin süzülmesi sırasında ısı kaybı elden geldiği kadar önlenmelidir. Aksi takdirde sıcaklık düşmesi ile çözünürlük azalacağından süzgeç kağıdında ve huni borusunda kristaller meydana gelir, bunlar süzmeyi güçleştirir. Soğumayı önlemek için hızlı süzmek, huniyi ve süzgeç kağıdını kaynar çözelti sıcaklığına kadar ısıtmak ve buharlaşmayı elden geldiği kadar önlemek gerekir. Bu koşulları sağlamak için akış borusu kesik huni ve pileli süzgeç kağıdı kullanılır. Huni, çözücü ile ıslatılmış süzgeç kağıdı ile beraber üstüne saat camı konarak içinde biraz saf çözücü bulunan bir beher üzerine oturtulur ve beher alttan ısıtılır. Sonra beher içindeki saf çözücü başka kaba aktarılarak aynı beher içine hemen süzme yapılır. Huniyi ısıtma işlemi, süzülecek çözeltinin kendisi kullanılarak da yapılabilir veya beher veya erlen içindeki çözeltinin üzerine konarakda ısıtılabilir. Böylece, huni geri soğutucu görevini görürken ısınır, bundan sonra çözelti ısınmış olan bu huniden derhal süzülür.
5 2. Kristallenme tamamlandıktan sonra kristallerin ana çözeltiden süzülerek ayrılması: Kristallerin ana çözeltiden ayrılması işlemi, adi süzme ile yapılmayıp, genellikle vakum uygulanarak yapılır. Vakum musluğa takılmış bir tromp ile sağlanır. Vakum hem süzmeyi hızlandırır, hem de kristallerin ana çözeltiden tamamen ayrılmasını sağlar. Fazlaca madde çözülecekse Nuçe Hunisi (Buchner Hunisi) ve erleni kullanılır. Huniye göre süzgeç kağıdı kesilip huniye yerleştirildikten sonra, önce tromp çalıştırılarak vakum yapılır, sonra süzülecek madde Nuçe Hunisine dökülmeye başlanır. Süzme işleminde yavaş emiş, hızlı emişten daha etkilidir, çünkü hızlı emişte çok ince taneler sürüklenerek süzgeç kağıdını üzerine yapışırlar ki bu durum kağıdın geçirgenliğini azaltır. Süzme sonucunda süzgeç kağıdı üzerinde kalan kristallerin üzerinde bir miktar ana çözelti tutunmuştur, bu durum saf çözücünün az bir miktarı ile yıkanarak giderilir. Nuçe Erlenine damlayan çözücü bittiği an vakum kesilir.
6 Deneyin Yapılışı 1. 3 g saf olmayan benzoik asit terazide tartılarak bir behere konulur (Tartım işleminin nasıl yapılacağı ile ilgili bilgiyi Ünite 2 de bulabilirsiniz.), üzerine 75 ml saf su mezür ile ölçülerek aktarılır. 2. Oluşan karışıma 1 g aktif karbon konulur. Behere düzenli karıştırma sağlamak için manyetik balık atılır. 3. Beher, manyetik karıştırıcılı ısıtıcı üzerine yerleştirilir. Benzoik asit ısıtılarak tamamen çözünmesi sağlanır. 4. Çözünme sağlandıktan sonra beyaz bantlı süzgeç kağıdı kullanılarak sıcak süzme işlemi gerçekleştirilir. 5. Süzüntü, kristallenmesi için soğumaya bırakılır. Soğuyan süzüntüde benzoik asit kristallendikten sonra, yine beyaz bantlı süzgeç kağıdı kullanılarak vakumda süzme yöntemiyle madde süzülür. 6. Oluşan kristaller saat camı üzerine alınarak yaklaşık 90-95 C ye ayarlanmış etüvde kurutulur. 7. Kurutulan kristaller terazide tartılarak miktarı belirlenir ve kaydedilir. Buharlaştırma Buharlaştırma, homojen karışımların ayrılmasında kullanılan bir diğer yöntemdir. Yöntemin esası, saf olmayan bir karışımın buharlaştırılarak ayrılmasına dayanır. Saf olmayan bir karışımda; Çözücü düşük kaynama noktasına sahipse yani kolay uçucu ise (eter gibi) geniş ağızlı bir kapta üstü kapatılmadan çeker ocak içinde çözücü buharlaşıncaya kadar karışım bekletilir. Çözücünün kaynama noktası çok düşük değil ise çeker ocak içinde hazırlanan uygun bir ısıtma banyosu. içinde geniş ağızlı bir kapta çözücü buharlaştırılır (buharlaştırma kapları cam veya porselen olabilir). Buharlaştırma yönteminde en çok vakumlu döner buharlaştırıcı (rotary evaporator) cihazı kullanılmaktadır.
7 Vakumlu döner buharlaştırıcı cihazında; ısıtma banyosu, vakum düzeneği, dönmeyi sağlayan motor ve buharlaşan çözücüyü toplama kabı bulunmaktadır. Ayrıca buharlaştırılacak çözücünün türüne göre vakum, ısı ve dönme ayarları yapılabilmektedir. Buharlaşan çözücü saflaştırılarak tekrar kullanılabilmektedir. Vakumlu döner buharlaştırıcı ile buharlaştırma işleminde, çözücünün kaynama noktasının düşük veya yüksek olması önemli değildir. Özel bir balona konulan saf olmayan karışımın çözücüsü, döner buharlaştırıcıda buharlaştırılacak çözücünün türüne göre, sıcaklık ve basınç ayarlamaları yapıldıktan sonra belli bir dönme hızında buharlaştırılır. Çözücü, toplama balonunda toplanır. Bu şekilde saf olmayan madde ayrılıp saflaştırılır. Özütleme (Ekstraksiyon) Özütleme, homojen karışımların ayrılmasında kullanılan bir diğer yöntemdir. Yöntem; çözünürlük farkına dayanır ve saf olmayan karışımdan saflaştırılacak madde genellikle çok çözündüğü ikinci bir çözücü içine çekilir. Bu yöntemde iki faz oluşturulur, fazlardan biri maddeyi genellikle daha çok çözer ve çözünürlüğü oranında madde iki çözücü arasında dağılır. Bu dağılma oranına dağılma katsayısı denir ve (KD) ile belirtilir (KD) sıcaklığa bağlı bir sabittir). Her çözücü çifti için sabit bir sıcaklıkta dağılma katsayısı da sabittir. Çözücülerden birinin su, diğerinin ise organik bir çözücü olduğu bir durumda, madde her iki çözücüde çözünürlükleri oranında dağılacaktır. Burada; C o : Maddenin organik fazdaki derişimi, C s : Maddenin su fazındaki derişimi, m s : Sulu çözeltideki madde miktarı (g), m o : Organik çözeltideki madde miktarı (g),
8 m t : Toplam kütle (g), m n : Su fazında n işlem sonunda kalan madde miktarı (g), n : Özütleme işlem sayısı, V s : Sulu çözeltinin hacmi (ml), V o : Bir özütleme işleminde kullanılan çözücünün hacmidir (ml). Özütleme, saflaştırılacak maddenin türüne göre; Sıvı-sıvı özütlemesi, Katı-sıvı özütlemesi şeklinde ikiye ayrılır. a. Sıvı-Sıvı Özütleme İşlemi Sıvı-sıvı özütlemesi için, aşağıdaki sıra izlenerek işlem gerçekleştirilir. Sıvı-sıvı özütleme işlemi için uygun bir ayırma hunisi kullanılır. Özütleme işleminde genellikle fazlardan biri sudur, diğer faz ise organik bir çözücüdür. Organik çözücülerin yoğunlukları sudan farklı olmalıdır. Örneğin; eter, kloroform, vb. gibi. İçerisinde organik madde bulunan saflaştırılacak sulu karışım önce ayırma hunisine konulur, daha sonra üzerine belli bir miktar özütleme çözücüsü eklenir. Karışım ayırma hunisine konulduğunda yoğunluğu az olan çözücü üst fazı, yoğunluğu fazla olan çözücü ise alt fazı oluşturacak şekilde iki faz meydana gelir. Su içindeki organik maddeyi, organik çözücü fazına alabilmek için ayırma hunisi çalkalanır, çalkaladıkça oluşan gazın çıkması için ayırma hunisi yan tutularak musluk hafifçe açılır. Bu işlem birkaç kez tekrarlanır. Fazların ayrılması için ayırma hunisinin kapağı hafifçe açılarak beklenir. İki çözücünün yoğunlukları birbirine yakın olduğunda fazlar tam olarak ayrılamaz. Böyle bir durumda su fazına NaCl eklenerek suyun yoğunluğu arttırılır ve böylece fazların tam olarak ayrılması sağlanır. Faz ayrımı tamamlandıktan sonra alt faz musluk açılarak dikkatli bir şekilde bir behere aktarılır, üstteki faz musluğun hizasına gelince musluk kapatılır. Üstteki faz, ayırma hunisinin üstünden başka bir behere aktarılır. Özütleme işlemi birkaç kez tekrar edildikten sonra organik fazlar birleştirilir. Organik fazdaki çözücü buharlaştırılarak madde ayrılır ve böylece saflaştırılmış olur. b. Katı-Sıvı Özütleme İşlemi Katı-sıvı özütleme işlemi için bir Soxhlet düzeneği kurulur ve aşağıdaki sıra izlenerek özütleme işlemi uygulanır. Katı-sıvı özütleme işlemi genellikle bitkilerden veya hayvanlardan bazı doğal maddelerin izolasyonunda kullanılan bir yöntemdir. Katı-sıvı özütleme işlemi genellikle sıvı-sıvı özütleme işlemine göre daha uzun sürede gerçekleşir. Özütlemede
9 kullanılacak katı madde iyice öğütülür (Bitki ise önce kurutulur). Öğütülen katı madde selülozdan yapılmış olan ekstraksiyon kartuşuna doldurulur ve Soxhlet cihazının içine yerleştirilir. Balona ise özütleme çözücüsü eklenir ve ısıtma işlemine başlanır. Buharlaşan özütleme çözücüsü geri soğutucudan dönerek Soxhlet düzeneğindeki balonda toplanmaya başlar, bu sırada katı fazdan özütlenmek istenen madde çözücü fazına geçer. Soxhlet çözücü ile dolduğu zaman sifon yaparak çözücü tekrar balonda toplanır. Bu şekilde 2-3 kez özütleme işleminden sonra, balonda toplanan çözücü ve madde karışımından çözücünün buharlaştırılmasıyla istenen madde izole edilmiş olur. Asit-Baz Ekstraksiyonları Asit- baz ekstraksiyonunda amaç, güçlü veya zayıf organik asitleri, bazları veya nötr organik bileşikleri ayırmaktır. Asit baz reaksiyonlarında ayırma, basit asit baz reaksiyonlarına dayanır. Elinizde güçlü bir organik asit ( benzoik asit), zayıf bir organik asit ( fenol ), organik bir baz ( anilin) ve nötr organik bir bileşik ( naftalin ) gibi dört bileşik olduğunu varsayınız. İlk olarak bu dört organik bir çözücü olan eter çözeltisi içerisinde çözülür. Eter çözeltisi, zayıf bir baz olan sodyum bi karbonatın doyurulmuş sulu çözeltisi ile karıştırılır. Bu karışımda bikarbonat ile sadece, iyonik tuz oluşturmak üzere organik asit reaksiyona girecektir. Oluşacak iyonik tuz, su fazında çözünmüş durumda olacaktır ve su fazı uzaklaştırılır. Eter çözeltisi içerisinde sadece zayıf organik asit olan fenol, organik baz olan anilin ve nötr naftalin bulunmaktadır. Eter
çözeltisine şimdi % 10 luk sodyum hidroksit (NaOH) eklenir ve karışım karıştırılır. Bu karışımda güçlü bir baz olan hidroksit ile sadece zayıf organik asit reaksiyona girerek su fazında çözülen iyonik bir bileşik oluşacaktır. Daha sonra su fazı uzaklaştırılır. Şuan eter çözeltisi sadece bazik ve nötr bileşiği içermektedir. Eter çözeltisi, sulu hidroklorik asit ile karıştırılır ve bazik bileşiğin su fazında çözünen klor tuzu oluşur. Daha sonra oluşan su fazı uzaklaştırılır. Son olarak, eter çözeltisini buharlaştırmak için su banyosuna bırakılır ve buharlaştırma kapında nötr organik bileşik ( naftalin ) kalır. Diğer üç bileşen, sodyum benzoata ve sodyum fenoksite asit eklenerek anilin klorüre baz eklenerek tekrar geri kazanılır. 10
11 Deneyin Yapılışı 1. 50 ml Eter içerisine, 3 ml toluen, 2 g benzoik asit ve 1 ml anilin eklenerek saf olmayan bir karışım oluşturulur. 2. Karışım 250 ml lik ayırma hunisine alınır. 3. Bu karışıma 25 ml % 20 lik NaOH çözeltisi eklenerek iyice çalkalanır. 4. Fazların ayrılması için belli bir süre beklenir. 5. Ayırma hunisinin musluğundan su fazı bir behere alınır. Eter fazı (organik faz) ise ayırma hunisinde kalır. 6. Su fazına benzoik asidin sodyum tuzu (sodyum benzoat) geçmiştir. Organik fazda ise toluen ve anilin kalmıştır. Su fazındaki sodyum benzoat tuzu, seyreltik HCl asit eklenmesiyle tekrar benzoik asit haline dönüştürülür. 7. Ayırma hunisindeki eter fazı üzerine 25 ml 0,5 M HCl çözeltisi eklenerek çalkalanır. 8. Fazların ayrılması için belli bir süre beklenir. 5. Ayırma hunisinin musluğundan su fazı bir behere alınır. Eter fazı (organik faz) ise ayırma hunisinde kalır. 8. Organik fazın çözücüsü döner buharlaştırıcıda buharlaştırılarak saf toluen elde edilir. 9. Su fazındaki anilinyum klorür tuzu, seyreltik NaOH eklenmesiyle tekrar anilin haline dönüştürülür. 9. Sulu fazlar ayrı ayırı ayırma hunisine alınıp ve üzerine 25 ml eter eklenerek çalkalanır. Bu işlem ile benzoik asit ve anilin eter fazına geçer. 10. Fazların ayrılması için belli bir süre beklenir. 11. Fazlar ayrıldıktan sonra su fazı ayırma hunisinin musluğundan, organik faz ise ayırma hunisinin üstünden alınır. 12. Eter çözücüsü döner buharlaştırıcıda buharlaştırılarak saf benzoik asit ve anilin elde edilir. 13. Ayrılan maddeler kurutulur.