2.1: Recristalización

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La recristalización es una técnica de laboratorio para purificar sólidos. Las características clave de esta técnica es hacer que un sólido entre en solución, y luego dejar cristalizar gradualmente el sólido disuelto. Suena fácil, ¿no? En realidad, es un proceso muy desafiante acertar por completo. El objetivo, es obtener un compuesto de alta pureza como cristales uniformes. Por lo tanto, la recristalización es una técnica de purificación.

Las características clave necesarias para un proceso de recristalización exitoso, son una disminución de temperatura muy controlada y tiempo suficiente. Debido a que la mayoría de los sólidos tienen una mejor solubilidad a temperaturas más altas, podemos saturar o casi saturar una solución a alta temperatura (generalmente la temperatura de ebullición del disolvente), y luego lentamente permitir que la solución alcance la temperatura ambiente. A medida que la temperatura comienza a disminuir, también lo hace la solubilidad del compuesto. A medida que disminuye la solubilidad, la solución en algún momento se sobresaturará y los cristales comenzarán a formarse.

Antes de seguir adelante, permítanme abordar el principal problema asociado con la cristalización: la formación de precipitado, versus cristales. Un precipitado es simplemente una mezcla de compuestos en la solución que se desploma. Esto puede suceder por una variedad de razones, pero un estudiante puede haber tomado la solución muy caliente y colocada directamente sobre una superficie fría para enfriarla (un proceso llamado “enfriamiento por choque”) o incluso sumergido la solución caliente en un baño de hielo. Un precipitado puede no ser puro, porque puede contener varios compuestos. Los cristales, sin embargo, a menudo están compuestos únicamente de un compuesto. Es muy fácil obtener un precipitado, pero muy difícil conseguir cristales.

Ya mencionamos que la temperatura y el tiempo son factores clave para una recristalización exitosa. La precipitación suele ocurrir cuando la temperatura no se ha bajado gradualmente. Además, no debemos perturbar la solución (o su contenedor) mientras se enfría (aunque sea tentadora). Perturbar la solución puede romper cualquier semilla de cristales ⁶ que hayan comenzado a crecer. ⁷

6 Un cristal semilla es una pequeña pieza de cristal a partir del cual se produce la cristalización.

7 Un desafío típico en un laboratorio de investigación consiste en la recristalización para formar un cristal adecuado para el análisis de rayos X. Tales cristales a menudo se denominan monocristales, y no solo deben ser completamente puros, sino que también la red cristalina y el crecimiento deben estar altamente ordenados. Esta tarea puede ser monumental, ya que variables muy pequeñas pueden ser perjudiciales para el crecimiento de un solo cristal. Durante el grad-school, un postdoctorado me dijo que dejara los cristales creciendo en una habitación donde nunca nadie iba, ya que incluso las vibraciones de pasos o equipo de laboratorio podrían ser perjudiciales.

Tenga en cuenta también que algunos compuestos simplemente cristalizan más fácilmente que otros. Las moléculas más rígidas son, por regla general, más fáciles de cristalizar. ⁸ Rígidos, en este contexto, significan compuestos que contienen menos enlaces capaces de someterse a rotación interna, por lo que hay menos confórmeros posibles.

Pasemos por un proceso de recristalización, enfocándonos en aspectos técnicos y resolución de problemas.

Cómo realizar una recristalización:

El sólido impuro crudo se disuelve en disolvente caliente. Si algún sólido permanece sin disolver después de agregar disolvente, es probable que sea una impureza y debe eliminarse filtrando el (¡caliente!) solución.
Problemas típicos: Agregar demasiado disolvente para que el producto no cristalice más tarde. Filtrar la solución caliente demasiado lentamente para que el disolvente se enfríe y el sólido comience a cristalizar en el embudo y/o en los lados de la cristalería.
La solución se deja reposar sin ser perturbada. Se deja que la temperatura baje gradualmente, lo que lleva al crecimiento de cristales grandes. El matraz no debe colocarse sobre una superficie (enfriará por choque la solución), sino colocarse en un frasco aislado, o bien sujetado.
Problemas típicos: Los cristales no se forman en absoluto (demasiado disolvente), se forma precipitado en lugar de cristales (la temperatura ha bajado demasiado rápido, o se forma un aceite).
La solución se deja reposar hasta que se completa la cristalización.
Problemas típicos: La cristalización puede ser un proceso lento, y la impaciencia puede llevar a una baja recuperación.
La solución se coloca en un baño de hielo-agua para bajar aún más la temperatura y permitir que se formen más cristales. En este punto, la mayoría de los cristales ya deberían haberse formado.
Los cristales se filtran y se secan al aire.

¿Cómo podemos saber si una recristalización ha sido un éxito? La inspección visual sim- ple es un buen comienzo: Los cristales deben tener superficies brillantes y captar la luz. Deben parecer uniformes, y debes tener cristales de estructura y tamaño similares. Un análisis del punto de fusión también debe mostrar un rango de punto de fusión más estrecho y elevado en comparación con el material crudo.

Como cualquier técnica de purificación, la recristalización tiene algunas limitaciones. En primer lugar, el compuesto que cristalices debe ser un sólido en condiciones estándar. Las grasas, ceras y aceites no se pueden cristalizar en condiciones estándar. En segundo lugar, el material crudo debe ser mayormente puro. No existe ningún estándar de pureza mínima para ningún material crudo, ya que el éxito de cualquier recristalización depende de las identidades de los demás constituyentes y sus respectivas solubilidades, pero en general el material crudo debe contener aproximadamente 80% del compuesto deseado.

El material crudo se transfiere a un recipiente de cristalización adecuado. El material crudo se disuelve en un disolvente, y se calienta suavemente.

La solución se deja enfriar suave y lentamente. Observe que los cristales crecen en la solución. La solución se enfría a temperatura ambiente, lo que lleva a la formación de cristales grandes.

8 He preparado nuevos compuestos que he probado de vez en cuando para recristalizar durante la mayor parte de un año entero, sin éxito.