Practica 3 Recristalizacion

ULADECH CATÓLICA

GUÍA DE QUÍMICA ORGÁNICA I

PRACTICA N º 3 PURIFICACIÓN DE UNA SUSTANCIA ORGÁNICA POR EL MÉTODO DE RECRISTALIZACIÓN OBJETIVOS: 1. Emplear la recristalización como una de las técnicas más usada para la purificación de compuestos sólidos. 2. Ilustrar el uso de un adsorbente para eliminar impurezas coloridas. FUNDAMENTO TEÓRICO. Los compuestos orgánicos obtenidos por síntesis o aislamiento a partir de sustancias naturales no son puros ya que usualmente están combinados con menores cantidades de otros compuestos (impurezas) que es necesario eliminar. Por lo tanto los productos brutos obtenidos se someterán

hasta repetidas

purificaciones hasta llegar a las constantes físicas cuyo valor registra la literatura (punto de fusión, punto de ebullición, poder rotatorio, etc.) o en el caso de sustancias no descritas con anterioridad en el valor de dichas propiedades y en el análisis cuantitativo de sus elementos (C, H, N, halógenos, etc.). La tendencia general, si la sustancia aislada es sólida es la de buscar disolventes de los cuales la sustancia cristalice, pues la obtención de una sustancia al estado cristalino puede ser un método para purificarla y describir sus propiedades. Esto no es rigurosamente cierto en todos los casos, puesto que hay sustancias amorfas y aún siruposas que dan excelentes análisis elementales. Una recristalización se lleva a cabo disolviendo el sólido impuro en el solvente caliente, permitiendo luego que la solución se enfríe; de esta forma, el sólido se separará de la misma como precipitado cristalino.

Q.F. MARIO T. OLAYA QUEREVALÚ

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El manipuleo de solventes requiere el uso de pipetas. Estas pueden ser aforadas o graduadas, y antes de utilizarlas deben de verificarse si tiene aforo interior, o únicamente superior.

MATERIAL Y MÉTODO (Por cada grupo) Material Matraz Erlenmeyer 125 mL

01

Vaso de precipitación 125 mL

02

Vaso de precipitación de 250 mL

01

Embudo de Vidrio

01

Matraz Kitasato c/manguera

01 (Puede

gravedad con variaciones de resultados mínimas)

utilizarse

la filtración

por

Agitador de vidrio

02

Espátula de cromo – niquel

01

Rejilla

01

Baño maría eléctrico

01

Cocina eléctrica o mechero

01

Soporte universal + pinza

01

Pinzas para vaso o matraz

01

Papel filtro

03

Lentes de protección cada alumno REACTIVOS Muestra problema (Ácido benzóico, ácido esteárico, ácido aceitl salcílico, dibenzaldehido, sulfato de cobre, etc) Carbón activado Cloroformo Acetona Acetato de etilo Etanol Metanol Hexano Nota: Puede utilizarse cualquier solvente orgánico o mezcla de solventes, que cumpla con las condiciones de recristalización (Estudiado en la práctica anterior).

El método de purificación de una sustancia por recristalización, comprende los siguientes pasos: 1. Elección del solvente adecuado 2. Disolución del sólido impuro en el solvente caliente 3. Decoloración de la solución 4. Separación de las impurezas insolubles, por filtración en caliente 5. Cristalización del sólido 6. Recolección de los cristales, por filtración en frío 7. Secado de los cristales obtenidos 8. Determinación de la pureza del sólido obtenido 9. Calculo del rendimiento logrado Para que las impurezas se eliminen en forma definitiva, se necesitan que estas sean totalmente insolubles en el solvente caliente (la muestra está disuelta) o, bien que sean totalmente solubles en el solvente frío

(la muestra está como sólido

cristalino). En ambas situaciones la muestra se separa de las impurezas por filtración, pero en caliente o en frío, según corresponda. 1. Elección del solvente adecuado: Este es el punto clave para el éxito de la recristalización; para ello el solvente debe de reunir las siguientes características: a. No debe de reaccionar con el soluto b. Debe disolver, al producto

a purificar,

mucho más a alta

temperatura (normalmente a punto de ebullición del solvente), que a bajas temperaturas (en general temperatura ambiente o baño de hielo); es decir el cociente entre la solubilidad en caliente y en frío debe ser grande.

c. La solubilidad

de la sustancia a purificar debe ser lo más baja

posible en el solvente frío. d. Debe disolver los contaminantes a bajas temperaturas o no disolverlos a altas temperaturas e. Debe de tener un punto de ebullición relativamente bajo para facilitar el secado de los cristales húmedos. Cuando

dos

o

mas

solventes

resulten

igualmente

indicados

para

una

recristalización, se usará el de más fácil purificación, menor inflamabilidad, menor toxicidad y menor costo. Criterios para elegir el solvente adecuado

El agua como disolvente de

recristalización no es el más adecuado, debiéndose usar otros menos polares como son los alcoholes o mezclas de alcoholes con agua. Cuando se trata de una sustancia conocida se pueden consultar directamente sus datos de solubilidad en un manual de laboratorio. Pero cuando la sustancia es desconocida se debe de recurrir a la determinación experimental para seleccionar el solvente adecuado. Esta determinación se efectúa con unos pocos miligramos de muestra (10 - 20) en unos tubos de ensayos pequeños (10 x 75 mm) a los que se agrega gota a gota (agitando con una varilla) y calentando el disolvente que se considere apropiado. Si el compuesto se disuelve a temperatura ambiente, el solvente elegido no sirve para recristalización. Si la sustancia no se disuelve después de agregar 1.5 – 2 mL en caliente se considerará poco soluble y se hará un ensayo similar con otro solvente. Si esta vez se disuelve totalmente en caliente se enfriará el tubo y se comprobará la aparición de cristales (espontánea o inducida por raspado con varilla de vidrio). Si la precipitación es masiva, se ha encontrado el solvente correcto para la recristalización.

De no producirse la cristalización en frío, se seguirá otro disolvente, empleando siempre tubos de ensayos limpios y secos para cada ensayo. Puede

ocurrir

que queden partículas de impurezas sin disolver, y esto se

comprueba por filtración en caliente y ensayo de solubilidad de esas partículas en el mismo solvente a ebullición. Si no se disuelven, son impurezas insolubles que deben separarse por filtración en caliente. En estos ensayos es necesario tener en cuenta que la buena disolución de los cristales depende, además de su solubilidad, de su tamaño. Por ello es necesario usar la sustancia preferentemente molida y agitar eficientemente con una varilla. A menudo una sustancia

es demasiado soluble en un disolvente y lo es muy

poco en otro, por lo que se usan para recristalización ambos solventes conjuntamente siempre y cuando ellos sean totalmente miscibles entre si. La técnica a seguir en estos casos es la de disolver la sustancia en caliente, en la mínima cantidad posible de solvente en el cual sea mas soluble y luego agregar gota a gota el otro solvente, agitando hasta ligera turbidez permanente; finalmente se agrega una pequeña cantidad del primer solvente gota a gota hasta total disolución, siempre en caliente. Luego se enfría para comprobar la cristalización. Los alcoholes de bajo peso molecular son frecuentemente usados en combinación con un solvente no polar. Pares de solventes muy útiles son: alcohol – agua; éter etílico – pentano; cloroformo – hexano; benceno – éter de petróleo; alcohol absoluto – éter etílico. Conviene que los solventes del par tengan puntos de ebullición cercanos, para evitar variaciones en la composición de la mezcla al calentar o filtrar por succión (evaporación del más volátil) 2. Disolución del sólido impuro en el solvente, en caliente: El sólido impuro debe disolverse en la mínima cantidad de solvente caliente para facilitar un máximo de recuperación de la muestra, cuando se enfríe la

solución. Debemos de tener mucho cuidado con los solventes bastantes volátiles e inflamables. 3. Decoloración de la solución: cuando la muestra a recristalizar es coloreada, al ser disuelta dará una solución coloreada. Algunas veces ocurre que la muestra no es coloreada, pero la solución sí, debido a la presencia de impurezas coloreadas. Estos contaminantes solubles se eliminan por adsorción selectiva sobre

la

superficie del carbón activado El carbón se agrega en pequeña cantidad a la solución caliente, previo paso a la filtración. Como en la superficie del carbón también se puede adsorber algo del compuesto que se intenta purificar, es esencial agregar poco (no más de

un

2%) Es importante que la solución no se encuentre sobrecalentada antes del agregado del carbón por lo que generalmente se saca el recipiente del fuego durante un breve lapso, y luego se agrega una punta de espátula de carbón cada 50 mL de solvente, aproximadamente.

4. Separación de las impurezas insolubles, filtración en caliente: La filtración es una técnica en la cual el líquido se hace pasar por una barrera porosa, tal como el papel filtro o un vidrio especial para filtrado. Cuando se está llevando a cabo una recristalización, a menudo se requiere filtrar en caliente. Esto ocurre cuando se observan impurezas insolubles en la solución a ebullición de la muestra a recristalizar, o bien cuando se ha agregado carbón decolorante. La filtración en caliente puede realizarse por gravedad

o por succión. La

elección del método se hará en función del material disponible en el laboratorio. Las impurezas insolubles y el carbón decolorante se deben de eliminar estando la solución caliente (en frío precipitarían también los cristales deseados) y el punto clave es que durante este proceso de filtración, no se enfríe la solución. Siempre deben de sostenerse en un soporte los equipos de filtración para evitar que se vuelquen. En todos los casos antes de filtrar, se calienta el embudo y se moja el papel de filtro con el solvente caliente que se está utilizando, para lograr adherencia perfecta, sobre la placa filtrante.

5. Cristalización del sólido: 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.

6. Recolección de los cristales, filtración en frio:

En

pretende separar los cristales formados, quitándoles la

este

paso

se

mayor cantidad

posible de aguas madres, con una evaporación mínima. Generalmente esto se consigue empleando un embudo Büchner unido a un quitasato, que a su vez se conecta a la trompa de vacío (Ver Figura). Los quitasatos 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.

El papel de filtro debe cubrir por completo todos los orificios de la placa del Büchner, pero su diámetro debe ser ligeramente inferior al de esta placa. Al colocarlo debe quedar completamente liso y sin arrugas para que no pueda pasar nada de sólido por sus bordes. Esto se consigue fácilmente humedeciendo el papel con disolvente y haciendo succión. Después, sin succión, o mejor, sólo con una ligera succión, para evitar evaporaciones innecesarias, se echa la mezcla (o parte de ella) dentro del embudo. Entonces se aplica todo el vacío (o el máximo deseado). Se debe utilizar una varilla de

vidrio o una espátula para que, ayudándose con ella, se pueda pasar lo más rápidamente posible toda la masa cristalina al embudo. Si algunos cristales quedan adheridos a las paredes del erlenmeyer, se pueden lavar y echar en el embudo con pequeñas cantidades del disolvente frío. Tan pronto como la masa sólida se hace suficientemente rígida, se presiona, con cuidado pero con firmeza, con un corcho o tapón de frasco invertido. Cuando cesa el paso de líquido a través del filtro se interrumpe la succión. En este momento, si el filtrado tiene valor, se deberá transferir a otro recipiente. Entonces se procederá al lavado de los cristales para eliminar todo el disolvente que llevan adherido (que, desde luego, contendrá impurezas solubles). Sin succión, se cubrirán los cristales con una pequeña cantidad de disolvente puro y frío. En este momento conviene agitar la mezcla cuidadosamente, para no romper el papel de filtro, con una espátula o varilla de vidrio roma para asegurar que todos los cristales se humedecen con el disolvente. Entonces se aplica de nuevo la succión y los cristales se presionan con un tapón como antes. Este proceso se puede repetir varias veces. Con frecuencia, por concentración de las aguas madres (filtrado) se puede obtener una nueva cantidad de cristales. Sin embargo, éstos son casi siempre algo menos puros que los cristales obtenidos en primer lugar. 7. Secado de los cristales obtenidos: Como paso final de la recristalización, los cristales obtenidos deben quedar libres del disolvente adherido mediante un secado. El Büchner se invierte sobre un papel de filtro de superficie lisa doblado en tres o cuatro capas y los cristales se pasan a éste con ayuda de una espátula limpia. Sobre los cristales se colocan otras hojas de papel de filtro y la mayor parte del disolvente se exprime presionando fuertemente. Entonces se pasan los cristales a un vidrio de reloj limpio o una cápsula plana y se cubren con una hoja de papel de filtro para evitar que caigan partículas de polvo. En estas condiciones se pueden dejar secar al aire a la temperatura ambiente o se pueden introducir en un desecador de vacío sobre un desecante

que sea eficaz para eliminar el disolvente usado. El secado a temperaturas superiores a la ambiente se puede realizar en una estufa. Se debe tener en cuenta que las muestras al principio están humedecidas con el disolvente y que, por tanto, fundirán a una temperatura inferior a la del punto de fusión de la sustancia pura. 8. Determinación de la pureza del sólido obtenido. Una forma de determinar la pureza del sólido consiste en tomar su punto de fusión. Otro método

para identificar la pureza del sólido obtenido es la llamada

cromatografía en capa fina. 9. Calculo del rendimiento de la recristalización: Una vez que el proceso de la recristalización ha terminado, es de vital importancia calcular que tan exacto ha sido mi procedimiento y que tanto de masa final he logrado obtener. a) Cálculo experimental: Debemos de notar que esta parte solo son datos de la experiencia y no de la parte teórica que estudiaremos en el siguiente párrafo:

Al llegar a esta parte deberíamos de preguntarnos. Si la muestra inicial que se nos dio es pura ¿Podemos mediante este método lograr un 100% de rendimiento? b) Cálculo teórico: Para lograr este dato necesitamos conocer los datos exactos de las solubilidades del soluto y solvente en frio y caliente. Ejemplo de la práctica con Ácido Benzóico: Solubilidad del Ácido benzóico en agua a 0ºC = 1.7 g/litro esto es solubilidad en frio, representada por el símbolo SF; y a 100 ºC = 68.5 g/litro Solubilidad en caliente SФ

Si se parte de 10 g de ácido benzóico, indicar: - Mínima cantidad de disolvente caliente para disolver los 10 g

- Masa que queda en el volumen V, al enfriar:

- Cálculo del rendimiento suponiendo que no hay perdidas experimentales:

Se observa que:

Es decir

Como la solubilidad en frio nunca va a ser cero, el rendimiento nunca será del 100%; pero cuanto menor sea el cociente entre solubilidad en frio / solubilidad en caliente, mejor será la recuperación de la masa.

DISCUSIÓN. En esta parte se colocan algunas preguntas para que le sirvan al estudiante como un inicio para su discusión correspondiente: 1. ¿Qué cualidades debe tener el disolvente que va a usar para llevar a cabo una recristalización? 2. ¿Cómo escoge la fuente de calentamiento que usará en su práctica? 3. ¿En qué se fundamenta para decidir que su compuesto se purifico mediante estas técnicas?