Cristalización con un único disolvente

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La cristalización de un producto de reacción o la recristalización de un reactivo puede llevarse a cabo empleando un único disolvente, con o sin la aplicación de carbón activado o una etapa de filtración en caliente. A pesar de que el procedimiento de una cristalización puede parecer sencillo, es necesario seguir una serie de pasos para asegurar el éxito del procedimiento.

Figura 1: a) Una muestra antigua de N-bromosuccinimida (NBS), b) Cristalización de NBS utilizando agua caliente, c) NBS cristalizado.
Figura 1: a) Una muestra antigua de N-bromosuccinimida (NBS), b) Cristalización de NBS utilizando agua caliente, c) NBS cristalizado.

La cristalización ilustrada en esta sección muestra la purificación de una muestra de aproximadamente 1 g de la antigua N-bromosuccinimida (NBS), que se encontró en su botella de reactivo como un polvo naranja. La cristalización utiliza agua como disolvente, que no presenta problemas de inflamabilidad, por lo que se utiliza una placa caliente.


Si se va a realizar una cristalización utilizando disolventes orgánicos inflamables, se recomienda un baño de vapor y en algunas situaciones es necesario (cuando se utiliza éter dietílico, acetona o éter de petróleo de bajo punto de ebullición). El siguiente procedimiento debe utilizarse como guía para el proceso, y algunas diferencias clave entre el uso de agua y de disolventes orgánicos se discuten en una sección futura.

Figura 2: a) Adición de NBS impuro al matraz, b) Calentamiento del agua en una placa caliente, c) Adición de agua caliente al sólido, utilizando un soporte de toalla de papel para sostener el vaso de precipitados, d) Adición de agua caliente al sólido (no NBS, un sistema diferente) utilizando un protector de manos caliente de silicona.
Figura 2: a) Adición de NBS impuro al matraz, b) Calentamiento del agua en una placa caliente, c) Adición de agua caliente al sólido, utilizando un soporte de toalla de papel para sostener el vaso de precipitados, d) Adición de agua caliente al sólido (no NBS, un sistema diferente) utilizando un protector de manos caliente de silicona.

Procedimiento – Cristalización con un único disolvente

Preparar el montaje

  1. Transfiera el sólido impuro que va a cristalizar a un matraz Erlenmeyer de tamaño adecuado (Figura 2a). Si el sólido es granulado, pulverícelo primero con una varilla de vidrio.

No se recomienda realizar las cristalizaciones en un vaso de precipitados. La boca estrecha de un matraz Erlenmeyer permite una agitación más fácil y minimiza la evaporación durante el proceso, ya que los vapores del disolvente se condensan en las paredes del matraz (se «refluyen» en los lados del matraz). La boca estrecha de un Erlenmeyer también permite tapar el matraz más fácilmente durante la etapa de enfriamiento, o incluso taparlo potencialmente para cristalizaciones largas. Un matraz de fondo redondo tampoco es ideal para la cristalización, ya que la forma del matraz dificulta la recuperación del sólido al final del proceso.

Es importante que el matraz no esté demasiado lleno ni demasiado vacío durante la cristalización. Si el matraz está lleno hasta más de la mitad con disolvente caliente, será difícil evitar que el matraz se desborde. Si el matraz contiene disolvente hasta una altura inferior a 1 cm, la solución se enfriará demasiado rápido. Es habitual utilizar entre 10 y 50 veces más disolvente que muestra, y una guía aproximada es utilizar un matraz en el que la muestra apenas cubra el fondo en una capa fina.


  1. Colocar un poco de disolvente en un vaso de precipitados o en un matraz Erlenmeyer junto con unas cuantas piedras de ebullición en la fuente de calor, y llévalo a un hervor suave. Utilice un vaso de precipitados si se va a verter el disolvente y un matraz Erlenmeyer si se va a pipetear el disolvente. Si se prevé emplear un paso de filtración en caliente para más adelante en el procedimiento, prepare también una pinza anular que contenga un embudo con papel de filtro acanalado (figura 2b).

Añadir la cantidad mínima de disolvente caliente

  1. Cuando el disolvente esté hirviendo, sujete el vaso de precipitados con un protector de manos caliente (figura 2d), guantes de algodón o un soporte de toalla de papel hecho enrollando una hoja de toalla de papel en un rectángulo largo (figura 2c). A un lado de la fuente de calor, vierta una pequeña porción de disolvente en ebullición en el matraz que contiene el sólido impuro, para cubrir el fondo del matraz. Si la cristalización se realiza a pequeña escala (utilizando un matraz Erlenmeyer de 50 mL o más pequeño), puede ser más fácil utilizar una pipeta para transferir porciones del disolvente al matraz.

Es habitual no colocar el sólido seco sobre la fuente de calor antes de añadir el disolvente o el sólido podría descomponerse. Cuando el sólido está disperso en una pequeña cantidad de disolvente, puede colocarse sobre la fuente de calor.

Figura 3: Disolución de NBS en la cantidad mínima de agua caliente (también hay piedras de ebullición)
Figura 3: Disolución de NBS en la cantidad mínima de agua caliente (también hay piedras de ebullición)
  1. Coloque el matraz que contiene el sólido impuro y el disolvente sobre la fuente de calor. Utilice algún método para evitar los golpes (piedras para hervir si piensa «filtrar en caliente», una varilla para hervir o una barra de agitación si no lo hace), y lleve la solución a una ebullición suave (Figura 3a).
  2. Añadir el disolvente en porciones (Figura 3b), agitando para ayudar a la disolución, hasta que el sólido se disuelva (Figura 3d). Para 100 mg – 1 g de compuesto, añada porciones de 0,5-2 mL cada vez. Tenga en cuenta que el sólido puede tardar en disolverse completamente, ya que hay un aspecto cinético en la disolución. Se debe dejar que cada adición llegue completamente a ebullición antes de añadir más disolvente, y se debe dejar un tiempo entre las adiciones. No dejar tiempo para la disolución y, en consecuencia, añadir demasiado disolvente es una de las principales fuentes de error en la cristalización.

No es raro que se vean gotas de líquido durante el proceso de calentamiento (figura 4). Esto ocurre cuando el material se «engrasa», o se funde antes de disolverse. Si esto ocurre, las gotitas de líquido son ahora el compuesto que está cristalizando, así que continúe añadiendo disolvente en porciones hasta que las gotitas de líquido se disuelvan completamente también.

Observe la solución con atención para juzgar si el tamaño de los trozos sólidos (o de las gotitas líquidas) cambia con el disolvente adicional: si no lo hacen, puede tratarse de una impureza insoluble. La adición de un exceso de disolvente en un intento de disolver las impurezas insolubles afectará negativamente a la recuperación. Si hay impurezas sólidas insolubles, la solución debe filtrarse (introduzca un paso de filtración en caliente en este punto). Las impurezas coloreadas también pueden eliminarse en este punto con carbón vegetal.

Figura 4: Ejemplos de muestras que se "aceitan" durante la disolución: a) Gotas aceitosas de acetanilida en una solución decolorada con carbón vegetal, b+c) Gotas aceitosas que contienen rojo de metilo y acetanilida en agua.
Figura 4: Ejemplos de muestras que se «aceitan» durante la disolución: a) Gotas aceitosas de acetanilida en una solución decolorada con carbón vegetal, b+c) Gotas aceitosas que contienen rojo de metilo y acetanilida en agua.
Figura 5: a-c) Enfriamiento y cristalización del NBS, d) Enfriamiento posterior en un baño de hielo junto con un poco de disolvente (en la botella) para el aclarado
Figura 5: a-c) Enfriamiento y cristalización del NBS, d) Enfriamiento posterior en un baño de hielo junto con un poco de disolvente (en la botella) para el aclarado

Dejar que la solución se enfríe lentamente

  1. Cuando el sólido esté apenas disuelto, retire el matraz de la fuente de calor utilizando un protector de manos, un soporte de toallas de papel o un guante, y déjelo a un lado para que se enfríe. Retirar el palo de hervir o la barra de agitación si se ha utilizado para proteger los golpes (las piedras de hervir pueden recogerse del sólido en un momento posterior si se utilizan).

Para favorecer un enfriamiento lento, coloque el matraz sobre una superficie que no conduzca bien el calor, como una toalla de papel doblada. Cubra la boca del matraz Erlenmeyer con un vidrio de reloj para retener el calor y el disolvente (Figura 5a). Deje que la solución alcance lentamente la temperatura ambiente.

  1. A medida que la solución se enfría, deberían formarse cristales sólidos (Figura 5b). Si la solución sólo está tibia al tacto o turbia y no se han formado cristales, utilice una varilla de agitación para rayar el vidrio e iniciar la cristalización.

Una vez iniciada la cristalización, los cristales deberían crecer lentamente a medida que la temperatura disminuye. Una cristalización ideal tarda entre 5 y 20 minutos en cristalizar completamente, dependiendo de la escala. Una cristalización completa en menos de 5 minutos es demasiado rápida.


  1. Cuando la solución esté a temperatura ambiente, coloque el matraz en un baño de hielo (mezcla de hielo y agua) durante 10-20 minutos para reducir aún más la solubilidad del compuesto y maximizar la formación de cristales (Figura 5d). Coloque también una porción de disolvente en el baño de hielo, que se utilizará más tarde para el enjuague durante la filtración por succión.
  2. Utilice la filtración por succión para recuperar el sólido de la mezcla.

Resumen

Tiempo necesario: 1 hora.

Cristalización con un único disolvente

  1. Calentar un poco de disolvente en una fuente de calor hasta que hierva (incluir piedras de ebullición). En un matraz Erlenmeyer, añadir una pequeña porción de disolvente caliente al sólido impuro.

  2. Si se va a incluir un paso de filtración en caliente, utilizar piedras de ebullición con el sólido impuro, o una varilla de ebullición o una barra de agitación si no se hará una filtración.

  3. Poner ambos matraces en la fuente de calor y llevar a ebullición.

  4. Añadir la cantidad mínima de disolvente en ebullición necesaria para disolver el sólido impuro, con agitación.

  5. Para cantidades de 100mg-1g, añadir 0,5-2mL de disolvente cada vez. Para escalas más pequeñas, añadir disolvente gota a gota.

  6. Esperar a que cada porción de disolvente rompa a hervir antes de añadir más.

  7. Posiblemente utilice carbón vegetal y filtración en caliente en este punto si hay impurezas coloreadas o insolubles.

  8. Cuando se haya disuelto, retira la solución de la fuente de calor y retira la varilla de ebullición o la barra de agitación si se ha utilizado. Dejar que la solución se enfríe lentamente sobre unas toallas de papel y con un pequeño vidrio de reloj sobre la boca del erlenmeyer.

  9. Si se observa un indicio de enturbiamiento en la solución, o si la solución se ha enfriado bastante sin cristalizar, rascar con una varilla agitadora de vidrio para iniciar la cristalización.

  10. Una cristalización adecuada tarda entre 5 y 20 minutos en completarse.

  11. Cuando la solución esté a temperatura ambiente, colóquela en un baño de hielo durante al menos 10 minutos para maximizar la formación de cristales.

  12. Enfríe también un disolvente de aclarado en el baño de hielo.

  13. Recoja los cristales por filtración de succión.

Para más información Single Solvent Crystallization

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