2.2　分离与提纯技术

2.2.1　重结晶

有机反应中制得的固体产物，常含有少量杂质。除去这些杂质，纯化固体产物，最常用的方法之一就是重结晶。重结晶适用于产品与杂质性质差别较大，产品中杂质含量小于5%的体系。如杂质含量过多，可根据不同情况，分别采用其他方法进行初步提纯，如水蒸气蒸馏、减压蒸馏、萃取等，然后再进行重结晶处理。

1.基本原理

固体化合物在溶剂中的溶解度随温度的变化而变化，通常升高温度溶解度增大，反之则溶解度降低。重结晶就是利用产品与杂质在所选择的溶剂中，在不同温度下溶解度的不同，通过热过滤除去不溶性固体物质、活性炭吸附除去有色杂质及冷却后过滤除去含有杂质的母液3种途径，除去杂质，从而达到纯化的目的。

2.基本操作

（1）热饱和溶液的制备

这是重结晶操作过程的关键步骤。其目的是用溶剂充分分散产物和杂质，以利于分离提纯。因此选择合适的溶剂是一个关键问题。

选择溶剂时应注意下列几点：

①不与被提纯物质起化学反应；

②在高温（或煮沸）时，被提纯物质在溶剂中的溶解度较大，而在低温时（室温或冷却下），溶解度较小；

③对杂质的溶解度非常大（待重结晶物质析出时，杂质仍留在母液内）或非常小（待重结晶物质溶解在溶剂里，通过热过滤除去杂质）；

④溶剂的沸点不宜太高或太低；过低时，溶解度变化不大，操作又不易；过高时，难以与结晶分离；

⑤价格便宜，毒性小，易回收，操作简便安全。

常用的重结晶溶剂有水、乙醇、丙酮、苯、乙醚、氯仿、石油醚、乙酸和乙酸乙酯等。为了选择合适的溶剂，除需要查阅化学手册外，有时还需要采用试验的方法。具体方法是：取0.1g待重结晶物质于一小试管中，慢慢滴加约1mL溶剂，不断振荡，加热至沸，观察加热和冷却时试样的溶解情况（加热时严防溶剂着火），如完全溶解，冷却后待重结晶物质大部分结晶析出，此溶剂合适。如样品在冷却或加热时都溶于1mL溶剂中，表示此溶剂不合适。若样品不溶于1mL沸腾溶剂中，则分批加入溶剂，每次加入0.5mL，并加热至沸，总共用3mL热溶剂，而样品仍未溶解时，表明此溶剂也不合适。若样品溶于3mL以内的热溶剂中，冷却后无结晶析出，可用玻璃棒摩擦液面下的试管壁，或再辅以冰水冷却，促使结晶析出，若结晶仍不能析出，表明此溶剂也不合适。

当一种物质在一些溶剂中的溶解度太大（这种溶剂称为良溶剂），而在另一些溶剂中溶解度又太小（这种溶剂称为不良溶剂），不能选择到一种合适的溶剂时，可选用混合溶剂。所谓混合溶剂，就是把对该物质溶解度很大和溶解度很小且又互溶的两种溶剂混合起来，这样常可获得良好的重结晶溶剂。

选择好重结晶溶剂后，一般用锥形瓶或圆底烧瓶来溶解固体。若使用的溶剂为易挥发性或易燃性溶剂时，则宜用圆底烧瓶，并在其瓶口上装球形冷凝管进行溶解。先加入沸石和已称量好的粗产品，再加较需要量略少的溶剂，加热沸腾，观察固体溶解情况。若未完全溶解，可分次逐渐添加溶剂，再加热到沸腾并摇动，直到刚好溶解为止，此时记录溶剂用量。然后再加入20%左右的过量溶剂，主要是为了避免溶剂挥发和热过滤时因温度降低，使晶体过早地在滤纸上析出而造成产品损失。溶剂用量不易太多，太多会造成结晶析出太少或根本析不出来，此时，应将多余的溶剂蒸发掉，再冷却结晶。有时，总有少量固体不能溶解，应将热溶液倒出或过滤，在剩余物中再加入溶剂，观察是否能溶解，如加热后慢慢溶解，说明此产品需要加热较长时间才能全部溶解。如仍不溶解，则视为杂质去除。

（2）脱色

粗产品中常有一些有色杂质不能被溶剂去除，因此，需要用脱色剂来脱色。最常用的脱色剂是活性炭，它是一种多孔物质，可以吸附色素和树脂状杂质，但同时它也可以吸附产品。因此加入量不宜太多，一般为粗产品质量的1%～5%。具体方法为：待上述热的饱和溶液稍冷却后，加入适量的活性炭摇动，使其均匀分布在溶液中。加热煮沸5～10min即可。注意千万不能在沸腾的溶液中加入活性炭，否则会引起暴沸，使溶液冲出容器造成产品损失。如一次脱色不完全，可重复几次。

（3）热过滤

其目的是去除不溶性杂质。为了尽量减少过滤过程中晶体的损失，操作时应做到：仪器热、溶液热、动作快。为了做到“仪器热”，应事先将所用仪器用烘箱或气流烘干器烘热待用。热过滤有两种方法，即常压热过滤（重力过滤）和减压过滤。

常压热过滤时，为了防止晶体过早地在漏斗中析出，可采用热水漏斗保温或更简单的保温办法。热过滤装置见图2-16。

过滤前应先选一颈短而粗或无颈的玻璃漏斗放在烘箱中预热，过滤时取出趁热使用。在漏斗中放一折叠滤纸，扇形滤纸也称折叠滤纸。见图2-16（a），折叠滤纸向外的棱边，应紧贴于漏斗壁上。先用少量热的溶剂润湿滤纸，以免干滤纸吸收溶液中的溶剂，使结晶析出，堵塞滤纸孔。在玻璃棒引流下，把热溶液转移到玻璃漏斗中，转移的溶液量尽可能多，以溶液液面低于滤纸边缘1cm为宜。再用表面皿盖好漏斗，以减少溶剂挥发。如过滤的溶液量较多，则应用热滤漏斗，将它固定安装妥当后，把玻璃漏斗放在热滤漏斗内，热滤漏斗夹套内装有热水（水不要太满，以免水加热至沸后溢出），以维持溶液的温度，如图2-16（b）。如有少量结晶析出在滤纸上，可用少量热溶剂洗下。若结晶析出太多，应重新加热溶解再进行热过滤。

若用沸点较高、挥发性不大的溶剂（例如水）进行重结晶，制成热饱和溶液后，为加快过滤速度，也可用减压过滤的方法进行热过滤。减压过滤装置如图2-17所示。在过滤前应将布氏漏斗和减压过滤瓶适当预热，滤纸要平贴在漏斗底部，并盖住所有孔洞，但不要超过漏斗底边。用少量同一热溶剂湿润滤纸后，打开抽气泵，迅速将热溶液倒入布氏漏斗中，待全部溶液过滤完后可抽干，为防止溶液沸腾，减压过滤瓶内压力不可抽得太低，收集滤液。

（4）冷却结晶

冷却结晶是使产物重新形成晶体的过程。其目的是进一步与溶解在溶剂中的杂质分离。将上述热的饱和溶液冷却后，晶体可以析出，当冷却条件不同时，晶体析出的情况也不同。为了得到形状好、纯度高的晶体，在结晶析出的过程中应注意以下几点。

①应在室温下慢慢冷却至有固体出现时，再用冷水或冰进行冷却，这样可以保证晶体形状好，颗粒大小均匀，晶体内不含杂质和溶剂。否则，当冷却太快时会使晶体颗粒太小，晶体表面易从液体中吸附更多的杂质，加大洗涤的困难。当冷却太慢时，晶体颗粒有时太大（超过2mm），会将溶液夹带在里边，给干燥带来一定的困难。因此，控制好冷却速度是晶体析出的关键。

②在冷却结晶过程中，不宜剧烈摇动或搅拌，这样会造成晶体颗粒太小。当晶体颗粒超过2mm时，可稍微摇动或搅拌几下，使晶体颗粒大小趋于平均。

③有时滤液已冷却，但晶体还未出现，可用玻璃棒摩擦瓶壁，促使晶体形成，或取少量溶液，使溶剂挥发得到晶体，将该晶体作为晶种加入到原溶液中，液体中一旦有了晶种或晶核，晶体将会逐渐析出。晶种的加入量不宜过多，而且加入后不要搅动，以免晶体析出太快，影响产品的纯度。

④有时从溶液中析出的是油状物，油状物中常常含有不少杂质，因此要避免油状物的形成。对油状物的处理可采用两种方法：其一，刮擦瓶壁或投入少许原不纯固体的细小晶种于混合液中静置，如仍无结晶析出，分出油状物，改用其他溶剂重结晶；其二，有些油状物当温度再降低时，就固化成结实的硬块。遇此情况，可添加适量溶剂，将滤液重新加热至沸再冷却。

（5）减压过滤

减压过滤的目的是将留在溶剂（母液）中的可溶性杂质与晶体（产品）彻底分离。其优点是：过滤和洗涤速度快，固体与液体分离得比较完全，固体容易干燥。

减压过滤采用减压过滤装置。

具体操作：与减压热过滤大致相同，所不同的是仪器和液体都应该是冷的，所收集的是固体而不是液体。在晶体减压过滤过程中应注意以下几点。

①在转移瓶中的残留晶体时，应用母液转移，不能用新的溶剂转移，以防溶剂将晶体溶解，造成产品损失。用母液转移的次数和每次母液的用量都不宜太多，一般2～3次即可。

②晶体全部转移至漏斗中后，为了将固体中的母液尽量抽干，用玻璃钉或瓶塞挤压晶体。当母液抽干后，将安全瓶上的放空阀打开，用少量重结晶用的溶剂润湿所有的晶体，并用玻璃棒轻轻搅动一下，然后将放空阀关闭，将溶剂抽干同时进行挤压。这样反复2～3次，将晶体吸附的杂质洗干净。晶体洗涤后，抽干溶剂，用小刮刀将晶体和滤纸一并刮下，放在表面皿或培养皿中，把晶体摊开，进行干燥。

（6）干燥

为了保证产品的纯度，需要将晶体进行干燥，把溶剂彻底去除。当使用的溶剂沸点比较低时，可在室温下使溶剂自然挥发达到干燥的目的。当使用的溶剂沸点比较高（如水）而产品又不易分解和升华时，可用红外灯或烘箱烘干。当产品易吸水或吸水后易发生分解时，应用真空干燥器进行干燥。干燥后的产品放在干燥器中保存，待测纯度。

用混合溶剂重结晶时，可先将待纯化的物质放在接近沸腾的良溶剂中溶解。若有不溶物，趁热过滤；若有色，则用活性炭煮沸脱色后趁热过滤。在此热溶液中小心地加入热的不良溶剂，直至出现浑浊并不再消失，再加入少量良溶剂或稍热使其恰好透明，然后经冷却、结晶、减压过滤，得到纯化的物质。有时也可将两种溶剂先行混合，再按单一溶剂进行操作。常用混合溶剂有乙醇-水、丙酮-水、醋酸-水、乙醚-甲醇、苯-石油醚等。