【化学课堂】你知道重结晶实验有这么多技巧吗？

2024-06-27 14:14:16 默克生命科学

重结晶

提纯固体物质的一种最常用方法，特别是在较大规模的实验室合成或者工业生产中。主要原理是利用不同物质溶解性的差异，将目标产物和杂质进行分离。

物质在溶剂中的溶解度一般随着温度升高而增大。若把化合物溶解在热溶剂中达到饱和，冷却时，由于低温下溶解度变低，溶液达到过饱和而析出晶体。由于不同的物质会形成不同的晶格结构，相同晶格结构的物质更容易一起结晶，而不同晶格结构的物质一起结晶的几率很低。

● 如果杂质溶解性很大，可以使被提纯物质从它的热的饱和溶液中结晶析出，而杂质全部或大部分仍留在溶液中；

● 如果杂质在溶剂中的溶解度极小，则配成饱和溶液后可以被过滤除去，从而达到提纯目的。

因此，重结晶最重要的步骤就是溶剂的选择。

1. 如何选择重结晶的溶剂？

① 选择溶剂首要原则是：所选溶剂对目标产物和杂质的溶解性差别要足够大。

如果所选溶剂在高温下对目标化合物溶解性较高，低温下较低；而对杂质的溶解性非常大或者非常小，这将十分有利于重结晶。

② 所选溶剂不能与待纯化物质发生化学反应，否者会引入新的杂质。

例如卤代烷烃溶剂不宜用作有机胺类化合物的重结晶；醇类溶剂也不宜用作酯类化合物、氨基酸盐酸盐结晶和重结晶。

③ 溶剂的沸点一般不宜过高，以避免该溶剂最终在晶体表面不易除去而残留。

④ 在大规模应用的情况下，溶剂的成本、毒性和可回收性也都是要考虑的因素。

* 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、冰醋酸、二氧六环、四氯化碳、苯、石油醚等。此外，甲苯、硝基甲烷、乙醚、二甲基甲酰胺、二甲亚砜等也常使用。

Tips：如果单一溶剂重结晶不能取得良好效果，还可以选择混合溶剂进行重结晶。

选用的两种溶剂首先必须互溶，其中一种必须对目标物是易溶的，另一种则是难溶或不溶的。混合溶剂筛选可以用如下方法进行简单筛选：将少量的样品溶于某种易溶的溶剂中，然后向其中逐渐加入已预热的难溶溶剂，至溶液刚好出现混浊为止，再滴加1—2滴易溶溶剂，混浊可以消失。

*甲醇—水、乙醇—水，丙酮—水，乙醚—甲醇，二氯甲烷—甲醇，氯仿—乙醚，苯—乙醇等组合都是常见的重结晶混合溶剂。

2. 选择结晶方法

选择了合适的溶剂以后，还要选用合适的结晶方式，通常有4种不同的方法：

A. 冷却重结晶

特别适用于待分离物质在低温条件下溶解度很低，而且溶解度受到温度变化影响明显的情况。在饱和溶液冷却的过程中，目标物质就会析出。需要注意的是，某些在高温下易发生分解敏感化合物在使用此法重结晶时应注意升温范围。

B. 反溶剂（指在目标物在其中溶解性较差的溶剂）重结晶

控制性地添加反溶剂有时可降低在混合液内的溶解度，触发结晶。常见两种常见操作方法：一种是向产品溶液中添加反溶剂，另一种将产品溶液添加到反溶剂中(逆向添加)。例如，在很多DMSO和DMF进行的有机合成反应结束后，可以向反应体系中滴加（或者反向滴加）一定量的水作为反溶剂，产物晶体就能析出。

C. 蒸发重结晶

将溶剂缓慢蒸发去除，待溶液达到一定的过饱和状态，目标溶质可能会重结晶析出。

D. 反应（沉淀）重结晶

加入某种反应试剂，与待分离目标化合物产生新物质，当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时，即有晶体析出。这种方法特别是用于有机酸、碱类化合物的分析纯化，很多手性化合物的对映异构体拆分就是利用这种重结晶方法实现的。

3. 重结晶典型操作步骤

① 溶解：

通过溶解性试验结果或查阅文献数据估算所需溶剂的量，将待重结晶物质溶于所选择溶剂中，进行加热（一般至回流），保证体系全部溶解。如果不溶解，则通过少量多次的原则补加溶剂。注意补加溶剂后还不溶解的物质可能是杂质，需要过滤除去。如果对于颜色较深的体系，可以在这一步加入活性炭进行吸附脱色处理。

实用小技巧：

1. 重结晶溶剂用量要适中，过多会导致回收率偏低，溶剂过少在热过滤过程中可能就有大量目标产物包裹杂质一起析出。影响重结晶效果；容极多。因此，一般溶剂量可比需要量多加20–50%％左右。

2. 要注意实际操作时的温度，保证再次进行同样重结晶时具有良好的重复性。

② 结晶：

将滤液在室温或设定温度下静置使之缓慢冷却（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。

实用小技巧：

结晶不易析出：有时由于滤液中有焦油状物质或胶状物存在，使结晶不易析出，或因形成过饱和溶液也无法析出晶体，在这种情况下，可用玻璃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（同一物质的晶体，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。

加晶种的时机：晶种加得过早，晶种溶解或产生的晶型一般较细；加的晚，则溶液里可能已经产生了晶核，造成结晶可能包裹杂质。

③ 分离结晶产物

在大多数重结晶过程中，固体颗粒为所需产物，需要通过过滤方式与母液分离。过滤后，通常使用容易挥发的不良溶剂清洗滤饼，以去除残留母液和干燥。

④ 干燥

对空气和温度不敏感的化合物可以自然晾干或者烘干，对于加热敏感的化合物可以真空抽干。

实用小技巧：

一般重结晶特别适用于杂质含量在5%以下的固体化合物的纯化，如果一次结晶纯度不理想，可以再次溶解进行多次重结晶。

致谢：感谢上海理工大学材料与化学学院李万方课题组提供的精彩内容

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