Como cristalizar compostos orgânicos: 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 11:33

Cristalização (ou recristalização) é o método mais importante para a purificação de compostos orgânicos. O processo de remoção de impurezas por cristalização inclui dissolver o composto em um solvente quente adequado, resfriar a solução e saturar com o composto a ser purificado, cristalizar a solução, isolar por filtração, lavar sua superfície com solvente frio para remover impurezas residuais, e secagem.

Este procedimento é melhor realizado em um laboratório químico controlado, em uma área bem ventilada. Observe que esse procedimento tem uma ampla gama de aplicações, incluindo a purificação comercial em grande escala do açúcar, cristalizando o produto de açúcar bruto e deixando as impurezas para trás.

Etapa

Etapa 1. Escolha um solvente adequado

Lembre-se do termo "semelhante se dissolve como" ou Similia similibus solvuntur, o que significa que substâncias com estruturas semelhantes se dissolvem umas nas outras. Por exemplo, açúcares e sais são solúveis em água, não em óleo - e compostos não polares, como hidrocarbonetos, se dissolvem em solventes de hidrocarbonetos não polares, como hexano.

• Um solvente ideal tem as seguintes propriedades:

  • Compostos solúveis quando quentes, mas não se dissolvem no frio.
  • Não dissolvendo nenhuma impureza (de modo que possam ser filtrados quando um composto impuro é dissolvido), ou dissolvendo todas as impurezas (de modo que permaneçam em solução quando o composto desejado for cristalizado).
  • Não reage com compostos.
  • Não pode queimar.
  • Não tóxico.
  • Barato.
  • Muito volátil (pode ser facilmente separado dos cristais).

• Muitas vezes é difícil determinar o melhor solvente, que geralmente é obtido experimentalmente, ou usando o solvente mais apolar disponível. Familiarize-se com a seguinte lista dos solventes mais comuns (do mais polar ao menos polar). Observe que os solventes que estão próximos irão se misturar (dissolver-se). Os solventes usados com mais frequência estão em negrito.

  • Água (H₂O) é um solvente não inflamável e não tóxico e dissolve muitos compostos orgânicos polares. A desvantagem é seu alto ponto de ebulição (100 graus Celsius), tornando-o relativamente não volátil e difícil de separar dos cristais.
  • Ácido acético (CH₃COOH) é uma substância útil para reações de oxidação, mas reage com álcoois e aminas e, portanto, é difícil de separar (o ponto de ebulição é 118 graus Celsius).
  • Dimetilsulfóxido (DMSO), metilsulfóxido (CH₃SOCH₃) usado principalmente como solvente para reações, raramente para cristalização. Esta substância ferve a 189 graus Celsius e é difícil de separar.
  • Metanol (CH₃OH) é um solvente útil para dissolver vários compostos com uma polaridade mais alta do que outros álcoois. Ponto de ebulição: 65 graus Celsius. C.
  • Acetona (CH3COCH3) é um solvente muito bom, a desvantagem é que ele tem um baixo ponto de ebulição de 56 graus Celsius, então a diferença de temperatura é pequena na solubilidade do composto no ponto de ebulição e na temperatura ambiente.
  • 2-butanona, metil etil cetona, MEK (CH₃COCH₂CH₃) é um solvente perfeito com ponto de ebulição de 80 graus Celsius.
  • Acetato de etila (CH₃COOC₂H₅) é um solvente perfeito com ponto de ebulição de 78 graus Celsius.
  • Diclorometano, cloreto de metileno (CH₂Cl₂) útil como um parceiro solvente com ligroína, mas seu ponto de ebulição de apenas 35 graus Celsius é muito baixo para fazer um bom solvente de cristalização. Contudo. seu ponto de congelamento é -78 graus Celsius. usando gelo ou sabonete de acetona,
  • Éter dietílico (CH₃CH₂OCH₂CH₃) útil como um par de solvente com ligroína, mas seu ponto de ebulição de 40 graus Celsius é muito baixo para fazer um bom solvente de cristalização.
  • Éter metil t-butílico (CH₃OC (CH₃)₃) é um solvente barato, um bom substituto do éter dietílico devido ao seu ponto de ebulição mais alto, 52 graus Celsius.
  • Dioxano (C₄H₈O₂) é uma substância que se separa facilmente dos cristais, é um carcinógeno moderado, forma peróxidos e tem um ponto de ebulição de 101 graus Celsius.
  • Tolueno (C₆H₅CH₃) é um bom solvente para a cristalização de compostos de arila e substituiu os compostos de benzeno usados anteriormente (carcinógenos fracos). A desvantagem é seu alto ponto de ebulição, 111 graus Celsius, dificultando a separação dos cristais.
  • Pentano (C₅H₁₂) É amplamente utilizado para compostos não polares, frequentemente como solvente de emparelhamento com outros solventes. Seu baixo ponto de ebulição significa que este solvente é mais útil quando usado em conjunto com gelo ou acetona.
  • Hexano (C₆H₁₄) usado para compostos apolares, inertes, muitas vezes usado como um par de solventes, ponto de ebulição 69 graus Celsius.
  • Ciclohexano (C₆H₁₂) semelhante ao hexano, mas mais barato e tem um ponto de ebulição de 81 graus Celsius.
  • O éter de petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos saturados cujo principal componente é o pentano, é barato e pode ser usado alternadamente com o pentano. O ponto de ebulição é 30-60 graus Celsius.

  • A ligroína é uma mistura de hidrocarbonetos saturados que possui as propriedades do hexano.

    Passos para escolher um solvente:

1. Coloque uma pequena quantidade de cristais do composto de impureza em um tubo de ensaio e adicione uma gota de cada solvente, para que possa escorrer pela lateral do tubo de ensaio.
2. Se os cristais no tubo de ensaio se dissolverem imediatamente à temperatura ambiente, rejeite o solvente porque grandes quantidades do composto permanecerão solúveis em baixas temperaturas. Experimente um solvente diferente.
3. Se os cristais não se dissolverem à temperatura ambiente, aqueça o tubo de ensaio em banho de areia quente e observe os cristais. Adicione outra gota de solvente se os cristais não se dissolverem. Se os cristais se dissolvem no ponto de ebulição do solvente e cristalizam novamente quando resfriados à temperatura ambiente, você encontrou o solvente certo. Caso contrário, experimente outro solvente.

4. Se, após o processo de teste de solvente, nenhum solvente satisfatório for encontrado, use um par de solventes. Dissolva os cristais no melhor solvente (um solvente que comprovadamente dissolve os cristais) e, em seguida, adicione o solvente menos favorável à solução quente até que se torne turvo (a solução está saturada com o soluto). Os pares de solventes devem ser misturados. Alguns pares de solventes úteis são ácido acético - água, etanol - água, dioxano - água, acetona - etanol, etanol - éter dietílico, metanol - 2-butanona, acetato de etila - ciclohexano, acetona - ligroína, acetato de etila - ligroína, éter dietílico - ligroína, diclorometano - ligroína, tolueno - ligroína.

   

   Etapa 2. Dissolva o composto de impureza

   Para realizar este procedimento, coloque o composto em um tubo de ensaio. Esmague cristais grandes com uma vareta de agitação para acelerar a dissolução. Adicione o solvente gota a gota. Para separar as impurezas sólidas insolúveis, use o solvente em excesso para dissolver a solução e filtrar as impurezas sólidas à temperatura ambiente (consulte o procedimento de filtração na etapa 4) e, em seguida, evapore o solvente. Antes do aquecimento, insira a madeira do aplicador no tubo de ensaio para evitar superaquecimento (aquecer a solução acima do ponto de ebulição da solução sem realmente ferver). O ar preso na madeira sairá para formar núcleos para que a solução possa ferver ainda mais. Como alternativa, use um chip de ebulição de porcelana perfurada. Após as impurezas sólidas terem sido removidas e o solvente ter evaporado, adicione o solvente gota a gota enquanto agita os cristais com um agitador de vidro e aquece o tubo de ensaio em vapor ou areia até que o composto esteja completamente dissolvido com o mínimo de solvente.

   

   Etapa 3. Remova a cor da solução

   Pule esta etapa se a solução for incolor ou ligeiramente amarela. Se a solução for colorida (como resultado da formação de subprodutos de alto peso molecular na reação química), adicione o excesso de solvente e carvão ativado (carvão) e ferva a solução por alguns minutos. Impurezas coloridas serão adsorvidas na superfície do carvão ativado devido ao seu alto grau de microporosidade. Separe o carvão vegetal que já contém as impurezas adsorvidas por filtração, conforme será explicado na próxima etapa.

   

   Etapa 4. Separe os sólidos por filtração

   A filtração pode ser feita por filtração por gravidade, decantação ou separação da solução com uma pipeta. Em geral, não use filtração a vácuo, pois o solvente esfriará no processo, e o produto se cristalizará no filtro.

   • Filtragem por gravidade: este é o método de escolha para separar carvão fino, poeira, fiapos e assim por diante. Pegue três frascos Erlenmeyer aquecidos em vapor quente ou em uma placa quente: o primeiro contém a solução a ser filtrada, o segundo contém vários mililitros de solvente e um funil sem haste, enquanto o terceiro contém vários mililitros da solução cristalizante a ser usada na lavagem. Coloque papel de filtro canelado (usado porque você não está usando vácuo) em um funil sem haste (sem haste para que a solução saturada não esfrie e obstrua a haste do funil com cristais) no segundo frasco Erlenmeyer. Deixe ferver a solução a ser filtrada, remova-a com uma toalha e despeje a solução sobre o papel de filtro. Adicione o solvente em ebulição do terceiro frasco Erlenmeyer aos cristais formados no papel de filtro e para lavar o primeiro frasco Erlenmeyer contendo a solução filtrada, adicione a lavadora ao papel de filtro. Remova o excesso de solvente fervendo a solução filtrada.
   • Decantação: Este método é usado para grandes impurezas sólidas. Despeje o solvente quente, de modo que os sólidos insolúveis fiquem para trás.
   • Separação de solvente por pipeta: Este método é usado para pequenas quantidades de solução se a impureza sólida for grande o suficiente. Insira uma pipeta com ponta quadrada no fundo do tubo de ensaio (fundo circular) e separe o líquido sugando-o com a pipeta. Impurezas sólidas serão deixadas para trás.

   

   Etapa 5. Cristalize o composto desejado

   Esta etapa é realizada na suposição de que todas as impurezas coloridas e insolúveis foram separadas pelas etapas apropriadas descritas acima. Remova qualquer excesso de solvente fervendo-o ou fluindo suavemente com ar. Comece com uma solução que está saturada com o soluto no ponto de ebulição. Deixe esfriar lentamente até a temperatura ambiente. A cristalização começará. Caso contrário, inicie o processo inserindo os cristais de semente ou inicie em um tubo com um agitador de vidro na interface líquido-ar. Uma vez iniciado o processo de cristalização, não perturbe o recipiente para formar cristais grandes. Para resfriamento lento (para permitir a formação de cristais maiores), você pode isolar o recipiente com algodão ou lenço de papel. Cristais maiores são mais fáceis de separar das impurezas. Quando o recipiente estiver totalmente em temperatura ambiente, leve à geladeira por cerca de cinco minutos para maximizar o número de cristais.

   

   Etapa 6. Pegue e lave os cristais

   Para realizar este procedimento, separe os cristais do solvente gelado por filtração. A filtração pode ser realizada com um funil de Hirsch, um funil de Buchner ou separando o solvente com uma pipeta.

   • Filtração com um funil de Hirsch: Coloque um funil de Hirsh com papel de filtro não lavado em um frasco de vácuo bem fechado. Coloque o frasco do filtro no gelo para manter o solvente frio. Molhe o papel de filtro com o solvente de cristalização. Conecte o frasco ao aspirador, ligue o aspirador e certifique-se de que o papel de filtro seja puxado para baixo pelo vácuo no funil. Despeje e raspe os cristais no funil e remova o vácuo assim que o líquido for separado dos cristais. Use algumas gotas de solvente gelado para lavar o frasco de cristalização e despeje-o no funil enquanto reinsere o vácuo, e remova o vácuo assim que todo o líquido for separado dos cristais. Lave os cristais várias vezes com um solvente gelado para remover quaisquer impurezas remanescentes. Quando terminar de lavar, deixe o aspirador para secar os cristais.
   • Filtração usando um funil de Buchner: Coloque um pedaço de papel de filtro não lavado no fundo do funil de Buchner e umedeça-o com solvente. Prenda o funil no frasco do filtro com um combinador de borracha ou borracha sintética para permitir a sucção a vácuo. Despeje e raspe os cristais no funil e, em seguida, remova o vácuo assim que o líquido for separado para o frasco e os cristais permanecerem no papel. Enxágue o frasco de cristalização com um solvente gelado, adicione aos cristais lavados, reinstale o vácuo e remova quando o líquido tiver se separado dos cristais. Repita e lave quantos cristais forem necessários. Deixe o vácuo para secar os cristais no final.
   • Lave com uma pipeta, este método é usado para lavar cristais em pequenas quantidades. Insira uma pipeta com ponta quadrada no fundo de um tubo de ensaio (fundo arredondado) e separe o líquido de forma que apenas o sólido lavado permaneça.

   

   Etapa 7. Seque o produto lavado

   A secagem final de pequenas quantidades de produto cristalizado pode ser realizada espremendo os cristais entre dois pedaços de papel de filtro e secando-os em um vidro de relógio.

   Pontas

   • Se pouco solvente for usado, a cristalização pode ocorrer muito rapidamente quando a solução é resfriada. Se a cristalização for muito rápida, as impurezas podem ficar presas no cristal, de forma que o propósito de purificação por cristalização não seja alcançado. Por outro lado, se muito solvente for usado, a cristalização pode não ocorrer. É melhor adicionar um pouco mais de solvente quando estiver saturado no ponto de ebulição. Encontrar o equilíbrio certo requer prática.
   • Ao tentar encontrar o solvente ideal por meio de vários experimentos, comece com os solventes de menor ponto de ebulição e mais voláteis, pois são mais fáceis de separar.
   • Talvez o passo mais importante seja esperar a solução quente esfriar lentamente e permitir a formação de cristais. É muito importante ter paciência e não tocar na solução que está sendo resfriada.
   • Se muito solvente for adicionado de forma que poucos cristais sejam formados, evapore um pouco do solvente por aquecimento e resfriamento repetido.