3.6A: Cristalización de Solvente Único

Figura 3.49: a) Una muestra antigua de\(\ce{N}\) -bromosuccinimida (NBS), b) Cristalización de NBS usando agua caliente, c) NBS cristalizado.

La cristalización que se muestra en esta sección muestra la purificación de una\(1 \: \text{g}\) muestra aproximada de\(\ce{N}\) -bromosuccinimida vieja (NBS), la cual fue encontrada en su botella de reactivo como un polvo naranja. La cristalización utiliza agua como disolvente, que no tiene problemas de inflamabilidad, por lo que se usa una placa calefactora.

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

Figura 3.50: a) NBS impuro agregado al matraz, b) Calentamiento de agua en una placa calefactora, c) Adición de agua caliente al sólido, usando un toallero de papel para sujetar el vaso de precipitados, d) Adición de agua caliente al sólido (no NBS, un sistema diferente) usando un protector de manos caliente de silicona.

Preparar la configuración

1. Transferir el sólido impuro a cristalizar a un matraz Erlenmeyer de tamaño apropiado (Figura 3.50a). Si el sólido es granular, primero pulverizar con una varilla agitadora de vidrio.
   No se recomienda realizar cristalizaciones en un vaso de precipitados. La boca estrecha de un matraz Erlenmeyer permite un remolino más fácil y minimiza la evaporación durante el proceso, ya que los vapores de disolvente se condensan en las paredes del matraz (se “refluyen” en los lados del matraz). La boca estrecha de un Erlenmeyer también permite que un matraz se cubra más fácilmente durante la etapa de enfriamiento, o incluso se pueda tapar para cristalizaciones largas. Un matraz de fondo redondo tampoco es ideal para la cristalización ya que la forma del matraz dificulta la recuperación de sólidos al final del proceso.
   Es importante que el matraz no esté demasiado lleno o demasiado vacío durante la cristalización. Si el matraz estará mayor que medio lleno con disolvente caliente, será difícil evitar que el matraz hierva. Si el matraz contendrá disolvente a una altura menor que\(1 \: \text{cm}\), la solución se enfriará demasiado rápido. Es común usar entre 10-50 veces más disolvente que muestra, y una guía aproximada es usar un matraz donde la muestra solo cubre el fondo en una capa delgada.
2. Coloque un poco de disolvente en un vaso de precipitados o matraz Erlenmeyer junto con algunas piedras hirviendo sobre la fuente de calor, y llevar a ebullición suave. Use un vaso de precipitados si se va a verter el disolvente y un matraz Erlenmeyer si se pipeteará el disolvente. Si se anticipa una etapa de filtración en caliente para más adelante en el procedimiento, también prepare una abrazadera de anillo que contenga un embudo con papel de filtro acanalado (Figura 3.50b).

Agregar la Cantidad Mínima de Solvente Caliente

3. Cuando el disolvente esté hirviendo, sujete el vaso de precipitados con un protector de manos caliente (Figura 3.50d), guantes de algodón o un soporte para toallas de papel hecho enrollando una hoja de toalla de papel en un rectángulo largo (Figura 3.50c). Al costado de la fuente de calor, vierta una pequeña porción de disolvente hirviendo en el matraz que contiene el sólido impuro, para recubrir el fondo del matraz. Si la cristalización se realiza a pequeña escala (usando un matraz\(50 \: \text{mL}\) Erlenmeyer o más pequeño), puede ser más fácil usar una pipeta para transferir porciones del disolvente al matraz.
   Es costumbre no colocar el sólido seco sobre la fuente de calor antes de agregar solvente o el sólido puede descomponerse. Cuando el sólido se dispersa en una pequeña cantidad de disolvente, entonces se puede colocar sobre la fuente de calor.

Figura 3.51: Disolver NBS en la cantidad mínima de agua caliente (también están presentes piedras en ebullición).

4. Colocar el matraz que contiene el sólido impuro y el disolvente encima de la fuente de calor. Usa algún método para evitar golpes (hervir piedras si planeas “filtrar en caliente”, una barra hirviendo o una barra de agitación si no lo haces), y lleva la solución a ebullición suave (Figura 3.51a).
5. Añadir el disolvente en porciones (Figura 3.51b), arremolinándose para ayudar en la disolución, hasta que el sólido se disuelva (Figura 3.51d). Para\(100 \: \text{mg}\) -\(1 \text{g}\) de compuesto, agregue\(0.5\) -\(2 \: \text{mL}\) porciones a la vez. Tenga en cuenta que puede tomar tiempo para que un sólido se disuelva completamente ya que hay un aspecto cinético para la disolución. Cada adición debe dejarse hervir completamente antes de agregar más solvente, y se debe permitir algún tiempo entre adiciones. No permitir tiempo para la disolución y, en consecuencia, agregar demasiado disolvente es una fuente principal de error en la cristalización.
   No es raro que se vean gotitas de líquido durante el proceso de calentamiento (Figura 3.52). Esto es cuando el material se “engrasa”, o se derrite antes de que se disuelva. Si esto sucede, las gotas de líquido son ahora el compuesto que estás cristalizando, así que continúa agregando disolvente en porciones hasta que las gotas de líquido se disuelvan por completo también.
   Observe cuidadosamente la solución para juzgar si el tamaño de las piezas sólidas (o gotitas líquidas) cambia con disolvente adicional: si no lo hacen, pueden ser una impureza insoluble. La adición de exceso de disolvente en un intento de disolver las impurezas insolubles afectará negativamente la recuperación. Si hay impurezas sólidas insolubles, la solución debe filtrarse (inserte una etapa de filtración en caliente en este punto). Las impurezas coloreadas también se pueden eliminar en este punto con carbón vegetal.

Figura 3.52: Ejemplos de muestras “engrasadas” durante la disolución: a) Gotas oleosas de acetanilida en una solución decolorada con carbón vegetal, b+c) Gotitas oleosas que contienen rojo de metilo y acetanilida en agua.

Figura 3.53: a-c) Enfriamiento y cristalización de NBS, d) Enfriamiento adicional en un baño de hielo junto con algún disolvente (en la botella) para enjuagar.

Permita que la solución se enfríe lentamente

6. Cuando el sólido se acaba de disolver, retire el matraz de la fuente de calor usando un protector de manos caliente, un soporte para toallas de papel o un guante, y déjelo a un lado para que se enfríe. Retire la barra hirviendo o la barra agitadora si se usa para protección contra golpes (las piedras hirviendo se pueden recoger del sólido en un punto posterior si se usa).
   Para fomentar el 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 3.53a). Permita que la solución llegue lentamente a temperatura ambiente.
7. A medida que la solución se enfría, eventualmente se deben formar cristales sólidos (Figura 3.53b). Si la solución solo está caliente al tacto o turbia y no se han formado cristales, use una varilla agitadora de vidrio para rayar el vidrio e iniciar la cristalización.
   Después de que haya comenzado la cristalización, los cristales deben crecer lentamente a medida que disminuye la temperatura. Una cristalización ideal tarda entre 5-20 minutos en cristalizar completamente, dependiendo de la escala. La cristalización completa en menos de 5 minutos es demasiado rápida (consulte la sección Solución de problemas para obtener consejos sobre cómo ralentizarla).
8. Cuando la solución esté a temperatura ambiente, coloque el matraz en un baño de hielo (suspensión de hielo-agua) durante 10-20 minutos para disminuir aún más la solubilidad del compuesto y maximizar la formación de cristales (Figura 3.53d). También coloque una porción de solvente en el baño de hielo, para ser usado posteriormente para el enjuague durante la filtración por succión.
9. Use filtración por succión para recuperar el sólido de la mezcla.