重結晶

重結晶

重結晶(recrystallization)是將晶體溶於溶劑或熔融以後,又重新從溶液或熔體中結晶的過程。重結晶可以使不純淨的物質獲得純化,或使混合在一起的鹽類彼此分離。在無機物的製備或有機物的合成中,為了獲得所需的產品,反應結束之後,通常採用蒸發(濃縮)、結晶的方法,將化合物從混合溶液中分離出來。蒸發濃縮一般在蒸發皿中進行,對熱穩定的溶液可用直火加熱,否則要用水浴等間接加熱,當溶液濃縮到一定濃度後,冷卻就會有溶質的晶體析出,如果結晶所得的物質純度不符合要求,需要重新加入一定溶劑進行溶解、蒸發和再結晶,這個過程稱為重結晶。

基本信息

無機物的製備或有機物的合成中,為了獲得所需的產品,反應結束之後,通常採用蒸發濃縮)、結晶的方法,將化合物從混合溶液中分離出來。蒸發濃縮一般在蒸發皿中進行,對熱穩定的溶液可用直火加熱,否則要用水浴等間接加熱,當溶液濃縮到一定濃度後,冷卻就會有溶質的晶體析出,如果結晶所得的物質純度不符合要求,需要重新加入一定溶劑進行溶解、蒸發和再結晶,這個過程稱為重結晶。

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。

重結晶重結晶過程

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

重結晶重結晶過程
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。
重結晶減壓過濾裝置
(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

重結晶布氏漏斗
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

重結晶熱漏斗
重結晶濾紙疊法
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

重結晶方晶
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:

重結晶氯化鈉重結晶
(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,可進一步用水或冰水等冷卻(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

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