有机化学实验 重结晶.pdf

《有机化学实验 重结晶.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有机化学实验 重结晶.pdf（7页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、结晶的获得和重结晶摘要摘要 本文结合基础有机实验课程中的相关实例，对结晶的获得和重结晶操作的基本原理和影响因素做了较为细致的阐述与讨论。1 引言有机合成中，从反应体系中分离出来的固体粗产物往往含有未反应的原料、副产物及杂质。为了得到纯度较高的产品以便进行检测分析或是用于之后的反应，有机合成中的粗产品一般需要加以分离纯化。重结晶是分离提纯固体化合物的一种重要且常用的分离方法，利用混合物中各组分在某种溶剂中的溶解度的不同，而使不同组分分离开来。在基础有机实验中，制备固体产物最常用的提纯方法就是重结晶，因而对重结晶操作的掌握程度，直接影响了最终产品的产率和纯度，是该次实验成功与否的决定因素之一。2

2、基本原理重结晶操作利用混合物中各组分在某种溶剂中溶解度不同或在同一溶剂中不同温度时的溶解度不同而使它们相互分离。固体有机物在溶剂中的溶解度一般随温度变化，通常情况下，温度升高，溶解度增大。实际操作中，先加热回流使溶质溶解于合适的溶剂中，可视情况加入活性炭脱色，热过滤除去不溶性杂质后冷却。当温度降低，样品的溶解度下降，溶液变成过饱和，从而结晶析出，过滤洗涤干燥得到产物。而剩下的可溶性杂质留在母液中，达到分离纯化目的。从以上原理中可以看出，要想获得较好的分离纯化效果，一般需要满足如下条件：1）样品在溶剂中的溶解度随温度有较明显变化，一般需要高温较易溶，低温较难溶；2）1杂质在溶剂中溶解度较小或较大

3、，以便过滤除去或留在母液中；3）重结晶过程中样品化学性质保持稳定；4）重结晶所用溶剂的量要适中，过少容易造成热过滤时的析出损失，而过多会导致样品在母液中的溶解损失；5）粗品中杂质含量不可过高，一般小于5%时纯化效果较好。在对安息香和二苯乙二酮混合物的重结晶实验中，每个实验室的同学共同探究了杂质含量以及溶剂用量对重结晶回收率和提纯效果的影响。实验中利用薄层色谱来检验重结晶所得产品的纯度。从该次实验结果中发现，不考虑实际操作者的熟练程度，一般情况下，溶剂量过多时，溶解在母液中的样品过多，导致回收率较低；而溶剂过少会使溶质很容易在漏斗中析出，造成大量损失，两者都不利于提高重结晶的回收率。另外，而杂质

4、含量过高（超过10%）会直接导致产物纯度较低，达不到提纯目的。本人使用溶剂（75%乙醇）30 mL，杂质含量5%，所得产品性状较好，回收率 87.4%，且纯度较高。可以发现，较高的回收率和纯度很大程度上取决于合适的溶剂用量和较少的杂质含量。3 影响因素3.1 溶剂的选择如何选择合适的重结晶溶剂是提高重结晶回收率和获得较好的纯化效果的关键。一般情况下，重结晶溶剂需要满足以下条件：1）不与被提纯物质起化学反应，回流温度要低于被提纯物质的热分解温度和熔点；2）被提纯物在溶剂中的溶解度随温度有较明显变化，一般需要高温较易溶，低温较难溶，尽量减少母液中样品的损失；3）对杂质溶解较大或较小（前一种情况是要

5、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的时候被滤去）；4）沸点较低，易挥发，易与结晶分离除去；5）能给出2性状较好的晶体，尽量减少母液和杂质的包裹或吸附；6）溶剂无毒或低毒，方便实际操作；7）价廉易得，或易于回收再利用。在实际操作中，常采用如下方法判断重结晶溶剂是否合适。取 0.1 g 待提纯粗品于一小试管中，加入 1 mL 所选溶剂，加热至沸。若完全溶解，且冷却后能析出大量晶体，这种溶剂一般认为可以使用。如样品在高温和常温时都能溶于 1 mL 溶剂中，则这种溶剂不合适。若样品不溶于 1 mL 沸腾溶剂中，再分批加入溶剂，每次加入 0.5 mL，并加热至沸。如果

6、3 mL 热溶剂仍无法溶解全部样品，则这种溶剂也不合适。若样品溶于 3 mL以内的热溶剂中，但冷却后无结晶析出，这种溶剂也不合适。当单一溶剂无法很好的满足重结晶的条件时，常常采用混合溶剂重结晶法对粗产物进行提纯。选用一对能互溶的溶剂，样品易溶于其中之一，而难溶于另一个。操作步骤如下：1）按照选择溶剂的方法，试出混合溶剂各自量的比例；2）将被重结晶物质加热溶解于适量的良溶剂中；3）趁热过滤除去不溶性杂质；4）逐滴加入不良溶剂至出现浑浊且不再消失；5）加热使其澄清，若不澄清可适当补加良溶剂；6）室温放置冷却结晶，过滤洗涤干燥得到最终产品。在具体实验操作中，安息香-二苯乙二酮的提纯中使用的溶剂是75

7、%乙醇，4-对甲苯基-4-氧代丁酸的粗品重结晶中使用了50%乙醇，而E-苯基肉桂酸和E-苯基肉桂酸苄酯的粗品重结晶由于缺少合适的单一溶剂都使用了混合溶剂重结晶的方法，但两者的具体操作方法不尽相同。E-苯基肉桂酸是用无水乙醇溶解后热过滤，再滴加去离子水直至浑浊，之后加热溶解，静置冷却结晶。而E-苯基肉桂酸苄酯是用乙醚溶解后加石油醚，稍冷后常压过滤，蒸出适量乙醚后静置冷却析晶。这种操作的差异一定程度上是由于两种有机物在混合溶剂中的析晶能力不同。33.2 活性炭脱色作为重结晶中的关键一步，加入适量的活性炭脱色可以有效除去在有机反应中产生的有色杂质，得到颜色纯净的产品。由于活性炭中含有大量的气化中心，

8、故而若在溶液沸腾时加入很容易发生暴沸，导致液体冲出甚至发生危险。一般将沸腾的溶液稍冷后再加入活性炭，之后再保持回流3-5分钟保证脱色完全。活性炭的用量太少无法有效脱色，太多则会大量吸附产品导致回收率下降，一般加入粗品量的1-5%，具体情况视粗品的颜色深浅而定。在4-对甲苯基-4-氧代丁酸的制备实验中，由于粗品带颜色，重结晶时需加入活性炭脱色。本人产品颜色较浅，故只加入了小半勺活性炭进行脱色，取得了很好的效果，不仅得到了白色片状晶体，而且重结晶的回收率较高。3.3 热过滤操作为了除去样品溶解后残存的不溶性杂质或是脱色用的活性炭，且尽量减少母液中的样品析出，重结晶过程中需要趁热过滤或抽滤。为了减少

9、在过滤的过程中因温度的降低或溶剂的挥发而造成的样品析出损失，常同时采用以下两种方法。一是在热过滤操作前加入过量的溶剂，一般过量20%-40%，重新加热回流后趁热过滤；二是事先将过滤所用仪器（如漏斗/布氏漏斗，锥形瓶/吸滤瓶）在烘箱内预热，需要热过滤时取出使用。热过滤操作对实验者的熟练程度要求较高，初学者往往会在热过滤操作中损失较大，直接导致重结晶回收率较低。热过滤时需要注意以下几点：1）热过滤前需用少量热溶剂润湿滤纸，减少因滤纸吸收溶剂而造成的溶质在滤纸上析出；2）加快过滤速度是减少因溶剂挥发和降温而导致的溶质析出的有效手段，一般采用扇形折叠滤纸或减压过滤的方式；3）常压过滤时应使用短颈或无颈

10、漏斗，以免溶液在漏斗管颈遇冷结晶；4）若使用的4溶剂易挥发，减压过滤时要严格控制真空度和减压时间，避免暴沸或是溶剂大量减少而导致的损失；5）为防止减压过滤时滤纸穿滤，常常采用双层滤纸抽滤；6）过量的溶剂应根据溶质在溶剂中的溶解度变化曲线合理选取，若溶质溶解度变化较大，应适当补加溶剂。在4-对甲苯基-4-氧代丁酸的制备实验中，所得粗产物为浅棕色固体。重结晶中用50%乙醇溶解后需要经活性炭脱色。为了防止溶液在热过滤过程中结晶析出，本人补加了过量50%的溶剂，过滤所得溶液在吸滤瓶中缓慢结晶得到白色片状晶体，经过滤洗涤干燥后总产率74%。该次实验较高的产率除去反应过程中的因素，重结晶的高回收率也是关键

11、。若热过滤前补加溶剂过少，则很容易造成固体在漏斗中或瓶壁上析出，不仅造成损失，同时所得产品性状较差，包藏杂质而纯度较低，无法取得较好的实验结果。3.4 结晶的获得将热过滤后得到溶液静置冷却降温，由于溶质的溶解度下降而得到过饱和溶液，继续放置逐渐析出晶体。结晶操作很大程度上决定了产品的纯度，用水或冰水迅速冷却并剧烈搅动溶液时，结晶速度较快，可得到细小颗粒的晶体，但此时晶体表面积大，吸附了较多杂质和母液，不仅难以干燥，而且产物纯度较低，无法达到提纯效果。如果将热溶液在室温下静置下使之缓慢冷却，则一般情况下晶体生长较慢，得到的晶体较大且均匀，晶体中包裹的母液和杂质都较少，易于干燥，纯度较高。需注意的

12、是，过大的晶体（超过2 mm以上）会包藏母液，不利于干燥。因此，为了达到提纯目的，一般将热过滤后的溶液室温静置冷却，等待析晶（有时可进一步用冰水浴或冰盐浴冷却）。若溶液冷至室温后仍无晶体析出，很有可能是溶液中缺少晶核，此时可以用玻璃棒摩擦容器内壁或是加入少量晶种。若溶液冷却后出现油状不溶物，可能是溶质在溶剂中的分散程度不好所引起的现象，5此时可将溶液再次加热回流使油状物溶解，再次冷却析晶（若仍然出现油状物可改变溶剂配比或换其他溶剂进行重结晶）。不同的有机物在不同溶剂中冷却析晶的能力一般不同。比如E-苯基肉桂酸在乙醇-水混合溶剂中较易结晶析出，此时就需要注意溶剂的量不可过少，以免溶质快速析出而包

13、藏母液和杂质。与之相对，在E-苯基肉桂酸苄酯的制备实验中，在蒸出适量乙醚后室温静置往往难以析晶，主要原因是溶液中缺少晶核。具体操作中加入晶种的方法往往比用玻璃棒摩擦容器内壁效果更好。本人用玻璃棒蘸取少量溶液，使溶剂在空气中挥发得到少量晶种，投入锥形瓶中，可以观察到溶液中逐渐有针状晶体析出。所得晶体经过滤洗涤干燥后用薄层色谱板检测，纯度较高。3.5 结晶的洗涤和干燥结晶完全后，一般用减压过滤的方法将晶体与母液分离。需要注意的是，为了减少损失，抽滤时一般可用母液多次荡洗容器以减少晶体的转移损失。以此法分离出的晶体一般都会包裹或吸附少量杂质和母液，为了提高产品纯度，需要对晶体进行洗涤和干燥。首先在布

14、氏漏斗中将晶体尽量抽干，必要时可用空心塞将晶体压碎压紧。然后停止减压，用少量洗涤液将全部晶体润湿，适当翻动晶体，再减压抽干洗涤液，反复数次。洗涤液一般选择冷溶剂。洗涤液的用量要适中，太多会造成晶体损失，太少则无法达到洗涤效果，一般遵从少量多次的原则。转移出的结晶一般放置在红外灯下干燥至恒重；若产物易挥发、熔沸点较低或受热不稳定则应室温放置干燥；若对产品纯度要求较高或产品易吸水，则置于真空恒温干燥器中干燥。6在E-苯基肉桂酸苄酯的制备实验中，通过交流发现，个别同学的产品放置于红外灯下干燥时有融化现象，分析原因可能为以下两点：一是在冰酸解和洗涤中没有完全除去DMSO导致晶体中残存而熔点降低；二是这

15、些同学普遍将产品至于红外灯正下方，较高的温度加剧了熔点较低的产物融化。因而为了避免上述情况的发生，晶体的洗涤必须充分，而晶体的干燥一定要结合具体有机物的物理化学性质而选用适当的干燥方法。4 结论重结晶作为固体有机化合物的主要纯化方式之一，始终是在基础有机实验中获得较高产率和纯度的重要保证，需要实验操作者在理解原理的同时做到对操作技巧的熟练掌握。本文中作者对选择溶剂，加热溶解（脱色），趁热过滤，冷却析晶，洗涤干燥等方面作了较为详细的介绍，讨论了影响重结晶结果的因素以及具体实验过程中的注意要点，并结合基础有机实验中的具体重结晶操作做了分析，对中级有机实验过程中的具体操作具有一定的指导意义。参考文献参考文献北京大学有机化学研究所，有机化学实验（第二版），北京大学出版社 北京 2002.7