基本原理
固體有機物在溶劑中的溶解度與溫度有密切關係。一般是溫度升高,溶解度增大。利用溶劑對被提純物質及雜質的溶解度不同,可以使被提純物質從過飽和溶液中析出,而讓雜質全部或大部分仍留在溶液中,或者相反,從而達到分離、提純之目的。
操作
重結晶提純法的一般過程為:選擇適宜的溶劑
在選擇溶劑時應根據“相似相溶”的一般原理。溶質往往溶於結構與其相似的溶劑中。還可查閱有關的文獻和手冊,了解某化合物在各種溶劑中不同溫度的溶解度。也可通過實驗來確定化合物的溶解度。即可取少量的重結晶物質在試管中,加入不同種類的溶劑進行預試。
A. 常用溶劑
DMF、氯苯、二甲苯、甲苯、乙腈、乙醇、THF、氯仿、乙酸乙酯、環己烷、丁酮、丙酮、石油醚。
B. 比較常用溶劑
DMSO、六甲基磷醯胺、N-甲基吡咯烷酮、苯、環己酮、丁酮、環己酮、二氯苯、吡啶、乙酸、二氧六環、乙二醇單甲醚、1,2-二氯乙烷、乙醚、正辛烷。
C. 選擇溶劑的條件
(1)不與被提純物質起化學反應
(2)在較高溫度時能溶解多量的被提純物質;而在室溫或更低溫度時,只能溶解很少量的該種物質
(3)對雜質的溶解非常大或者非常小(前一種情況是使雜質留在母液中不隨被提純物晶體一同析出;後一種情況是使雜質在熱過濾時被濾去)
(4)容易揮發(溶劑的沸點較低),易與結晶分離除去
(5)能給出較好的晶體
(6)無毒或毒性很小,便於操作
(7)價廉易得
(8)適當時候可以選用混合溶劑
溶解
通過試驗結果或查閱溶解度數據計算被提取物所需溶劑的量,在將被提取物晶體置於錐形瓶中,加入較需要量稍少的適宜溶劑,加熱到微微沸騰一段時間後,若未完全溶解,可再添加溶劑,每次加溶劑後需再加熱使溶液沸騰,直至被提取物晶體完全溶解(但應注意,在補加溶劑後,發現未溶解固體不減少,應考慮是不溶性雜質,此時就不要再補加溶劑,以免溶劑過量)。如需脫色,待溶液稍冷後,加入活性炭(用量為固體1-5%),煮沸5-10min(切不可在沸騰的溶液中加入活性炭,那樣會有暴沸的危險。)
過濾常用的過濾方法
(1)常壓過濾最為簡便,在玻璃漏斗內壁緊貼一張折成錐形的濾紙,用玻棒轉移溶液進行過濾。此時應注意,玻棒要靠在三層濾紙處,漏斗頸應靠在接受容器的壁上,先轉移溶液,後轉移沉澱,漏斗內液面不得超過濾紙高度的2/3。
(1)常壓過濾最為簡便,在玻璃漏斗內壁緊貼一張折成錐形的濾紙,用玻棒轉移溶液進行過濾。此時應注意,玻棒要靠在三層濾紙處,漏斗頸應靠在接受容器的壁上,先轉移溶液,後轉移沉澱,漏斗內液面不得超過濾紙高度的2/3。(2)減壓過濾也稱抽濾,由於循環水泵的抽氣,使得吸濾瓶內壓力下降,在布氏漏斗內的液面和吸濾瓶內造成一個壓力差,因此提高了過濾的速度。裝置中設定一個安全瓶,是為了防止自來水倒吸而使濾液沾污並沖稀。正因如此,停止過濾時應先拔掉吸濾瓶上橡皮管,然後再關循環水泵。抽濾所用的濾紙,應略小於漏斗內徑,但又能把瓷孔全部蓋沒。過濾時,先將濾紙濕潤,然後抽氣使濾紙貼緊,再往漏斗中轉移溶液。在有強鹼、酸、酸酐、氧化劑等存在時,由於它們能腐蝕普通濾紙,故不能使用布氏漏斗抽濾,可改用砂芯漏
斗。砂芯漏斗又稱玻砂濾器,其濾板是用玻璃粉末在高溫下熔結而成的。按照濾板微孔的孔徑,由大至小共分為六級,分別用G1和G6(或1號至6號)來表示。G1型的孔徑最大(80-120微米),G6型孔徑最小(2微米以下)。G3型相當於中速濾紙,用於過濾粗晶形沉澱物。較細的晶形或膠狀的沉澱物一般選用G4型或G5型。使用砂芯漏斗,需要用抽氣法過濾。其抽濾操作比較方便,只是砂芯漏斗價格較高,在目前廣泛使用還受到限制。(3)熱過濾通常採用熱漏斗過濾,它的外殼是用金屬薄板製成的,其內裝有熱水,必要時還可在外部加熱,以維持過濾液的溫度。重結晶時常採用熱過濾,如果沒有熱漏斗,可用普通漏斗在水浴上加熱,然後立即使用。此時應注意選擇頸部較短的漏斗。熱過濾常採用摺疊濾紙。
濾紙的摺疊方法
先將濾紙一折為二,再折成四分之一,產生2、4折紋,然後將1、2的邊沿折至4、2 ,2、3的邊沿折至2、4分別產生2、5和2、6兩條新折紋。繼續將1、2折向2、6,2、3折向2、5,再得2、7和2、8的折紋。同樣以2、3對2、6,1、2對2、5分別折出2、9和2、10的折紋。最後在八個等分的每小格中間以相反方向折成16等分,結果得到象摺扇一樣的排列。再在1、2和2、3處各向內折一小折面,展開後即得到摺疊濾紙。在折紋集中的圓心處折時切勿重壓,否則濾紙的中央在過濾時容易破裂。使用前應將折好的濾紙翻轉並整理好再放入漏斗中,這樣可避免被手弄髒的一面接觸濾過的濾液。4、結晶的洗滌
用溶劑沖洗結晶再抽濾,除去附著的母液。抽濾和洗滌後的結晶,表面上吸附有少量溶劑,因此尚需用適當的方法進行乾燥。
5、結晶的乾燥
在測定熔點前,晶體必須充分乾燥,否則測定的熔點會偏低。固體乾燥的方法很多,要根據重結晶所用溶劑及結晶的性質來選擇:(1)空氣涼乾(不吸潮的低熔點物質在空氣中乾燥是最簡單的乾燥方法)。
(2)烘乾(對空氣和溫度穩定的物質可在烘箱中乾燥,烘箱溫度應比被乾燥物質的熔點低20—50℃。
(3)用濾紙吸乾(此方法易將濾紙纖維污染到固體物上)
(4)置於乾燥器中乾燥
舉例
假設一固體混合物由9.5克被提純物A和0.5克雜質B組成,選擇某溶劑進行重結晶,室溫時A、B在此溶劑中的溶解度分別為SA和SB,通常存在下列三種情況:
(1)室溫下雜質較易溶解(SB>SA)。設在室溫下SB=2.5克/100ml,SA=0.5克/100ml,如果A在此沸騰溶劑中的溶解度為9.5克/100ml,則使用100ml溶劑即可使混合物在沸騰時全溶。若將此濾液冷卻至室溫時可析出A9g(不考慮操作上的損失)而B仍留在母液中,A損失很小,即被提純物回收率達到94%。如果A在此沸騰溶劑中的溶解度為47.5克/100ml,則只要使用20ml溶劑即可使混合物在沸騰時全溶,這時濾液可析出A9.4克,B仍可留在母液中,被提純物的回收率高達99%。如果雜質在冷時的溶解度大而產物在冷時的溶解度小,或溶劑對產物的溶解性能隨溫度的變化大,這兩方面都有利於提高回收率。(2)雜質較難溶解(SB< 100ml,則在100ml溶劑重結晶後的母液中含有2.5克A和0.5克(即全部)B,析出結晶A7克,產物的回收率為74%。但這時,即使A在沸騰溶劑中的溶解度更大,使用的溶劑也不能再少了,否則雜質B也會部分地析出,就需再次重結晶。如果混合物中雜質含量很多,則重結晶的溶劑量就要增加,或者重結晶的次數要增加,致使操作過程冗長(rong 100ml,A在此沸騰溶劑中的溶解度仍為9.5克 100ml,SA=2.5克>
(3)兩者溶解度相等(SA=SB)。設在室溫下皆為2.5克/100ml,若也用100ml溶劑重結晶,仍可得到純A7克。但如果這時雜質含量很多,則用重結晶分離產物就比較困難。在A和B含量相等時,重結晶就不能用來分離產物了。
在任何情況下,雜誌的含量過多都是不利的(雜質太多還會影響結晶速度,甚至妨礙結晶的生成)。一般重結晶只適用於純化雜質含量在5%以下的固體有機混合物。
注意事項
溶劑量的多少
因同時考慮兩個因素。容極少則收率高,但可能給熱過濾帶來麻煩,並可能造成更大的損失;容極多,顯然會影響回收率。故兩者應綜合考慮。一般可比需要量多加20%左右的溶劑(有人認為一般可比需要量多20—100%的溶劑)。
溶解固體
但必須注意實際操作溫度是多少,否則會因實際操作時,被提純物晶體大量析出。但對某些晶體析出不敏感的被提純物,可考慮在溶劑沸點時溶解成飽和溶液,故因具體情況決定,不能一概而論。例如,本次實驗在100℃時配成飽和溶液,而熱過濾操作溫度不可能是100℃,可能是80℃?也可能是90℃?那么在考慮加多少溶劑時,應同時考慮熱過濾的實際操作溫度。避免溶劑揮發中毒
應在錐形瓶上裝置回流冷凝管,添加溶劑可從冷凝管的上端加入。
若溶液中含有色雜質,則應加活性炭脫色,應特別注意活性炭的使用。
趁熱過濾
(1)若為易燃溶劑,則應防止著火或防止溶劑揮發。
(2)應注意濾紙的摺疊方法及操作要領(包括漏斗的預熱、濾紙的熱水潤濕等);應洗淨抽濾瓶,注意和濾紙的大小、濾紙的人潤濕等操作,開始不要減壓太甚,以免將濾紙抽破(在熱溶劑中,濾紙強度大大下降)。
結晶
(1)將濾液在室溫或保溫下靜置使之緩緩冷卻(如濾液已析出晶體,可加熱使之溶解),析出晶體,再用冷水充分冷卻。必要時,可進一步用冰水或冰鹽水等冷卻(視具體情況而定,若使用的溶劑在冰水或冰鹽水中能析出結晶,就不能採用此步驟)。
(2)有時由於濾液中有焦油狀物質或膠狀物存在,使結晶不易析出,或有時因形成過飽和溶液也不析出晶體,在這種情況下,可用玻棒摩擦器壁以形成粗糙面,使溶質分子成定向排列而形成結晶的過程較在平滑面上迅速和容易;或者投入晶種(同一物資的晶體,若無此物質的晶體,可用玻棒蘸一些溶液稍乾後即會析出晶體),供給定型晶核,使晶體迅速形成。
(3)有時被提純化合物呈油狀析出,雖然該油狀物經長時間靜置或足夠冷卻後也可固化,但這樣的固體往往含有較多的雜質(雜質在油狀物中常較在溶劑中的溶解度大;其次,析出的固體中還包含一部分母液),純度不高。用大量溶劑稀釋,雖可防止油狀物生成,但將使產物大量損失。
這時可將析出油狀物的溶液重新加熱溶解,然後慢慢冷卻。一當油狀物析出時便劇烈攪拌混合物,使油狀物在均勻分散的狀況下固化,但最好是重新選擇溶劑,使其得到晶形產物。
參考文獻
[1] 梁瓊, 韓冬梅, 顧福博, 王志華, 郭廣生. 水熱重結晶法製備羥基磷灰石納米棒[J]. 無機化學學報, 2007,(01)
[2] 郭廣生, 孫玉繡, 王志華, 郭洪猷. 水熱條件下均相沉澱法合成羥基磷灰石納米棒的研究[J]. 現代化工, 2004,(10)
[3] 肖亞平,貝渙智. 一種重結晶的操作方法[J]. 化學通報, 1996,(07)
[4] 董彩霞, 孟志芬, 祝勇. 重結晶實驗教學中若干問題的探討[J]. 化學教育, 2006,(08)
[5] Г.В.Ломаев , 宋忠明. 採用高速雷射重結晶方法的表面強化處理[J]. 國外機車車輛工藝, 2005,(01)
[6] 趙國君, 唐桂霞, 安文源, 於淑華. 培氟沙星重結晶條件的探討[J]. 中國醫藥工業雜誌, 1997,(10)
[7] 蘇濤,羅華雲.[J].中國學術期刊文摘,1998,4(4):510.