LABORATORIO No. 4 PURIFICACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS POR RECRISTALIZACIÓN

OBJETIVOS:

·         Realizar pruebas de solubilidad a un compuesto sólido para encontrar el disolvente más adecuado para efectuar una cristalización.

·         Comprobar la purificación de sustancias solidas a través de la recristalización basándonos en el aumento de solubilidad que experimentan la mayor parte de los sólidos en un disolvente al aumentar la temperatura.

ANTECEDENTES:

Hoy día esta técnica se mantiene como el procedimiento más adecuado para la purificación de sustancias sólidas. En general, la purificación por recristalización se basa en el hecho de que la mayoría de los sólidos son más solubles en un disolvente en caliente que enfrío.

El sólido que se va a purificar se disuelve en el disolvente caliente, generalmente a ebullición, la mezcla caliente se filtra para eliminar todas las impurezas insolubles, y entonces la solución se deja enfriar para que se produzca la cristalización. En el caso ideal, toda la sustancia deseada debe separarse en forma cristalina y todas las impurezas solubles deben quedar disueltas en las aguas madres. Finalmente, los cristales se separan por filtración y se dejan secar. Si con una cristalización sencilla no se llega a una sustancia pura, el proceso puede repetirse empleando el mismo u otro disolvente.

 Elección del disolvente

La mejor forma de encontrar un disolvente adecuado para la recristalización de una sustancia determinada es ensayar experimentalmente distintos disolventes. No obstante, algunas generalizaciones, razonablemente válidas, pueden ayudar a simplificar la búsqueda.

1. Los compuestos iónicos se disuelven en disolventes polares y los compuestos no iónicos en disolventes no polares.

2. Los compuestos no iónicos se pueden disolver en agua si sus moléculas se ionizan en solución acuosa o puedan asociarse con moléculas de agua a través de puentes de hidrógeno.

Por este motivo, los hidrocarburos y sus derivados halogenados son prácticamente insolubles en agua, pero los compuestos en cuyas moléculas existen grupos funcionales tales como alcohol (-OH), aldehído (-CHO), cetona (R-CO-R), ácido carboxílico (-COOH) y amida (-CONH₂), que pueden formar puentes de hidrógeno con agua, son solubles en este disolvente, a menos que la relación del número total de átomos de carbono al de tales grupos funcionales en la molécula sea superior a 4 ó 5.

3. Los disolventes hidroxílicos asociados como metanol, etanol, ácido acético, presentan un poder intermedio entre agua y el éter etílico o benceno. Son buenos disolventes para los compuestos orgánicos que pueden asociarse.

Un disolvente ideal para una recristalización debe poseer las siguientes características:

a) Un coeficiente de temperatura elevado para la sustancia que se va a purificar, esto es, debe disolver una gran cantidad de la misma a su temperatura de ebullición y sólo una pequeña cantidad a la temperatura ambiente o ligeramente por debajo de ella

b) Un coeficiente de temperatura bajo para las impurezas.

c) Al enfriarse debe suministrar rápidamente cristales bien formados del compuesto que se purifica, de los cuales debe ser fácilmente separable.

d) No debe reaccionar con el soluto.

e) Su utilización no debe ser peligrosa (inflamable).

f) Debe ser barato.

En muchas ocasiones no se dispone información del solvente adecuado para recristalizar, en ese caso se debe comprobar experimentalmente, los solventes comunes en pequeña escala.

Las pruebas se realizan en tubos de ensayo en pequeñas cantidades, se prueba la acción del solvente en frio y luego en el punto de ebullición se observa si existe dilución y se obtiene abundantes cristales bien formados al enfriarse la solución.

Para tener seguridad de una recuperación del material purificado es importante evitar el uso innecesario de grandes cantidades de solvente. La cantidad de sustancia perdida por la retención en el Licor Madre puede ser reducida si la sustancia se disuelve en la menor cantidad posible del solvente caliente. En la práctica es aconsejable usar una cantidad ligeramente mayor que la cantidad minina requerida del solvente caliente (2- 5 por ciento), de tal manera que la solución caliente no esté completamente saturada con el soluto' Esto ayuda a preservar que la sustancia no cristaliza con el ligero enfriamiento que se produce en la filtración de la solución caliente, lo que puede obstruir el papel de filtro y el embudo.

Con sustancias que funden a temperaturas más bajas que el punto de ebullición del solvente, se debe usar suficiente solvente para permitir que la solución se pueda enfriar a una temperatura más baja que el punto de  fusión de la sustancia antes que se comience a separar; de otra manera el material se separa en forma de gotas aceitosas en vez de cristales bien formados.

Cuando se va a preparar la solución  los cristales deben ser lo más pequeños posible (triturarse en un mortero que sería lo más factible) y el solvente caliente debe agitarse con una policial para aumentar el contacto del solvente con los cristales y filtrar la solución.

Recristalización de una sustancia empleando una mezcla de disolventes

Con frecuencia se encuentra que una sustancia es demasiado soluble en un disolvente y demasiado poco soluble en otro para realizar una recristalización de la misma.

Entonces se pueden utilizar, frecuentemente con buen resultado, pares de disolventes tales como alcohol metílico-agua, alcohol etílico-agua, éter-acetona y benceno-ligroína.

En estos casos, el compuesto se disuelve en el disolvente, en el que es muy soluble (a su temperatura de ebullición o ligeramente por debajo de ésta), y entonces se añade, gota a gota y caliente, el otro disolvente en el que la sustancia es sólo ligeramente soluble, hasta que aparece una tenue turbidez persistente. Se añaden entonces unas gotas del otro disolvente para eliminar la turbidez y la solución se deja enfriar de la forma habitual.

Filtración de la solución caliente

La filtración de una solución caliente para remover impurezas, debe llevarse a cabo rápidamente y en forma eficiente para evitar la cristalización de la sustancia disuelta.

La solución caliente se debe filtrar de tal forma que no cristalice nada de soluto ni en el papel de filtro ni en el embudo. Generalmente, para ello se requiere una filtración rápida con un mínimo de evaporación en el embudo de pitorro corto, previamente calentado en una estufa, y provisto de un filtro de pliegues para aumentar la velocidad de filtración.

Enfriamiento

Durante el enfriamiento de la solución caliente se pretende que cristalice la máxima cantidad de la sustancia deseada con un mínimo de impurezas. El proceso se realiza en un matraz erlenmeyer, tapado.

Generalmente, es preferible que los cristales tengan un tamaño medio, porque los cristales grandes pueden incluir gran cantidad de disolvente, el cual lleva impurezas disueltas, y los cristales pequeños presentan una gran superficie sobre la que éstas quedan adsorbidas.

El tamaño de los cristales se puede controlar por la velocidad de cristalización; una cristalización rápida favorece la formación de cristales pequeños y una cristalización lenta origina cristales grandes. Generalmente lo mejor es dejar que el enfriamiento de la disolución sea lento o al menos moderado. Si la cristalización es demasiado lenta, se puede favorecer rascando con una varilla de vidrio la superficie interior del erlenmeyer (para que se formen pequeñísimos fragmentos de vidrio que actúen como núcleos de cristalización), o bien, añadiendo, durante el enfriamiento y de vez en cuando, un pequeño cristal del producto para sembrar la solución y provocar su cristalización.

 Separación de los cristales

En este paso se pretende separar los cristales formados, quitándoles la mayor cantidad posible de aguas madres, con una evaporación mínima. Generalmente esto se consigue empleando un embudo Büchner unido a un kitasato, que a su vez se conecta a la trompa de vacío.

Los kitasatos deberán sujetarse mediante unas pinzas a un soporte. El Büchner debe ser de tamaño adecuado, eligiéndose el más pequeño que permita la recogida con holgura de toda la masa cristalina sin que ésta llegue a rebosar el borde superior del embudo.

Materiales y reactivos:

Materiales: Frasco erlemeyer de 125 mL, Probeta de 100 mL, policial de vidrio, embudo buchner, embudo de vidrio, matraz de 250 mL, recipiente para filtrar, manguera, vaso químico de 250 mL, recipiente para filtrar.

Reactivos: Acido benzoico impuro.