實驗二 重結晶

一、實驗目的

        1．學習用重結晶提純有機化合物的原理和意義。

        2．掌握重結晶提純有機物的基本步驟及操作方法。

二、實驗原理

        通過有機反應製備的固體有機化合物多是不純的,往往混有反應生成的副產物和未反應的原料或者反應過程當中所用的溶劑、催化劑等，所以，經常要設法將雜質與所需的產物進行分離，加以純化。重結晶是提純固體化合物常用的方法之一。固體化合物在溶劑中的溶解度跟溫度密切相關,一般溫度升高溶解度增加，反之則溶解度降低。如果把固體化合物溶解在熱的溶劑中製成飽和溶液，然後冷卻至室溫或室溫以下，則溶解度下降，這時就會有結晶固體析出。利用溶劑對被提純物質和雜質的溶解度的不同，使雜質在熱過濾時被濾除或冷卻後留在母液中與結晶分離，從而達到提純的目的。

        重結晶法適用於提純雜質含量在5%以下的固體化合物，如果雜質含量過多，常會影響提純效果，須經過多次重結晶才能提純。因此，常用其它方法如水蒸氣蒸餾，萃取等手段先將粗產品初步純化，然後再用重結晶法進行提純。

三、實驗步驟

        1．溶劑的選擇

        在重結晶實驗中，選擇合適的溶劑至關重要，否則，很難達到純化的目的。選擇溶劑時，必須考慮到被提純物的成分和結構（相似相溶原理）。合適的溶劑須符合下列各項條件：

（1）與重結晶的物質不起化學反應。

（2）從溶解度來說，對被提純的物質，在熱時易溶，冷時難溶或不溶。

（3）對被提純物和雜質的溶解度要有顯著差別，即所用的溶劑對雜質的溶解度熱時冷時都很大，即使在冷時雜質也不會以固體狀態析出，這樣就能使雜質留在母液中，不隨晶體一同析出。或是所選用的溶劑對雜質的溶解度非常小，即使在熱時，雜質亦不溶或難溶，這樣就把雜質在過濾熱溶液時除去。

（4）沸點適中，易與結晶分離。沸點過高的話，附著於晶體表面的溶劑很難除去；沸點過低時，溶解度改變不大，操作比較困難。

（5）所選擇的溶劑對被提純物能生成較好的晶形。

        此外，溶劑的毒性，易燃性和價格等都是選擇溶劑過程中需要考慮的問題。常用的溶劑有水、乙醇、丙酮、四氯化碳、石油醚和乙酸乙酯等。

        為了選擇合適的溶劑，需要查閱理化手冊中的溶解度一項，但最終溶劑的選擇往往是通過溶解度實驗來確定，具體方法為：取幾個小試管，各放入約0.1g需重結晶的物質，分別逐滴加入不同種類的溶劑，如果在1ml冷的或者溫熱的溶劑已經完全溶解，此溶劑就不適用；如果在超過4ml的溶劑當中加熱沸騰仍然不能完全溶解，此溶劑也不適用。若該物質能溶於1ml～4ml沸騰的溶劑當中，則需觀察試管冷卻後晶體析出的情況，如果晶體不能自行析出，可用玻璃棒摩擦液面下的試管壁，以使晶體析出，如果晶體還是不能析出，則此溶劑也不適用。如果能正常析出晶體，一般選擇析出晶體多的溶劑。有時物質易溶於某一種溶劑而難溶於另一種溶劑，而且該兩溶劑能互溶，那麼我們就可以用二者的混合溶劑來進行試驗，常用的混合溶劑有乙醇與水、苯與乙醚、甲醇與乙醚等。

        2. 溶解固體

        把樣品放入錐形瓶中，先加入比計算量略少的溶劑，加熱至沸騰，如果沒有全部溶解（是否有不溶性的雜質，要注意判斷，否則會造成誤加過多溶劑），再每次少量，逐漸分次添加溶劑，每次加入均需加熱至沸騰，直到樣品剛好完全溶解，一般要比需要量多加20%左右的溶劑。要使重結晶得到的產品純度及回收率高，溶劑的用量是個非常關鍵的問題。從減少溶解損失來考慮，溶劑不能過量，但這樣在熱過濾時可能會有大量晶體析出造成操作損失，所以必須根據這兩方面的損失來權衡溶劑的用量多少。

        有時為了避免溶劑揮發、可燃性溶劑起火或者有毒的溶劑中毒，通常在錐形瓶上安裝回流冷凝管，從冷凝管的上口添加溶劑。對於一些易燃性的溶劑，可以選擇適當的浴液進行加熱。

        3．雜質的除去

        （1）脫色    如果溶液中存在著某些影響產品純度的有色雜質，通常要加入吸附劑予以除去，常用的吸附劑有活性炭和氧化鋁。活性炭的用量根據雜質含量的多少而定。通常情況下，大約加入相當於樣品重量的1%～5%，如果一次脫色不徹底，要進行重複操作。需要注意的是，活性炭除吸附雜質外，也會吸附產品，所以不能加入太多。為了防止溶液暴沸，活性炭必須在熱的溶液稍冷以後再加，然後煮微沸5～10min，再趁熱過濾，除去活性炭。

        （2）趁熱過濾    對於溶液中的不溶固體物質以及進行脫色操作時加入的活性炭，須過濾將其除去。為了防止過濾時因溫度降低而導致結晶析出在濾紙上，常用短頸玻璃漏鬥（使用前先在烘箱中預熱）和熱水保溫漏鬥（在溶液稍冷就會析出結晶或者過濾的溶液較多時使用），配以摺疊濾紙（菊花形濾紙），過濾時將短頸玻璃漏鬥置於保溫漏鬥內，先用少量熱溶劑潤溼濾紙，然後把溶液迅速倒入漏鬥內，並用表面皿蓋好漏鬥，以防止熱量散失、溶劑揮發而導致結晶析出，如圖1。

圖1 熱過濾裝置

        在整個熱過濾過程中，若溶劑為易燃有機物，過濾時一定要熄滅火焰，保證周圍無明火。

        為了提高過濾速度，濾紙需要經過摺疊以增加其過濾的表面積。濾紙的摺疊形狀很多，菊花形濾紙是其中常用的一種，其摺疊方法是：將圓形濾紙連續對摺兩次，使其形成邊1、2和邊3;打開濾紙至1/2對摺狀即半圓狀，繼而分別將邊2和邊3、邊1和邊3對摺，使其形成邊4和邊5(圖2 a);再打開至半圓狀，依次再將每等分對摺，使其分別形成邊6、邊7、邊8和邊9(圖2 b和c);將半圓狀的八等分依次按摺痕交替向相反方向對摺成16等分，得到象扇形一樣的排列(圖2 d)，將其打開成圖2 e狀；最後，將邊1和邊2處的摺痕相同的折面分別向相反方向對摺一次，即得到一個菊花形濾紙(圖2 f)。使用前應將濾紙翻轉並整理好後再放入漏鬥中，這樣可以避免被手指弄髒的一面汙染濾液。

圖2 菊花形濾紙的摺疊方法

        4．析出晶體

        如果將濾液在冷水浴中迅速冷卻並輔以劇烈攪拌的話，得到的是顆粒很小的晶體。小晶體表面積大，吸附於表面的雜質比較多。一般我們先將熱的濾液靜置，使其緩慢地降溫，即可析出均勻而相對更為純淨的結晶。如果趁熱過濾時，濾液中已經有結晶析出，可先加熱復溶後再讓其緩慢冷卻析出晶體。有時由於濾液當中有油狀物或者膠狀物存在，或形成過飽和溶液使晶體不易從溶液中析出。這種情況下，可用玻棒摩擦液面下的容器內壁，或投入「晶種」（同一物質的晶體），就可以促進結晶的析出。

        5．分離晶體

        要把結晶從母液中分離出來，常進行抽氣過濾，如圖3所示。先檢查好抽真空系統，再用少量同種的冷溶劑把濾紙潤溼，打開水泵，關閉安全瓶活塞，抽氣使濾紙與漏鬥貼緊（以防止晶體在抽濾時從濾紙邊緣吸入瓶裡）後，才把要抽濾的固液混合物轉移到布氏漏鬥上，用少量母液將貼附在容器壁上的結晶洗出。為除去晶體表面吸附的母液，可用新鮮的冷溶劑進行洗滌，每次3～5mL洗滌2～3次，即可把晶體洗滌乾淨。然後用玻璃塞將結晶壓實，以儘量除去母液。

圖3 抽氣過濾裝置

        6．乾燥晶體

        抽濾後的得到的晶體，表面還吸附有少量溶劑，可根據重結晶所選用的溶劑及晶體本身的性質來選擇合適的方法進行乾燥。重結晶後的產物需要測其熔點來檢驗純度。

四、乙醯苯胺重結晶

        稱取不純的乙醯苯胺4g加入到250mL的錐形瓶中，注入110mL水後，在石棉網上加熱至溶解，待溶液稍冷，加入0.2g活性炭，不斷攪拌，再加熱至微沸5 min～10min，然後趁熱過濾，以除去不溶性雜質及活性炭。如果過濾時已經有晶體析出，應先加熱使其復溶，並在燒杯上蓋上乾淨的紙或表面皿，將濾液自然冷卻，即有無色片狀結晶的乙醯苯胺從溶液中析出。如果有油狀物析出，一經析出便劇烈攪拌混合物，使油狀物分散並固化。待晶體完全析出後，進行抽濾並用少量冷水洗滌晶體，儘量抽乾水分後，再用玻璃塞壓實，以儘可能除去吸附在晶體表面的母液。然後將晶體轉移至表面皿上烘乾，稱重，計算回收率。

五、操作與安全

        1．使用有機溶劑進行重結晶時，在進行固體的溶解和熱過濾時，周圍不能有明火，否則有發生火災的危險。

        2．切勿在沸騰的溶液中加入活性炭，否則有燙傷及引發火災的危險。

六、問題與思考

        1．重結晶實驗的具體步驟依次有哪些？

        2．在進行重結晶實驗時，應該怎樣選擇溶劑？

        3．在重結晶操作過程中，必須注意哪些問題才能得到產量又高，質量又好的產品？

        4．怎樣證明經重結晶後的產品是純粹的呢？

資料來源：陳琳、孫福強主編《有機化學實驗》第2版。

微信號：gdpu-youji

投稿郵箱：[e-mail]

 

廣藥其他相關公眾號：

廣藥無機化學：gdpuinor

廣藥分析化學：gdpu-fenxi

廣藥天然藥物化學：天藥gdpuNMC

廣藥藥劑學：yaowuzhiji123

歡迎關注！

廣告---

原生態，健康品！鳳梧山，致力於生產非浸出非精煉的頂級初榨山茶油，以及山茶油系列護膚產品！

了解詳情及購買請點擊「閱讀原文」。