أحدث الموضوعات

الطرق العملية للحصول على المواد العضوية نقية



المواد النقية Pure Materials

** يتطلب العمل العملي البحثي التعامل مع أو عزل مركبات كيميائية نقية والتي تكون على شكل مواد صلبة أو سائلة في الغالب أو غازية بشكل قليل.

** على عكس التفاعلات الأيونية للمركبات اللاعضوية، فأن التفاعلات الكيميائية العضوية لا تتم بشكل كامل أو تكوين نواتج عرضية مما يؤدي إلى خفض ناتج التفاعل، لذا فإن ناتج مثوي من 90 - 80 % من الناتج النظري يكون مرضياً.

** تسعى البحوث الصناعية ومختبرات البحث والتطوير إلى زيادة المنتوج لتحقيق أعلى المردودات الإنتاجية والاقتصادية.

** لإعطاء الوصف الكامل للمركبات المتداولة في أي تفاعل واستخراج التكوين الكيميائي لها فإن ذلك يستوجب عزلها في حالة نقية من مزيح التفاعل والتخلص من النواتج العرضية الجانبية بعدة طرق عملية تضمن الدقة والنقاوة وهي:

(1) عملية البلورة Crystallization
(2) عملية التقطير Distillation
(3) التقطير البخاري Steam distillation
(4) عملية التسامي Sublimation
(5) طريقة الكروماتوغرافيا الأمتزازية Chromatographic adsorption
(6) طريقة الكروماتوغرافيا العزلية Partition Chromatography
(7) طريقة كروماتوغرافيا الورق Paper Chromatography
(8) كروماتوغرافيا الغاز Gas Chromatography

وسوف نتناول الآن شرح لكل طريقة على حدا

(1) عملية البلورة Crystallization

** تعتمد هذه الطريقة من التنقية على اختلاف ذوبانية المركبات العضوية الصلبة في مذيبات متعددة. وإذا كانت المواد العرضية (الشوائب) أكثر ذوبانية من المركب الرئيسي في ذلك المذيب فإن عزل المركب الرئيسي يكون بدون أية مصاعب ويتبلور بعد تبريد المحلول المشبع الساخن بينما تبقى الشوائب ذائبة في المحلول البارد والذي يدعى السائل أو المذيب الأم.

**على العموم ولأن معدل التبلور مختلف ، فإن عملية عزل تامة يمكن تحقيقها للمركب النقي بعد فترة من الزمن بينما تبقى الشوائب ذائبة في المحلول لقلة تركيزها وعدم وصول بلورتها إلى حالة فوق الإشباع.

** تستخدم على الأرجح المذيبات العضوية في تنقية وإعادة بلورة المركبات العضوية مثل الكحولات والأسيتون والأثير والبنزين والكلورفوم وحمض الخليك الثلجي وخلات الإيثل وغيرها من المذيبات كما يستخدم في بعض الأحيان الماء لقطبيته العالية.

** تستخدم المذيبات الثنائية في عمليات البلورة عندما لا يذوب المركب غير النقي في أحد هذه المذيبات.

(2) عملية التقطير Distillation

**عملية التقطير هي عملية تحويل السائل إلى الحالة البخارية تليها مباشرة عملية تكثيف إلى الحالة السائلة مما يسهل فصل السائل المطلوب عن الكميات القليلة من السوائل التي تعتبر شوائب سواءاً كانت أقل أو أعلى درجة غليان من السائل المطلوب تنقيته.

** تعتمد عملية التقطير على الاختلاف في درجات الغليان لمكونات المزيج حيث تكون سهلة وكفؤة كلما كان الفرق في درجات الغليان كبيراً وتستخدم أجهزة التقطير في ذلك أما إذا كان الفرق في درجات الغليان لمكونات المزيج قليلاً (10 - 5) مo فيتم اللجوء إلى استخدام جهاز التقطير الجزيئي (Fractional distittation).

** في حالة التعامل مع المركبات ذات درجات الغليان العالية والتي يحتمل أن تتفكك (Decomposed) فأن التقطير يجري تحت الضغط المخلخل 12 mm) من الزئبق) أو الفراغ العالي (High Vacuum) والذي يكون 0.2 mm) من الزئبق). ولا تستخدم هذه الطريقة في فصل مكونات المزيج المتداخلة (Azeotropic mixure).

(3) التقطير البخاري Steam distillation

** تستخدم هذه الطريقة بشكل واسع في المختبرات الكيميائية وتعتمد على حقيقة أن هنالك عدة مركبات لها درجات غليان أعلى من درجة غليان الماء تكون طيارة ومتمازجة مع الماء (Volatile) في الحالة البخارية بمعدل يتناسب طردياً مع الضغوط البخارية لها وبالتالي تتكاثف مع البخار في عمود التكثيف.

** إذا كانت المادة المراد تنقيتها غير ذائبة عملياً في الماء فإن الضغوط البخارية لكلا المركبين تؤثر الواحدة على الأخرى وفي درجة الحرارة التي تكون فيها مجموع الضغوط الجزئية البخارية مساوياً للضغط الجوي فإن الفصل بينهما سيتحقق.

** إن مركب النيتروبنزين (درجة غليان 211 مo) يغلي مع بخار الماء بدرجة 99.5 مo في الضغط الجوي الاعتيادي (760 mmHg) حيث يكون الضغط البخاري للماء هو 740 mm والضغط البخاري للبنزين 20 mm فقط وهذا يعنى أن التكوين هو 20 : 740 أو 37 : / لكلا المكونين الماء ونيتروبنزين حجماً.ولما كان الوزن الجزيئي للماء هو 18 وللنيتروبنزين  123 ووفقاً لقاعدة أفوجادرو فإن الحالة البخارية تحتوي على كلا المركبين بنسبة أوزانهما الجزيئية وهذا يعنى:
666 = 37 × 18 جم من الماء يقوم بتقطير 123 جم من النيتروبنزين مما يمثل نسبة 1 : 5.41

** أما المركبات التي تتمازج بصعوبة كبيرة فيمكن تقطيرها بالتقطير البخاري المصعد (Superheated steam).

(4) عملية التسامي Sublimation

** هي عملية تبخير المادة الصلبة بالحرارة وتكثيفها دون المرور بالحالة السائلة وتستخدم هذه الطريقة لتنقية المركبات قليلة الذوبان أو التي لا يمكن تنقيتها بإعادة بلورتها لعدة مرات. كما يمكن استخدامها لفصل المركبات التي تتبلور بصعوبة.

** وتجرى عملية التسامي بشكل جيد تحت الضغط القليل (High vacuum) وهي طريقة عملية لتنقية أنهيدريد الفثاليك والأليزارين والكوينونات والهيدروكربونات ذات الأوزان الجزيئية العالية.

(5) طريقة الكروماتوغرافيا الأمتزازية Chromatographic adsorption

** أثبتت هذه الطريقة التي تم تطويرها من قبل العلماءEngler  و Tswett و Day بأنها مفيدة جداً في فصل وعزل النواتج الطبيعية الملونة مثل الكاروتينيدات والكلوروفيلات والتي لا يمكن فصلها بالبلورة الجزئية.

** هذه المركبات لها تراكيب كيميائية متشابهة ولكن ألوانها مختلفة إضافة إلى معدلات مختلفة من الأمتزاز من قبل بعض السوائل. وفصل هذه المركبات يعتمد على سرعاتها المختلفة عبر أنظمة ثنائية أو متعددة.

** يحصل توازن بين الحالتين يكون مميزاً لكل مادة والذي يمثل تركيز المادة في المذيب ومادة الأمتزاز (أكسيد الألومنيوم Al2O3 ، جيل السليكا ، كربونات الكالسيوم، مسحوق السكر أو السليلوز).\

** لإجراء هذه العملية يتم إذابة المزيج في مذيب عضوي وسكبه من أعلى العمود ببطء والمملوء بإحدى أو عدد من المركبات الممتزة حيث يتم انفصال كل مادة حسب ألوانها في حلقات قد تكون متداخلة أو غير واضحة لذا تستخدم مذيبات معينة لزيادة فصل هذه الحلقات الملونة بعدها تفصل ميكانيكاً ويتم استخلاص المادة الملونة بأحد المذيبات المناسبة على شكل بلورات نقية.

** يمكن استخدام هذه الطريقة في فصل المركبات غير الملونة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية أو باستخدام مركبات مضيئة (Fluorescent Materials) أو غيرها من الطرق وحسب نوع المركب العضوي المراد فصله.

(6) طريقة الكروماتوغرافيا العزلية Partition Chromatography

** تعتمد هذه الطريقة على مبدأ العالم كريك Graig في توزيع التيار العكسي (counter - current distribution) والذي تأسس على العزل الجزيئي للمركبات بين طورين سائلين يتمازجان بقلة مع أحدهما الأخر.

** قد قام العالمان مارتن وسنج (Martin , Synge) عام 1941 للمرة الأولي بإجراء عزل جزيئي في عمود يحتوي على طور متحرك من أحدي المذيبات العضوية (بيوتانول أو كلورفورم).

** وقد لاحظ العالمان بأن سرعة الفصل تحت هذه الظروف تزداد مع قلة ذوبان المواد في الماء وبكفاءة جيدة حيث تستخدم هذه الطريقة في فصل وتنقية الحوامض الأمينية.

(7) طريقة كروماتوغرافيا الورق Paper Chromatography

** نوع من أنواع كروماتوغرافيا العزل تم تطويرها من قبل العلماء كونسدن، جوردون ومارتن (1944) وانتشرت عالمياً فيما بعد.

** يستخدم السليلوز على شكل ورق ترشيح له قابلية امتزاز للرطوبة بنسبة 6 -7% ويعمل كحامل للطور المائي.

** يذاب المزيج في مذيب وتؤخذ قطرة واحدة منه حيث توضع على النهاية العليا من الشريط الورقي وتترك حتى الجفاف. ونظراً للخاصية الشعرية لورقة الترشيح فإن المذيب العضوي ذو الامتزاج القليل مع الماء مثل البيوتانول، الكحول الأميلي، الفينول أو الكوليدين مشبع بالماء سوف يمتز وينفصل المزيج في إتجاه واحد (كروماتوغرافيا الاتجاه الواحد) ويمكن استخدام مذيب آخر في حالة فشل المذيب المستخدم ولكن باتجاه عمودي على السابق (كروماتوغرافيا الاتجاهين).

** أن النسبة بين مسافة الانتقال للمادة من نقطة البداية وبين مسافة الانتقال للمذيب تدعي قيمة  Rf والتى تعتمد على عدة عوامل وهي الحرارة، تركيب الطورين ونوعية الورق المستخدم.

** ومن ميزات هذه الطريقة أنها تستخدم للكميات القليلة جداً من المركبات  (5 - 50 γ) ميكرون كالبروتينات والهرمونات ومضادات الحياة الحاوية على بروتينات قاعدية، كذلك تستخدم للكربوهيدرات والستيرويدات والبيورينات والصباغ وغيرها.

(8) كروماتوغرافيا الغاز Gas Chromatography

** هي أحدث طريقة كروماتوغرافية (1952) من بين الطرق السابقة وهي في الحقيقة تطوير لكروماتوغرافيا العزل ولكن بين نظام غاز - سائل بدلاً من سائل - سائل.

** تستخدم هذه الطريقة لفصل الغازات والسوائل التي من الممكن تقطيرها (درجة الغليان لحد 450 مo).

** تملاً الأعمدة بمواد غير فعالة (مثل الكيسلجار أو تراب الطابوق) والتى تعمل كحامل للسائل غير المتطاير أما السائل المراد تحليله فإنه يخضع للتطاير ثم يمرر من خلال طور صلب بواسطة غاز غير فعال (النيتروجين أو الهيليوم) كمادة مخففة تحت ضغط قليل. ويقاس معدل مرور الغازات عبر العمود من خلال ذوبانيتها في الطور الثابت وبذلك يتم الفصل (Partition gas chromatography)

** علاوة على الاستفادة من هذه الطريقة في التحليل فإنها تستخدم في التحضيرات العضوية، لذا تستخدم في فصل المركبات الأليفاتية عن المركبات الحلقية المشبعة في الصناعات البترولية وفي تحليل الشحوم في عملية فصل الحوامض الشحمية والأسترات.

مصطلح النقاوة Criteria of Purity

** إن إجراء التجارب الكيميائية وفصل وتنقية المركبات العضوية تحتاج إلى الكثير من المهارة والدقة والخبرة سيما عند التعامل مع الكميات الصغيرة من المركبات ، لذا فمن الضروري التأكد من إجراء تفاعلات التشخيص وقياس درجات الانصهار والغليان وغيرها بكل دقة وإتقان.

** على العموم فإن الإجراءات والقواعد التالية تكون مهمة لكل كيميائي:

(1) يجب أن يكون للمركبات النقية درجات غليان أو درجات انصهار حادة إلا إذا تفككت أو تحللت قبل هذه الدرجة.

(2) إجراء قياس درجة انصهار مشتركة  للتأكد من صحة التركيب الكيميائي للمركب (Mixed melting point) فإذا كان المركبين لهما نفس التركيب فإن درجة انصهار مزيجهما سوف لن يتغير أما إذا تغيرت درجة انصهار المزيج فهذا يعنى أن المركبين مختلفين.

(3) هنالك بعض المركبات الصلبة تذوب بعد التحلل (لون بني) أو تعطي غازات وهذا يعني عدم وجود درجة انصهار حادة (تفكك).

(4) أما مفهوم النقاوة للسوائل فهي درجة الغليان والتي تكون ثابتة عند التقطير. ويلاحظ عدم حدوث التفكك أو التحلل في عمليات التقطير.

وهنالك قياسات للتأكد من نقاوة السوائل مثل الكثافة والانكسار الضوئي (n) والانكسار المولاري يمكن الاعتماد عليها.

المراجع :
- الكيمياء العضوية الإليفاتية/ عادل شاكر الطائي - دايخ عيد الحسناوي /الطبعة الأولي 2009/عمان - الأردن