2022年有机合成实验技术中几个常见问题的探讨 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用1 / 7 有机合成实验技术中几个常见问题地探讨很多有机化学实验书籍中提供了有机化学实验地基本知识和必要手段,但是仅仅借助这些手段进行那些已经被前人重复过多次地经典实验,很多人常被接踵而来出现地一些意外地问题所困扰,这些问题在一般地有机化学实验书籍很难找出直接答案和解决途径.例如提取时发生乳化、产物结晶不出、混合物难以分开、合成目标化合物地产率低等.我结合前人地经验及在有机合成中地工作经验,围绕有机合成反应地后处理操作,针对研究工作中在7 个方面可能遇到地困难和容易疏忽地问题 ,分别提出比较系统地解决方法. 一、搅拌目前 ,国内外一些专门做有机合成地实验室,基本上以电磁

2、搅拌替代机械搅拌,特别是涉及到对空气、水汽敏感地且具有高度反应活性化合物地反应.搅拌使用地四氟乙烯磁棒有多种规格,例如条形磁棒用于圆底反应瓶中物料地搅拌；三角形磁棒用于尖底反应瓶中物料地搅拌.国外学者认为对有机合成实验室地绝大多数反应而言 ,磁棒搅拌地强度也已经足够了；若需要处理高粘度产物中地悬浮固体,或进行大量制备 (大于 2000mL 地反应体系 ,或需要高速搅拌时 ,则必须用机械搅拌 .与机械搅拌相比,电磁搅拌具有安全性高、使用方便、操作简单地特点.b5E2RGbCAP 二、 加热在诸多地加热方式中,一般使用最多地是浴液加热.加热浴液有硅油、液体石蜡 .硅油是有机合成实验室中最安全、最常

3、用地导热介质；这是由于硅油在 3o0c 左右长时间加热而不变黑不发烟.液体石蜡加热到lOOC 以上时易变黑且易发烟.因此 ,有机合成实验室常用液体石蜡代替水作浴液,用于lOOC 以内地反应 ,特别是对于无水反应 .除了做冰水浴 ,有机合成实验室基本上不用水做浴液 .p1EanqFDPw 三、 过滤采用玻璃砂芯漏斗减压过滤是一种方便快捷地过滤方法.通常采用3# 砂芯过滤；对于更细地一些固体颗粒,可以采用 4# 砂芯过滤 .此外,对于含部分有色物质或树脂状物质地样品,可以在砂芯漏斗地底部铺一层吸附剂(硅酸镁、硅胶、氧精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -

4、 - -第 1 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用2 / 7 化铝 , 然后再减压过滤 ,这样可以在减压过滤地同时除去样品中地这些杂质.若需要趁热过滤 ,可用电吹风加热砂芯漏斗(过滤前和过滤过程中, 保持体系一定地温度 .DXDiTa9E3d 四、 萃取由萃取地原理可知 ,萃取剂必须对被萃取液中地溶质具有尽可能大地溶解度,与反应体系地溶剂不溶 .因此在提取以前 ,必须对反应体系加以适当地处理.例如 ,以高锰酸钾在吡啶一水介质中氧化芳烃地侧链,此时生成地酸以钾盐地形态存在,为了用水把它从大量地、由氧化剂形成地二氧化锰中萃取出来,在反应完成之后 ,应该尽量彻底地将吡啶蒸除,必要时可减压蒸馏 .

5、否则吡啶进入萃取液,酸析时造成产品酸地溶解损失 .同样 ,当欲以有机溶剂对反应产物进行萃取时,必须从反应系统中蒸除水溶性地溶剂 ,诸如低级醇和四氢呋喃等 .RTCrpUDGiT 在通常地萃取操作中,常采用单一地有机溶剂作为萃取剂；但实际上采用混合有机溶剂作为萃取剂,萃取地效果会更好 .这在选择萃取溶剂时必须考虑到.乙醚一苯、氯仿一乙酸乙酯、氯仿一四氢呋喃等都是良好地溶剂组合.例如二元羧酸 ,它在氯仿中通常是难溶地,但只要向其中加入10地四氢呋喃 ,氯仿对二元羧酸地溶解度便将显著增加 .在进行这类溶剂组合时 ,必须考虑到比重因素 .5PCzVD7HxA 如果直接用溶剂萃取产物,应该牢记 “ 用少

6、量溶剂多次萃取” 地原则；但是首次所用地溶剂地量宜大一些,一般为被萃取体系体积地13.如果要向反应体系中加入水 ,然后再用有机溶剂萃取,则应控制所加水地体积.原则是在保证水充分溶解反应体系中地全部无机物地前提下,尽量用水少一些 9 即配成适当浓度地无机盐溶液而便于高效萃取 .将萃取得到地有机相合并 ,用饱和地氯化钠水溶液或硫酸铵水溶液洗涤1 次,最后将洗涤后地有机相用干燥剂(常用无水硫酸钠 彻底干燥、浓缩 ,即可得到彻底除去反应体系地水溶性物质.用饱和氯化钠水溶液(适用于中性和碱性产物 或硫酸铵水溶液 (适用于酸性产物 洗涤地目地是降低水在有机相中地溶解度 ,除去萃取剂中溶解地水份,便于用有机

7、相地干燥 .jLBHrnAILg 在提取时 ,必须考虑萃取剂相对于被萃取液地比重.比重不仅是决定两相是否容易分层地重要因素 ,而且关系到操作地方便与否.当萃取剂比被萃取液地比重大时,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用3 / 7 每次振荡分配之后 ,只要将下层溶液放出来,就可进行第二次提取 .反之,如果萃取剂处在上层 ,则必须放出被萃取溶液,从漏斗地顶部倾出萃取液,再将被萃取液重新加入漏斗之后,才能继续操作 .两种方法相比 ,前一种方法操作简单,样品损失少.xHAQX74J0X 为使酸性或碱性地

8、有机物从有机溶剂进入水相,可相应地用碱或酸地水溶液进行提取 .将酸从有机溶剂中萃取出来地完全程度,取决于萃取液地碱度,这碱度必须保证将酸实际上完全转化为盐.一般可近似地认为 ,萃取液地 pH 至少应该比被提取地游离酸地pKa 值大 4 个 pH 单位.例如,碳酸钠地水溶液地pH 约为 lO,它能将 pKa 低于 6 地酸萃取出来 .同样,当用酸从有机溶剂中提取碱时,酸溶液地 pH值应比被萃取地有机碱低4 个 pH 单位.对萃取得到地水溶液进行酸化或碱化,酸性或碱性地有机物便从水相析出而重新进入有机相,或者直接析出 .这是一种常用地精制程序 .LDAYtRyKfE 萃取剂对于杂质地溶解也是一个值

9、得重视地问题,特别是某些极性有机溶剂对无机盐地溶解是不能忽视地；否则,部分溶解地盐便混入产品.在某些情况下 ,酸性(或碱性 水溶液对于有机碱 (或有机酸 地萃取效果并不好 .例如 ,用稀地无机酸萃取弱碱性地胺 ,用碱水溶液萃取具有立体障碍地有机酸或酚类时,情况往往如此.此时应尽可能地降低有机相地极性.用苯代替乙醚、向有机相中加入己烷等都是极有效地措施 .Zzz6ZB2Ltk 在萃取时常常出现不分层地现象,这多半是由于对萃取地准备不足或考虑不周造成地 .当存在一种溶剂 (如吡啶、低级醇、二烷等 与两相都能良好地互溶且体积较大时 ,解决地办法是向体系中加入更多地、彼此不互溶地两种溶剂,从而降低引起

10、总体互溶地溶剂地相对量.加入饱和无机盐溶液也是有效措施.但这样地问题关键在于预防 ,例如在萃取前将这些溶剂(如吡啶、低级醇、二烷等彻底蒸去 .在萃取时有时也析出固体有机物.出现这一现象地原因是作为反应体系溶剂地有机相因部分溶解于萃取剂而减少了,或者是反应体系中存在一种物质(例如醇类 对于固体有机物在有机相中地溶解起着很大地作用,而一经水洗 ,这类物质进入水相,于是有机物在有机相中地溶解度大为降低.对于这种情况 ,只要再加一些同种精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用4 / 7 或更有效地有机溶剂

11、,就能使固体重新回到溶液中去.不互溶地两液相不能完全和清晰地分层 ,界面上存在着一层乳浊液,这是萃取时经常遇到地乳化问题.这种现象有时只要静置几分钟即能自行消失,有时却能持续数小时乃至数天.如果乳浊液地体积小 ,不妨暂且置之不理,而继续萃取 (将乳浊液并入所需地一层；如果乳化层很厚 ,而又不容许长时间等待,就必须根据其成因而采取某种解决措施.若因两相间地密度差太小而造成地乳化,可向其中一相或两相中加入适当地物质,使其密度差增大 .例如戊烷能使有机层地比重明显降低,四氯化碳则相反 .对于水相通常是加入无机盐 ,这既能增加水相地比重 ,又能显著地降低有机物在水相地溶解度.对于因表面活性剂存在而形成

12、地乳化,改变溶液地pH 往往能使其分层 .对于碱溶液所形成地乳化 ,加入几滴醋酸有时颇为有效.因少量悬浮固体 (树脂状物质或有色物质 引起地乳化 ,可将乳浊液缓慢过滤；过滤时在漏斗里铺上一层吸附剂(硅酸镁、氧化铝、硅胶 , 则效果更好 .对于顽固地乳化 ,还可用离心分离 ,也可加热 ,或向有机溶剂中加入极性溶剂(如醇类或丙酮 以改变两相地表面张力 ,这些措施都能有效地破坏乳化 .dvzfvkwMI1 必须强调 ,预防乳化比事后消除更为重要.在开始时只将萃取液慢慢地渗入被萃取液中 ,或只是轻轻地旋荡 ,乳化地倾向是能够被抑制地.长时间匀缓混合是预防乳化地最有效办法 ,切忌盲目地猛烈摇荡.在极端情

13、况下 ,可以在尖底瓶中利用三角形磁棒搅拌来进行萃取,为达到平衡 ,有时甚至需要搅拌半个小时甚至1h 之久.rqyn14ZNXI 五、减压蒸馏对于很多步合成得到而显得格外珍贵地高沸点地粘稠油状物,常常不得不以减压蒸馏地方式加以提纯.对于压力在15mHg 以上地蒸馏采用水泵减压即可；若压力低于15mUg 以下地蒸馏必须采用油泵减压.在用油泵减压进行大规模地减压蒸馏时 ,要尽可能地采用容量大地油泵,例如 10g 地油状样品在蒸馏时必须使用容量至少为4L s 地真空油泵 .使用油泵时 ,谨防灰尘和低沸点液体混入,并需定期更换泵油 .油泵是中真空度 (小于 l5n g 专用地 ,决不能贪图方便而偶然地用

14、于低真空度地蒸馏 .整个蒸馏装置地所有磨口处均须采用封口膜进行密封,或涂抹精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用5 / 7 高真空润滑脂以保证系统高度密封.在真空状态下 ,一定量液体所产生地蒸气体积比 lama 下大好几千倍 ,故防止液体暴沸显得特别重要.在真空条件下 ,防止暴沸地最佳手段是磁棒搅拌 .EmxvxOtOco 六、结晶在层析技术产生以前,结晶一直被认为是一种艺术(art, 特别是分步结晶更是一种细致、巧妙地实验技术；因为结晶地成功与否,在很大程度上取决于实验人员地经验 .结晶地关键是

15、选择溶剂 .对结晶溶剂要求是lOOmg 地固体样品能在加热至溶剂沸腾时能完全溶解在051OmL 地溶剂中 ,且在冷却后能获得收率为 8o以上地良好晶体 .在实验中要注意：有些固体地溶解速度很慢,不能过早断言溶剂地适用性；有时因为过饱和作用,晶体不能很快析出 ,不能过早地认为所用溶剂太多或溶解度随温度变化不大；有时不溶地部分是杂质,而非所希望地产物 .如果经过重结晶而产品地质量并无明显改变,则可能是杂质地溶解和析出情况随温度地变化恰巧与主要产品同步.此时必须更换结晶溶剂或采用其它地精制手段 .若按照常规进行结晶遭到失败,可以考虑采用以下地经验方法：将待结晶样品溶于乙醚,冷却后 ,钢质刮铲或玻璃棒

16、摩擦器壁促使其结晶.选择至少用两种不同地展开体系对样品进行薄层层析,据此了解样品地主要组份地大致比例、杂质地数目 .若样品中杂质地Rf 值与主要组份地相差较大时,可以将待结晶样品溶液通过短地层析柱,然后再进行结晶便可得到较好地晶体.将待结晶样品溶于乙醚等易挥发溶剂中,补加溶剂 ,配成稀溶液 ,置于通风厨内待其自然挥发.经两、三天就可以看到在器壁上粘附地结晶,而粘稠地油状物凝结在容器底部.小心刮下壁上地晶体 ,进一步处理即可得到良好地结晶. 给样品中加人溶解度不大地溶剂 ,使其部分溶解 ,然后用磁棒缓缓地搅拌使自然溶剂挥发,最后可以在器壁上得到良好地结晶 .这样缓慢挥发溶剂常比放人冰箱中冷冻更为

17、有效.SixE2yXPq5 在制备反应中 ,得到油状粘稠粗产物是很常见地事情.如果在做了正常地处理之后样品仍然呈油状,而样品如结构和现实产物地状态(如很粘稠、冷冻时成为无定形固体等 判断它应该成为固体 ,则必须设法使其结晶 .产物因严重不纯呈油状,而油状本身又成为杂质地良好溶剂,一旦除去了其中地杂质 ,产品便易于结晶；另精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用6 / 7 一方面 ,往往又需要通过使其成为晶体地方式才能除去其中地杂质.当产品地熔点较低时 ,这类油状物往往很难结晶 .6ewMyirQFL

18、 对油状物进行结晶时需要注意：加入溶剂后加热要适当,溶解温度不宜过高 ,注意分清样品地溶解和熔化.使用较大量地溶剂配成稀溶液,在低温下进行结晶 .冷却地速度要慢 ,不能过早将样品放人冰箱. 由于特别容易形成油状物地低熔点固体在非极性溶剂中有很大地溶解度,故常选用溶剂对使其结晶.kavU42VRUs 七、层析柱在反应产物地分离过程中常用到加压(05kgf cm2 1Okgfcm2 柱层析技术 .常用硅胶和氧化铝(4or, 作为吸附剂 ,用氮气加压或用加压球加压,将所需样品在 24h 分开.快速柱层析地操作地关键是选择适当地洗脱溶剂、装柱、上样.y6v3ALoS89 洗脱剂地选择是以薄板层析为基础

19、进行摸索地.选择洗脱剂要解决2 个问题：洗脱剂地选择性和洗脱剂地强度J.洗脱剂地选择性是指所选溶剂体系对某一样品所能分开地程度 ,包括在层析薄板上分开地组分数目和相邻组分之间Rf 地差值.一个洗脱溶剂体系地选择性取决于其中有机溶剂地种类；体系中极性较强地组分对其选择性起主导作用,而弱极性组分对其选择性影响不大.因此要改变洗脱溶剂体系地选择性地主要途径是改变洗脱溶剂体系中地强极性组分.如果一个洗脱溶剂体系在层析薄板上将某一样品所能分开地组分数越多,相邻组分之间地Rf差值越大 ,则该洗脱溶剂体系地选择性越好.通常采用2 种有机溶剂组成地洗脱体系；若 2 种有机溶剂组成地洗脱体系选择性较差,可以考虑

20、 3 种有机溶剂组成地洗脱体系 .M2ub6vSTnP 在确定了柱层析所用洗脱剂地种类之后,下一个要解决地问题就是洗脱剂地强度问题 .洗脱剂地强度是指所选择溶剂体系中各组份地相对比例,也可以看成是溶剂体系地极性 .如果溶剂体系地强极性组分越多,则该体系地极性越强,它对样品地洗脱能力越强 .通常采用在硅胶薄板上将所需组份能推到Rf 在 020025地溶剂体系作为柱层析地洗脱剂.总之 ,若所分离地样品越简单,则可以使用极性稍强地洗脱剂；相反 ,则可以使用极性稍弱地洗脱剂.0YujCfmUCw 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共

21、7 页个人资料整理仅限学习使用7 / 7 对于合成样品地分离,常采用干法装柱 .通过对几种不同装柱程序地比较,笔者认为按照以下程序所装地层析柱效果最佳.装柱程序：向层析柱 (30cm 中填装吸附剂 (40p ； 用水泵从层析柱下端减压,使得吸附剂柱床变得密实均匀,使得吸附剂柱床长度为1520cm； 向吸附剂柱床中缓慢地加适量地弱极性溶剂(通常用石油醚 , 然后向柱顶地溶剂中加入厚度均匀地石英砂(1crn 左右,保持该溶剂液面始终在石英砂层以上. 在减压条件下 ,让弱极性溶剂完全浸湿吸附剂柱床 ,排除其中空气即完成装柱工作.eUts8ZQVRd 柱层析上样分为干法上样和湿法上样.值得注意地是 ,

22、对于极少量样品地分离,例如 20nlg 样品地分离 ,笔者认为干法上样 (用 2003OO 目地吸附剂拌样 比较好；因为该法上样时样品界面很整齐,分离效果好 .在干法上样完毕后 ,再按照上述方法在样品层上加石英砂层(1cm 左右 完成上样过程 ,然后可以进行加压洗脱.sQsAEJkW5T 在加压柱层析操作中要注意：层析柱吸附剂柱床地最佳长度为1520era.柱床过长则分离所需时间越长,消耗地溶剂越多 ,柱床过短则分离效果差.洗脱剂地流速要快 ,溶剂呈线状 .流速过慢可使得本来在柱床中分离开地几个组分又扩散到一起 .洗脱剂强度地梯度增加要小,以免几个组分同时被洗脱下来.对于洗脱下来地组份 ,若有紫外吸收 ,可在紫外灯下进行检测；没有紫外吸收地样品常可通过钼酸铵溶液、高锰酸钾溶液、碘等使其显色来检测.GMsIasNXkA 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页