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有機化學實驗的基本操作

發布時間:2016-10-23

 

  • 有機化學實驗的基本操作

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2.1 加熱與冷卻方法

2.1.1 加熱方法

在實驗過程中,為了提高反應速度,經常要對反應體系加熱。另外,在分離、提純化合物以及測定化合物的一些物理常數時,也常常需要加熱。

實驗室常用的熱源有煤氣燈、酒精燈、電爐、電熱套等。必須注意,玻璃儀器一般不能用火焰直接加熱。因為劇烈的溫度變化和加熱不均勻會造成玻璃儀器的損壞。同時,由于局部過熱,還可能引起有機化合物的部分分解。為了避免直接加熱可能帶來的弊端,實驗室中常常根據具體情況應用以下不同的間接加熱方式。

(1)石棉網加熱

把石棉網放在三腳架或鐵圈上,用煤氣燈或酒精燈在下面加熱,石棉網上的燒瓶與石棉網之間應留有空隙,以避免由于局部過熱引起化合物分解。加熱低沸點化合物或減壓蒸餾時不能用這種加熱方式。

(2)水浴

當所加熱的溫度在80℃以下時,可選用水浴加熱。將容器浸入裝有水的水浴中(注意:勿將容器觸及水浴底部),小心加熱保持所需的溫度。對于像乙醚等低沸點易燃溶劑,不能用明火加熱,應用預先加熱好的水浴加熱。若需要加熱到100℃時,可用沸水浴或水蒸氣浴。

(3)油浴

在100℃~250℃之間加熱可選擇油浴,在油浴中放一支溫度計,可以通過控制熱源來控制油浴溫度。用明火加熱油浴應當十分謹慎,避免發生油浴燃燒事故。

油浴所能達到的最高溫度取決于所用油的種類。液體石蠟可加熱到220℃,溫度過高不易分解但容易燃燒。固體石蠟也可以加熱到220℃,由于它在室溫時是固體,所以加熱完畢后,應先取出浸在油浴中的容器。甘油和鄰苯二甲酸二丁酯適用于加熱到140℃~150℃,溫度過高則容易分解。植物油如菜油、蓖麻油和花生油,可以加熱到220℃,常在植物油中加入1%的對苯二酚等抗氧劑,以增加它們在受熱時的穩定性。硅油和真空泵油在250℃以上仍較穩定,是理想的浴油,但價格較高。

(4)砂浴

加熱溫度在幾百度以上要使用砂浴。將清潔而又干燥的細砂平鋪在鐵盤中,盛有液體的容器埋人砂中,在鐵盤下方加熱。由于砂子對熱的傳導能力較差,散熱快,所以容器底部的砂子要薄一些,容器周圍的砂層要厚一些。盡管如此,砂浴的溫度仍不易控制,所以使用較少。

(5)空氣浴

沸點在80℃以上的液體原則上均可采用空氣浴加熱。最簡單的空氣浴可用如下方法制作:取空的鐵罐一只,罐口邊緣剪光后,在罐的底層打數行小孔,另將圓形石棉片(直徑略小于罐的直徑)放入罐中,使其蓋在小孔上,罐的周圍用石棉布包裹。另取直徑略大于罐口的石棉板一塊(厚約 2~4mm),在其中挖一個洞 (洞的直徑接近于蒸餾瓶或其他容器頸部的直徑),然后對切為二,加熱時用以蓋住罐口。使用時將此空氣浴放置在鐵三角架上,用燈焰加熱即可。注意蒸餾瓶或其他容器在罐中切勿觸及瓶底,其正確位置如圖2.1所示。

2.1? 空氣浴

6電熱套

電熱套是一種較好的熱源,它是由玻璃纖維包裹著電熱絲織成的碗狀半圓形的加熱器,有控溫裝置可調節溫度。由于它不是明火加熱,因此,可以加熱和蒸餾易燃有機物,也可加熱沸點較高的化合物,適應加熱溫度范圍較廣。電熱套使用時大小要合適,否則會影響加熱效果。

此外,還可以采用其他方法進行加熱。如蒸餾低沸點溶劑時,可以用250W的紅外燈加熱。將物質高溫加熱時,也可以使用熔融的鹽。

2.1.2? 冷卻方法

在實驗中有些反應的中間體在室溫下是不穩定的,必須在低溫下進行;有的為放熱反應,常產生大量的熱,使反應難以控制。有些化合物的分離、提純要求在低溫下進行。通常根據不同的要求,選用合適的冷卻技術。

(1)自然冷卻

熱的液體可在空氣中放置一定時間,任其自然冷卻至室溫。

(2)冷風冷卻和流水冷卻

當實驗需要快速冷卻時,可將盛有溶液的器皿放在冷水流中沖淋或用鼓風機吹風冷卻。

(3)冷凍劑冷卻

要使反應混合物的溫度低于室溫時,最常用的冷凍劑是冰或冰和水的混合物,由于后者能和器壁接觸得更好,因此它的冷卻效果要比單用冰好。若需要把反應混合物冷卻到0℃以下時,可用冰鹽溶液,如100g 碎冰和3OgNaCl混合物,溫度可降至-20℃。

液氨也是常用的冷卻劑,溫度可達-33℃。

將干冰 (固體二氧化碳)與適當的有機溶劑混合時,可得到更低的溫度。與乙醇的混合物可達到-72℃,與乙醚、丙酮或氯仿的混合物可達到-78℃。液氮可冷至-188℃。

注:

必須指出,溫度低于-38℃時,不能用水銀溫度計,應改用裝有有機液體的低溫溫度計。

2.2? 物質的干燥方法

除去固體、液體或氣體中所含的少量水分和有機溶劑的操作過程叫干燥。許多化學實驗必須在無水條件下進行,這就要求所用的原料、溶劑和儀器都要干燥,實驗過程中還要防止空氣中的水氣進入反應器, 否則將影響產品的質量和產率。有機化合物在蒸餾前必須進行干燥,以防加熱使某些化合物發生水解,或與水形成共沸混合物。測定化合物的物理常數,對化合物進行定性、定量分析,利用色譜、紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜、質譜等方法對化合物進行結構分析和測定,都必須使化合物完全處于干燥狀態,才能得到正確的結果。

2.2.1? 基本原理

干燥方法分為物理方法和化學方法。

物理方法有自然晾干、烘干、真空干燥、分餾、共沸蒸餾及吸附等。此外,離子交換樹脂和分子篩也常用于脫水干燥。離子交換樹脂是一種不溶于水、酸、堿和有機物的高分子聚合物。分子篩是多種硅鋁酸鹽晶體。因為它們內部都有許多空隙或孔穴,可以吸附水分子。加熱后,又可釋放出水分子,故可反復使用。

化學方法是用干燥劑來進行脫水。干燥劑按其脫水作用可分為兩類:第一類能與水可逆地生成水合物,如氯化鈣、硫酸鎂、硫酸鈉等;第二類與水反應后生成新的化合物,如金屬鈉、五氧化二磷等。實驗室應用較廣的是第一類干燥劑。

2.2.2? 液體的干燥

1利用分餾或共沸混合物去水

對于不與水生成共沸混合物的液體有機物,例如甲醇和水的混合物,由于沸點相差較大,用分餾即可完全分開。有時可以利用某些有機物與水形成共沸混合物的特性,向待干燥的有機物中加入另一有機物,利用此有機物與水形成最低共沸物的性質,在蒸餾時逐漸將水帶出,從而達到干燥的目的。例如,工業上制備無水乙醇的方法之一就是將苯加入95%的乙醇中,利用乙醇、水和苯三者形成共沸混合物的特性經共沸蒸餾將水帶出去。

(2)使用干燥劑脫水

①干燥劑的選擇

干燥液體時,一般是將干燥劑直接投入其中。因此要求干燥劑不能與被干燥的液體發生化學反應,不能溶解于被干燥液體中。例如酸性物質不能用堿性干燥劑。有的干燥劑能與某些待干燥的物質形成絡合物, 如氯化鈣易與醇、胺及某些醛、酮形成絡合物;氧化鈣、氫氧化鈉等強堿性干燥劑能催化某些醛、酮的縮合及氧化等反應,使酯類發生水解反應等,故不能用來干燥這些物質。

選擇干燥劑時還要考慮干燥劑的吸水容量和干燥性能。吸水容量是指單位質量的干燥劑所吸收的水量。吸水容量越大,干燥劑吸收水分越多。例如硫酸鈉最多能形成10個結晶水的水合物,其吸水容量為1.25;氯化鈣最多能形成6個結晶水的水合物,其吸水容量為0.97,所以硫酸鈉的吸水容量大。干燥效能是指達到平衡時被干燥液體的干燥程度。對于形成水合物的無機鹽干燥劑,常用吸水后結晶水的蒸氣壓表示。干燥劑吸水形成水合物是一個平衡過程,形成不同的水合物平衡時有不同的水蒸氣壓,水蒸氣壓越大,干燥效果越差。干燥含水量較多而又不易干燥的化合物時,常先用吸水容量較大的干燥劑除去大部分水分,然后再用干燥效能較強的干燥劑除去殘留的微量水分。選用時還應注意干燥劑的干燥速度和價格等因素。常用干燥劑的性能和應用范圍見表2-1:

2.1? 干燥劑的性能和應用范圍

干燥劑 吸水作用 吸水容量 干燥

效能

干燥速度 應用范圍
氯化鈣 形成CaCl2·nH2O

n=1,2,4,6

0.97

(以CaCl2·6H2O計)

中等 較快,但吸水后表面為薄層液體所蓋,故放置時間要長些為宜。 能與醇、酚、酰胺及某些醛、酮形成絡合物。工業品中可能含氫氧化鈣,故不能用來干燥酸類。
硫酸鎂 形成MgSO4·nH2O

n=1,2,4,5,6,7

1.05

(以MgSO4·7H2O計)

較弱 較快 中性,應用范圍廣,可代替CaCl2,并可用以干燥酯、醛、酮、腈、酰胺等不能用CaCl2干燥的化合物。
硫酸鈉 Na2SO4·10H2O 1.25 緩慢 中性,一般用于有機液體的初步干燥。
硫酸鈣 2CaSO4·H2O 0.06 中性,常與硫酸鎂(鈉)配合,作最后干燥之用。
碳酸鉀 K2CO3·1/2H2O 0.2 較弱 弱堿性,用于干燥醇、酯、酮、胺及雜環等堿性化合物,不能用于干燥酸、酚及其他酸性化合物。
氫氧化鉀(鈉) 溶于水 中等 強堿性,用于干燥胺、雜環等堿性化合物,不能用于干燥醇、酯、醛、酮、酸、酚等。
金屬鈉 Na+ H2O= NaOH+1/2H2 限于干燥醚、烴類中痕量水分。用時切成小塊或壓成鈉絲使用。
氧化鈣 CaO+H2O=Ca(OH)2 較快 適于干燥低級醇類。
五氧化二磷 P2O5+ 3H2O= 2H3PO4 快,但吸水后表面為粘漿覆蓋,操作不便。 適于干燥醚、烴、鹵代烴、腈等中的痕量水分。不適用于醇、酸、胺、酮等。
分子篩 物理吸附 約0.25 適用于各類有機化合物的干燥。

 

②干燥劑的用量

可根據干燥劑的吸水容量和水在液體中的溶解度來估算干燥劑的用量。由于在萃取或水洗時,難以把水完全分凈,因此一般情況下,干燥劑的實際用量都大于理論值。另外,對于極性物質和含親水性基團的液體化合物,干燥劑需過量一些。但干燥劑的用量不宜過多,因干燥劑表面會吸附部分產品,造成產品的損失。由于液體中的水分含量不等,干燥劑的質量、顆粒大小和干燥時的溫度不同,以及干燥劑也可能吸收一些副產物等,因此很難規定干燥劑的具體用量,大體上說,每10mL液體約需0.5~1g干燥劑。

③實驗操作

將被干燥液體的水分盡可能分離干凈,分液時若有一些絮狀物,寧可棄掉。將液體放于一個干燥的錐形瓶中,先加入少量干燥劑,塞好塞子,振搖錐形瓶,如果干燥劑已附著在瓶底并粘結在一起,說明干燥劑用量不夠,應再添加一些,直到瓶中明顯看到松動的干燥劑顆粒,再放置一段時間(至少半小時)。有時,加入干燥劑后會出現少量水層,這時應小心地用滴管吸去水層,再加入新的干燥劑。應當注意,加入干燥劑后液體由渾濁變澄清并不說明該液體已經干燥。透明與否,與化合物在水中的溶解度有關。

塊狀干燥劑如氯化鈣,使用時應破碎成黃豆大小的顆粒,顆粒太大則表面積小,吸水緩慢;顆粒太小則會吸附較多液體,且難以過濾分離。

干燥劑吸水形成水合物的過程是個可逆過程,高溫時水合物會失水,降低干燥性能。因此,蒸餾前必須把干燥劑濾掉。某些干燥劑(如金屬鈉、五氧化二磷)與水生成比較穩定的產物,有時不必過濾,可直接進行蒸餾。

2.2.3? 固體的干燥

固體物質的干燥,主要是除去殘留在固體上的少量低沸點溶劑,如水、乙醇、乙醚、丙酮和苯等。

(1)自然晾干

自然干燥適用于在空氣中穩定、不分解、不吸潮的固體。干燥時,把待干燥的物質放在干燥潔凈的表面皿或其他器皿上,薄薄地攤開,上覆濾紙,讓其在空氣中慢慢晾干。

(2)烘干

對熱穩定、不易升華、熔點較高的化合物可以用恒溫烘箱或紅外干燥箱烘干。應控制好加熱溫度,以防樣品變黃、熔化甚至分解、炭化。含有溶劑的固體可能在低于其熔點溫度下熔融。烘干時應經常翻動、以防結塊。

(3)干燥器干燥

對于易分解或易升華的固體不能加熱干燥,可在干燥器內干燥。常見的干燥器為以下兩種。

①普通干燥器(圖2.2),蓋與缸身之間的平面經過磨砂,在磨砂處涂以潤滑油,使之密閉。缸中有多孔瓷板,瓷板下面放置干燥劑,上面放置盛有待干燥樣品的表面皿等。

②真空干燥器(圖2.3),它的干燥效率較普通干燥器好。真空干燥器上有玻璃活塞,用以抽真空,活塞下端呈彎鉤狀,口向上,防止在通向大氣時因空氣流入太快將固體沖散。

使用的干燥劑應按樣品所含的溶劑來選擇。例如,五氧化二磷可吸水;生石灰可吸水或酸;石蠟片可吸收乙醚、氯仿、四氯化碳和苯等。干燥器中有時同時放置兩種干燥劑,如在底部放置濃硫酸,另外將盛有氫氧化鈉的器皿放在瓷板上,既可以吸收水又可以吸收酸,效果更佳。

2.2 普通干燥器?? 2.3? 真空干燥器

2.2.4? 氣體的干燥

實驗室中產生的氣體常常有酸霧、水氣和其他雜質。如果實驗需要對氣體進行凈化和干燥,所用的吸收劑、干燥劑應根據不同氣體的性質及氣體中所含雜質的種類進行選擇。通常酸霧可用水除去,水氣可用濃硫酸、無水氯化鈣等除去,其他雜質亦應根據具體情況分別處理。

氣體的凈化和干燥是在洗氣瓶(圖2.4)和干燥塔(圖2.5)中進行的。液體處理劑(如水、硫酸等)盛于洗氣瓶中,洗氣瓶底部有一多孔板,導入氣體的玻璃管插入瓶底,氣體通過多孔板很好地分散在液體中,增大了兩相的接觸面積。如果實驗室沒有洗氣瓶,也可以用一帶有兩塞子的錐形瓶代替。用固體凈化氣體時采用干燥管或干燥塔。管中或塔內根據具體要求裝氫氧化鈉、無水氯化鈣等固體顆粒,裝填時既要均勻,又不能顆粒太細,以免造成堵塞。裝填法如圖2.5所示。

2.4? 洗氣瓶

?????????? 2.5 干燥管和干燥塔

2.3? 熔點的測定和溫度計的校正

2.3.1? 基本原理

熔點是固體物質的固液兩態在一個大氣壓力下達到平衡時的溫度。純凈的固體化合物一般都有固定的熔點,固液兩相之間的變化非常敏銳,從初熔到全熔的溫度范圍(稱熔距或熔程)一般不超過0.5℃~1℃(液晶除外)。當混有雜質時,熔點就有顯著的變化,熔點降低,熔程增長。因此,通過測定熔點,可以鑒別未知的固態化合物和判斷化合物的純度。圖2.6 是化合物的溫度與蒸氣壓曲線圖。其中SM表示固態的蒸氣壓隨溫度升高的曲線,ML表示液態的蒸氣壓隨溫度升高的曲線,在兩個曲線的交叉點M處,固態、液態、氣態三相共存,而且達到平衡,此時的溫度TM 即為該化合物的熔點。溫度高于TM 時,固相的蒸氣壓較液相的蒸氣壓大,固相全部轉化為液相;溫度低于TM 時,液相則轉變為固相。只有在溫度為TM 時,固液兩相的蒸氣壓相同,固液兩相才可同時存在,因此一個純粹的化合物的熔點是很敏銳的。

2.6? 物質蒸氣壓隨溫度變化曲線

將一個純粹的固體化合物以恒定速率加熱,升溫速度與時間變化均為恒定數值,用加熱時間對溫度作圖(圖2.7)。溫度升高,固體的蒸氣壓增大,當溫度達到熔點TM 時,先有少量液體出現,而后固液兩相達到平衡,這時所提供的熱量使固體熔化轉化為液體,而化合物的溫度不會升高,待固體全部熔化后,熔化了的液體的溫度才逐漸上升。

2.7? 相隨時間和溫度的變化

可熔性雜質可以使固體化合物的熔點降低,擴大其熔點間隔,如圖2.6所示。微量雜質存在時,根據拉烏爾(Raoult)定律可知,在一定溫度和壓力下,增加溶質的摩爾數導致溶劑的蒸氣分壓降低,這時的蒸氣壓-溫度曲線是圖2.6中SM′L′,M′是三相點,相應溫度是TM,它低于TM。這就是有雜質存在的有機物熔點降低的原因。

少數有機化合物,在加熱尚未達到其熔點前即局部分解,分解物的作用與可熔性的雜質相似。因此這一類的化合物沒有恒定的熔點。

2.3.2? 熔點的測定

1毛細管熔點測定法

①熔點管的制備

將拉制好的直徑1~1.5mm、長為7cm左右的毛細管一端熔封,作為熔點管。

②樣品的填裝

取0.1~0.2g樣品,置于干凈的表面皿中,用角匙或玻璃棒研成很細的粉末,聚成小堆。將毛細管開口一端倒插入粉末中,樣品便被擠入管中,再把開口一端向上,輕輕在桌面上敲擊,使粉末落入管底。取一根長約30~4Ocm 的玻璃管,垂直放于一個干凈的表面皿上,將熔點管從玻璃管上端自由落下,反復數次,使樣品夯實。重復操作,直至樣品高約2~3mm為止。粘在管外的樣品要擦去,以免污染加熱浴液。裝入的樣品一定要研得很細且夯實。如果有空隙則傳熱不均勻,影響測定結果。

③儀器及安裝

實驗室最常用的裝置為b形熔點測定管,見圖2.8,也稱提勒管(Thiele tube)。管內加入浴液,高度達上叉管處即可,管口裝有開口軟木塞,溫度計插入其中(或用鐵架臺上的鐵夾吊住溫度計),刻度面向開口,水銀球位于b形管上下兩叉管口之間。將裝好樣品的熔點管沾少許浴液粘附于溫度計下端,也可以用棉皮圈套在溫度計上(注意橡皮圈應在浴液液面之上)。調節毛細管位置,使樣品部分置于水銀球側面中部。

裝置中用的浴液,通常有水、濃硫酸、甘油、液體石蠟和硅油等。溫度低于100℃時,可用水。溫度低于140℃時,最好選用液體石蠟和甘油。若溫度高于140℃,可選用濃硫酸。熱的濃硫酸具有極強的腐蝕性,要注意加熱適當,以免濺出傷人。使用濃硫酸作浴液,有時由于有機物掉入酸內而變黑,妨礙對樣品熔融過程的觀察。在此情況下,可以加入一些KNO3晶體,以除去有機物。硅油可以加熱到250℃,且比較穩定,透明度高,無腐蝕性,但價格較貴。

2.8 ?測熔點的裝置

④實驗操作

a.粗測? 若測定未知物的熔點,應先粗測一次。粗測時,升溫速度可快些,約每分鐘?? ??5℃~6℃。認真觀察并記錄現象,直至樣品熔化。這樣可以測得一個粗測的熔點。

b.精測? 讓熱浴液慢慢冷卻到樣品粗測熔點以下20℃左右。在冷卻的同時,換上一根新的裝有樣品的毛細熔點管做精測。注意每一次測定必須用新的毛細管另裝樣品,不能將己測定過的毛細管冷卻后再用。

精測時,開始升溫速度為每分鐘5℃~6℃,當離粗測熔點10℃~15℃時,調整火焰,使上? 升溫度為每分鐘1℃左右。愈接近熔點,升溫速度應愈慢,掌握升溫速度是測定熔點的關鍵。密切注意毛細管中樣品的變化情況,當樣品開始塌落,并有液相產生時(部分透明),表示開始熔化(初熔),當固體剛好完全消失時(全部透明),則表示完全熔化(全熔)。

c.記錄? 記下初熔和全熔的兩點溫度,即為該化合物的熔程。例如某化合物在121℃時有液滴出現,在122.0℃時全熔,其熔點為121.0℃~122.0℃,熔程為1℃。

另外,在加熱過程中應注意是否有萎縮、變色、發泡、升華、炭化等現象,如有應如實記錄。

測定已知物熔點時,要測定兩次,兩次測定的誤差不能大于±1℃。測定未知物時,要測三次,一次粗測,兩次精測,兩次精測的誤差也不能大于±1℃。

d.后處理? 實驗完畢,取下溫度計,讓其自然冷卻至接近室溫時,用水沖洗干凈。

若用濃硫酸作浴液,溫度計用水沖洗前,需用廢紙擦去濃硫酸,以免其遇水發熱使水銀球破裂。等 b形管冷卻后,再將浴液倒入回收瓶中。

(2)顯微熔點儀測定法

利用該儀器可以測定微量及高熔點樣品的熔點,并可觀察晶體的晶型及在加熱中變化的全過程,如結晶的失水、多晶的變化、升華及分解等。顯微熔點測定儀及其使用方法見1.3.4。

3)數字式熔點儀測定法

使用數字式熔點測定儀測定試樣的熔點,儀器可以直接顯示終熔溫度,通過指針的偏轉了解到樣品的熔解情況,也可直接讀出初熔溫度,方法簡單快捷。數字式熔點測定儀及其使用方法見1.3.4。

2.3.3? 溫度計的校正

測熔點時,溫度計上的熔點讀數與真實熔點之間常有一定的偏差。這可能由于以下原因:

(l)溫度計的制作質量差,如毛細管孔徑不均勻,刻度不準確。

(2)普通溫度計的刻度是在溫度計全部均勻受熱的情況下刻出來的。但我們在測定溫度時,常常僅將溫度計的一部分插入熱液中,有一端水銀線露在液面外,這樣測定的溫度比溫度計全部浸入液體中所得的結果偏低。

(3)經長期使用的溫度計,玻璃也可能發生體積變形而使刻度不準。因此,若要精確測定物質的熔點,就需校正溫度計。

溫度計的校正方法為:選擇數種已知熔點的純化合物為標準,測定它們的熔點,以觀察到的熔點作縱坐標,測得熔點與已知熔點差值作橫坐標,畫成曲線,即可從曲線上讀出任一溫度的校正值。校正溫度計的標準化合物的熔點見表2.2

2.2? 標準化合物的熔點

化? 合? 物 熔? 點/℃ 化? 合? 物 熔? 點/℃
H2O-冰(蒸餾水制)

α-萘胺

二苯胺

苯甲酸苯酯

間二硝基苯

二苯乙二酮

乙酰苯胺

0

50

53

69.5~71.0

80

90

95~96

114

苯甲酸

尿素

二苯基羥基乙酸

水楊酸

對苯二酚

3,5-二硝基苯甲酸

酚酞

122

133

151

158

173~174

205

216.2~216.4

262~263

 

實驗室常用浴液見表2.3

表2.3? 實驗室常用浴液

浴? 液? 名? 稱 適? 用? 溫? 度? 范? 圍

液體石蠟

濃硫酸

濃硫酸+硫酸鉀(7+3)

聚有機硅油

無水甘油

鄰苯二甲酸二丁酯

真空泵油

0℃~100℃

230℃以下

220℃以下(敞口容器中)

325℃以下

350℃以下

150℃以下

150℃以下

250℃以下

?實驗三? 熔點的測定

?

一、實驗目的

  1. 了解測定熔點的原理;
  2. 掌握熔點測定的方法。

二、儀器和試劑

儀器:提勒管;溫度計;表面皿;酒精燈。

試劑:萘;乙酰苯胺;苯甲酸;固體未知樣1~2個。

三、實驗內容

  1. 毛細管法測定標準化合物萘的熔點;
  2. 用數字式熔點儀測定乙酰苯胺或苯甲酸的熔點;
  3. 由教師指定未知樣1~2個,測定熔點鑒定之。

本實驗約需2h。

四、注釋

(1)已測定過的試樣由于分解、晶形改變等原因,與原試樣不同,不能再用于測定;

(2)影響熔點測定準確性的因素可能包括試樣的純度、試樣量、試樣的粒度、加熱速度、溫度的準確讀數等,必須嚴格掌握。

五、思考題

  1. 毛細管法測定熔點時,使用提勒管的好處是什么?如何選擇浴液?怎樣控制升溫速度?
  2. 測定有機物熔點時,若遇到下列情況,對所測熔點的結果有何影響?

①毛細管的管壁較厚;②毛細管沒有完全燒熔封閉;③毛細管內不潔凈;④試樣研磨不細、裝填不密實;⑤試樣裝填太多;⑥溫度計與毛細管位置固定不正確;⑦溫度計未校正。

2.4? 蒸餾與沸點的測定

蒸餾是提純液體物質和分離混合物的一種常用的方法。通過蒸餾還可以測出化合物的沸點,所以它對鑒定純粹的液體有機化合物也具有一定的意義。

2.4.1? 蒸餾的原理

蒸餾是將液體加熱至沸騰,使液體變為蒸氣,然后使蒸氣冷卻再凝結為液體,這兩個過程的聯合操作稱為蒸餾。蒸餾可將易揮發和不易揮發的物質分離開來,也可以將沸點不同的液體混合物分離開來。

液體的蒸氣壓只與體系的溫度有關,而與體系中存在的液體和蒸氣的絕對量無關。當液體化合物受熱時,其蒸氣壓隨溫度的升高而增大,當液面蒸氣壓增大到與外界大氣壓相等時,就有大量氣泡從液體內部逸出,即液體沸騰,這時的溫度稱為液體的沸點。顯然沸點與所受外界壓力的大小有關。通常所說的沸點是在0.1MPa壓力下液體的沸騰溫度。

普通蒸餾是利用液態化合物的沸點的差異進行分離的。只有當混合液體的沸點有顯著不同時(至少相差30℃以上),普通蒸餾才能使其有效分離。當一個二元或三元互溶的混合物各組分的沸點相差不大時,簡單蒸餾難以將它們分離,此時,必須采用分餾的方法。

由于一個純粹的液態化合物在一定壓力下具有固定的沸點,所以蒸餾法還可以用于測定物質的沸點,檢驗物質的純度。但要注意具有固定沸點的物質不一定都是純物質。這是因為某些有機化合物常常和其他組分形成二元或三元共沸混合物,這些混合物也具有固定的沸點。由于共沸混合物在氣相中的組分與液體中一樣,所以不能用蒸餾的方法進行分離。

2.4.2? 蒸餾操作

1蒸餾裝置的安裝

蒸餾裝置主要由圓底燒瓶、蒸餾頭、溫度計、直型冷凝管、接引管和接收器組成(見圖2.9)。蒸餾燒瓶是蒸餾操作中最常用的容器,蒸餾燒瓶容量的選擇由待蒸餾液體的體積來決定,通常所蒸餾的液體的體積應占蒸餾燒瓶容量的1/3~2/3。磨口溫度計可以直接插入蒸餾頭,普通溫度計可以用溫度計套管固定在蒸餾頭上口。溫度計水銀球的上限應和蒸餾頭側管的下限在同一水平線上。直型水冷凝管中的水從下口進入,上口流出,保證冷凝管中始終充滿水。如果被蒸餾液體的沸點在140℃以上,則改用空氣冷凝管。接引管的支管與大氣相通,如果蒸餾出的物質易受潮分解,可以在接收器上連接一個氯化鈣干燥管,以防濕氣的侵入;如果蒸餾出的物質有毒,則可以裝配一個氣體吸收裝置。

安裝儀器順序一般總是自下而上,從左到右。要準確端正、橫平豎直。全套儀器的軸線都要在同一平面內。鐵架臺應整齊地放在儀器的背部。除接引管與接收瓶之間外,整個裝置中的各部分都應裝配緊密,防止有蒸氣漏出而造成產品損失或其他危險。

2.9? 蒸餾裝置

(2)蒸餾操作

①加料? 蒸餾裝置安裝好后,將待蒸餾液體經長頸漏斗倒入蒸餾燒瓶中(應避免液體流入冷凝管里),加入2~3 粒沸石,然后裝好溫度計。

②加熱? 緩慢通入冷卻水后,點火加熱。開始加熱時,加熱速度可以稍快。加熱至沸騰后,溫度計讀數會快速上升,此時應調節加熱速度,餾出液的蒸出速度為每秒鐘1~2滴為宜。

③收集與記錄? 記錄第一滴餾出液滴人接收瓶時的溫度并接收沸點較低的前餾分。當溫度升至所需沸點范圍并恒定時,更換另一接收瓶收集,并記錄此時的溫度范圍,即餾分的沸點范圍。所收集餾分的沸點范圍越窄,則餾分的純度越高。一般收集餾分的溫度范圍在

l℃~2℃。

④停止蒸餾與拆卸儀器? 當溫度上升至超過所需范圍或燒瓶中僅殘留少量液體時(注意不能蒸干!) 即停止蒸餾。先移去熱源,體系稍冷卻后,停止冷凝水,拆下儀器。拆卸儀器的順序與安裝順序相反。最后稱重產品并記錄。

注:

① 在加熱前應加入沸石,以防止暴沸。如果加熱前忘記加沸石,液體稍冷后再補加,然后繼續加熱。若中途因故停止蒸餾,當再次蒸餾時,不能沿用燒瓶內的原有沸石,而應重新加入沸石。

② 蒸餾低沸點易燃液體(如乙醚等)時,不能用明火加熱,附近也嚴禁有明火。

③ 蒸餾速度過快會使蒸氣過熱,破壞氣液平衡,影響分離效果。

2.4.3? 沸點的測定

沸點的測定分為常量法和微量法。常量法的裝置和操作與一般蒸餾相同。微量法測沸點可用圖2.10 所示裝置。沸點管有內外兩管,內管是長約5cm、一端封閉、內徑為lmm的毛細管;外管是長7~8cm、一端封閉、內徑為4~5mm的小玻璃管。

取3~4滴待測樣品滴入沸點管的外管中,將內管開口向下插入外管中,然后用橡皮圈把沸點管固定在溫度計旁,使裝樣品的部分位于溫度計水銀球的中部,然后將其插入熱浴中加熱。若用b形管加熱,則應調節溫度計的位置使水銀球位于上下兩叉管中間;若用燒杯加熱,則為了加熱均勻,需要不斷攪拌。

(a)沸點管附著在溫度計上的位置?? (b)b形管測沸點裝置

2.10? 微量法沸點測定裝置

裝置安裝完畢后,開始加熱,隨著溫度的升高,由于氣體受熱膨脹,內管中很快會有小氣泡緩緩地從液體中逸出。當溫度升到比沸點稍高時,管內將有一連串的氣泡快速逸出,此時停止加熱。隨著浴液溫度的降低,氣泡逸出的速度漸漸減慢。當氣泡不再冒出而液體剛要進入沸點內管(即最后一個氣泡剛要縮回毛細管)時,立即記下溫度計上的溫度,即為該液體的沸點。每支毛細管只可用于一次測定,一個樣品測定需重復2~3次,測得平行數據差應不超過1℃。

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實驗四? 沸點的測定

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一、實驗目的

  1. 熟悉微量法測定液體化合物沸點的原理和儀器裝置;
  2. 學習沸點測定的操作方法及其應用。

二、儀器和試劑

儀器:提勒管;溫度計;沸點管;酒精燈。

試劑:四氯化碳;液體未知樣1~2個。

三、實驗內容

  1. 測定四氯化碳的沸點;
  2. 由教師指定未知樣1~2個,測定沸點并鑒定之。

本實驗約需2h。

四、注釋

(1)微量法測沸點裝置與提勒管測熔點相似,所不同的是測熔點用的毛細管被沸點管取代。測定方法是把試樣滴入外管內,將毛細管開口端插入外管中,然后用橡皮圈把沸點管固定在溫度計旁,像測定熔點一樣放入提勒管內,慢慢地加熱浴液,進行測定。

五、思考題

  1. 微量法沸點測定與常量法沸點測定有什么不同?
  2. 微量法沸點測定操作中,如何準確判斷沸騰現象及相關溫度?連續氣泡溢出與氣泡回縮的關鍵是什么?

2.5? 分餾

液體混合物中的各組分,若其沸點相差較大,可用普通蒸餾的方法分離,若其沸點相差不太大, 則用普通蒸餾法就難以精確分離,而應當用分餾的方法分離。應用分餾柱將幾種沸點相近的化合物的混合物進行分離的方法稱為分餾。最精密的分餾設備已能將沸點相差僅1℃~2℃的混合物分開,分餾的原理與普通蒸餾相同,實際上分餾相當于多次蒸餾。

2.5.1? 基本原理

如果將兩種揮發性液體的混合物進行蒸餾,在沸騰溫度下,其氣相與液相達成平衡,出來的蒸氣中含有較多量易揮發物質組分,該蒸氣冷凝后的液體所含的組成與氣相等同,即含有較多的易揮發組分,而殘留物中卻含有較多量的高沸點組分。這就完成了一次簡單的蒸餾。如果將蒸氣凝成的液體重新蒸餾,即又進行一次氣液平衡,再度產生的蒸氣中所含的易揮發物質組分又有所增高,同樣,將此蒸氣再經過冷凝而得到的液體中易揮發物質的組分相應也會這樣,我們可以利用一連串的有系統的重復蒸餾,最后得到接近純組分的兩種液體。但應用這樣反復多次的簡單蒸餾既浪費時間,又損失很大,所以通常利用分餾來進行分離。

利用分餾柱進行分餾,實際上就是在分餾柱內使混合物進行多次氣化和冷凝。當上升的蒸氣和下降的冷凝液互相接觸時,二者進行熱交換,蒸氣中高沸點的組分被冷凝,低沸點組分仍呈蒸氣上升;結果,上升蒸氣中低沸點組分含量增多,而下降的冷凝液中高沸點組分增多。 經過如此多次氣-液兩相間的熱交換, 就相當于連續多次的普通蒸餾過程,以致低沸點的組分不斷上升而被蒸餾出來,而高沸點組分則不斷流回燒瓶中,從而達到分離的目的。

了解分餾原理最好是應用恒壓下的沸點-組成曲線圖(稱為相圖,表示這兩組分體系中相的變化情況)。通常它是用實驗測定在各溫度時氣液平衡狀況下的氣相和液相的組成,然后以橫坐標表示組成,縱坐標表示溫度而作出的。圖2.11 即大氣壓下苯-甲苯溶液的沸點組成圖,從圖中可以看出,由苯20%和甲苯 80%組成的液體(L1)在102℃時沸騰,和此液相平衡的蒸氣(Vl)組成約為苯40%和甲苯60%。若將此組成的蒸氣冷凝成同組成的液體(L2),則與此溶液成平衡的蒸氣(V2)組成約為苯60%和甲苯40%。顯然,如此繼續重復, 即可獲得接近純苯的氣相。

2.11? 甲苯體系的沸點組成曲線圖

2.5.2? 基本操作

實驗室中簡單的分餾裝置包括熱源、蒸餾燒瓶、分餾柱、溫度計、冷凝管和接收器等(見圖1.8)。分餾裝置中最主要的部分為分餾柱,實驗室常用的分餾柱有填充式分餾柱和刺形分餾柱(或稱維氏分餾柱)(參見表1.2)。填充式分餾柱是在柱內填充一些制成各種形狀的惰性材料,目的是增加表面積,如各種形狀的金屬片(螺旋形、馬鞍形、網狀等)、陶瓷杯、玻璃珠、玻璃管等。填充式分餾柱分餾效率較高,刺形分餾柱結構簡單,較填充式分餾柱粘附的液體少,但分餾效率較低。

分餾裝置的裝配原則和蒸餾裝置完全相同。先把待分餾的液體倒入燒瓶中,其體積以不超過燒瓶的1/2 為宜。分餾操作與普通蒸餾操作大體相同,但要達到較好的分離效果應注意以下幾點:

(1) 應根據待分餾液體的沸點范圍,選用合適的熱浴加熱,加熱速度應緩慢。不要在石棉網上直接用火加熱。

(2) 待液體開始沸騰,蒸氣進入分餾柱中時,要注意調節浴溫,使蒸氣環緩慢而均勻地沿分餾柱壁上升。若由于室溫低或液體沸點較高,為減少柱內熱量的散發,宜將分餾柱用石棉繩等包纏起來。

(3) 當蒸氣上升到分餾柱頂部,開始有液體餾出時,更應密切注意調節浴溫,控制餾出液的速度為每2~3 秒鐘一滴。如果分餾速度太快,餾出物純度將下降;但也不宜太慢,否則上升的蒸氣時斷時續,餾出溫度有所波動。

(4) 根據實驗規定的要求,分段收集餾分,應注意記錄每一餾分的沸點范圍和質量。

2.6? 減壓蒸餾

減壓蒸餾適用于在常壓下沸點較高及常壓蒸餾時易發生分解、氧化、聚合等反應的熱敏性有機化合物的分離提純。一般把低于一個大氣壓的氣態空間稱為真空,因此,減壓蒸餾也稱為真空蒸餾。

2.6.1? 基本原理

液體的沸點與外界施加于液體表面的壓力有關,隨著外界施加于液體表面壓力的降低,液體沸點下降。沸點與壓力的關系可近似地表示為:

lgp = A + ……………………………………………………(2.1)

式中p為液體表面的蒸氣壓,T為溶液沸騰時的熱力學溫度,A和B為常數。如果用lgp作縱坐標,1/T 為橫坐標,可近似得到一條直線。從二元組分已知的壓力和溫度,可算出A和B的數值,再將所選擇的壓力代入式(2.1) 即可求出液體在這個壓力下的沸點。表2.4給出了部分有機化合物在標準大氣壓下的的沸點。

2.4? 部分標準化合物的沸點

化? 合? 物? 名? 稱 b.p/℃ 化? 合? 物? 名? 稱 b.p/℃
溴乙烷

丙酮

氯仿

四氯化碳

甲苯

對硝基甲苯

38.4

56.1

61.3

76.8

80.1

100.0

110.6

238.3

氯苯

溴苯

環己醇

苯胺

苯甲酸甲酯

硝基苯

水楊酸甲酯

 

131.8

156.2

161.2

184.5

199.5

210.9

223.0

但實際上許多物質的沸點變化是由分子在液體中的締合程度決定的,不符合公式 (2.1)。因此,在實際操作中我們可以參考圖2.12所示的經驗曲線圖表,找出某一物質在一定壓力下的沸點。用一把尺子通過圖中的兩個數據點,兩個數據點的連線與第三條直線的交點便是所要查的數據。如苯甲酸乙酯在常壓下的沸點為213℃,需要減壓至2.67KPa(2OmmHg), 將尺子通過圖中B線213的點和C線20的點,此兩點的延長線與A線的交點就是2.67kPa時苯甲酸乙酯的沸點,約為100℃。

壓力對沸點的影響還可以作如下估算:

(l)壓力降低到2.67KPa(20mmHg),大多數有機化合物的沸點比常壓(0.1MPa(760mmHg))的沸點低100℃~120℃。

(2)壓力在1.33~3.33KPa(10~25mmHg)之間,大體上壓力每相差0.133kPa(1mmHg),沸點約相差1℃。

(3)壓力在3.33KPa(25mmHg)以下,壓力每降低一半,沸點下降約10℃。

對于具體某個化合物減壓到一定程度后其沸點是多少,可以查閱有關資料,但更重要的是通過實驗來確定。

按國家標準,壓力的單位應為Pa,1mmHg=0.133kPa

2.12? 液體在常壓、減壓下的沸點近似

2.6.2? 基本操作

1減壓蒸餾裝置

常用的減壓蒸餾系統可分為蒸餾、抽氣(減壓)、安全系統和測壓四部分。微量減壓蒸餾裝置如圖2.13 所示。整套儀器必須裝配緊密,所有接頭潤滑并密封,防止漏氣,這是保證減壓蒸餾順利進行的先決條件。

①蒸餾部分? 蒸餾部分由圓底燒瓶、克氏蒸餾頭、冷凝管、多頭接引管和接收器組成??耸险麴s頭帶有支管一側的上口插溫度計,另一口插一根毛細管,下端距瓶底約1~2mm。毛細管上端加一節乳膠管并插入一根細銅絲,用螺旋夾夾住,用以調節進氣量。毛細管的作用是在抽真空時,將微量氣體抽進反應體系中,起到攪拌和氣化中心的作用,防止液體暴沸。因為在減壓條件下沸石已不能起氣化中心的作用。進行半微量和微量減壓蒸餾時,用電磁攪拌器攪動液體可以防止液體暴沸(常量減壓蒸餾時,因為被蒸餾液體較多,用此方法不太妥當)。

②抽氣部分? 實驗室通常用水泵或油泵進行減壓,見1.3.4節。

水泵:見圖1.16。其效能與構造、水壓及水溫有關。水泵所能達到的最低壓力為當時室溫下的水蒸氣壓。例如水溫為6℃~8℃時,水蒸氣壓為0.93~1.07kPa;水溫為30℃,水蒸氣壓為4.2kPa左右。

2.13? 微量減壓蒸餾裝置圖

油泵:油泵的效能決定于油泵的機械結構以及真空泵油的好壞(油的蒸氣壓必須很低),見圖1.17。好的油泵能抽至真空度為13.3Pa。油泵結構較精密,工作條件要求較嚴。蒸餾時,如果有揮發性的有機溶劑、水或酸的蒸氣,都會損壞油泵。因為揮發性的有機溶劑蒸氣被油吸收后,就會增加油的蒸氣壓,影響真空效能。而酸性蒸氣會腐蝕油泵的機件。水蒸氣凝結后與油形成濃稠的乳濁液,破壞了油泵的正常工作,因此使用時必須十分注意油泵的保護。一般使用油泵時,系統的壓力??刂圃?.67~1.33kPa之間,因為在沸騰液體表面上要獲得0.67kPa以下的壓力比較困難。這是由于蒸氣從瓶內的蒸發面逸出而經過瓶頸和支管 (內徑為4~5mm)時,需要有0.13~1.07kPa的壓力差,如果要獲得較低的壓力,可選用短頸和支管粗的克氏蒸餾瓶。

為了方便,常把不同真空度劃分為幾個等級:

a.低真空(0.1MPa(760 mmHg)~1.33KPa(1OmmHg)) 。一般可以從水泵獲得。

b.中度真空(1.33Kpa~1.33×10-2kPa(10~10-3mmHg)??捎捎捅毛@得。

c.高真空(1.33×10-2kPa~1.33×10-7KPa(10-3~10-8mmHg))。常采用機械泵與擴散泵串聯抽氣獲得。

③安全系統? 安全系統是由安全瓶(緩沖用吸濾瓶) 和2~3個分別裝有無水氯化鈣、氫氧化鈉、活性炭等的吸收塔構成。安全瓶的作用不僅是防止壓力下降或停泵時油(或水) 倒吸流入接收瓶中造成產品污染,而且還可以防止物料進入減壓系統。安全瓶連接著泵和壓力計(如果使用循環泵,泵本身帶有壓力表)。吸收塔的作用為保護油泵,通常連接在泵與壓力計之間。

④測壓部分? 測壓一般用水銀壓力計或壓力表,也可用帶有壓力表的循環水泵直接測得,實驗室常用壓力計,見圖1.18。

(2)減壓蒸餾操作要點

①減壓蒸餾時,蒸餾瓶和接收瓶均不能使用不耐壓的平底儀器(如錐形瓶、平底燒瓶等)和薄壁或有破損的儀器,以防由于裝置內處于真空狀態,外部壓力過大而引起爆炸。

②減壓蒸餾的關鍵是裝置密封性要好,因此在安裝儀器時,應在磨口接頭處涂抹少量凡士林,以保證裝置密封和潤滑。溫度計一般用一小段乳膠管固定在溫度計套管上,根據溫度計的粗細來選擇乳膠管內徑,乳膠管內徑略小于溫度計直徑為好。

③儀器裝好后,應空試系統是否密封。具體方法是:a.泵打開后,將安全瓶上的放空閥關閉,擰緊毛細管上的螺旋夾,待壓力穩定后,觀察壓力計(表)上的讀數是否到了最小或是否達到所要求的真空度。如果沒有,說明系統內漏氣,應進行檢查。b.檢查方法:首先將真空接引管與安全瓶連接處的橡膠管折起來用手捏緊,觀察壓力計(表)的變化,如果壓力馬上下降,說明裝置內有漏氣點,應進一步檢查裝置,排除漏氣點;如果壓力不變,說明自安全瓶以后的系統漏氣,應依次檢查安全瓶和泵,并加以排除或請指導老師排除。c.漏氣點排除后,應再重新空試,直至壓力穩定并且達到所要求的真空度時,方可進行后面的操作。

④減壓蒸餾時,加入待蒸餾液體的量不能超過蒸餾瓶容積的1/2。待壓力穩定后,蒸餾瓶內液體中有連續平穩的小氣泡通過。如果氣泡太大已沖入克氏蒸餾頭的支管,則可能有兩種情況:一是進氣量太大,二是真空度太低。此時,應調節毛細管上的螺旋夾使其平穩進氣。由于減壓蒸餾時一般液體在較低的溫度下就可以蒸出,因此,加熱不要太快。蒸餾完后轉動真空接引管(一般用雙股接引管,當要接收多組餾分時可采用多股接引管),開始接收餾分,蒸餾速度控制在每秒1~2 滴。在壓力穩定及化合物較純時,沸程應控制在1℃~2℃范圍內。

⑤停止蒸餾時,應先將加熱器撤走,打開毛細管上的螺旋夾,待稍冷卻后,慢慢地打開安全瓶上的放空閥,使壓力計(表)恢復到零的位置,再關泵。否則由于系統中壓力低,會發生油或水倒吸向安全瓶或冷阱的現象。

⑥為了保護油泵系統和泵中的油,使用油泵進行減壓蒸餾前,應將低沸點的物質先用簡單蒸餾的方法去除,必要時可先用水泵進行減壓蒸餾。加熱溫度以產品不分解為準。

2.7? 水蒸氣蒸餾

水蒸氣蒸餾主要用于蒸餾與水不混溶、不反應,并且具有一定揮發性(一般在近100℃時,蒸氣壓不小于1.33kPa) 的有機化合物。水蒸氣蒸餾廣泛用于在常壓蒸餾時達到沸點后易分解物質的提純和從天然原料中分離出液體產物和固體產物,尤其是在反應混合物中含有大量樹脂狀雜質時,效果比一般蒸餾或重結晶好。

2.7.1? 基本原理

當對一個互不混溶的揮發性混合物進行蒸餾時,在一定溫度下,每種液體將顯示其各自的蒸氣壓,而不被另一種液體所影響,它們各自的分壓只與各自純物質的飽和蒸氣壓有關,即PA= p,PB= p,而與各組分的摩爾分數無關,其總壓為各分壓之和,即

PPAPB=pp…………………………………… (2.2)

可見,在一定的溫度下,總的蒸氣壓總是大于任一組分的蒸氣壓。當p與外界大氣壓相等時,此混合物沸騰,其沸點將比其中任何單一組分的沸點都低。在常壓下用水蒸氣(或水)作為其中的一相,能在低于100℃的情況下將高沸點組分與水一起蒸出來。綜上所述,一個由不混溶液體組成的混合物將在比它的任何單一組分(作為純化合物時)的沸點都要低的溫度下沸騰,用水蒸氣(或水)充當這種不混溶相之一所進行的蒸餾操作稱為水蒸氣蒸餾。

水蒸氣蒸餾中,兩個不混溶液體的混合物在比其中任何單一組分的沸點都低的溫度下沸騰,這一行為可用非理想溶液中最低共沸混合物的形成原理來解釋??砂巡换烊芤后w的行為看作是由兩種流體間的極度不相溶性造成的,兩種分子間的引力遠遠小于同種分子間的引力,使混合物的蒸氣壓比單一組分蒸氣壓高,形成了最低共沸混合物,蒸餾時沸點不變,組成一定。

水蒸氣蒸餾時,餾出液兩組分的組成由被蒸餾化合物的相對分子質量以及在此溫度下兩者相應的飽和蒸氣壓來決定。假定把體系看作理想體系,根據理想氣體定律:

?????????????????? pVnRTRT……………………………………(2.3)

式中p為蒸氣壓,V為氣體體積,W為氣相下該組分的質量,M為純組分的相對分子質量,R為理想氣體常數,T為熱力學溫度,氣相中兩組分的理想氣體方程分別表示為:

pVRT………………………………………(2.4)

pVRT…………………………………………(2.5)

將式(2.4) 和式(2.5)相比得到下式:

=…………………………………………(2.6)

在水蒸氣蒸餾條件下,V = VB ,且溫度相等,故式(2.6)可改寫為:

=……………………………………………(2.7)

利用混合物的蒸氣壓與溫度的關系可查出沸騰溫度下水和組分B的蒸氣壓。圖2.14給出了溴苯、水及溴苯-水混合物的蒸氣壓與溫度的關系。從圖中我們可以看出,當混合物沸點為95℃時,水的蒸氣壓為85.3KPa(640mmHg),溴苯為16.OkPa(120mmHg),代入式(2.7)得到:

2.14? 苯、水水混合物的蒸氣壓與溫度的關系

此結果說明,雖然在混合物沸點下溴苯的蒸氣壓低于水的蒸氣壓,但是,由于溴苯的相對分子質量大于水的相對分子質量,因此,在餾出液中溴苯的量比水多,這也是水蒸氣蒸餾的一個優點。如果使用過熱蒸汽,還可以提高組分在餾出液中的比例。

2.7.2? 基本操作

1水蒸氣蒸餾裝置

水蒸氣蒸餾裝置由水蒸氣發生器和簡單蒸餾裝置組成,見圖1.10。當用直接法進行水蒸氣蒸餾時,用簡單蒸餾或分餾裝置即可。

水蒸氣發生器如圖2.15所示。一種是由銅板或鐵板制成,在裝置的側面安裝一個水位計,以便觀察發生器內水位,一般水位最高不要超過2/3,最低不要低于1/3。在發生器的上邊安裝一根長的玻璃管,將此管插入距發生器底部約1~2cm,可用來調節體系內部的壓力并可防止系統發生堵塞時出現危險,蒸氣出口管與冷阱連接,見圖2.15。冷阱是一支玻璃三通管,它的一端與發生器連接,另一端與蒸餾瓶連接,下口接一段軟的橡皮管,用螺旋夾夾住,以便調節蒸氣量。另一種最簡單、最常用的裝置是由蒸餾瓶(500mL左右) 組裝而成的簡單水蒸氣發生器。無論使用哪種水蒸氣發生器,在與蒸餾系統連接時管路越短越好,否則水蒸氣冷凝后會降低蒸餾瓶內溫度,影響蒸餾效果。

2.15? 水蒸氣發生器

在100℃左右蒸氣壓較低的化合物可利用過熱蒸氣來進行蒸餾。例如可在T形管G 和燒瓶之間串連一段銅管( 最好是螺旋形的)。銅管下用火焰加熱,以提高蒸氣的溫度。燒瓶再用油浴保溫。也可用圖2.16所示的裝置來進行。其中A是為了除去蒸氣中冷凝下來的液滴;B處是用幾層石棉紙裹住的硬質玻管,下面用魚尾燈焰加熱;C是溫度計套管,內插溫度計;燒瓶外用油浴或空氣浴維持和蒸氣一樣的溫度。

2.16? 過熱水蒸氣蒸餾裝置

少量物質的水蒸氣蒸餾,可用克氏蒸餾瓶代替圓底燒瓶,裝置如圖2.17所示。有時也可直接利用進行反應的三頸瓶來代替圓底燒瓶,裝置如圖2.18所示。

2.17? 用克氏蒸餾瓶進行少量物質的水蒸氣蒸餾

2.18? 用三頸瓶來代替圓底燒瓶的水蒸氣蒸餾

2水蒸氣蒸餾操作要點

①蒸餾瓶可選用圓底燒瓶,也可用三口瓶。為了防止瓶中液體因跳濺而沖入冷凝管內,故將燒瓶的位置向發生器的方向傾斜45℃。瓶內液體不宜超過其容積的1/3。將混合液加入蒸餾瓶后,打開冷阱上的螺旋夾。開始加熱水蒸氣發生器,使水沸騰。當有蒸氣從冷阱下面噴出時,將螺旋夾擰緊,使蒸氣進入蒸餾系統。調節進氣量,保證蒸氣在冷凝管中全部冷凝下來。

②在蒸餾過程中,若在插入水蒸氣發生器中的玻璃管內,蒸氣突然上升至幾乎噴出時,說明蒸餾系統內壓增高,可能系統內發生堵塞。應立刻打開螺旋夾,移走熱源,停止蒸餾,待故障排除后方可繼續蒸餾。當蒸餾瓶內的壓力大于水蒸氣發生器內的壓力時,將發生液體倒吸現象,此時,應打開螺旋夾或對蒸餾瓶進行保溫,加快蒸餾速度。

③當流出液不再渾濁時,用表面皿取少量流出液,在日光或燈光下觀察是否有油狀物質,如果沒有,可停止蒸餾。

④停止蒸餾時先打開冷阱上的螺旋夾,移走熱源,待稍冷卻后,將水蒸氣發生器與蒸餾系統斷開。收集餾出物或殘液(有時殘液是產物),最后拆除儀器。

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實驗五? 水蒸氣蒸餾

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一、實驗目的

  1. 掌握水蒸氣蒸餾的基本原理和儀器裝置;
  2. 熟悉水蒸氣蒸餾的操作技術及應用范圍。

二、儀器和試劑

儀器:見圖1.10。

試劑:粗苯甲酸乙酯或粗苯胺;無水氯化鈣。

三、實驗步驟

在125mL磨口燒瓶中加入10mL粗苯甲酸乙酯,按圖1.10安裝水蒸氣蒸餾裝置,將餾出液倒入分液漏斗中靜止,待分層后,分出油層置于小三角瓶中,加適量干燥劑無水氯化鈣,振蕩直至透明,濾去干燥劑,稱量或量取苯甲酸乙酯的體積。經減壓蒸餾可得到純度更高的苯甲酸乙酯。

本實驗約需4h。

四、注釋

(1)水蒸氣發生器中的水不能太滿,否則沸騰時水將會沖入燒瓶中去。

(2)分液漏斗使用前首先檢查分液漏斗的塞子和活塞是否緊密配套,如果配套不漏水,擦干活塞,在活塞孔的上下方分別涂上少量凡士林。分液漏斗分液時應注意,下層液體從分液漏斗下面放出,上層從上口倒出。分出下層液體時一定要先打開上面塞子。

(3)蒸餾時,因異常原因造成系統堵塞會導致水蒸氣發生器中壓力升高,水從安全管中溢出或水位急劇上升,此時應立即打開T形管上螺旋夾,使系統放空,停止加熱,查找原因排除故障。

五、思考題

  1. 水蒸氣蒸餾的基本原理是什么?有何實用意義?
  2. 如何判斷水蒸氣蒸餾的終點?
  3. 停止水蒸氣蒸餾時,在操作順序上應注意些什么?
  4. 用水蒸氣蒸餾進行分離時,被分離的混合物應具備什么條件?

 

2.8? 重結晶

2.8.1? 基本原理

從實驗室制備或自然界得到的固體化合物往往是不純的,重結晶是提純固體化合物常用的方法之一。

大多數固體化合物在溶劑中的溶解度隨溫度的升高而增大,當被提純物的熱飽和溶液在冷卻時,溶質就會以晶體析出。不同物質在同一溶劑中的溶解度是不同的。如果雜質的溶解度極小,則配成熱飽和溶液后可以通過熱過濾除去;若雜質的溶解度較大,則重結晶后雜質留在母液中,都能達到純化的目的。重結晶一般只適用于雜質含量小于5%的固體物質的提純。

2.8.2? 溶劑的選擇

在進行重結晶時,選擇理想的溶劑是一個關鍵,理想的溶劑必須具備以下條件:

(1)不與被提純物質起化學反應。

(2)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被提純物溶解度較小。

(3)對雜質的溶解度非常大或非常?。ㄇ耙环N情況是使雜質留在母液中,不隨被提純物一同析出;后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),易結晶分離除去。

(5) 能給出較好的結晶。

(6) 無毒或毒性很小,便于操作。

常用的重結晶溶劑見表2.5,選擇溶劑時可查閱化學手冊或文獻資料中的溶解度,根據“相似相溶”原理選擇。如手頭沒有充足的資料可用實驗方法來確定。

2.5? 常用的重結晶溶劑

溶? 劑 沸? 點/℃ 冰? 點/℃ 相 對 密 度 與 水 的 混 溶 性 可燃性
100 0 1.0 —— 不燃
95%乙醇 78.1 <0 0.804 + 易燃
丙酮 56.2 <0 0.79 + 易燃
石油醚 30~60 <0 0.64 易燃
乙醚 34.51 <0 0.71 易燃
乙酸乙酯 77.06 <0 0.90 易燃
甲醇 64.96 <0 0.791 420 + 易燃
冰醋酸 117.9 16.7 1.05 + 易燃
環己烷 80.7 6.5 0.778 520 易燃
氯仿 61.7 <0 1.48 不燃
四氯化碳 76.8 <0 1.59 不燃

 

選擇溶劑的具體實驗方法:

取0.1g結晶固體于試管中,用滴管逐滴加入溶劑,并不斷振蕩,待加入溶劑約為1mL時,注意觀察是否溶解。若完全溶解或間接加熱至沸完全溶解,但冷卻后無結晶析出,表明該溶劑是不適用的;若此物質完全溶于1mL 沸騰的溶劑中,冷卻后析出大量的結晶,則這種溶劑一般認為是合適的;如果試樣不溶于或未完全溶于1mL沸騰的溶劑中,則可逐步添加溶劑,每次約加0.5mL,并繼續加熱至沸,當溶劑的總量達4mL, 加熱后樣品仍未全溶,表明此溶劑也不適用;若該物質能溶于4mL 以內熱溶劑中,冷卻后仍無結晶析出,必要時可用玻璃棒摩擦試管內壁或用冷水冷卻,促使結晶析出,若晶體仍不能析出,則此溶劑也是不適用的。

當難選出一種合適溶劑時,常使用混合溶劑?;旌先軇┮话阌蓛煞N彼此可互溶的溶劑組成,其中一種對待提純物質溶解度較大,另一種則較小?;旌先軇┑倪m當比例,可以這樣配制: 將混合物溶解于適當的易溶溶劑中,趁熱過濾以除去不溶性雜質, 然后逐漸加入熱的難溶溶劑至渾濁后再加熱澄清。最后,即使加熱溶液仍呈渾濁狀,這時再加很少量易溶溶劑,使其剛好變透明為止。將此熱溶液慢慢冷卻即有結晶析出。

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表2.6? 重結晶常用的混合溶劑

水—甲醇 甲醇—水 石油醚—苯
水—丙醇 甲醇—乙醚 石油醚—丙酮
水—乙酸 甲醇—二氯甲烷 氯仿—醚
乙醚—丙酮 氯仿—醇 苯—無水乙醇

 

2.8.3? 重結晶的操作

(1)配制熱飽和溶液

選好溶劑后即可進行較大量產品的重結晶。配制熱飽和溶液時應根據所用溶劑的沸點及可燃性選擇合適的熱源。用水作溶劑時,可在燒杯或錐形瓶中進行重結晶;而用有機溶劑時,則必須用錐形瓶或圓底燒瓶作容器,同時,還須安裝回流冷凝管,防止溶劑揮發造成火災。溶解產品時先加入比計算量少的溶劑,加熱沸騰一段時間后,從冷凝管的上口分次加入溶劑,并使溶液保持沸騰,注意觀察樣品溶解情況,直至樣品完全溶解。此時再使其過量約20%,以補償熱過濾時因溫度的降低和溶劑的揮發,結晶在濾紙上析出而造成的損失。

(2)活性炭脫色及熱過濾

當重結晶的樣品帶有顏色時可加入適量活性炭脫色?;钚蕴康拿撋Ч腿芤旱臉O性、雜質的多少有關,活性炭在水溶液及極性有機溶劑中脫色效果較好,而在非極性溶劑中效果則不太顯著?;钚蕴康挠昧恳话銥闃悠返?%~5%左右。加入量過多會吸附部分產品,過少則 達不到理想的脫色效果。加入活性炭時應在飽和溶液稍冷后加入,以免暴沸使溶液沖出。加入活性炭后搖勻,使其均勻分布在溶液中,然后加熱微沸5~10分鐘,趁熱過濾除去活性炭和不溶性雜質。熱過濾時,既要濾除活性炭和不溶性雜質,又要避免溶液冷卻而在濾紙和漏斗中析出結晶,因此,熱過濾時動作要迅速,盡量不使溶液降溫。熱過濾的方法有兩種,即常壓和減壓熱過濾。常用布氏漏斗或砂芯漏斗進行減壓抽濾,裝置圖見圖2.19(a),布氏漏斗的下端斜口應對準抽濾瓶的側口。濾紙要比布氏漏斗的內徑略小,但必須將漏斗的小孔完全覆蓋。抽濾前應先將布氏漏斗預熱,并用少量溶劑潤濕濾紙。待濾紙緊貼后迅速倒入熱的待過濾液,并用極少量熱溶劑洗滌錐形瓶及活性炭等。常壓熱過濾是用熱水漏斗,見圖2.19(b),裝上水后,鋪上折疊濾紙[折法見圖2.19(c)],然后用酒精燈在支管處加熱,待溫度達到要求后,即趁熱過濾。

(a)?????????????? (b)????????????????????????? (c)

2.19? 熱過濾裝置

(3)結晶的析出

將上述熱抽濾液及洗滌液合并后靜置,自然冷卻,結晶慢慢析出。結晶的大小與冷卻的溫度有關。一般迅速冷卻并攪拌,往往得到細小的晶體,表面積大,表面吸附雜質較多。如將熱濾液慢慢冷卻,析出的結晶較大,但往往有母液和雜質包在結晶內部。因此要得到純度高、結晶好的產品,還需要摸索冷卻的過程,但一般只要讓熱溶液靜置冷卻至室溫即可。如果放冷后也無結晶析出,可用玻璃棒在液面下摩擦器壁或投入該化合物的結晶作為晶種,促使晶體較快地析出;也可將過飽和溶液放入冰箱內促使結晶析出。

(4)結晶的收集和干燥

為了把結晶從母液中分離出來,一般采用布氏漏斗進行抽氣過濾。布氏漏斗里的晶體應用同一溶劑進行洗滌。用量應盡量少,以減少產品的溶解損失。如重結晶溶劑的沸點較高,在用原溶劑至少洗滌一次后, 可用低沸點的溶劑洗滌,使最后的結晶產物易于干燥。

抽濾和洗滌后的結晶,表面上還吸附有少量的溶劑,因此需用適當的方法進行干燥。重結晶后的產物需要通過測定熔點來檢驗其純度,在測定熔點前,晶體必須充分干燥,否則熔點會下降。固體的干燥方法很多,可根據重結晶所用的溶劑及結晶的性質來選擇。

 

實驗六? 重結晶法純化粗乙酰苯胺

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一、實驗目的

  1. 學習重結晶法純化固體有機化合物的原理;
  2. 掌握重結晶的操作技術及應用范圍。

二、儀器和試劑

儀器:熱水漏斗;布氏漏斗;吸濾瓶;水泵。

試劑:粗乙酰苯胺。

三、實驗步驟

稱量由實驗十七制得的粗乙酰苯胺,放入200mL燒杯中,按1∶12(1)的比例加入適量的水,加熱煮沸使乙酰苯胺完全溶解(2)。移開火源,稍冷,加入少許活性炭(約0.3g)(3),再煮沸2~3分鐘。趁熱用熱水漏斗和折疊濾紙過濾,濾液收集在另一只潔凈的200mL燒杯中。待溶液充分冷卻后,抽濾,用冷水洗滌布氏漏斗中結晶物兩次,每次都要盡量濾干溶劑。取出結晶,放在表面皿,置于鼓風干燥箱中烘干、稱重、計算產率。

本實驗約需2.5h。

四、注釋

(1) 乙酰苯胺在水中的溶解度與溫度的關系:

溫? 度/℃ 20 50 80 100
溶 解 度/g/100mLH2O 0.46 0.84 3.45 5.55

(2)溶解過程中有時會出現油珠狀物,此物不是雜質。乙酰苯胺的熔點為114℃,但用水重結晶時,往往由于形成水化物而在83℃左右熔融成液體,呈油珠狀物。此時應繼續加入過量溶劑直至完全溶解。

(3)活性炭具有很強的吸附能力,可以吸附有色物質,使用時應注意以下幾點:

a.根據雜質顏色深淺確定用量,多用時因其吸附被提純物而造成損失,若用量不足時,脫色效果達不到要求,需要重復脫色操作;

b.不能向正在沸騰的溶液中加入活性炭以免溶液爆沸濺出;

c.活性炭對水溶液脫色效果較好,對非極性溶液脫色效果較差。

五、思考題

  1. 重結晶法提純固體有機化合物有哪些主要步驟?簡單說明每步的目的。
  2. 重結晶所用的溶劑為什么不能太多,也不能太少?如何正確控制溶劑量?
  3. 在活性炭脫色熱過濾時,若發現母液中有少量活性炭,試分析可能由哪些原因引起的?應如何處理?
  4. 抽濾時濾紙大于布氏漏斗底有什么不妥?

2.9? 萃取

從固體或液體混合物中分離所需的有機化合物,最常用的操作是萃取。萃取廣泛用于有機產品的純化,應用萃取可從固體或液體混合物中萃取出所需要的物質。如天然產物中各種生物堿、脂肪、蛋白質、芳香油和中草藥的有效成分等都可用萃取的方法從動植物中獲得。也可以用于除去產物中的少量雜質,通常稱前者為“萃取”或 “提取”、“抽取”,后者為“洗滌”。洗滌也是一種萃取。根據被萃取物質形態的不同,萃取又可分為從溶液中萃取 (液-液萃?。┖蛷墓腆w中萃?。ü?液萃?。﹥煞N萃取方法。

2.9.1? 基本原理

萃取是利用有機化合物在兩種不互溶 (或微溶) 的溶劑中的溶解度或分配比不同而得到分離??捎门c水不互溶的有機溶劑從水溶液中萃取有機化合物來說明。在一定溫度下,有機物在有機相中和在水相中濃度比為一常數。若c0表示有機物在有機相中的濃度(g/mL), c1表示有機物在水中的濃度(g/mL)。溫度一定時,cO/c1=k ,k是一常數,稱為“分配系數”。它可以被近似地認為是有機物在兩溶劑中的溶解度之比。由于有機物在有機溶劑中溶解度比在水中大,因而可以用有機溶劑將有機物從水中萃取出來。

用一定量的溶劑一次或分幾次從水中萃取有機物,并比較其萃取效率。設sO 為水溶液的毫升數;s為每次所用萃取劑的毫升數,x0為溶解于水中的有機物的克數;x1,…, xn 分別為萃取一次至n次后留在水中的有機物克數;k為分配系數。根據k的定義,進行以下推導:

一次萃取

二次萃取

n 次萃取

式<1,且當n值愈大時,xn則愈小,說明當用同樣多的溶劑分多次萃取比一次萃取的效果要好。這一點十分重要,它是提高分離效率的有效途徑。根據分配定律,既可求出每次提取出的物質的數量,也可算出經萃取后的剩余量。

另一類萃取劑的萃取原理是利用它能與被萃取物質起化學反應。這種萃取常用于從化合物中移去少量雜質或分離混合物,這類萃取劑一般是5% 氫氧化鈉、5%或10%的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液、稀鹽酸、稀硫酸等。堿性萃取劑可以從有機相中移出有機酸,或從有機溶劑(其中溶有有機物)中除去酸性雜質(成鈉鹽溶于水中),這被稱為“洗滌”;反之,酸性萃取劑可從混合物中萃取堿性物質(雜質)等。

固體物質的萃取通常借助于索氏(Soxhlet)提取器,是利用溶劑回流及虹吸原理,使固體有機物連續多次被純溶劑萃取,它具有萃取效率較高節省溶劑等的特點。對受熱易分解或變色的物質不宜采用,同時所用溶劑沸點也不宜過高。

用萃取方法處理固體混合物時,主要根據混合物中各組分在所選溶劑中的溶解度。從液體混合物中萃取物質的情況比較復雜,必須考慮被萃取物在兩種不相溶的溶劑內的分配及其分配系數。分配系數是在一定條件下(溫度等)被提取物在兩液相內達到完全平衡后的濃度關系,其大小約等于該物質在兩溶劑內的溶解度之比。在一定溫度下,若該物質的分子在兩溶液中不發生締合、溶劑化、溶質的電離等作用時,則此物質在兩液層內濃度之比是一定值k, 而實驗上常見分配系數k由于上述現象而有偏差。

2.9.2? 萃取溶劑的選擇

(1)選擇合適萃取溶劑的原則

一般從水中萃取有機物,要求溶劑在水中溶解度很小或幾乎不溶;被萃取物在溶劑中要比在水中溶解度大;對雜質溶解度要??;溶劑與水和被萃取物都不反應;萃取后溶劑應易于用常壓蒸餾回收。此外,價格便宜、操作方便、毒性小、溶劑沸點不宜過高,化學穩定性好、密度適當也是應考慮的條件。一般地講, 難溶于水的物質用石油醚提??;較易溶于水的物質,用乙醚或苯萃??;易溶于水的物質則用乙酸乙酯萃取效果較好。

(2)經常使用的溶劑

有乙醚、苯、四氯化碳、氯仿、石油醚、二氯甲烷、二氯乙烷、正丁醇、醋酸酯等,其中乙醚效果較好。使用乙醚的最大缺點是容易著火,在實驗室中可以小量使用,但在工業生產中不宜使用。

(3)操作方法

萃取的主要儀器是分液漏斗(圖2.20)。使用前須在下部活塞上涂凡士林,然后,于漏斗中放入水搖蕩, 檢查兩個塞子處是否漏水。確實不漏時再使用。


2.20? 使用分液漏斗萃取

 

2.21 搖動分液漏斗的正確持法

將水溶液倒入分液漏斗中,加入溶劑,塞緊塞子,右手握住漏斗口頸,食指壓緊漏斗塞,左手握在漏斗活塞處,拇指壓緊活塞,把漏斗放平搖蕩,見圖2.21,然后,把漏斗上口向下傾斜,下部支管指向斜上方,但要注意不要指向其他實驗者。左手仍握在活塞支管處,食拇兩指開動活塞放氣,見圖 2.22,經幾次搖蕩、放氣后把漏斗架在鐵圈上并把上口塞子上的小槽對準漏斗口頸上的通氣孔。待液體分層后,將兩層液體分開。下層液體由下部支管放出,上層液體應由上口倒出。應注意哪一層為有機溶液,將它存放在干燥的錐形瓶中,水溶液再倒回分液漏斗中,留待再一次萃取。如分不清哪一層是有機溶液,可取少量任何一層液體,于其中加水試,如加水后分層,即為有機相;不分層,說明是水相。在實驗結束前,均不要把萃取后的水溶液倒掉,以免一旦搞錯無法挽救! 有時溶液中溶有有機物后,密度會改變,不要以為密度小的溶劑在萃取時一定在上層。

圖2.22? 分液漏斗放氣的正確方法

用乙醚萃取時,應特別注意周圍不要有明火。搖蕩時,用力要小,時間短,應多搖多放氣,否則,漏斗中蒸氣壓力過大,液體會沖出造成事故。

用分液漏斗進行萃取,應選擇比被萃取液大1~2倍體積的分液漏斗。初學者往往忽略估計溶液和溶劑的體積,將分液漏斗中的溶液和溶劑裝得很滿,振搖時不能使溶劑和溶液分散為小的液滴,被萃取物質不能與兩溶液充分接觸,影響了該物質在兩溶液中的分配,降低了萃取效率。

在萃取某些含有堿性或表面活性較強的物質時(如蛋白質、長鏈脂肪酸等),易出現經搖振后溶液乳化,不能分層或不能很快分層的現象。原因可能由于兩相分界之間存在少量輕質的不溶物;也可能兩液相交界處的表面張力??;或由于兩液相密度相差太少。堿性溶液 (例如氫氧化鈉等)能穩定乳狀質的絮狀物而使分層更困難,這種情況下可采取如下措施①采取長時間靜置;②利用“鹽析效應”,在水溶液中先加入一定量電解質(如氯化鈉),或加飽和食鹽水溶液,以提高水相的密度,同時又可以減少有機物在水相中的溶解度;③滴加數滴醇類化合物,改變表面張力;④加熱,破壞乳狀液(注意防止易燃溶劑著火);⑤過濾,除去少量輕質固體物(必要時可加入少量吸附劑,濾除絮狀固體)。如若在萃取含有表面活性劑的溶液時形成乳狀溶液,當實驗條件允許時,可小心地改變pH,使之分層。當遇到某些有機堿或弱酸的鹽類,因在水溶液中能發生一定程度解離,很易被有機溶劑萃取出水相,為此,在溶液中要加入過量的酸或堿,以達到順利萃取之目的。

2.10? 升華

升華是固體化合物提純的又一種手段。由于不是所有固體都具有升華性質,因此,它只適用于以下情況:一是被提純的固體化合物具有較高的蒸氣壓,在低于熔點時,就可以產生足夠的蒸氣,使固體不經過熔融狀態直接變為氣體,從而達到分離的目的;二是固體化合物中雜質的蒸氣壓較低,有利于分離。

升華的操作比重結晶要簡便,純化后產品的純度較高。但是產品損失較大,時間較長,不適合大量產品的提純。

2.10.1? 基本原理

升華是利用固體混合物的蒸氣壓或揮發度不同,將不純凈的固體化合物在熔點溫度以下加熱,利用產物蒸氣壓高,雜質蒸氣壓低的特點,使產物不經液化過程而直接氣化,遇冷后固化,而雜質則不發生這個過程,達到分離固體混合物的目的。

一般來說,具有對稱結構的非極性化合物,其電子云密度分布比較均勻,偶極矩較小,晶體內部靜電引力小。因此,這種固體都具有蒸氣壓高的性質。為進一步說明問題,我們來考察圖2.23所示的某物質的三相平衡圖。圖中的三條曲線將圖分為三個區域,每個區域代表物質的一相。由曲線上的點可讀出兩相平衡時的蒸氣壓。例如:GS 表示固相與氣相平衡時固體的蒸氣壓曲線;SY 表示液相與氣相平衡時液體的蒸氣壓曲線;SV 表示固相與液相平衡時的溫度與壓力關系曲線。S 為三線的交點,也是物質的三相平衡點,在此狀態下物質的氣、液、固三相共存。由于不同物質具有不同的液態與固態處于平衡時的溫度與壓力,因此,不同的化合物三相點是不相同的。從圖中我們可以看出,在三相點以下,物質處于氣、固兩相的狀態, 因此,升華都在三相點溫度以下進行,即在固體的熔點以下進行。固體的熔點可以近似地看作是物質的三相點。

與液體化合物的沸點相似,當固體化合物的蒸氣壓等于外界所施加給固體化合物表面壓力時,該固體化合物開始升華,此時的溫度為該固體化合物的升華點。在常壓下不易升華的物質,可利用減壓進行升華。

2.23? 三相平衡圖

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2.10.2? 基本操作

1常壓升華

常用的常壓升華裝置如圖2.24所示。圖中(a)是實驗室常用的常壓升華裝置。將被升華的固體化合物烘干, 放入蒸發皿中,鋪勻。取一大小合適的錐形漏斗,將頸口處用少量棉花堵住,以免蒸氣外逸,造成產品損失。選一張略大于漏斗底口的濾紙,在濾紙上扎一些小孔后蓋在蒸發皿上,用漏斗蓋住。將蒸發皿放在砂浴上,用電爐或煤氣燈加熱,在加熱過程中應注意控制溫度在熔點以下,慢慢升華。當蒸氣開始通過濾紙上升至漏斗中時,可以看到濾紙和漏斗壁上有晶體出現。如晶體不能及時析出,可在漏斗外面用濕布冷卻。

當升華量較大時,可用裝置(b)在燒杯中分批進行升華。燒杯上放置一個通冷水的圓底燒瓶,使蒸氣在燒瓶底部凝結成晶體并附著在瓶底。

當需要通入空氣或惰性氣體進行升華時,可用裝置(c),在錐形瓶上配有雙孔塞,一孔插人玻管以導入空氣或惰性氣體;另一孔插入接液管,接液管的另一端伸入圓底燒瓶內,燒瓶口塞一些棉花或玻璃毛。當物質開始升華時,通入空氣或惰性氣體,帶出的升華物質,遇到冷水冷卻就凝結在燒瓶壁上。

2.24? 常壓升華裝置

2)減壓升華

減壓升華的裝置如圖2.25所示。將樣品放入吸濾管(或瓶)中,在吸濾管中放入“指形冷凝管”,用橡皮塞塞緊,利用水泵或油泵進行抽氣,接通冷凝水,將此裝置放入電熱套或水浴中加熱,使固體在一定壓力下升華。冷凝后的固體將凝聚在“指形冷凝管”的底部。

2.25 ?減壓升華裝置

注:

(1)升華溫度一定要控制在固體化合物熔點以下。

(2)被升華的固體化合物一定要干燥,如有溶劑將會影響升華后固體的凝結。

(3)濾紙上的孔應盡量大一些,以便蒸氣上升時順利通過濾紙,在濾紙的上面和漏斗中結晶,否則將會影響晶體的析出。

(4)減壓升華停止抽濾時,一定要先打開安全瓶上的放空閥,再關泵,否則循環泵內的水會倒吸進入吸濾管中,造成實驗失敗。

2.11? 柱色譜分離法

色譜法是分離、純化和鑒定有機化合物的重要方法之一,具有極其廣泛的用途。

色譜法的基本原理是利用混合物中各組分在某一物質中的吸附或溶解性能(即分配)的不同,或其他親和作用性能的差異,使混合物的溶液流經該物質時,進行反復的吸附或分配等作用,從而使各組分分開。流動的混合物溶液稱為流動相;固定物質稱為固定相(可以是固體或液體)。

按混合組分對固定相和流動相的作用方式不同即分離原理不同,色譜可分為吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜、排阻色譜等。根據操作條件的差異又可分為柱色譜、薄層色譜、紙色譜和高效液相色譜等。

柱色譜是將固定相填裝在玻璃柱中進行分離的一種色譜方法。常用的有吸附色譜和分配色譜兩種。固定相以氧化鋁或硅膠作為吸附劑的為吸附色譜;以硅藻土或纖維素作為支持劑,支持劑中吸附的大量液體作為固定相的為分配色譜。實驗室中最常用的是吸附色譜。

2.11.1? 分離原理

為了進一步理解色譜原理,我們對柱色譜的分離過程作一簡單介紹。將已溶解的樣品從柱頂加入到已裝好的色譜柱中,然后用洗脫劑(流動相)進行淋洗。樣品中各組分在吸附劑(固定相)上的吸附能力不同,一般來說,極性大的吸附能力強,極性小的吸附能力相對弱一些。當用洗脫劑淋洗時,各組分在洗脫劑中的溶解度也不一樣,因此,被解吸的能力也就不同。根據“相似相溶”原理,極性化合物易溶于極性洗脫劑中,非極性化合物易溶于非極性洗脫劑中。一般是先用非極性洗脫劑進行淋洗。當樣品加入后,無論是極性組分還是非極性組分均被固定相吸附(其作用力為范德華力),當加入洗脫劑后,非極性組分由于在固定相(吸附劑)中吸附能力弱,而在流動相(洗脫劑)中溶解度大,首先被解吸出來,被解吸出來的非極性組分隨著流動相向下移動與新的吸附劑接觸再次被固定相吸附。隨著洗脫劑向下流動,被吸附的非極性組分再次與新的洗脫劑接觸,并再次被解吸出來隨著流動相向下流動。而極性組分由于吸附能力強,且在洗脫劑中溶解度又小,因此不易被解吸出來,這樣經過一定次數的吸附和解吸后,各組分在色譜柱中形成了一段一段的色帶,隨著洗脫過程的進行,每個色帶的溶液從柱底端流出口每一段色帶代表一個組分,分別收集不同的色帶,再將洗脫劑蒸發,就可以獲得單一的純凈物質。圖2.26給出了柱色譜分離過程。

2.26? 柱色譜分離過程

2.11.2? 吸附劑和洗脫劑

1吸附劑

選擇合適的吸附劑作為固定相對于柱色譜來說是非常重要的。常用的吸附劑有硅膠、氧化鋁、氧化鎂、碳酸鈣和活性炭等。實驗室一般使用氧化鋁或硅膠,在這兩種吸附劑中氧化鋁的極性更大一些,它是一種高活性和強吸附的極性物質。通常市售的氧化鋁分為中性、酸性和堿性三種。酸性氧化鋁適用于分離酸性有機物質;堿性氧化鋁適用于分離堿性有機物質,如生物堿和烴類化合物;中性氧化鋁應用最為廣泛,適用于中性物質的分離,如醛、酮、酯、醌等類有機物質。市售的硅膠略帶酸性。

由于樣品被吸附到吸附劑表面上,因此顆粒大小均勻,比表面積大的吸附劑分離效率佳。比表面積越大,組分在流動相和固定相之間達到平衡就越快,色帶就越窄。通常使用的吸附劑顆粒大小以100目至150 目為宜。

吸附劑的活性取決于吸附劑的含水量,含水量越高,活性越低,吸附劑的吸附能力越弱,反之則吸附能力強。吸附劑的含水量和活性等級關系見表2.7所示。

2.7? 吸附劑的含水量和活性等級關系

活 性 等 級
氧化鋁含水量(%) 0 3 6 10 15
硅膠含水量(%) 0 5 15 25 38

 

(2)洗脫劑

在柱色譜分離中,洗脫劑的選擇也是一個重要的因素。一般洗脫劑的選擇與薄層色譜中展開劑選擇相類似,即極性化合物選擇極性洗脫劑,非極性化合物選擇非極性洗脫劑。使用的洗脫劑必須保證將樣品中各組分完全分開。有時單純一種洗脫劑達不到要求的分離效果,可考慮選用混合洗脫劑。

選擇洗脫劑的另一個原則是:洗脫劑的極性不能大于樣品中各組分的極性,否則會由于洗脫劑在固定相上被吸附,迫使樣品一直保留在流動相中。在這種情況下,組分在柱中移動得非???,很少有機會建立起分離所要達到的化學平衡,影響分離效果。

另外,所選擇的洗脫劑必須能夠將樣品中各組分溶解,但不能同組分競爭與固定相的吸附。如果被分離的樣品不溶于洗脫劑,那么各組分可能會牢固地吸附在固定相上,而不隨流動相移動或移動很慢。

不同的洗脫劑使給定的樣品沿著固定相的相對移動能力,稱為洗脫能力。一般來說,在反相色譜中,洗脫能力按以下順序排列,在正相色譜中的洗脫能力剛好與之相反。

 

 

 

甲醇

乙醇

1-丙醇

丙酮

乙酸乙酯

乙醚

氯仿

二氯甲烷

甲苯

環己烷

己烷

石油醚

 

2.11.3? 基本操作

1柱色譜裝置

色譜柱是一根帶有下旋塞和砂芯的玻璃管,如圖2.27所示。

2柱色譜操作要點

①裝柱

裝柱前應先將色譜柱洗干凈,且烘干。裝柱分為濕法裝柱和干法裝柱兩種,下面分別加以介紹。

a.濕法裝柱? 將吸附劑(氧化鋁或硅膠)用洗脫劑中極性最低的洗脫劑調成糊狀,在柱內先加入約3/4 柱高的洗脫劑,再將調好的吸附劑邊敲打邊倒入柱中,同時,打開下旋活塞,在色譜柱下面放一個干凈并且干燥的錐形瓶或燒杯,接收洗脫劑。當裝入的吸附劑有一定高度時,洗脫劑下流速度變慢,待所用吸附劑全部裝完后,用流下來的洗脫劑轉移殘留的吸附劑,并將柱內壁殘留的吸附劑淋洗下來。在此過程中,應不斷敲打色譜柱,以使色譜柱填充均勻并沒有氣泡。柱子填充完后,在吸附劑上端覆蓋一層約0.5cm 厚的石英砂。覆蓋石英砂的目的是:a)使樣品均勻地流入吸附劑表面;b)當加入洗脫劑時,它可以防止吸附劑表面被破壞。在整個裝柱過程中,柱內洗脫劑的高度始終不能低于吸附劑最上端,否則柱內會出現裂痕和氣泡。

2.27? 柱色譜裝置

b.干法裝柱? 在色譜柱上端放一個干燥的漏斗,將吸附劑倒入漏斗中,使其成為一細流連續不斷地裝入柱中,并輕輕敲打色譜柱,使其填充均勻,再覆蓋一層約0.5cm的石英砂,用洗脫劑預淋。

②樣品的加入及組分洗脫

液體樣品可以直接加入到色譜柱中,如濃度低,則可濃縮后再進行分離。固體樣品應先用最少量的溶劑溶解后再加入到柱中。在加入樣品時,應先將柱內洗脫劑排至稍低于石英砂表面后停止排液,用滴管沿柱內壁把樣品一次加完。在加入樣品時,應注意滴管盡量向下靠近石英砂表面。樣品加完后,打開下旋活塞,使液體樣品進入石英砂層后,再加入少量的洗脫劑將壁上的樣品洗下來,待這部分液體進入石英砂層后,再加入洗脫劑進行淋洗,直至所有色帶被展開。

色譜帶的展開過程也就是樣品的分離過程。在此過程中應注意:

a.洗脫劑應連續平穩地加入,不能中斷。樣品量少時,可用滴管加入。樣品量大時,用滴液漏斗作儲存洗脫劑的容器,控制好滴加速度,可得到更好的效果。

b.在洗脫過程中,應先使用極性最小的洗脫劑淋洗,然后逐漸加大洗脫劑的極性,使洗脫劑的極性在柱中形成梯度,以形成不同的色帶環。也可以分步進行淋洗,即將極性小的組分分離出來后,再改變極性分出極性較大的組分。

c.在洗脫過程中,樣品在柱內的下移速度不能太快,但是也不能太慢(甚至過夜),因為吸附劑表面活性較大,時間太長會造成某些成分被破壞,使色譜帶擴散,影響分離效果。通常流出速度為每分鐘 5~10 滴,若洗脫劑下移速度太慢,可適當加壓或用水泵減壓。

d.當色譜帶出現拖尾時,可適當提高洗脫劑極性。

③樣品中各組分的收集

當樣品中各組分帶有顏色時,可根據不同的色帶用錐形瓶分別進行收集,然后分別將洗脫劑蒸除得到純組分。但是大多數有機物質是無色的,可采用等分收集的方法,即將收集瓶編好號,根據使用吸附劑的量和樣品分離情況來進行收集,一般用5Og吸附劑,每份洗脫劑的收集體積約為50mL。如果洗脫劑的極性增加或樣品中組分的結構相近時,每份收集量應適當減小。將每份收集液濃縮后,以殘留在燒瓶中物質的質量為縱坐標,收集瓶的編號為橫坐標繪制曲線圖,來確定樣品中的組分數。還可以在吸附劑中加入磷光體指示劑,用紫外線照射來確定。一般用薄層色譜進行監控是最為有效的方法(具體方法見 2.12節)。

 

實驗七? 柱色譜法分離甲基橙和亞甲基藍

?

一、實驗目的

  1. 了解柱色譜的原理,掌握柱色譜法的操作步驟;
  2. 熟悉儀器裝置的應用。

二、儀器和試劑

儀器:層析柱。

試劑:層析用氧化鋁,甲基橙,亞甲基藍,95%乙醇。

三、實驗步驟

稱取4~5g層析用氧化鋁(100目~200目),干法裝柱,用木塊輕輕敲擊裝實,氧化鋁頂部蓋一層約5mm石英砂,開啟活塞,用95%乙醇預淋使氧化鋁全部潤濕。滴加4~5滴混合指示劑,先加5mL95%乙醇洗脫,當亞甲基藍深色譜帶已過固定相界面時,再加約15mL95%乙醇繼續洗脫,控制流出液的速度為1~2滴/秒,使亞甲基藍全部從柱子上洗脫下來。待洗出液為無色時,換水作洗脫劑,這時甲基橙隨水向柱子下端移動,另用容器收集,洗至固定相呈無色為止,觀察兩個接受液的顏色。

本實驗約需1.5h。

四、注釋

(1)加入石英砂的目的是使加料時不致把吸附劑沖起,影響分離效果。若無石英砂,也可用玻璃毛。

(2)為了保持柱子的均一性,使整個吸附劑浸泡在溶劑或溶液中是必要的。否則當柱中溶劑或溶液流干時,就會使柱身干裂,影響滲濾和顯色的效果。

五、思考題

  1. 裝柱不均勻或者有氣泡、裂縫,將會造成什么后果,為什么?
  2. 極性大的組分為什么要用極性大的洗脫劑?
  3. 使用氧化鋁作為固定相,用極性溶劑為流動相,混合物中極性小的組分與極性大的組分哪一個先被洗脫?

 

2.12? 薄層譜分離法

2.12.1? 分離原理

薄層色譜(Thin Layer Chromatography,TLC),是一種微量、快速而簡單的色譜法。常用來分離和鑒定混合物中的各組分,精制化合物,對有機合成反應進行監控,尋找柱色譜的最佳分離條件等。此法特別適用于揮發性較小或在較高溫度易發生變化而不能用氣相色譜分析的物質。

薄層色譜通常是在玻璃板上均勻鋪上一薄層吸附劑,制成薄層板;用毛細管將樣品溶液點在起點處;把此薄層板置于盛有溶劑的容器中;待溶液到達前沿后取出,晾干,噴以顯色劑,測定色斑的位置。由于層析是在薄層板上進行,故稱為薄層層析。

常用的薄層色譜有吸附色譜和分配色譜兩類。吸附色譜常用的吸附劑是硅膠或氧化鋁;分配色譜常用的支持劑有硅藻土和纖維素等。通常吸附薄層色譜使用較多。

在TLC中所用的吸附劑顆粒比柱色譜中用的要小得多,一般為200目以上。當顆粒太大時,表面積小,吸附量少,樣品隨展開劑移動速度快,斑點擴散較大,分離效果不好;當顆粒太小時,樣品隨展開劑移動速度慢,斑點不集中,效果也不好。

薄層層析用的硅膠有:硅膠 H(不含粘合劑);硅膠 G(Gypsum 的縮寫)(含粘合劑煅石膏);硅膠 GF254(含有粘合劑和熒光劑,可在波長254nm 紫外光下發出熒光);硅膠 HF254 只含熒光劑。同樣,氧化鋁也分為氧化鋁G、氧化鋁 GF254及氧化鋁 HF254。氧化鋁的極性比硅膠大,宜用于分離極性小的化合物。

粘合劑除煅石膏外,還可用淀粉、聚乙烯醇和羧甲基纖維素鈉(CMC)。使用時,一般配成百分之幾的水溶液。如羧甲基纖維素鈉的質量分數一般為 0.5% 左右。淀粉的質量分數為5%左右。加粘合劑的薄板稱為硬板,不加粘合劑的薄板稱為軟板。

 

2.12.2? 基本操作

1薄層板的制備

薄板的制備方法有兩種,一種是干法制板,另一種是濕法制板。實驗室最常用的是濕法制板。取 7g 硅膠G,加入 15~17mL0.5% 的羧甲基纖維素鈉水溶液,調成糊狀。將糊狀硅膠均勻地倒在兩塊7cm×15cm的載玻片上,先用玻璃棒鋪平,然后用手輕輕震動至平。大量鋪板或鋪較大板時,也可使用涂布器(如圖2.28) 。

1一吸附劑薄層;2一涂布器;3 、 4一夾玻板;5一玻璃板 (7cm×15cm)

2.28 ?薄層涂布器

薄層板制備得好與壞直接影響色譜分離的效果,在制備過程中應注意:

①鋪板時,盡可能將吸附劑鋪均勻,不能有氣泡或顆粒等。

②鋪板時,吸附劑的厚度不能太厚也不能太薄,太厚展開時會出現拖尾,太薄樣品則分不開,一般厚度為 0.5~1mm。

③濕板鋪好后,應放在比較平的地方晾干,然后轉移至試管架上慢慢地自然干燥,千萬不要快速干燥,否則薄層板會出現裂痕。

(2)薄層板的活化

薄層板經過自然干燥后,再放入烘箱中活化,進一步除去水分。不同的吸附劑及配方, 需要不同的活化條件。例如:硅膠一般在烘箱中逐漸升溫,在 105℃~110℃下,加熱 30min;氧化鋁在 200℃~220℃下烘干4h 可得到活性為Ⅱ級的薄層板,在 150℃~160℃下烘干 4h 可得到活性為Ⅲ~Ⅳ的薄層板。當分離某些易吸附的化合物時,可不用活化。

(3)點樣

將樣品用易揮發溶劑配成 1%~5% 的溶液。在距薄層板的一端約15mm 處,用鉛筆輕輕地畫一條橫線作為點樣時的起點線(劃線時不能將薄層板表面破壞)。

用內徑小于 1mm 的干凈且干燥的毛細管吸取少量的樣品,輕輕觸及薄層板的起點線 (點樣),然后立即抬起,待溶劑揮發后,再觸及第二次。這樣點3~5次即可,如果樣品濃度低多點幾次。若在同一塊板上點幾個樣,兩點之間的距離至少在1~1.5cm。點好樣品的薄層待溶劑揮發后再放入展開缸中進行展開。

2.29? 薄層板及薄層板的點樣方法

4展開

在此過程中,選擇合適的展開劑是至關重要的。一般展開劑的選擇與柱色譜中洗脫劑的選擇類似,即極性化合物選擇極性展開劑,非極性化合物選擇非極性展開劑。當一種展開劑不能將樣品分離時,可選用混合展開劑。一般展開能力與溶劑的極性成正比?;旌险归_劑的選擇請參考2.11節。常見溶劑在硅膠板上的展開能力如下:

 

戊烷、四氯化碳、苯、氯仿、二氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯、丙酮、乙醇、甲醇

 

 

薄層板展開時,在展開缸中注入配好的展開劑,因為吸附劑對樣品會發生無數次吸附、解析過程,所以展開前,應使展開槽內展開劑的蒸氣達到飽和,將薄層板點有樣品的一端放入展開劑中(注意展開劑液面的高度應低于點樣點)。在展開過程中,樣品斑點隨著展開劑向上遷移,當展開劑前沿至薄層板上邊的終點線時,立刻取出薄層板。將薄層板上分開的樣品點用鉛筆圈好,計算比移值。展開方式有下列幾種:

①上升法? 適用于含粘合劑的硬板,將色譜板垂直于盛有展開劑的容器中。

②傾斜上行法? 色譜板傾斜150 角,適用于無粘合劑的軟板;色譜板傾斜450~600角,適用于含粘合劑的硬板,如圖2.30所示。

③下降法? 展開劑放在圓底燒瓶中,用濾紙或紗布等將展開劑吸到薄層板的上端,使展開劑沿板下行,這種連續展開的方法適用于Rf值小的化合物的分離,如圖2.31所示。

④雙向展開法? 使用方形玻璃板制板,將樣品點在角上,向一個方向展開,然后轉動900角,再換另一種展開劑展開。此法適用于成分復雜的混合物的分離。

(a)長方形盒式展開槽?? (b)廣口瓶式展開槽

2.30? 傾斜上行法

1—溶劑;2—濾紙條;3—薄層板

2.31? 下降法

(5)比移值Rf的計算

某種化合物在薄層板上上升的高度與展開劑上升高度的比值稱為該化合物的比移值, 常用Rf來表示:

 

圖2.32(b) 給出了某化合物的展開過程及Rf 值。對于一種化合物,當展開條件相同時,Rf 值是一個常數。因此,可用Rf 作為定性分析的依據。但是,由于影響Rf 值的因素較多,如展開劑、吸附劑、薄層板的厚度、溫度等均能影響Rf 值,因此同一化合物的Rf 值與文獻值會相差很大。在實驗中我們常采用的方法是,在一塊板上同時點一個已知物和一個未知物,進行展開,通過計算Rf值來確定是否為同一化合物。

6顯色

樣品展開后,如果本身帶有顏色,可直接看到斑點的位置。但是,大多數有機化合物是無色的,因此,就存在顯色的問題。常用的顯色方法有:

①紫外燈顯色? 用硅膠 GF254制成的薄層板,由于加入了熒光劑,在254nm 波長的紫外燈下,可觀察到暗色斑點,此斑點就是樣品點。

②碘熏顯色? 在一密閉容器(碘缸)中放入一些碘,容器中充滿碘的蒸氣。將展開并晾干的薄層板放入碘缸,碘與大多數有機化合物(烴和鹵代烴除外)會可逆地結合,在數秒鐘內化合物的斑點呈黃色。取出薄層板用鉛筆將點圈好,否則碘很快揮發,使呈現的顏色消失。

③噴灑顯色劑? 薄層板可用腐蝕性顯色劑(如濃硫酸、濃鹽酸、濃磷酸等)顯色。另外根據化合物的特性,還可以采用一些試劑顯色,如三氯化鐵溶液、水合茚三酮溶液、磷鉬酸溶液等。

2.32? Rf 的計算

實驗八? 綠色葉子色素的薄層分析

?

一、實驗目的

  1. 掌握薄層色譜法的分離原理和儀器裝置;
  2. 學習薄層色譜的操作技術和實際應用。

二、儀器和試劑

儀器:層析缸,電子天平,研缽,25mL量筒,玻璃板(7cm×15cm)。

試劑:硅膠G(180~200目),羧甲基纖維素鈉(CMC),石油醚,甲苯,丙酮,95%乙醇。

三、實驗步驟

  1. 薄層板的制備

具體操作見2.12.2。

  1. 樣品的制備

取幾片新鮮的綠色植物的葉子置于研缽中,加5mL丙酮與乙醇的混合液(1∶1,V/V),取上面的綠色清液作為分析用試樣。

  1. 點樣

在離薄層板一端約1.5cm處,用鉛筆輕輕橫劃一條線,用毛細管吸取上述綠色清液輕輕地點在鉛筆線上,點兩個點,點的位置距玻璃板一邊約1/3處,重復點樣4~5次并吹干溶劑(色斑直徑約為3mm左右)

  1. 展開

以甲苯、丙酮和石油醚的混合液(3∶3∶7,V/V)為展開劑,層析缸中的展開劑的量以液柱高度約0.5cm為宜。采用傾斜上行法展開,當展開劑前沿上升到離上端1.5~2cm處時,取出薄層板,立即用鉛筆劃下前沿線的位置,置于吸毒柜中,讓展開劑自然揮發掉。

  1. 計算Rf

具體計算見2.12.2。如果分離情況良好,可看到由上至下的斑點為:卡黃素(橙黃)、葉綠素a(藍綠色)、葉綠素b(黃綠色)、葉黃素(黃色)。

本實驗約需2.5h。

四、注釋

(1)調成的糊狀物不能太稠以免攤開困難;也不能太稀造成隨意流淌使薄層太薄。

(2)硅膠糊很容易凝膠化,結果會無法攤開成薄層,因此調漿應迅速,但也不宜用力攪拌以免形成過多過大的氣泡,在薄層晾干時出現氣孔。

(3)務必使攤好的薄層板自然晾干,否則烘干活化時將產生龜裂,使薄層板報廢;同樣,濕的薄層板也不能烘烤催干。

五、思考題

  1. 薄層層析中,展開劑和吸附劑應如何選擇?
  2. 為什么樣品斑點不能浸入到展開劑中?
  3. 由同樣操作條件下進行的薄層色譜分離測定的一種有機物的Rf,為什么可以用于鑒別這種有機物?

 

實驗九? 鎮痛藥片APC組分的薄層法分離

?

普通的鎮痛藥如APC通常是幾種藥物的混合物,大多含有阿司匹林、非那西汀、咖啡因和其他組分,由于本身是無色的,需要通過紫外燈顯色或碘熏顯色,并與純組分的Rf 比較來加以鑒定。

阿司匹林??????????????? 非那西汀???????????????????? 咖啡因

一、實驗目的

同實驗八。

二、儀器和試劑

儀器:層析缸,玻璃板(4cm×10cm)。

試劑: APC鎮痛藥片,硅膠GF254,1%阿司匹林的95%乙醇溶液,1%非那西汀的95%乙醇溶液,1%咖啡因的95%乙醇溶液,95%乙醇,無水乙醚,二氯甲烷,冰醋酸。

三、實驗步驟

1.薄層板的制備

取10cm×4cm玻璃片 4 塊,洗凈晾干。在小燒杯中放 2.5g 硅膠GF254,7mLO.5%~1%的羧甲纖維素鈉水溶液, 調成糊狀,均勻地鋪在 4 塊玻璃板上,在室溫晾干后,放入烘箱中,緩慢升溫至110℃,恒溫 0.5h,取出,置干燥器中備用。

  1. 樣品的制備

取鎮痛藥片 APC 半片,用不銹鋼鏟研成粉狀。取一滴管,用少許棉花塞住其細口部, 然后將粉狀 APC 轉入其中。另取一只滴管,將2.5mL95% 乙醇滴入盛有APC 的滴管中,流出的萃取液收集于一小試管中。

  1. 點樣

取三塊制好的薄層板,每塊板上點兩個樣點,分別為 APC 的萃取液和 1% 阿司匹林的95% 乙醇溶液、1% 非那西汀的 95% 乙醇溶液、1% 咖啡因的 95% 乙醇溶液三個標準樣品。

  1. 展開

展開劑用無水乙醚5mL、二氯甲烷2mL、冰醋酸 7 滴的混合溶液,在展開缸中進行展開。觀察展開劑前沿,當上升至離板的上端 1cm 時取出,迅速在前沿處劃線。

  1. 顯色并鑒定

將干后的薄層板放入 254nm 紫外分析儀中顯色,可清晰地看到展開得到的粉紅色斑點,用鉛筆把其畫出,求出每個點的Rf值,并將未知物與標準樣品比較。

可把上述的薄板再置于放有幾粒碘結晶的廣口瓶內,蓋上瓶蓋,直至薄板上暗棕色的斑點明顯時取出,并與先前在紫外燈下觀察做出的記號比較。

本實驗約需4h。

四、注釋

(1)薄層色譜對吸附劑的要求是表面積大,顆粒均勻,使用中不碎裂,在所用的溶劑和展開劑中不能溶解,且不與被測樣品組分發生化學反應或分解等作用;同時還要具有可逆的吸附性,既能吸附樣品的組分,又易于解吸,對各組分有不同的吸附性。

(2)多元溶劑作展開劑時首先要求溶劑互溶,被分離物應能溶解于其中。極性大的溶劑易洗脫化合物并使其在薄層板上移動;極性小的溶劑降低極性大溶劑的洗脫能力,使Rf值減小。

五、思考題

  1. 用薄層色譜對含有已知有機物組成的混合物進行分離,用什么方法可識別薄層板上分離開的這些有機物?
  2. 能否用薄層色譜法定量測定APC中阿司匹林、非那西汀、咖啡因的含量?

2.13? 氣相色譜

氣相色譜(gas chromatography,簡稱 GC)技術發展極為迅速,現在已成為石油化學工業、環境保護以及其他工業部門和科學研究單位必不可缺少的工具。氣相色譜主要是用于分離和鑒定氣體及易揮發性液體混合物,對于高沸點液體可使用高效液相色譜分離和鑒定。

氣相色譜是在色譜的兩相中用氣體作為流動相,根據固定相的不同,氣相色譜又可分為氣固色譜和氣液色譜。氣液色譜的固定相是吸附在小顆粒固體表面的高沸點液體,通常將這種固體稱為載體;而把吸附在載體表面上的高沸點液體稱為固定液。由于被分析樣品中各組分在固定液中的溶解度不同,將混合物樣品分離。氣相色譜是分配色譜的一種形式。氣固色譜的固定相是固體吸附劑如硅膠、氧化鋁和分子篩等,主要是利用不同組分在固定相表面吸附能力的差別而達到分離的目的。

由于氣液色譜中固定液的種類繁多,因此它的應用范圍比氣固色譜要更為廣泛。常用的氣相色譜儀是由色譜柱、檢測器、氣流控制系統、溫度控制系統、進樣系統和信號記錄系統等部件所組成(圖2.33) 。

1一鋼瓶;2一減壓閥;3一樣品進口;4一色譜柱;5一樣品出口;6一流速計;7一記錄儀

2.33? 氣相色譜儀

2.13.1? 基本原理

色譜柱、檢測器和記錄儀是氣相色譜的主要組成部分。如圖2.34所示流程:1~5 部分是用來提供一定流速的干燥載氣,柱 7 與供氣部分相連并置于一加熱爐 8 內;加熱爐內的溫度用恒溫裝置和加熱元件控制。需分離的樣品在進樣器 6 進入流動系統,進樣器單獨加熱幫助樣品氣化。然后氣化樣品由載氣帶入柱內。當樣品通過柱時,各組分就在載氣中分離成單個的區帶,而后經過檢測器 9 。檢測器發出電信號其電壓 (除去載氣本底的部分) 是與組分的量成比例。記錄儀 10 記錄下隨時間而改變的電壓,得到氣相色譜圖。然后流經檢測器的氣體在出口 11 進入大氣或收集系統。

1一載氣瓶;2一減壓閥;3一干燥劑;4一控制閥;5一流量計;6一加熱進樣器;

7一色譜柱;8一加熱爐;9一檢測器;10一電子記錄儀;11一出口

2.34 ?氣相色譜儀流程圖

1色譜柱

最常用的色譜柱是一根細長的玻璃管或金屬管 (內徑 3~6mm,長 1~3m),彎成 U 形或螺旋形,在柱中裝滿表面涂有固定液的載體。另一種是毛細管色譜柱,它是一根內徑0.5~2mm 的玻璃或熔融石英毛細管, 內壁涂以固定液,長度可達幾十米,用于復雜樣品的快速分析。

分配色譜柱分離效能的高低,首先在于固定液的選擇。在固定液中溶解的各組分的揮發性依賴于它們之間的作用力,此作用力包括氫鍵的形成,偶極-偶極作用或絡合物的形成等。根據經驗,要求固定液的結構、性質、極性與被分離的組分相似或相近,因此,對非極性組分一般選擇非極性的角鯊烷、阿匹松(Apiezon)等作固定液。非極性固定液與被溶解的非極性組分之間的作用力弱,組分一般按沸點順序分離,即低沸點組分首先流出。如樣品是極性和非極性混合物,在沸點相同時,極性物質最先流出。對于中等極性的樣品, 選擇中等極性的固定液如鄰苯二甲酸二壬酯,組分基本上按沸點順序分離,而沸點相同的極性物質后流出。 含有弱極性基團的組分一般選用強極性的固定液,β,β-氧二丙腈等,組分主要按極性順序分離,非極性物質首先流出。而對于能形成氫鍵的組分,例如甲胺、二甲胺和三甲胺的混合物,在用三乙胺作固定液的色譜柱中,則按其形成氫鍵的能力大小分離,三甲胺 (不生成氫鍵) 最先流出,最后流出的是甲胺,剛好與沸點順序相反。固定液的選擇除考慮結構、性質和極性以外,它還必須具備熱穩定性好,蒸氣壓低,在操作溫度下應為液體等條件。

固體載體具有熱穩定性和惰性,具有較大的表面積和很小的顆粒(30~80 目),顆粒較小的柱比顆粒較大的柱分配效率高。通常適用的載體是硅藻土型和非硅藻土型兩類,前者使用歷史長,應用普遍,分為紅色載體和白色載體。紅色載體的化學組成為多孔的硅藻土燒結物含Si02、Al203、Fe203等,可分離非極性和弱極性物質,不宜高溫使用,國產 6201、201 釉化載體、301 擔體均屬此類;白色載體的化學組成與紅色載體相同,其中 Na20 、K20含量高,可分離極性物質,能用于高溫,國產 101、102、103、104 均屬此類。非硅藻土型可分玻璃球載體和聚四氟乙烯載體等,玻璃球載體用于低溫分離高沸點物質,聚四氟乙烯載體可在高溫下分離含氟、極性、有腐蝕的化合物。

稱取為載體質量 5%~25% 的固定液,溶于比載體體積稍多的溶劑中(氯仿、苯),將載體和固定液的溶液混合均勻,不斷攪拌下用紅外燈加熱,除去低沸點溶劑,在 120℃恒溫加熱1~2h,即可用來填裝色譜柱。

(2)檢測器

檢測器是一種指示和測量在載氣里被分離組分的量的裝置,它把每一個組分按濃度大小定量地轉成電信號,經放大后,在記錄儀上記錄下來。檢測器應維持在一定的溫度下,以防止試樣蒸氣的冷凝。通常使用的有熱導檢測器和氫火焰離子化檢測器。熱導檢測器最低可檢測到每 100mL 載氣含有 5×10-6g 試樣, 氫火焰離子化檢測器靈敏度高于熱導檢測器, 對于碳氫化合物最低可檢測到每 100mL 載氣含 5×10-9g 試樣。

在測量時先將載氣調節到所需流速,把進樣室、色譜柱和檢測器調節到操作溫度,待儀器 穩定后,用微量注射器進樣,氣化后的樣品被載氣帶入色譜柱進行分離。試樣的氣化并不影響載氣的流速,載氣攜帶試樣氣體進入色譜柱。常用的載氣是儲于鋼瓶中的氮氣、氫氣和氦氣,用減壓閥控制載氣流量,用皂膜流速計可以測量載氣流速,一般流速控制在30~120mL/min。分離后的單組分依次先后進入檢測器,檢測器的作用是將分離的每個組分按其濃度大小定量地轉換成電信號,經放大后,最后在記錄儀上記錄下來。記錄的色譜圖縱坐標表示信號大小,橫坐標表示時間。在相同的分析條件下,每一個組分從進樣到出峰的時間都保持不變,因此可以進行定性分析。樣品中每一組分的含量與峰的面積成正比,因此根據峰的面積大小也可以進行定量測定。

2.13.2? 操作方法

圖2.35為三組分混合物的氣相色譜圖。當每一組分從柱中洗脫出來時,在色譜圖上出現一個峰,當空氣隨試樣被注射進去后,由于空氣揮發性很高,它和載氣一樣,最先通過色譜柱,故第一個峰是空氣峰。從試樣注入到一個信號峰的最大值時所經過的時間叫做某一組分的保留時間,例如圖中 A 組分的保留時間用 tr(A) 表示為 3.6min,在色譜條件相同的情況下, 一個化合物的保留時間是一個常數,無論這個化合物是以純的組分或以混合物進樣,這個值不變。為了比較保留時間,測量時必須使用同一色譜柱,進樣系統以及柱系統有相同的溫度,并且載氣和流速等條件完全相同。

(1)定性分析

比較未知物與己知物的保留時間,可以鑒定未知物。若在相同的色譜條件下,未知物與已知物的保留時間相同,可以認為兩者相同,但不能絕對地認為兩者相同,因為許多有機化合物具有相同的沸點,許多不同的有機化合物在特定的色譜條件下可能會有相同的保留時間。為了準確地鑒定未知物,必須保證在幾種極性不同的固定液柱中未知物與已知物都有相同的保留時間。如果未知物和己知物在相同的色譜條件下, 在任意一種柱上保留時間不同 (士3%),那么這兩個化合物不相同。

2.35? 三組分混合物的氣相色譜

另一種定性鑒定的方法叫做峰(面積)增高(大)法,即把懷疑的某純化合物摻進混合物,與未摻進前的色譜進行比較,看峰的高度(面積)有無變化,若某一個峰增高(面積增大),那么可以確定兩者相同。

當各個組分從氣相色譜儀出口分離出來時,用冷的捕集器可以分別接收,以便做進一步的分析鑒定用。

(2)定量分析

氣相色譜用于定量分析少量揮發性混合物的根據是:被分析組分的質量 (或濃度) 與色譜峰面積成正比,通過測量相應的峰面積,可以確定混合物組成的相對量。

最簡單的測量峰面積的方法是三角形峰面積的近似值法,即用峰高 H 乘以半峰寬 W1/2,得峰面積 A(圖2.36)。

A=H×W1/2

2.36? 峰面積計算

這個方法快速,并能給出較準確的結果(要求峰形是對稱的)。如果峰寬狹窄到以至不能準確測量的話,可以使用一個較快的記錄速率,使狹峰變為較寬的峰。

相對峰面積的測量,也可以采用把峰剪下來,在分析天平上稱其質量。好的定量記錄紙每單位面積的質量相同,被剪下峰的質量正比于峰的相對面積。這個方法準確度高,特別適用于不對稱峰面積的測量。

還有一種測量峰面積的方法叫做峰高定量法。即用峰的高度代替峰面積,這種方法快速,但準確度稍差。

峰面積確定后,混合物中各個組分的質量分數可用每一組分的面積除以總的峰面積乘以100%,即

Ai

 

A1+ A2 + A3+…+ An

Wi(%)=???????????????????? ×100

 

其中 Ai 為任一組分峰面積;A1,…,An為各組分峰面積;Wi為任一組分的質量分數。