Proceso de separación y purificación de sólidos cristalinos.
En química , la recristalización es una técnica utilizada para purificar sustancias químicas. Al disolver una mezcla de un compuesto e impurezas en un disolvente apropiado, se puede eliminar de la solución el compuesto deseado o las impurezas, dejando el otro atrás. Lleva el nombre de los cristales que a menudo se forman cuando el compuesto precipita. Alternativamente, la recristalización puede referirse al crecimiento natural de cristales de hielo más grandes a expensas de los más pequeños.
Química
En química , la recristalización [1] : 127–132 es un procedimiento para purificar compuestos . La situación más típica es que un "compuesto A" deseado esté contaminado por una pequeña cantidad de "impureza B". Hay varios métodos de purificación que se pueden intentar (ver Proceso de separación ), siendo la recristalización uno de ellos. También existen diferentes técnicas de recristalización que se pueden utilizar como:
Recristalización en un solo disolvente
Normalmente, la mezcla de "compuesto A" e "impureza B" se disuelve en la menor cantidad de disolvente caliente para disolver completamente la mezcla, generando así una solución saturada . Luego se deja enfriar la solución. A medida que la solución se enfría, la solubilidad de los compuestos en la solución disminuye. Esto da como resultado que el compuesto deseado caiga (recristalice) de la solución. Cuanto más lenta es la velocidad de enfriamiento, más grandes se forman los cristales.
→ Disolvente añadido (transparente) al compuesto (naranja) → Disolvente calentado para dar una solución saturada del compuesto (naranja) → La solución saturada del compuesto (naranja) se deja enfriar con el tiempo para dar cristales (naranja) y una solución saturada (naranja pálido).Cristalización de ibuprofeno en HCl (aq)
En una situación ideal, el producto de solubilidad de la impureza, B, no se excede a ninguna temperatura. En ese caso, los cristales sólidos estarán formados por A puro y todas las impurezas permanecerán en la solución. Los cristales sólidos se recogen por filtración y el filtrado se desecha. Si se excede el producto de solubilidad de la impureza, algunas de las impurezas coprecipitarán. Sin embargo, debido a la concentración relativamente baja de la impureza, su concentración en los cristales precipitados será menor que su concentración en el sólido original. La recristalización repetida dará como resultado un precipitado cristalino aún más puro. La pureza se comprueba después de cada recristalización midiendo el punto de fusión, ya que las impurezas disminuyen el punto de fusión . La espectroscopia de RMN también se puede utilizar para comprobar el nivel de impureza. La recristalización repetida produce cierta pérdida de material debido a la solubilidad distinta de cero del compuesto A.
El proceso de cristalización requiere un paso de iniciación, como la adición de un cristal "semilla". En el laboratorio, un minúsculo fragmento de vidrio, producido al rayar el costado del recipiente de recristalización, puede proporcionar el núcleo sobre el cual pueden crecer los cristales. Una recristalización exitosa depende de encontrar el solvente adecuado. Suele ser una combinación de predicción/experiencia y prueba/error. Los compuestos deben ser más solubles a temperaturas más altas que a temperaturas más bajas. Cualquier impureza insoluble se elimina mediante la técnica de filtración en caliente .
Recristalización multisolvente
Este método es el mismo que el anterior pero donde se utilizan dos (o más) solventes. Esto depende de que tanto el "compuesto A" como la "impureza B" sean solubles en un primer disolvente. Se añade lentamente un segundo disolvente. Tanto el "compuesto A" como la "impureza B" serán insolubles en este disolvente y precipitarán, mientras que el otro "compuesto A"/"impureza B" permanecerá en solución. Por tanto, la proporción del primer y segundo disolvente es crítica. Normalmente, el segundo disolvente se añade lentamente hasta que uno de los compuestos comienza a cristalizar en la solución y luego se enfría la solución. No se requiere calentamiento para esta técnica, pero se puede utilizar.
→ Disolvente añadido (transparente) al compuesto (naranja) → Disolvente calentado para dar una solución saturada del compuesto (naranja) → Segundo disolvente (azul) añadido a la solución del compuesto (naranja) para dar un sistema de disolventes mixtos (verde) → Sistema de disolventes mixtos ( verde) se dejó enfriar con el tiempo para dar cristales (naranja) y un sistema de disolvente mixto saturado (verde-azul).
Se puede utilizar el método inverso cuando una mezcla de disolventes disuelve A y B. Luego, uno de los disolventes se elimina mediante destilación o aplicando vacío. Esto da como resultado un cambio en las proporciones del disolvente que hace que precipite el "compuesto A" o la "impureza B".
→ Primer disolvente añadido (transparente) al compuesto (naranja) → Disolvente calentado para dar una solución saturada del compuesto (naranja) → Segundo disolvente (azul) añadido a la solución del compuesto (naranja) para dar el primer sistema de disolventes mixtos (verde) → Volátil primero El disolvente (transparente) se elimina (p. ej., evaporación) del primer sistema de disolventes mixtos (verde) para dar un segundo sistema de disolventes mixtos (verde oscuro) → El segundo sistema de disolventes mixtos (verde oscuro) se deja enfriar con el tiempo para dar cristales (naranja ) y un segundo sistema de disolvente mixto saturado (verde-azul).
Filtración-recristalización en caliente
La filtración en caliente [1] : 74 se puede utilizar para separar el "compuesto A" tanto de la "impureza B" como de parte de la "materia insoluble C". Esta técnica normalmente utiliza un sistema de un solo disolvente como se describe anteriormente. Cuando tanto el "compuesto A" como la "impureza B" se disuelven en la cantidad mínima de disolvente caliente, la solución se filtra para eliminar la "materia insoluble C". Esta materia puede ser cualquier cosa, desde un tercer compuesto de impureza hasta fragmentos de vidrio roto. Para que el procedimiento sea exitoso, es necesario asegurarse de que el aparato de filtración esté caliente para evitar que los compuestos disueltos cristalicen en la solución durante la filtración, formando cristales en el papel de filtro o en el embudo.
Una forma de lograrlo es calentar un matraz cónico que contenga una pequeña cantidad de disolvente limpio en una placa caliente. Se coloca un embudo de filtro sobre la boca y los vapores calientes del disolvente mantienen caliente el tallo. También se pueden utilizar embudos de filtro con camisa. El papel de filtro es preferiblemente acanalado, en lugar de doblado en un cuarto; esto permite una filtración más rápida y, por lo tanto, menos oportunidades para que el compuesto deseado se enfríe y cristalice en la solución.
A menudo es más sencillo realizar la filtración y la recristalización como dos pasos independientes y separados. Es decir, disolver el "compuesto A" y la "impureza B" en un disolvente adecuado a temperatura ambiente, filtrar (para eliminar el compuesto/vidrio insoluble), eliminar el disolvente y luego recristalizar utilizando cualquiera de los métodos enumerados anteriormente.
→ Disolvente añadido (transparente) a una mezcla de compuesto (naranja) + sustancia insoluble (púrpura) → Disolvente calentado para dar una solución compuesta saturada (naranja) + sustancia insoluble (púrpura) → Solución compuesta saturada (naranja) filtrada para eliminar la sustancia insoluble ( púrpura) → Solución compuesta saturada (naranja) que se deja enfriar con el tiempo para dar cristales (naranja) y una solución saturada (naranja pálido).
siembra
La cristalización requiere un paso de iniciación. Esto puede ser espontáneo o puede hacerse agregando una pequeña cantidad del compuesto puro (un cristal semilla ) [1] a la solución saturada, o puede hacerse simplemente raspando la superficie del vidrio para crear una superficie de semilla para el crecimiento del cristal . Se cree que incluso las partículas de polvo pueden actuar como simples semillas.
Cristales únicos perfectos (para análisis de rayos X)
Cultivar cristales para cristalografía de rayos X puede resultar bastante difícil. Para el análisis de rayos X, se requieren cristales únicos perfectos. Por lo general, se utiliza una pequeña cantidad (5 a 100 mg) de un compuesto puro y se deja que los cristales crezcan muy lentamente. Se pueden utilizar varias técnicas para hacer crecer estos cristales perfectos:
Evaporación lenta de un único disolvente: normalmente el compuesto se disuelve en un disolvente adecuado y se deja que el disolvente se evapore lentamente. Una vez que la solución está saturada, se pueden formar cristales.
→ Se agrega solvente (transparente) al compuesto (naranja) para obtener la solución del compuesto (naranja) → El recipiente está sellado pero un pequeño orificio permite que el vapor del solvente (transparente) se evapore lentamente de la solución del compuesto (naranja) con el tiempo para generar cristales (naranja) y un solución saturada (naranja pálido).
Evaporación lenta de un sistema multisolvente: igual que el anterior, sin embargo, la composición del solvente cambia debido a la evaporación del solvente más volátil. El compuesto es más soluble en el disolvente volátil, por lo que se vuelve cada vez más insoluble en solución y cristaliza.
→ Se agregó solvente (transparente) al compuesto (naranja) para obtener una solución compuesta (naranja) → Se agregó el segundo solvente (azul) a la solución compuesta (naranja) para obtener un sistema de solventes mixtos (verde) → Recipiente sellado pero un pequeño orificio permite el paso del solvente vapor (transparente) para que se evapore lentamente con el tiempo para dar cristales (naranja) y una solución saturada de disolvente mixto (azul-verde).
Difusión lenta: similar a la anterior. Sin embargo, se deja que un segundo disolvente se evapore de un recipiente a un recipiente que contiene la solución del compuesto (difusión de gas). A medida que la composición del disolvente cambia debido a un aumento del disolvente que tiene gas difundido en la solución, el compuesto se vuelve cada vez más insoluble en la solución y cristaliza.
→ Se agrega disolvente (transparente) al compuesto (naranja) en el primer recipiente para obtener la solución del compuesto (naranja). → El primer recipiente se coloca en un segundo recipiente que contiene el segundo disolvente (azul). El segundo recipiente está sellado y el primer recipiente también está sellado, aunque hay un pequeño orificio en el primer recipiente. Este orificio permite que el vapor de solvente volátil (azul) se evapore lentamente del segundo recipiente y se condense (es decir, se infunda) en el primer recipiente, para dar un sistema de disolvente mixto (verde) → Con el tiempo, esto da cristales (naranja) y una mezcla saturada. sistema disolvente (verde-azul).
Interfaz/mezcla lenta (a menudo realizada en un tubo de RMN ). Similar a lo anterior, pero en lugar de que un solvente se difunda en otro, los dos solventes se mezclan (difunden) mediante difusión líquido-líquido. Normalmente, se coloca cuidadosamente un segundo disolvente sobre la solución que contiene el compuesto. Con el tiempo, las dos soluciones se mezclan. A medida que la composición del disolvente cambia debido a la difusión, el compuesto se vuelve cada vez más insoluble en solución y cristaliza, generalmente en la interfaz. Además, es mejor usar un disolvente más denso como capa inferior y/o un disolvente más caliente como capa superior porque esto da como resultado una mezcla más lenta de los disolventes.
→ Se agregó solvente (transparente) al compuesto (naranja) para obtener la solución del compuesto (naranja) → Se agregó el segundo solvente (azul) con cuidado para que los dos solventes no se mezclen. → Los dos solventes se mezclan (difunden) lentamente con el tiempo para dar cristales (naranja) en la interfaz del solvente (verde)
Se puede utilizar equipo especializado en forma de "H" para realizar lo anterior, donde una de las líneas verticales de la "H" es un tubo que contiene una solución del compuesto, y la otra línea vertical de la "H" es un tubo que contiene un disolvente en el que el compuesto no es soluble, y la línea horizontal de la "H" es un tubo que une los dos tubos verticales, que además tiene un fino vidrio sinterizado que restringe la mezcla de los dos disolventes.
→ Se agregó solvente (transparente) al compuesto (naranja) para dar una solución compuesta (naranja) → Se agregó el segundo solvente (azul) a la segunda cámara del tubo → Los dos solventes se mezclan lentamente con el tiempo, la mezcla se ralentiza mediante una fina separación por sinterización las dos cámaras de disolvente, para dar cristales (naranja) en la interfaz del disolvente (verde) con el tiempo
Una vez que se han obtenido cristales individuales perfectos, se recomienda guardarlos en un recipiente sellado con algo del líquido de cristalización para evitar que el cristal se "seque". Los cristales individuales perfectos pueden contener disolvente de cristalización en la red cristalina . La pérdida de este disolvente interno de los cristales puede provocar que la red cristalina se rompa y los cristales se conviertan en polvo.
Hielo
Para el hielo , la recristalización se refiere al crecimiento de cristales más grandes a expensas de los más pequeños. Se ha demostrado que algunas proteínas anticongelantes biológicas inhiben este proceso y el efecto puede ser relevante en organismos tolerantes a la congelación. [2]
Ver también
Tubo de Craig , un aparato para la recristalización a pequeña escala.
^ abc Harwood, Laurence M.; Moody, Christopher J. (1 de enero de 1990). Química orgánica experimental: principios y práctica (edición ilustrada). Publicaciones científicas de Blackwell. ISBN 978-0-632-02016-4. LCCN 88007680. OCLC 18816225. OL 2032038M. Wikidata Q107313989 . Consultado el 22 de junio de 2021 a través de Internet Archive .
^ Kumar Verma, Ashok (2014). "Recristalización del hielo". Enciclopedia de nieve, hielo y glaciares . Serie Enciclopedia de Ciencias de la Tierra. pag. 932. doi :10.1007/978-90-481-2642-2_439. ISBN978-90-481-2641-5.
Libros de referencia
Laurence M. Harwood; Christopher J. Moody; Jonathan M. Percy (1999). Química orgánica experimental: estándar y microescala. Wiley. ISBN 9780632048199.
Juan Leonardo; B. Ligo; Garry Procter (2 de junio de 1994). Química orgánica práctica avanzada. Prensa CRC. ISBN 9780748740710.
