Cómo cristalizar compuestos orgánicos: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 11:06

Cristalización (o recristalización) es el método más importante para la purificación de compuestos orgánicos. El proceso de eliminación de impurezas por cristalización incluye disolver el compuesto en un solvente caliente adecuado, enfriar la solución y saturarla con el compuesto que se está purificando, cristalizar la solución, aislarla por filtración, lavar su superficie con solvente frío para eliminar las impurezas residuales y el secado.

Este procedimiento se realiza mejor en un laboratorio de química controlada, en un área bien ventilada. Tenga en cuenta que este procedimiento tiene una amplia gama de aplicaciones, incluida la purificación comercial a gran escala de azúcar mediante la cristalización del producto de azúcar en bruto y dejando atrás las impurezas.

Paso

Paso 1. Elija un disolvente adecuado

Recuerde el término "lo similar se disuelve como" o Similia similibus solvuntur, que significa que las sustancias con estructuras similares se disolverán entre sí. Por ejemplo, los azúcares y las sales son solubles en agua, no en aceite, y los compuestos no polares como los hidrocarburos se disolverán en disolventes de hidrocarburos no polares como el hexano.

• Un solvente ideal tiene las siguientes propiedades:

  • Compuestos solubles cuando están calientes, pero no se disuelven cuando están fríos.
  • No disolver impurezas en absoluto (para que se puedan filtrar cuando se disuelve un compuesto impuro), o disolver todas las impurezas (para que permanezcan en solución cuando se cristalice el compuesto deseado).
  • No reacciona con compuestos.
  • No se puede quemar.
  • No tóxico.
  • Barato.
  • Muy volátil (por lo que se puede separar fácilmente de los cristales).

• A menudo es difícil determinar el mejor disolvente, que a menudo se obtiene de forma experimental o utilizando el disolvente más apolar disponible. Familiarícese con la siguiente lista de los disolventes más comunes (del más polar al menos polar). Tenga en cuenta que los disolventes que están muy juntos se mezclarán (se disolverán entre sí). Los disolventes más utilizados están en negrita.

  • Agua (H₂O) es un solvente no inflamable, no tóxico y disolverá muchos compuestos orgánicos polares. El inconveniente es su alto punto de ebullición (100 grados Celsius), lo que lo hace relativamente no volátil y difícil de separar de los cristales.
  • Ácido acético (CH₃COOH) Es una sustancia útil para reacciones de oxidación, pero reacciona con alcoholes y aminas, por lo que es difícil de separar (el punto de ebullición es de 118 grados Celsius).
  • Dimetilsulfóxido (DMSO), metilsulfóxido (CH₃SOCH₃) Se utiliza principalmente como disolvente para reacciones, rara vez para cristalización. Esta sustancia hierve a 189 grados Celsius y es difícil de separar.
  • Metanol (CH₃OH) es un solvente útil para disolver varios compuestos con una polaridad más alta que otros alcoholes. Punto de ebullición: 65 grados centígrados. C.
  • Acetona (CH3COCH3) Es un muy buen solvente, la desventaja es que tiene un punto de ebullición bajo de 56 grados centígrados, por lo que la diferencia de temperatura es pequeña en la solubilidad del compuesto a punto de ebullición y temperatura ambiente.
  • 2-butanona, metiletilcetona, MEK (CH₃COCHE₂CH₃) es un disolvente perfecto con un punto de ebullición de 80 grados centígrados.
  • Acetato de etilo (CH₃COOC₂H₅) es un disolvente perfecto con un punto de ebullición de 78 grados centígrados.
  • Diclorometano, cloruro de metileno (CH₂Cl₂) útil como solvente asociado con ligroína, pero su punto de ebullición de solo 35 grados Celsius es demasiado bajo para hacer un buen solvente de cristalización. Sin embargo. su punto de congelación es de -78 grados Celsius. usando hielo o jabón de acetona,
  • Éter dietílico (CH₃CH₂OCH₂CH₃) útil como un par de solventes con ligroína, pero su punto de ebullición de 40 grados Celsius es demasiado bajo para hacer un buen solvente de cristalización.
  • Metil t-butil éter (CH₃OC (CH₃)₃) es un solvente económico, un buen sustituto del éter dietílico debido a su punto de ebullición más alto, 52 grados Celsius.
  • Dioxano (C₄H₈O₂) es una sustancia que se separa fácilmente de los cristales, es un carcinógeno leve, forma peróxidos y tiene un punto de ebullición de 101 grados Celsius.
  • Tolueno (C₆H₅CH₃) es un buen solvente para la cristalización de compuestos de arilo y ha reemplazado a los compuestos de benceno más comúnmente utilizados (carcinógenos débiles). El inconveniente es su alto punto de ebullición, 111 grados Celsius, lo que dificulta la separación de los cristales.
  • Pentano (C₅H₁₂) Se usa ampliamente para compuestos no polares, a menudo como solvente de emparejamiento con otros solventes. Su bajo punto de ebullición significa que este solvente es más útil cuando se usa junto con hielo o acetona.
  • Hexano (C₆H₁₄) utilizado para compuestos no polares, inertes, a menudo utilizado como un par de disolventes, punto de ebullición 69 grados Celsius.
  • Ciclohexano (C₆H₁₂) similar al hexano, pero más barato y tiene un punto de ebullición de 81 grados centígrados.
  • El éter de petróleo es una mezcla de hidrocarburos saturados cuyo componente principal es el pentano, es económico y se puede usar indistintamente con el pentano. El punto de ebullición es de 30 a 60 grados Celsius.

  • La ligroína es una mezcla de hidrocarburos saturados que tiene las propiedades del hexano.

    Pasos para elegir un disolvente:

1. Ponga una pequeña cantidad de cristales del compuesto de impureza en un tubo de ensayo y agregue una gota de cada solvente, para que pueda fluir por el costado del tubo de ensayo.
2. Si los cristales en el tubo de ensayo se disuelven inmediatamente a temperatura ambiente, rechace el solvente porque grandes cantidades del compuesto permanecerán solubles a bajas temperaturas. Pruebe con un solvente diferente.
3. Si los cristales no se disuelven a temperatura ambiente, caliente el tubo de ensayo en un baño de arena caliente y observe los cristales. Agregue otra gota de solvente si los cristales no se han disuelto. Si los cristales se disuelven en el punto de ebullición del solvente y cristalizan nuevamente cuando se enfrían a temperatura ambiente, ha encontrado el solvente correcto. Si no es así, pruebe con otro solvente.

4. Si, después del proceso de prueba de solventes, no se encuentra un solvente único satisfactorio, use un par de solventes. Disuelva los cristales en el mejor solvente (un solvente que ha demostrado disolver los cristales), luego agregue el solvente menos favorable a la solución caliente hasta que se vuelva turbia (la solución está saturada con el soluto). Los pares de disolventes deben mezclarse entre sí. Algunos pares de disolventes útiles son ácido acético - agua, etanol - agua, dioxano - agua, acetona - etanol, etanol - éter dietílico, metanol - 2-butanona, acetato de etilo - ciclohexano, acetona - ligroína, acetato de etilo - ligroína, éter dietílico - ligroína, diclorometano - ligroína, tolueno - ligroína.

   

   Paso 2. Disuelva el compuesto de impurezas

   Para realizar este procedimiento, ponga el compuesto en un tubo de ensayo. Triture los cristales grandes con una varilla para agitar para acelerar la disolución. Agregue el solvente gota a gota. Para separar las impurezas sólidas insolubles, use un exceso de solvente para disolver la solución y filtre las impurezas sólidas a temperatura ambiente (vea el procedimiento de filtración en el paso 4), luego evapore el solvente. Antes de calentar, inserte el aplicador de madera en el tubo de ensayo para evitar el sobrecalentamiento (calentar la solución por encima del punto de ebullición de la solución sin llegar a hervir). El aire atrapado en la madera saldrá a formar núcleos para que la solución hierva aún más. Alternativamente, use un chip hirviendo de porcelana perforada. Después de que se hayan eliminado las impurezas sólidas y se haya evaporado el solvente, agregue el solvente gota a gota mientras agita los cristales con un agitador de vidrio y calienta el tubo de ensayo en vapor o arena hasta que el compuesto se disuelva completamente con un mínimo de solvente.

   

   Paso 3. Elimina el color de la solución

   Omita este paso si la solución es incolora o solo ligeramente amarilla. Si la solución está coloreada (como resultado de la formación de subproductos de alto peso molecular en la reacción química), agregue el exceso de solvente y carbón activado (carbón) y hierva la solución durante unos minutos. Las impurezas coloreadas se adsorberán en la superficie del carbón activado debido a su alto grado de microporosidad. Separar por filtración el carbón que ya contiene las impurezas adsorbidas, como se explicará en el siguiente paso.

   

   Paso 4. Separe los sólidos por filtración

   La filtración se puede realizar mediante filtración por gravedad, decantación o separación de la solución con una pipeta. En general, no utilice la filtración al vacío ya que el solvente se enfriará en el proceso, por lo que el producto cristalizará en el filtro.

   • Filtración por gravedad: este es el método de elección para separar carbón fino, polvo, pelusa, etc. Tome tres matraces Erlenmeyer calentados con vapor caliente o en una placa calefactora: el primero contiene la solución a filtrar, el segundo contiene varios mililitros de solvente y un embudo sin tallo, mientras que el tercero contiene varios mililitros de la solución cristalizante para lavar.. Coloque papel de filtro estriado (usado porque no está usando una aspiradora) en un embudo sin vástago (sin vástago para que la solución saturada no se enfríe y obstruya el vástago del embudo con cristales) en el segundo matraz Erlenmeyer. Lleve la solución a filtrar a ebullición, retírela con una toalla y luego vierta la solución sobre el papel de filtro. Agregue el solvente hirviendo del tercer matraz Erlenmeyer a los cristales formados en el papel de filtro y para lavar el primer matraz Erlenmeyer que contiene la solución filtrada, agregue la arandela al papel de filtro. Elimine el exceso de disolvente hirviendo la solución filtrada.
   • Decantación: este método se utiliza para impurezas sólidas grandes. Vierta el solvente caliente, para que los sólidos insolubles queden atrás.
   • Separación de disolventes mediante pipeta: Este método se utiliza para pequeñas cantidades de solución si la impureza sólida es lo suficientemente grande. Inserte una pipeta con punta cuadrada en el fondo del tubo de ensayo (fondo circular), luego separe el líquido succionándolo con la pipeta. Las impurezas sólidas quedarán atrás.

   

   Paso 5. Cristalizar el compuesto deseado

   Este paso se lleva a cabo suponiendo que todas las impurezas coloreadas e insolubles se han separado mediante los pasos apropiados descritos anteriormente. Elimine cualquier exceso de solvente hirviéndolo o haciendo fluir aire suavemente. Comience con una solución que esté saturada con el soluto en el punto de ebullición. Deje enfriar lentamente a temperatura ambiente. Comenzará la cristalización. De lo contrario, comience el proceso insertando los cristales de semillas o comience en un tubo con un agitador de vidrio en la interfaz líquido-aire. Una vez que ha comenzado el proceso de cristalización, no mueva el recipiente para formar cristales grandes. Para un enfriamiento lento (para permitir que se formen cristales más grandes), puede aislar el recipiente con algodón o papel de seda. Los cristales más grandes son más fáciles de separar de las impurezas. Una vez que el recipiente esté completamente a temperatura ambiente, enfríe en hielo durante unos cinco minutos para maximizar la cantidad de cristales.

   

   Paso 6. Tomar y lavar los cristales

   Para realizar este procedimiento, separe los cristales del solvente helado por filtración. La filtración se puede realizar con un embudo de Hirsch, un embudo de Buchner o separando el disolvente con una pipeta.

   • Filtración con un embudo Hirsch: Coloque un embudo Hirsh con papel de filtro sin lavar en un matraz de vacío bien cerrado. Coloque el matraz del filtro en hielo para mantener frío el solvente. Humedezca el papel de filtro con el disolvente cristalizante. Conecte el matraz al aspirador, encienda el aspirador y asegúrese de que el papel de filtro sea empujado por el vacío hacia el embudo. Vierta y raspe los cristales en el embudo y retire el vacío tan pronto como el líquido se separe de los cristales. Use unas gotas de solvente helado para lavar el matraz de cristalización y viértalo en el embudo mientras reinserta el vacío, y retire el vacío tan pronto como todo el líquido se haya separado de los cristales. Lave los cristales varias veces con un disolvente helado para eliminar las impurezas restantes. Cuando hayas terminado de lavar, deja la aspiradora para secar los cristales.
   • Filtración mediante embudo Buchner: Coloque un trozo de papel de filtro sin lavar en el fondo del embudo Buchner y humedezca con disolvente. Asegure el embudo al matraz del filtro con un matcher de caucho o caucho sintético para permitir la succión al vacío. Vierta y raspe los cristales en el embudo, luego retire el vacío tan pronto como el líquido se separe en el matraz y los cristales permanezcan en el papel. Enjuague el matraz de cristalización con un solvente helado, agregue a los cristales lavados, vuelva a instalar el vacío y retírelo cuando el líquido se haya separado de los cristales. Repite y lava tantos cristales como necesites. Deja que la aspiradora seque los cristales al final.
   • Lavar con pipeta, este método se utiliza para lavar cristales en pequeñas cantidades. Inserte una pipeta con punta cuadrada en el fondo de un tubo de ensayo (fondo redondeado) y separe el líquido para que solo quede el sólido lavado.

   

   Paso 7. Seque el producto lavado

   El secado final de pequeñas cantidades de producto cristalizado se puede lograr apretando los cristales entre dos trozos de papel de filtro y secándolos en un vidrio de reloj.

   Consejos

   • Si se usa muy poco solvente, la cristalización puede ocurrir demasiado rápido cuando la solución se enfría. Si la cristalización es demasiado rápida, las impurezas pueden quedar atrapadas en el cristal, de modo que no se logra el propósito de purificación por cristalización. Por otro lado, si se usa demasiado solvente, la cristalización puede no ocurrir en absoluto. Es mejor si agrega un poco más de solvente una vez que esté saturado en el punto de ebullición. Encontrar el equilibrio adecuado requiere práctica.
   • Cuando intente encontrar el solvente ideal a través de varios experimentos, comience primero con los solventes más volátiles y de menor punto de ebullición, ya que son más fáciles de separar.
   • Quizás el paso más importante es esperar a que la solución caliente se enfríe lentamente y permita que se formen cristales. Es muy importante tener paciencia y no tocar la solución que se está enfriando.
   • Si se agrega demasiado solvente de modo que se formen muy pocos cristales, evapore parte del solvente calentando y enfriando nuevamente.