精制-重结晶法

重结晶提纯法重结晶是有机合成中一项非常基本，但是又非常重要的技术，它原理简单、使用方便，但是真的要做好重结晶，不是那么容易的事，今天我们一块学习重结晶的具体方法主要分为以下几个部分：一、原理二、溶剂的选择三、热溶解四、热过滤五、结晶六、冷过滤和干燥一、重结晶原理重结晶是利用固体混合物中目标组分在某种溶剂中的溶解度随温度变化有明显差异，在较高温度下溶解度大，降低温度时溶解度小，从而能实现分离提纯。例如：A和B在某溶剂中的溶解度都是1g/100mL，100度10g/100mL，若一个混合物样品中含有9gA和1.5gB，将这个样品用100mL溶剂在100度下溶解，A和B可以完全溶解于溶剂中。将其冷却到20度，则有8gA和1gB从溶液中析出。过滤，剩余溶液（通常称为母液）中还溶有1gA和0.5gB。二、溶剂的选择I、溶剂分类II、溶剂极性大小III、选择溶剂标准IV、选择溶剂的实验操作二、溶剂的选择I、常用溶剂分类1.烃类溶剂己烷、戊烷、石油醚等属于低毒性溶剂，易燃，苯、甲苯、二甲苯等毒性溶剂，易燃烃类溶剂极性小，密度比水小，难溶于水2.卤代烃溶剂二氯甲烷、四氯化碳、氯仿、氯苯、溴苯、二氯乙烷等密度比水大，难燃性。3.醇类溶剂一元醇---甲醇、乙醇、异丙醇等强亲水性溶剂，可以与水任意比混溶，丁醇环己醇苄醇等低水溶性醇。多元醇---乙二醇丙三醇等强亲水性溶剂二、溶剂的选择4.酮类溶剂丙酮、丁酮等一种溶解范围较广的溶剂，对许多有机物都有溶解能力，而且毒性低。5.酯类溶剂乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸正丁酯等毒性比较低，有芳香气味，不溶于水6.醚类溶剂乙醚，正丁醚，甲基叔丁醚等不溶于水的溶剂四氢呋喃、二氧六环等易溶于水的溶剂7.其他---水、DMF、DMSO等二、溶剂的选择II、常用溶剂极性大小1，试剂极性从小到大：烷、烯、醚、酯、酮、醛、胺、醇和酚、水2，戊烷，正己烷环己烷四氯化碳甲苯二甲苯氯苯乙醚苯，异丁醇二氯甲烷正丁醇醋酸丁酯,乙酸丁酯四氢呋喃乙酸乙酯异丙醇氯仿二氧六环丙酮乙腈DMF甲醇乙二醇DMSO水二、溶剂的选择常用混合溶剂的极性：环己烷-乙酸乙酯（8+2）苯-丙酮（9+1）苯-乙酸乙酯（8+2）氯仿-乙醚（9+1）苯-甲醇（95+5）环己烷-乙酸乙酯（1+1）氯仿-甲醇（99+1）苯-甲醇（9+1）苯-乙酸乙酯（1+1）氯仿-甲醇(95+5)乙酸乙酯-甲醇（99+1）苯-丙酮（1+1）氯仿-甲醇（9+1）随着甲醇等大极性溶剂的比例增加极性逐渐增大二、溶剂的选择III、选择溶剂标准（1）不与被提纯物质起化学反应，例如脂肪族卤代烃类化合物不宜用作碱性化合物结晶和重结晶的溶剂；醇类化合物不宜用作酯类化合物结晶和重结晶的溶剂，也不宜用作氨基酸盐酸盐结晶和重结晶的溶剂。（2）在较高温度时能溶解多量的被提纯物质；而在室温或更低温度时，只能溶解很少量的该种物质（3）对杂质的溶解非常大或者非常小（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）二、溶剂的选择（4）容易挥发（溶剂的沸点较低），易与结晶分离除去（5）能给出较好的晶体（6）无毒或毒性很小，便于操作（7）价廉易得，回收率高(8)溶剂沸点比化合物熔点至少低50度（9）适当时候可以选用混合溶剂用于结晶和重结晶的常用溶剂有：水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、二氧六环、石油醚等。此外四氯化碳、苯、甲苯、硝基甲烷、乙醚、二甲基甲酰胺、二甲亚砜等也常使用。二、溶剂的选择DMF和DMSO的溶解能力大，当找不到其它适用的溶剂时，可以试用。但往往不易从溶剂中析出结晶，且沸点较高，晶体上吸附的溶剂不易除去，是其缺点。苯、四氯化碳、甲苯等毒性大乙醚虽是常用的溶剂，但是若有其它适用的溶剂时，最好不用乙醚，因为一方面由于乙醚易燃、易爆，使用时危险性特别大，应特别小心；另一方面由于乙醚易沿壁爬行挥发而使欲纯化的化学试剂在瓶壁上析出，以致影响结晶的纯度。二、溶剂的选择在选择溶剂时必须了解欲纯化的化学物质的结构，因为溶质往往易溶于与其结构相近的溶剂中―“相似相溶”原理。极性物质易溶于极性溶剂，而难溶于非极性溶剂中；相反，非极性物质易溶于非极性溶剂，而难溶于极性溶剂。但是一般情况下重结晶溶剂的选择，与“相似相溶”有点背道而驰，大极性的物质，用中等极性的溶剂结晶；小极性的东西，用大极性的溶剂。有一半以上的情况是适合的。了解上面的知识我们再根据杂质的物理性质确定合适的溶剂。二、溶剂的选择物质的类别溶解度大的溶剂烃烃、醚、卤代烃卤代烃醚，胺，酯，酯硝基化合物腈酮醇、二氧六烷酚酰胺醇、水醇羧酸磺酸盐水如：欲纯化的化学试剂是个非极性化合物，实验中已知其在异丙醇中的溶解度太小，异丙醇不宜作其结晶和重结晶的溶剂，这时一般不必再实验极性更强的溶剂，如甲醇、水等，应实验极性较小的溶剂，如苯、石油醚等。适用溶剂的最终选择，只能用试验的方法来决定。二、溶剂的选择若不能选择出一种单一的溶剂对欲纯化的组分进行结晶和重结晶，则可选择混合溶剂。混合溶剂一般是由两种可以以任何比例互溶的溶剂组成，其中一种溶剂较易溶解欲纯化的化学试剂，另一种溶剂较难溶解欲纯化的化学试剂。一般常用的混合溶剂有：乙醇和水、乙醇和乙醚、乙醇和丙酮、乙醇和氯仿、二氧六环和水、乙醚和石油醚、氯仿和石油醚等等，最佳复合溶剂的选择必须通过试验来确定。二、溶剂的选择IV、选择溶剂的实验操作1）单一溶剂取0.1g目标物质于一小试管中，滴加约1mL溶剂，加热至沸。若完全溶解，且冷却后能析出大量晶体，这种溶剂一般认为合用。如样品在冷时或热时，都能溶于1mL溶剂中，则这种溶剂不合用。若样品不溶于1mL沸腾溶剂中，再分批加入溶剂，每次加入0.5mL，并加热至沸。总共用3mL热溶剂，而样品仍未溶解，这种溶剂也不合用。若样品溶于3mL以内的热溶剂中，冷却后仍无结晶析出，这种溶剂也不合用。二、溶剂的选择2）混合溶剂如果难于选择一种适宜的溶剂，可考虑选用混合溶剂。混合溶剂一般由两种能互相溶解的溶剂组成，目标物质易溶于其中一种溶剂，而难溶于另一种溶剂。先将目标物质溶于易溶溶剂中，沸腾时趁热逐渐加入难溶的溶剂，至溶液变浑浊，再加入少许前一种溶剂或稍加热，溶液又变澄清。放置，冷却，使结晶析出。三、热溶解操作：通过试验结果或查阅溶解度数据计算被提取物所需溶剂的量，在将被提取物晶体置于单口瓶中，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，可再添加溶剂，每次加溶剂后需再加热使溶液沸腾，直至被提取物晶体完全溶解（但应注意，在补加溶剂后，发现未溶解固体不减少，应考虑是不溶性杂质，此时就不要再补加溶剂，以免溶剂过量）。注意事项：1）溶剂量的多少，因同时考虑两个因素。溶剂少则收率高，但可能给热过滤带来麻烦，并可能造成更大的损失；溶剂多，显然会影响收率。故两者应综合考虑。一般可比需要量多加20％左右的溶剂三、热溶解2）可以在溶剂沸点温度时溶解固体，但必须注意实际操作温度是多少，否则会因实际操作时，被提纯物晶体大量析出。但对某些晶体析出不敏感的被提纯物，可考虑在溶剂沸点时溶解成饱和溶液，故因具体情况决定，不能一概而论。例如，本次实验在100℃时配成饱和溶液，而热过滤操作温度不可能是100℃，可能是80℃？也可能是90℃？那么在考虑加多少溶剂时，应同时考虑热过滤的实际操作温度。3）为了避免溶剂挥发及可燃性溶剂着火或有毒溶剂中毒，应在单口瓶上装置回流冷凝管，添加溶剂可从冷凝管的上端加入。4）若溶液中含有色杂质，则应加活性炭脱色，应特别注意活性炭的使用。降温后加入活性炭，再次升温回流。四、热过滤方法一：常压过滤用漏斗趁热过滤（预先加热漏斗，叠菊花滤纸，准备锥形瓶接收滤液，减少溶剂挥发用的表面皿）。方法二：减压过滤可把布氏漏斗预先烘热，然后便可趁热过滤。可避免晶体析出而损失。上述两种方法在过滤时，应先用溶剂润湿滤纸，以免结晶析出而阻塞滤纸孔。滤纸没有贴紧（可用双层的）、动作迟缓导致结晶在布氏漏斗中析出、抽气压力太大导致滤液被吸入泵中、过滤完毕没有立即卸压导致大量溶剂被抽进泵中。五、结晶（1）将滤液在室温或保温下静置使之缓缓冷却（如滤液已析出晶体，可加热使之溶解），析出晶体，再用冷水充分冷却。必要时，可进一步用冰水或冰盐水等冷却（视具体情况而定，若使用的溶剂在冰水或冰盐水中能析出结晶，就不能采用此步骤）。（2）有时结晶不易析出晶体，或因形成过饱和溶液也不析出晶体，在这种情况下，可用玻棒摩擦器壁以形成粗糙面，使溶质分子成定向排列而形成结晶的过程较在平滑面上迅速和容易；或者投入晶种（同一物资的晶体，若无此物质的晶体，可用玻棒蘸一些溶液稍干后即会析出晶体），供给定型晶核，使晶体迅速形成。五、结晶（3）有时被提纯化合物呈油状析出，虽然该油状物经长时间静置或足够冷却后也可固化，但这样的固体往往含有较多的杂质（杂质在油状物中常较在溶剂中的溶解度大；其次，析出的固体中还包含一部分母液），纯度不高。这时可将析出油状物的溶液重新加热溶解，然后慢慢冷却。当油状物析出时便剧烈搅拌混合物，使油状物在均匀分散的状况下固化，但最好是重新选择溶剂，使其得到晶形产物。出现油状物和乳化主要以下几个原因：A在蒸发溶剂时蒸发的太多，出现油状。解决的办法很简单就是再加一些溶剂的溶剂让其全部溶解，进行结晶让其析出。五、结晶B降温太快。解决办法：进行自然降温或是梯度降温，使其慢慢结晶出固体C选择溶剂不合适解决办法：需要再继续选择溶剂D物料中有粘状杂质，造成难于析晶或者析出后成油状物解决办法难于析晶：加入晶种，玻璃棒、钥匙研磨玻璃器壁诱导析晶或者用玻璃棒沾一滴溶液，挥干，固体加入结晶溶液中五、结晶析出后油状物的解决办法（1）如果你的油状物能溶于乙醚，可用乙醚将其溶解后转移至研钵中进行研磨，随着乙醚的不断挥发，油状物会渐渐凝为固体。原因有二：1-溶剂不断在减少。2-研磨中产生大量玻璃微屑成为晶种而诱导析晶。（2）“石油醚热提-冷却法”也是用来对付油状物的方法，加入石油醚，沸腾，倾出上清液，底部油继续加入石油醚热提取，直至石油醚层无色，则基本提取完全。冷却后一般会析出晶体。（在此过程中还可加入活性炭脱色效果会更好，有一缺点就是冷却后剩余样品和活性炭在一起会变的很硬）（3）过柱预纯化，粗分离后再结晶；六、冷过滤和干燥冷过滤和热过滤要求基本一样，如果温度比较低结晶出来的要先把洗涤溶剂低温冷冻，并且动作要快，防止溶液温度升高，结晶固体重新溶解，降低收率。干燥（1）空气凉干（不吸潮的低熔点物质在空气中干燥是最简单的干燥方法）。（2）烘干（对空气和温度稳定的物质可在烘箱中干燥，烘箱温度应比被干燥物质的熔点低20—50℃。（3）置于干燥器中干燥补充怎样将少量固体取出瓶子，分两种情况：（1）旋转蒸发后，固体呈透明状，粘在瓶壁上，无法用刮刀刮下。解决方法：用易溶溶剂（如丙酮）重新溶解，并加入一些不良溶剂（如己烷），重新旋干，固体将以较好的形态析出，或以（2）形式存在；（2）旋转蒸发后，固体呈白色非透明状，粘在瓶壁上，可以用刮刀刮下，但由于静电原因无法取出来。解决方法：用少量易溶溶剂重新溶解，将溶液转移到表面皿或扁平的样品瓶中，把它们放到一个更大的容器里，盖上张滤纸防止落上灰尘，让溶剂自然挥干。另外，应准确称量转移前后的瓶重，以确定样品是否完全转移。实例OHAB对A物质进行纯化粗品含量88%，A的熔点在5-10度，60以上变质。总结1）重结晶时一定要对你的产品和杂质做一个很详细的了解，比如溶解度，极性大小，对温度的要求等物理性质2）溶剂的选择在重结晶中最重要和最困难，一个好的溶剂可以提高收率和纯度3）活性炭脱色要待固体物质完全溶解后才加入，并煮沸5－10min。要注意活性炭不能加入已沸腾的溶液中，以免溶液暴沸而从容器中冲出。4）物料的纯度一般在70%以上5）要用心学习和总结每次重结晶的数据，可以避免走弯路，提高效率。