Instituto Politécnico Nacional
Escuela Nacional de Ciencias Biológicas Laboratorio de Química Orgánica Informe de Práctica No 3 Recristalización
Equipo 3 Integrantes: Abreu Hernández Guadalupe de los Ángeles Carbajal Solorio Oscar Ingeniería Bioquímica 2º Semestre Grupo 2IV1 Turno Vespertino Ciclo escolar 2010-2011 Profesores: Dra. Adriana Benavides Macías Q.F.I Alfredo Rodríguez Hosteguin Q.F.B José Luis López Romero
Objetivos: Identificar a la recristalización como un método de purificación de un compuesto orgánico solido obtenido de una reacción con agentes contaminantes. Conocer su procedimiento riesgos que vean afectado el experimento así como sus • precauciones correspondientes En esta practica se sintetizará acetanilida mediante la acetilación de anilina por medio de • anhídrido acético. Se purificará mediante el proceso de recristalización la acetanilida obtenida. Conocer la manera adecuada de la selección del disolvente requerido para la • recristalización. •
Introducción. Los compuestos orgánicos sólidos que se obtienen en una reacción o se aíslan de alguna fuente natural suelen estar acompañados de impurezas que hay que eliminar para poder disponer del producto deseado en el mayor grado de pureza. Los sólidos se han purificado por recristalización, desde la época de los alquimistas, empleando disolventes adecuados. Esta técnica sigue siendo hoy día el método más útil para purificar sustancias sólidas. Tal como se practica habitualmente, la purificación por recristalización se basa en el hecho de que la mayoría de los sólidos son más solubles en los disolventes calientes que en los fríos. El sólido que se va a purificar se disuelve en el disolvente calentado hasta su punto de ebullición; la mezcla caliente se filtra para eliminar las impurezas insolubles y se deja enfriar, con lo cual tiene lugar la cristalización. En la práctica, parte de las impurezas pueden cristalizarse con la sustancia deseada, por lo que debe recristalizarse para obtener una purificación satisfactoria. Cuando están presentes impurezas coloridas, éstas se eliminan agregando a la solución una mínima cantidad de carbón activado que adsorbe las impurezas. Los pasos para efectuar una recristalización de acuerdo a lo siguiente, son: 1. Elección del disolvente. 2. Disolución de la sustancia en caliente. 3. Si la solución tiene color, adicionar carbón activado y llevar a ebullición. 4. Filtración de la solución en caliente. 5. Enfriamiento para recristalizar. 6. Separación de los cristales. 7. Secado de los cristales.
Elección del disolvente. Una sustancia es más soluble mientras más se parece su estructura a la del disolvente. Un disolvente apropiado para cristalización deberá llenar los siguientes requisitos: Que el compuesto (soluto) sea muy soluble a temperatura elevada • Que el soluto sea muy poco soluble en él a baja temperatura • Que no reaccione con el soluto • Que sea lo suficientemente volátil para que sea fácil eliminarlo de los cristales • Que las impurezas sean bastante más solubles en frío que el soluto. •
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Es conveniente también considerar el costo, toxicidad e inflamabilidad en la elección de disolventes.
Mezclas de Disolventes Cuando ningún disolvente es adecuado, es conveniente usar mezclas de disolventes, usualmente en pares, con polaridades diferentes. Para esto: El material se disuelve en la mínima cantidad de disolvente en que es más soluble en caliente. Enseguida se le añade un segundo disolvente en que sea muy insoluble en caliente, hasta que se enturbie la solución. Se vuelve a calentar. Se le añaden varias gotas del primer disolvente hasta que desaparezca la turbidez. Se deja enfriar la solución.
Disolución de la sustancia en caliente. La recristalización se basa en el principio de que la mayoría de los sólidos son más solubles en un disolvente caliente que en frío. De igual manera la solubilidad de un sólido en un disolvente, está en función de su estructura química y de la temperatura. Cuando un compuesto sólido se recristaliza en un disolvente apropiado, se forma una solución saturada a temperatura elevada, de la cual al enfriarse se separa en forma cristalina. Una solución saturada: se obtiene de la forma siguiente: El soluto finamente pulverizado, se disuelve en una mínima cantidad de disolvente en ebullición, calentando en un baño de vapor; a esta solución hirviente se le agrega más disolvente en pequeñas porciones con agitación. Cuando el sólido se disuelve totalmente, no debe agregarse más disolvente. C) Mal Disolvente
A) Buen
B) Mal
Cambio de solubilidad en función de la temperatura
Si la solución tiene color, adicionar carbón activado y llevar a ebullición. Para la eliminación de impurezas se añade del 0.1% al 1.0% del peso del soluto de un adsorbente, como el carbón activado, su función es la de adsorber sobre su superficie las impurezas que acompañan a la mayor parte de los productos de una reacción. El carbón activado posee la virtud de adherir o retener en su superficie uno o
más componentes (átomos, moléculas, iones) del líquido que está en contacto con él. Este fenómeno se denomina poder adsorbente. La adsorción es la responsable de purificar, deodorizar y decolorar el agua u otros sólidos, líquidos o gases que entren en contacto con el elemento adsorbente. El carbón activado se caracteriza por poseer una superficie específica (alrededor de 500 a 1500m2 por gramo) con una infinita cantidad de poros muy finos que son los que retienen (adsorben) ciertos compuestos no deseados. Son las altas temperaturas, la atmósfera especial y la inyección de vapor del proceso de fabricación del carbón activado lo que “activa” y crea la porosidad. El área de superficie del carbón activado varía dependiendo de la materia prima y del proceso de activación.
Filtración de la solución en caliente. En esta etapa, se pretenden eliminar las impurezas insolubles; esta filtración deberá hacerse rápidamente empleando un embudo de tallo corto, pasando a través del papel filtro, una pequeña cantidad de disolvente caliente para evitar que cristalice el compuesto en el embudo. Puede calentarse cuidadosamente el tallo del embudo y así minimizar la posibilidad de que cristalice en el embudo.
Condiciones de Cristalización Las variaciones en las condiciones de crecimiento de los cristales como: Concentración • Temperatura • Agitación • Pueden alterar la forma de cristalización. Ejemplos. El naftaleno cristalizado rápidamente en metanol forma placas delgadas, pero en cristalización lenta se forman cristales compactos. La forma de los cristales también depende del disolvente; así el resorcinol, cristalizado en benceno forma agujas delgadas y en acetato de butilo, prismas gruesos.
Inducción de la Cristalización. Para inducir la cristalización de un compuesto, se puede:
Añadir unos cristales del compuesto (“sembrar”). Estos cristales se pueden obtener por evaporación lenta de una capa delgada de la solución. Agitar la solución o raspar con una varilla las paredes del recipiente que contiene la solución.
Separación de los Cristales Se pretende separar los cristales formados eliminando al máximo el disolvente, se puede llevar a cabo por: Filtración al vacío. Empleando un embudo Büchner unido a un matraz Kitazato Filtración por gravedad. Empleando un embudo de vidrio de tallo corto. Los cristales así separados deben lavarse con una pequeña cantidad de disolvente frío.
Secado de los cristales Los cristales separados en la etapa anterior se colocan sobre un papel filtro. Se presionan fuertemente para eliminar el disolvente. Posteriormente se colocan sobre un vidrio de reloj. Y finalmente se secan por alguna de las siguientes formas: Secado al aire Empleando una desecadora a vacío En una estufa Empleando una corriente de aire caliente
Experiencia A: Elección del solvente
Resultados. Tabla 1. Resultados experimentales de las pruebas de solubilidad.
Agua
Acetona
Etanol
Acetato de
Etilo
Acetanilida Ác. Salicílico Dibenzalacetona
IF/SC SF IF/SC
Claves. IF= Insoluble en frío. SF= Soluble en frío SC= Soluble en caliente
SF SF SF
SF SF SF SF IF/SC SF
Éter etílico
SF Parcialmente
SF
IF/IC
Experiencia B: Síntesis de Acetanilida Mecanismo de reacción
Purificación de la acetanilida obtenida por recristalizacion Resultados de la cristalización para la purificación de acetanilida. En el momento de verter la solución caliente del matraz hacia el vaso de precipitados con hielo, se observo la separación de las impurezas y la acetanilida, la cual mostraba un color rosado. Debido a que ya mostraba contaminante colorido, no fue necesario agregar la gota de azul de metileno, y se prosiguió a agregar carbón activado en la solución llevada a ebullición. El color rosado de la acetanilida desapareció por lo que se pudo comprobar que el carbon activado tiene función de eliminación de impurezas coloridas. Posteriormente se filtro a vacio para eliminar las impurezas sobrantes. Los cristales que se obtuvieron tuvieron un tamaño mediano
Cuestionario. 1. Hacer un esquema general de la técnica de recristalización.
2. Indicar en qué casos y con qué finalidad se lleva a cabo una recristalización. R: Cuando se ha obtenido un compuesto orgánico sólido en una reacción, o se ha aislado de alguna fuente natural, y éste presenta impurezas que hay que eliminar para disponer del producto deseado en el mayor grado de pureza. El procedimiento de recristalización se lleva a cabo para purificar este compuesto. 3. Explicar para qué sirve el carbón activado R: El carbón activado adsorbe las impurezas coloridas, ya que las retiene en su superficie.
4. Indicar por qué es importante reducir al mínimo la evaporación durante la filtración de una solución caliente. R: Porque si se evapora muy rápido el líquido donde tenemos disperso el componente que queremos filtrar, podría ser que los compuestos sólidos que sean solubles en el líquido y que no queremos filtrar, al momento de evaporarse el líquido, se queden también en el papel filtro, y no podrían separarse completamente de los sólidos que si deseamos. 5. En la purificación de un sólido por recristalización en un disolvente, explicar si es aconsejable enfriar la solución rápidamente. R: Ya que sabemos que un enfriamiento rápido favorece la formación de cristales pequeños (o tal vez amorfos) y el enfriamiento lento, la formación de cristales grandes, y que es conveniente que los cristales obtenidos sean de tamaño medio (esto porque cristales muy grandes o muy pequeños pueden incluir o absorber cantidades apreciables de impurezas), lo ideal es un enfriamiento no lento, no rápido, sino intermedio. Aun así siempre es mejor un enfriamiento lento, pues con el rápido es muy probable obtener amorfos, también es importante considerar para qué utilizaremos los cristales. 6. Si los puntos de fusión determinados a los compuestos purificados, no coinciden con los reportados. Indica que interpretación se daría a este hecho y proponga que procedimientos seguiría con base en su interpretación. Aún no hemos determinado los puntos de fusión. 7.
Explicar por que aumenta la solubilidad de un compuesto en un disolvente al aumentar la temperatura Para que suceda la solvatación (interacción de un soluto con un solvente que conduce a la estabilización de las especies del soluto en la solución), se necesita la liberación de los iones individuales de la red cristalina en la que están presentes, para esto es necesario romper las atracciones que los iones tienen entre sí, por lo tanto se requiere de energía para lograrlo, la energía a utilizar será la calorífica. Así, un aumento de temperatura beneficiara a la liberación de iones individuales y lograr que la solubilidad del compuesto aumente. Sin embargo, no en todos los compuestos ocurre esto, ya que los gases liberan tanta energía al calentarse que se volatilizan lo que causa que no exista solubilidad.
8.
Indicar que condiciona que una sustancia (soluto) se solubiliza en otra (disolvente) Equilibrio de fuerzas intermoleculares entre el disolvente y el soluto • La variación de entropía que acompaña a la solvatación • Dependerá también del exceso o defecto de un ion común en la solución, un fenómeno • conocido como el efecto del ion común El carácter polar de la sustancia influye mucho. •
9.
Indicar en una recristalizacion que ventajas tendrá el agua sobre el éter y el benceno Algunos de los compuestos que son solubles en agua y solubles en éter o benceno son los siguientes: ácidos carboxílicos, alcoholes, aldehídos, cetonas, aminas. Ellos tiene en común que tienen menos de 4 carbonos, pero también existen compuestos solubles en agua pero insolubles en éter o benceno como los son los compuestos polares con interacciones intermoleculares más fuertes que las anteriores o aún iónicas: hidroxiácidos, alcoholes
polihidroxilados, ácidos di o amonio, sales de fenoles, etc.
tricarboxílicos, aminoácidos, ácidos sulfónicos, sales de
10. Indicar que ventajas tendrá el Tetracloruro de carbono sobre el éter y el benceno en una recristalizacion El agua presenta las condiciones ideales de un solvente, incluyendo su fácil acceso y lo económica, además de que no presenta ningún riesgo que afecte la salud de los presentes en el laboratorio, en cambio el Tetracloruro de carbono se ha reportado que la exposición a altos niveles de tetracloruro de carbono puede causar daño del hígado, los riñones y el sistema nervioso central, lo cual señala un peligro. 11. –Explicar por que en condiciones de saturación ya no es posible disolver mas cantidad de soluto Cuando una solución se encuentra saturada quiere decir que a una temperatura y condiciones normales ya no es posible agregar mas soluto a esta ya que la moléculas requieren mas energía para disociarse en el solvente, sin embargo al exponerlo a mas calor vuelve a mostrar solubilidad, se sigue agregando soluto hasta que las moléculas ya no pueden seguir disociándose, a esto se le llama solución sobresaturada, pero en esta ocasión llego a su limite de soluto quedando en misma proporción soluto y solvente.
12.- Explicar para que se calienta a reflujo durante 10 minutos la mezcla de anilina anhídrido acético y agua El proceso de reflujo se requiere para que se obtenga una disolución con los componentes dentro del matraz, las pequeñas partículas solidas que queden dentro se filtran en caliente para eliminarlas 13.- En la síntesis de acetanilida, explicar con que fin se enfría la mezcla de reacción Al enfriar la mezcla, las moléculas que anteriormente fueron disociadas para eliminar impurezas, se vuelven a acomodar en una estructura uniforme (red cristalina). Las impurezas quedaron fuera de la red por lo que se puede proseguir a filtrar para eliminarlas.
Conclusión Se logro comprobar que un buen disolvente para la recristalizacion es aquel que a baja temperatura no se solubilice y en calientes si. En este caso el mejor disolvente a utilizar fue el agua debido a sus propiedades, no conlleva ningún riesgo y es de fácil acceso. Esta práctica nos ha llevado a saber que un cristal es un conjunto de moléculas unidas y acomodadas uniformemente. Si se enfría naturalmente el compuesto, los cristales son de mayor tamaño porque se juntan poco a poco; el hacerla rápida, le obligas al producto a juntarse en escaso tiempo y por eso los cristales son más pequeños.
Bibliografía. Domínguez S. Xorge Alejandro. “Química Orgánica Experimental”, México, 1992. pp. 88, 89,90, 91. Brewster, Ray Q. “Curso de Química Orgánica experimental” Ed. Alhambra, (1974) pp. 22.
http://agu.inter.edu/halices/SINTESIS_DE_ACETANILIDA.pdf
