L02重结晶与沉淀技术

第二章重结晶与沉淀技术第一节概述第二节溶剂的选择第三节固体的溶解与脱色第四节混合溶剂结晶法第五节晶体的形成和析出操作第六节结晶的滤集操作技术第七节晶体的干燥第八节小量及微量物质单晶的制备第九节沉淀分离法第一节概述为数众多的化工产品及中间体都是以晶体形态出现的，结晶产品的外观优美，且无论包装、运输、储存或使用都很方便。但从有机反应中分离出的固体有机化合物往往是不纯的，其中常夹杂一些反应副产物、未作用的原料即催化剂等，必须进一步分离纯化。纯化这类物质的有效方法通常是用合适的溶剂进行重结晶，这是因为重结晶过程能从杂质含量相当多的溶液中形成纯净的晶体。重结晶是有机合成中一项非常基本，但是又非常重要的分离提纯技术，它原理简单、使用方便。对许多物质来说，重结晶往往是大规模生产它们的最好又最经济的方法；而对更多的化工产品及中间体来说，重结晶往往是小规模制备它们的纯品的最方便的方法。重结晶是利用溶剂对被提纯物质及杂质的溶解度不同，可以使被提纯物质从过饱和溶液中析出，而让杂质全部或大部分仍留在溶液中(若在溶剂中的溶解度极小，则配成饱和溶液后被过滤除去)，从而达到提纯目的。一般来说，常温下是固体的物质，都具有结晶的通性，可以根据溶解度的不同用结晶法来达到分离精制的目的。只要杂质在总固体中占很小一部分，即可以用结晶法予以纯化(一般重结晶只适用于纯化杂质含量在5％以下的固体有机化合物)。如果产物中含杂质较多，必须先用其它方法进行初步提纯，然后再用重结晶方法进一步提纯。重结晶的一般过程为：选择溶剂、溶解固体、除去杂质、晶体析出、晶体的收集与洗涤、晶体的干燥。虽然重结晶操作简单，但是真的要做好重结晶，也不是那么容易的事。下面我们将分别介绍重结晶的具体操作步骤。第二节溶剂的选择进行重结晶操作时的首要问题是选择一种适宜的溶剂。低温和高温时被纯化物质溶解度都较低的溶剂或低温、高温下被纯化物质溶解度都较大的溶剂，均不适用于重结晶。理想的溶剂应符合下列条件：(1)该溶剂不与被提纯物质起化学反应。如脂肪族卤代烃类，不宜用作碱性化合物重结晶溶剂，易发生亲核取代反应；醇类不宜作为脂类重结晶的溶剂(酯交换反应)，也不宜作氨基酸盐酸盐重结晶的溶剂(亲核取代氨解反应)。(2)对被提纯的物质在较高温度时有较大溶解度，低温或室温时有较小溶解度，而对杂质在低温或室温时溶解非常大或者加热时溶解度非常小(前一种情况是使杂质留在母液中不随被提纯物晶体一同析出；后一种情况是使杂质在热过滤时被滤去)。(3)容易挥发(溶剂的沸点较低)，易与结晶分离除去。但溶剂的沸点也不宜太低，沸点过低时制成溶液和冷却结晶两步操作温差小，固体物溶解度改变不大，影响收率，而且低沸点溶剂操作也不方便。如沸点太高，溶剂附着于晶体表面不易除尽。(5)无毒或毒性很小，便于操作，回收率高，价廉易得。溶剂的选择方法：对于已知的化合物，一般文献中都有注明，可借鉴前人经验，选用合适溶剂；对于未知的化合物，在选取溶剂时，按照“相似相溶”的原则，根据被提纯物质的结构选择合适的溶剂。适用溶剂的最终选择，只能用试验的方法来决定。一般的原则是：在试管中放入0.1g待纯化样品进行溶解实验，如果所选择的溶剂能在1~4mL溶剂沸腾的情况下使样品完全溶解，并在冷却后能析出较多的晶体，说明此溶剂适合作为该样品重结晶的溶剂。(4)能得到较好的结晶。实验时应同时选用几种溶剂进行比较，如果有几个溶剂可供选择的话，要选用结晶收率最好的溶剂来进行重结晶。进行样品纯化前，为避免溶剂的浪费和操作的麻烦，进行这种尝试是必要的。若不能选出单一溶剂进行重结晶，则可应用混合溶剂。混合溶剂一般由两种或两种以上能任意互溶的溶剂组成，根据极性配比组成所需的混合溶剂。好的溶剂在沸点附近对待结晶物质溶解度高而在低温下溶解度又很小。(2)含有氧、氮（例如，含有羟基、氨基）而且熔点不太高的物质，尽量不选择含氧溶剂（例如乙醇），因为溶质与溶剂形成分子间氢键后很难析出。溶质和溶剂极性不要相差太悬殊。常见溶剂的极性：水甲醇乙醇异丙醇乙腈丙酮氯仿二氯甲烷四氢呋喃二氧六环乙醚苯甲苯四氯化碳正辛烷环己烷石油醚。(1)溶剂的沸点最好比被结晶物质的熔点低50℃左右，否则易产生溶质液化分层现象。溶剂的沸点越高，沸腾时溶解力越强，对于高熔点物质，最好选高沸点溶剂。选择溶剂时注意的两个问题：溶剂能互溶的溶剂丙酮苯，丁醇，四氯化碳，氯仿，环己烷，乙醇，乙酸乙酯，乙腈，石油醚，水.苯丙酮，丁醇，四氯化碳，氯仿，环己烷，乙醇，乙腈，石油醚，吡啶.四氯化碳环己烷.氯仿乙酸，丙酮，苯，乙醇，乙酸乙酯，己烷，甲醇，吡啶.环己烷丙酮，苯，四氯化碳，乙醇，乙醚.乙醚丙酮，环己烷，乙醇，甲醇，乙腈，戊烷，石油醚DMF苯，乙醇，醚二甲亚砜丙酮，苯，氯仿，乙醇，乙醚，水.二氧六环苯，四氯化碳，氯仿，乙醇，乙醚，石油醚，吡啶，水.乙醇乙酸，丙酮，苯，氯仿，环己烷，二氧六环，乙醚，戊烷，甲苯，水乙酸乙酯丙酮，丁醇，氯仿，甲醇.己烷苯，氯仿，乙醇.甲醇氯仿，乙醚,甘油，水.戊烷乙醇，乙醚.石油醚乙酸,丙酮,苯,乙醚.吡啶丙酮，苯，氯仿，二氧六环,石油醚,甲苯，水.甲苯乙醇，乙醚，吡啶.水乙酸,丙酮,乙醇,甲醇,吡啶.表2-1一些能互溶的溶剂第三节固体的溶解与脱色1.固体的溶解选用合适溶剂，通过试验结果或查阅溶解度数据计算溶解被纯化物所需溶剂的量，将被纯化物固体置于锥形瓶或圆底烧瓶中，加入较需要量稍少的适宜溶剂，加热到微微沸腾一段时间后，若未完全溶解，可再分次逐渐添加添加溶剂，每次加溶剂后需再加热使溶液沸腾，直至被提纯物质完全溶解。应注意的几个问题：(1)在补加溶剂后，发现未溶解固体不减少，应考虑是否有不溶性杂质存在，此时就不要再补加溶剂，以免溶剂过量太多而造成结晶析出太少或根本不析出。(2)要使重结晶得到的产品纯和回收率高，溶剂的用量是个关键。虽然从减少溶解损失来考虑，溶剂应尽可能避免过量，但这样在热过滤时会引起很大的麻烦和损失，特别是当被提纯物质的溶解度随温度变化很大时更是如此，因为在热滤过程中会因溶液冷却、溶剂挥发、滤纸吸附等因素造成晶体在滤纸上或漏斗颈中析出。因而根据这两方面的损失来权衡溶剂的用量，溶剂过量一般不超过理论用量的20%。ab(3)当溶剂易燃或有毒时可装上回流冷凝管，添加溶剂可从冷凝管上端加入，以避免溶剂挥发、火灾发生或人员中毒。切忌在石棉网上直接解热！(4)溶解过程中，有时由于条件掌握不好，被提纯物质会出现油状物，这对物质的纯化很不利，因为杂质会伴随析出，并夹带少量的溶剂，故应尽量避免这种现象的发生。遇到这种情况，应注意以下几点：①所选溶剂的沸点应低于溶质的熔点；②若不能选择出沸点较低的溶剂，则应在比熔点低的温度下进行热溶解。③所配制的热溶液要稀释一些（在不会发生与溶剂共熔的浓度范围），但这会使重结晶的回收率降低；④在低于共熔的温度下进行热溶解，过滤后让母液慢慢冷却。2.脱色粗制的有机化合物常包含有色杂质，在重结晶时杂质虽可溶于溶剂，但仍有部分被结晶吸收，因此，当分出结晶时常会得到有色产物。另外在溶液中存在少量树脂状物质或极细的不溶物，如果经过过滤仍有混浊状，则不能用简单过滤方法除去。如果在溶液中加入少量脱色剂（例如活性炭），脱色剂可吸附色素或树脂状物质，趁热滤去，即可得无色较纯的产品溶液。应用活性碳脱色应注意几点：(1)溶质溶解后，需将热溶液稍冷却，然后加入活性碳(否则易引起暴沸，使溶液溅出)，再煮沸5~10min；(2)活性炭最好不要与样品一起加热溶解，以减少活性碳对溶质的吸附；(3)所加活性炭的量，视溶质量和颜色的深浅而定，一般为粗品溶质质量的1~5％为宜，过多活性炭可降低收率（吸附溶质）；(4)如果一次脱色不彻底，可进行第二次脱色，但不宜过多使用，以免损耗过多样品；(6)活性碳脱色效果和溶液的极性、杂质的多少有关。活性碳在水溶液中进行脱色的效果较好，它也可在有机溶液中使用，若在非极性溶剂中如苯、石油醚中活性炭脱色效果不佳，可通过氧化铝、硅胶或硅藻土短柱处理后脱色；(5)煮沸时间过长往往脱色效果反而不好。因为在脱色剂表面存在着溶质、溶剂和杂质的吸附竞争，溶剂虽然在竞争中处于不利的地位，但其数量巨大，过久的煮沸会使较多的溶剂分子被吸附，从而使脱色剂对杂质的吸附能力下降。3.热过滤制备好的热溶液中如有不溶性杂质时，必须经过热过滤，以除去不溶杂质。因为有时即使有少量或微量杂质存在，也能阻碍或延缓结晶的形成。所以在制备结晶时，必须注意杂质的干扰，应尽可能除去。热过滤的方法有两种，即常压热过滤和减压热过滤。(1)常压热过滤选用短颈径粗的玻璃漏斗（这样过滤较快，可减少晶体在颈部析出而造成阻塞），折叠滤纸（折叠型滤纸又叫菊花型滤纸，能提供较大的过滤表面，使过滤加快，同时可减少在过滤时析出结晶的机会），热水漏斗套（起保温作用）。常压热过滤装置:常压热过滤时应注意以下几点：①注意热滤漏斗内水不要装得太满，以免加热至沸腾后溢出。②若滤纸上析出的晶体颗粒较多时，可小心地将结晶刮回到三角烧瓶中，用少量溶剂溶解后再过滤。③若某物质非常易结晶析出，可将溶液配的稀一些，过滤后可再浓缩之。④在过滤有易燃溶剂的溶液时，切不可用火加热。(2)减压热过滤也称抽滤、吸滤或真空过滤，其装置由布氏漏斗(或砂心漏斗)、抽滤瓶、安全瓶及水泵组成。减压过滤的具体操作过程首先，剪裁符合规格滤纸放入漏斗中，用少量溶剂润湿滤纸，开启水泵并关闭安全瓶上的活塞，将滤纸吸进吸紧，然后打开安全瓶上的活塞，再关闭水泵。借助玻璃棒，将待分离物分批倒入漏斗中，并用少量滤液洗出粘附在容器上的晶体，一并倒入漏斗中，再次开启水泵并关闭安全瓶上的活塞进行减压过滤直至漏斗颈口无液滴为止。打开安全瓶上的活塞，再关闭水泵，用少量溶剂润湿晶体，再次开启水泵并关闭安全瓶上的活塞进行减压过滤直至漏斗颈口无液滴为止。优点：过滤速度快，结晶一般不易在漏斗中析出，操作亦较简便。缺点:悬浮的杂质易通过滤纸；若溶剂为挥发性，热溶液过滤时，滤器孔内也易析出结晶，堵塞滤孔；滤下来的热溶液，在负压下易沸腾，溶剂蒸发导致溶液浓度改变，使结晶过早析出。用减压热过滤法时应注意以下几点：①滤纸不应大于布氏漏斗的底面，应比漏斗内径略小。②吸滤前需用同一溶剂将滤纸湿润后过滤，使其紧贴于布什漏斗底面。③为避免热过滤在漏斗孔上结晶析出，堵塞孔眼，可将布氏漏斗放在烘箱或远红外加热器内预热或用热溶剂预热。④若在抽滤过程中有结晶析出，堵塞漏斗，应加入少量的沸腾溶剂，而流经漏斗，过滤后可将溶液浓缩至原来的体积。⑤过滤中，滤液中可能有结晶析出，最好不要结晶太快，可将滤液加热至全溶后，再慢慢放冷结晶。除了布氏漏斗，实验室中还常使用砂心漏斗过滤:使用砂心漏斗是注意的问题:①砂芯漏斗若是新购置的，在使用前，应当用热盐酸或铬酸洗液进行抽滤，随即用蒸馏水洗净，除去砂芯中的尘埃等外来杂质。②砂芯漏斗不能过滤浓氢氟酸，热浓磷酸，热(或冷)浓碱液。因为这些试剂可溶解砂芯中的微粒，有损于玻璃器皿，使滤孔增大，并有使芯片脱落之危险。③砂芯漏斗在减压（或受压）使用时其两面的压力差不允许超过101.3KPa。④在使用砂芯漏斗时，因其有熔接的边缘，在使用时的温度环境要相对稳定些，防止温度急剧升降，以免容器破损。⑤砂芯漏斗不能用来过滤含有活性炭颗粒的溶液，因为细小颗粒的炭粒容易堵塞滤板的洞孔，使其过滤效率下降，甚至报废。⑥砂芯漏斗的洗涤工作是很重要的，洗涤不仅是保持仪器的清洁，而且对于保持砂芯漏斗的过滤效率不下降，延长其使用寿命等都有重要作用。砂芯漏斗每次用毕或使用一段时间后，会因沉淀物堵塞滤孔而影响过滤效率，因此必须及时进行有效的洗涤。可将砂芯漏斗倒置，用水反复进行冲洗，以洗净沉淀物，烘干后即可再用。还可根据不同性质的沉淀物，有针对性的进行“化学洗涤”。由于砂芯漏斗的价格较贵，有时难于彻底洗净滤板，还要防范强碱、氢氟酸等的腐蚀作用，故其使用的范围受到限制。国产砂心漏斗的型号、规格和用途型号滤板平均孔径/μm一般用途180~120滤除大粒沉淀240~80滤除校