不同有機反應有不同反應特徵,反應物、產物、催化劑也有不同的理化性質,對反應裝置也有不同的要求,縱觀各種裝置,有機反應的容器是圓底燒瓶,圓底以其對稱性帶來好的承受外力作用和小的接觸面而作為有機反應的場所,燒瓶上有數個磨口,磨口可與不同實驗儀器構件相連,相互組成一套反應裝置,適應於某個反應要求,常用裝置如下:
回流裝置是圓底燒瓶與球形冷凝管直接相連組成的一套裝置。球形冷凝管能將從燒瓶中上升的熱蒸汽快速冷卻凝聚成液體,重新回落到燒瓶中,從而達到減少或防治有機物在加熱時揮發,也使有機蒸汽出口遠離熱源而增加操作過程的安全性,主要應用包括以下三個方面。
回流裝置是有機實驗中最基本、最重要的裝置之一,根據不同反應的特徵差異,回流裝置可與其它實驗儀器構件串聯組成一系列不同的實驗裝置,也可與其它儀器構件並聯組合成另一系列的實驗裝置,首先就回流裝置與其它構件串聯產生的實驗裝置如下:
回流吸收裝置是對產生滷化氫、氮、硫氫化物等有毒氣體的反應,回流冷凝管頂端必須與毒氣吸收裝置相連防治毒氣外溢,若反應能產生易揮發可燃物質時,也需要在回流冷凝管頂端另用導管相連,通入下水道或室外,防止可燃性氣體在室內積聚而發生事故。
值得一提的是,回流冷凝管頂端連接了毒氣吸收裝置後,整個系統形成一個密閉體系,這個體系在反應開始後,可能反應劇烈產生氣體來不及吸收而發生爆炸,在反應後期又因體系冷卻或毒氣溶解而發生倒吸,避免的辦法是:三角漏鬥緊貼液面(勿深入液面)
判斷這類反應進行程度的辦法:觀察反應體系中產生氣泡的速度,若無氣體產生,主反應已完成。實例:由醇製備滷代烴、己二酸製備(硝酸氧化法)
回流乾燥裝置是對於反應物、催化劑、產物之一能與水反應時,不僅要求反應物、試劑、儀器在實驗前進行乾燥處理,也要保持在反應過程中,外界水蒸氣不進入反應體系,因此在回流冷凝管頂端與裝有乾燥劑的乾燥管相連,例如:格氏試劑製備,安裝時要注意乾燥劑要疏鬆透氣,防止過分緊密使反應體系成為密閉體系留下安全隱患。
對於既要乾燥無水又有毒氣產生的反應,則可在乾燥管後再接毒氣吸收裝置,安裝合操作注意點同(二)(三)所述,例:對二叔丁苯的製備。回流分水裝置是再回流裝置的燒瓶與回流冷凝管之間插入一個油水分離器,使回流液先滴入油水分離器後再回流到燒瓶中,這套裝置最適合於原料和產物都不溶於水,但有水生成的可逆反應。例:正丁醚的製備。借油水分離器將水蒸出,減少產物的濃度,使可逆平衡向產物方向移動,對反應物之中有可溶於水的物質時,可以通過計算用過量可溶性反應物和加入帶水劑,應用回流分水器裝置控制反應,所謂分水劑就是該物質可與水形成低恆沸混合物,降低蒸出水的溫度,減少其它物質蒸出。例:苯甲酸乙酯製備。回流分水裝置可借蒸出水的量判斷反應進行程度。
回流提取裝置如脂肪提取器,是從固體物質中提取有機物的重要方法之一,原理是溶劑蒸汽在回流冷凝管中回流首先滴到被提取固體物質上使固體物質中被提取成份溶解在溶劑中,再流回圓底燒瓶,這一過程蒸發的是純溶劑,流回燒瓶的是溶解了被提取物的溶劑,通過溶劑循環達到用有限的溶劑將固體物質中的被提取物完全被提取出來。
蒸餾裝置是將燒瓶中產生的熱蒸汽通蒸餾頭流入冷凝管,冷凝成液體的裝置,這套裝置可以用來測定沸點(被蒸出液體的沸點),也可用於分離合提純有機物,還能用作反應裝置,形成反應蒸出裝置,應用於產物之一為低沸點物質的可逆反應,通過反應蒸出產物促使可逆反應平衡向產物方向移動來控制反應的進行。例:乙酸乙酯的製備。若低沸點產物與反應物的沸點相差不大時,可採用回流蒸出裝置使沸點稍高的原料回流重新參加反應。
分餾裝置是在蒸餾裝置的燒瓶與蒸餾頭之間安裝分餾柱,這樣上升的熱蒸汽先進入分餾柱並在分餾柱中不斷與回流的冷凝液發生熱量交換合物質的交換,最終使沸點相差不大的低沸點組分被蒸出,用來分離沸點相差不太大的混合物。
另外,反應蒸出裝置(六)(七)還可用來防止產物發生二次反應,所謂二次反應不同於副反應,反應物和試劑首先發生一次反應包括主反應和副反應,一次反應的主產物在此反應條件下可以接著再發生反應稱二次反應,,例以伯醇為原料氧化制醛,醛再相同條件下也被氧化最終生成羧酸,醛氧化成酸即為二次反應。由此可見能發生二次反應的產物必須在生成後立即使其脫離反應體系,因此需反應蒸出裝置,至於究竟用蒸餾還是分餾,可根據被蒸出物與反應物的沸點差距大小定。
回流、蒸餾、分餾作為反應裝置,還常與恆壓漏鬥、攪拌器、溫度計並聯組成稍微複雜的反應裝置,簡要介紹如下:
滴加回流裝置指在燒瓶一口裝回流裝置外(含回流、回流吸收、回流乾燥等)另一磨口接恆壓漏鬥,將反應物或反應之一逐滴滴加到反應體系中,來控制反應的進行。尤其是以下特徵的反應,必須選用滴加回流裝置:
1、反應物活性較大,為了使反應平穩進行採用滴加以控制活性大的物質的濃度,以達到控制整個反應的目的。2、強放熱反應。為了使反應熱能有效向環境擴散,防止發生事故,需控制反應物濃度來使反應熱量的逐點釋放,達到控制反應的目的。3、控制副反應或二次反應發生,對反應物之一能與產物反應時,除了嚴格控制反應條件外,還要控制好該反應物在反應體系的濃度,而採用滴加方法,如格氏試劑製備時,若採用將鎂投入滷代烴中,則鎂與滷代烴反應聲稱的格氏試劑也與滷代烴反應生成烴。因此需採用將滷代烴滴入到鎂的醚溶液中,在其基本反應完以後,再滴加以控制滷代烴的濃度,減少副反應發生。在實施可逆反應時,有時也採用反應物之一過量的方法控制反應。一般採用教便宜的物質為主,使較貴的物質比較完全轉變成產物而降低成本(例乙酸乙酯製備)。過量其含義包括兩個方面,其一是用量上過量,其二在操作技術上將有限的過量的物質轉變成數量上的絕對過量,如乙酸乙酯製備將1:1的反應物滴加到乙醇-硫酸溶液中,達到乙醇的最大程度過量,獲得最大收益。
若在分離混合物時,其成分之一在沸點時雖穩定,但不能長時間加熱,而蒸餾或分餾的量又較大,就可選用小的二口或三口瓶,採用邊滴加邊蒸餾或分餾的辦法,使滴入的少量液體在燒瓶中立即氣化進入冷凝管或分餾柱,防止長時間加熱而發生變化。
攪拌器是有機實驗中常用儀器之一,與回流滴加組合成反應裝置,在以下三種情況下需安裝:
1、 在異相反應中為了增加反應物之間相互接觸,以加快反應的進程,尤其兩相互不相溶的液體時靠振蕩很難有效,必須用攪拌器。2、 強放熱反應。為了使熱量能儘快向環境傳遞,防止局部過熱而誘發副反應或事故,必須採用攪拌器。3、 反應體系的粘度。反應體系的粘度不僅影響反應物之間可接觸,也影響熱量擴散和小分子物質的揮發 ,故一般需要攪拌。總之攪拌利於反應物之間的接觸,防止反應體系中局部過熱或局部過濃。及在縮和反應時能促使小分子逸出等,達到控制反應的目的。溫度計也是反應時常用的儀器。它除了在蒸餾和分餾時指示出收集餾分的範圍外,也用溫度計測出反應時反應混合物的溫度,以便控制加熱的程度。
以上重點介紹相關構件組合10種反應裝置,每套裝置都與對映反應的特徵建立聯繫,從中也了解反應時通過反應裝置、操作和控制反應條件來控制,使其能平穩進行,並獲得理想的效果。熟悉反應體系種各物質的理化性質和反應特徵,根據有機儀器構件的功能,組合成符合反應特徵、便於控制操作和安全的反應裝置,是有機化學實驗教學的重要目標之一。
有機混合物的分離和提純,包括三個不同層次的內容:
其中第三個問題最難,解決這個問題需要積累許多知識和經驗,設計很多方面,對初學者暫不作要求,本專題就陳述第一和第二個問題的解決方法。
對於一個已知反應產物的混合物而言,其主要組分包括產物、副產物、原料、催化劑、溶劑;他們的狀態,理化性質都要查到,這就為制定分離程序提供了方便。由於半微量反應的產物量不多,因此通常採用水蒸氣蒸餾和水洗方法洗去絕大多數雜質,後經乾燥得較純得產物,再將含少量雜質的產物通過重結晶(固態產物)或蒸餾(液態產物)進一步精製提純。一般不採用分餾,因為分餾柱要粘留數毫升有機物,對實驗誤差影響較大。
在分離和提純產物混合物前,首先要觀察反應混合物得狀態,進行分析和判斷,才能產生分力提純的初步方案。一般有一下A B C D E F物種情況。
B 當固體產物溶解或部分溶解的量少,故首先除去溶劑和其它液態物質,方法是除回收部分溶劑用蒸餾或分餾外,一般將產物混合物經水蒸氣蒸餾除去液態雜質,產物即可結晶析出,再按A途徑提純。這裡需要強調,在蒸餾或分餾過程中,被分離混合物應始終呈液態,不能出現固態有機物,因為固態有機物影響熱量傳遞和蒸汽逸出,易造成局部過熱使固態物質分解,結果帶入新雜質;固體表面也能吸附或包裹液態物質而難蒸出。
D 分析產物乳化的原因,破壞乳化現象,出現清楚的分層後按C法步驟提純。其一,密度接近,不易分層。加氯化鈉飽和水溶液進行分成。其二,鹼性等表面活性物質產生乳化,可滴加酸類或條件許可調節pH值以破壞乳化。其三,輕質固體顆粒產生乳化,採用過濾除去輕質顆粒。E 相互溶解,形成液態溶液則用蒸餾或分餾法分離和提純。F 產物混合物中含固體物質時,即使固體物質不是有機物也不採用蒸餾或分餾,因為固體物質表面吸附作用,可將各組分吸附在表面不易蒸出。同時細小固體顆粒與液態有機物之間形成粘稠狀,將產物包在裡面難以蒸出,此時若產物不溶於水,可選用水蒸氣蒸餾法蒸出產物。也用溶劑萃取或浸取法提取產物。半微量反應混合物分離和提純雖然簡單,但為我們學習分力提純有機物提供了基礎平臺,積累分離提純的經驗,將以上各法進行總結歸納可提出有機物分離提純或提取的常見方法為三種:
2、 互溶液態有機物分離提純―――蒸餾或分餾,氣相色譜在已知組成的混合物種,各組分的組成大於5%,一般要求將各組分逐一分離回收總稱分離,若雜質含量<5%,則要求將此少量雜質除去而稱提純,分離提純即將混合物逐一分離得雜質含量較少的較純物質後,再提純除去少量雜質。根據(一)中歸納,僅講3例:
固體混合物的提純首先要查閱各組分的含量、熔點、溶解性、根據溶解性選擇溶劑,再通過計算決定提純途徑。
(1) 溶劑的選擇 要求選擇對被提純物質再沸點時溶解大,在室溫時溶解度小(相差10倍左右為宜)(結合其它情況見書本),而對雜質而言要麼不溶,或者在室溫下溶解度很大的溶劑。(2) 根據被提純物質的質量,計算所需溶劑的最小量,再以此溶解量計算在室溫時,雜質溶解情況如下:B 在室溫時有少量雜質析出,可通過計算適當增加溶劑的量,防止雜質析出,這就以降低回收率為代價C 有雜質析出,則根據各組分理化性質,採用水蒸氣蒸餾或洗滌方法除去部分雜質,再進行重結晶提純,也可選擇多次重結晶法提純。互溶混合液的分離和提純通常採用蒸餾或分餾法。圖為符合拉烏爾定律的三組混合液的液-汽組成曲線圖:
E組為A B沸點相同,所以在沸點時液態組成和氣相組成相同,呈一直線,這類混合物不能通過蒸餾或分餾法分離。D組A B兩組分的沸點相差不太大,氣相組成曲線和液相組成曲線呈兩條曲線,但曲線彎曲程度不大C組A B兩組分的沸點相差較大,氣相組成曲線和液相組成曲線的彎曲程度較大。根據以上事實,我們可以推得,只要混合物各組分的沸點不同,且每個組分在混合物佔有相當比例,混合物的bp就偏離各純物質的沸點,不能用蒸餾的方法分離,只能選擇分餾來分離混合物。沸點相差愈小,蒸汽中低沸點成分愈少,蒸汽組成曲線和液態組成曲線愈接近,選用分餾柱的理論塔板值愈高;沸點差距愈大,蒸汽中低沸點組成愈多,蒸汽組成曲線和液體組成曲線之間距離愈大,分餾時選用分餾柱的理論塔板值愈小。進而推知當二者沸點差足夠大時,可以通過蒸餾就能將混合物各組分分離。經驗告訴我們,當混合物組分見沸點差≥80℃,就可以用蒸餾法分離。
觀察曲線圖我們又能發現,無論A或B,當混合物雜質的組成愈低,混合物的沸點愈接近純物質,所以雜質的含量<5%時也可以用蒸餾法除去雜質,操作時,若A中混有<5%低沸點物質B,則在加熱蒸餾時,將沸點低於純物質A的餾出液另外收集(雜質成分多),當溫度升至A沸點時,收得純物質A。
天然有機物存在於動植物體內,可根據被提取物的理化性質設計提取方案,一般採用浸取、萃取、水蒸氣蒸餾法提取。
浸取是根據被提取物的化學性質,選用一定試劑與其反應後生成可溶解物質提取。例:根據被提純物質酸鹼性可選用鹼溶液或酸溶液與其反應生成可溶性鹽溶解到浸取液中,製得鹽結晶,或酸化游離出來。
萃取是根據被提取物溶解性,選擇一定溶劑,採用脂肪提取器,製得溶液,再蒸發溶劑,得被提取物。
當被提取物不溶於水時,可用水蒸氣蒸餾法,蒸出被提取物。
在分離提純後,通常需要初步檢驗一下純度。若提純物為固體,則可通過熔點測定其熔點值與文獻值的比較,若提純物為液體,可通過沸點、折光率與文獻值的比較可知被提純物的純度如何。另外還可進一步通過紅外圖譜、質譜、核磁和紫外等圖譜與標準圖譜的比對進行純度的驗證。
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