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有机实验通用操作(1) 分液漏斗萃取篇
时间:2023-10-06 17:50 点击次数:66

  “化学是一门以实验为基础的学科”,有机合成化学就是其中的典型,其实验操作繁多复杂,往往令初次接触的本科生头痛。虽然经历了有机化学实验课程的学习,但实验操作中繁多的细节在一、两个学期的实验课中,显然是无法面面俱到的。因此在这个专栏中,我有意略去实验书、实验课中所讲的基础内容,着重介绍一些在中常用的操作,包括一些与课堂所讲相悖、但十分“有效”的操作。这一系列专栏针对有机化学研究的“新手”,希望可以帮助其快速渡过学习阶段,熟练地开展有机反应。

  本系列专栏尽量以干货为主,力求涵盖更多的细节。本人确保所写内容来源于可靠的真实实验,但有机反应千差万别,如有疏漏欢迎指正;同时由于采用文中操作导致的反应失败或产物损失,本人概不负责。

  有机反应绝大多数在非水溶剂中进行。当反应结束后,若反应体系中存在强酸、强碱或不溶性盐类,往往需要加水(或水溶液)进行淬灭。淬灭后反应体系分为水相和有机相,此时为了将产物富集至有机相并除去水溶性杂质,需要进行分液、萃取、洗涤操作。总液体量10 mL时,需要用到关键仪器分液漏斗。现代的分液漏斗以聚四氟乙烯塞为主,如下图所示。

  此外有一种玻璃塞的分液漏斗,上磨口侧面有小孔,玻璃塞上有凹槽,常见于教科书。这种分液漏斗已基本淘汰,在此不做介绍。

  常用的萃取剂有、乙酸乙酯(EA)、二氯甲烷(DCM)等。若萃取剂极性过大,会导致其在水中的溶解度过大,难以分层并且萃取不完全。若萃取剂极性过小,可能导致产物在其中的溶解性不佳,也容易萃取不完全。文献中给出的实验方法一般会写明萃取剂种类,沿用即可。若没有写明,则一般从前述三种萃取剂中选择。三者各有优劣,乙酸乙酯适用于萃取极性较大的有机物,但较难干燥和旋干;和二氯甲烷易于干燥,且沸点低易除去,但对高极性有机物溶解较差,二氯甲烷和水相的分层往往不彻底。

  向分液漏斗中加反应液时,一定要使用玻璃三角漏斗,要养成分液漏斗和三角漏斗一起使用的习惯。因为大多数有机溶剂表面张力很小,表现为倒液体时容易沿器壁留下,从而洒出。若贪图方便而直接将反应液从上口倒入,洒溅出来会造成严重的产物损失。当然如果加的是洒出也没关系的液体,比如萃取用的溶剂,不用漏斗也没关系。

  静置分层后,首先判断哪层是水相,哪层是有机相。建议对常见有机溶剂的密度有个大概了解,大部分有机溶剂密度小于水,密度大于水的有二氯甲烷(1.32)、三氯甲烷(1.48)和四氯化碳(1.59)等。一般来讲按纯溶剂的密度大小来估计,很少出错,并且一旦判断出错也容易发现。比如把有机相误当成水相,在下一步萃取时,向“水相”中加入有机溶剂发现没有分层,就可以发现自己的错误了。

  下层液体从下口放出,然后上层液体也建议从下口放出。因为之前所述的原因,从分液漏斗上口将液体倒出时容易洒出,并会导致污染磨口。如果体系中存在沉淀,可能粘在磨口上影响密封性。将上层液体从下口放出,虽然可能导致分相不彻底,但一般情况下,有机相(水相)中含有零点几毫升的水相(有机相),影响微乎其微。因为下一次萃取/洗涤时,就又会变成两相混合的情况,所以没必要在每次分液时过度严格。

  在萃取完成后,会产生水相废液,如果涉及到反萃操作,则可能产生3瓶废液。要注意的是,在确定拿到产物之前,不要随便倒掉任何一瓶废液。每年被当成水相废液倒进下水道的产物数不胜数!留下所有的萃取废液,这样万一旋干有机相后发现产物明显偏少,可以重新检查萃取废液,进行问题溯源。

  对于不熟悉的反应,不要盲目相信文献所给的萃取遍数。通常情况下,萃取过程须进行至少三遍,然后检测是否萃取完全。

  若产物有紫外吸收,可以用毛细点样管将萃取完的水相点在一块废硅胶板上,在紫外灯下观察。若基本看不到阴影点,则可认为萃取完全。若阴影较强,则考虑水相酸碱性是否不合适,导致产物离子化并溶于水。若排除了这一点,则可以再萃取一遍,并取本次的有机相点样,紫外灯下观察是否有阴影。没有阴影则可认为萃取完全,水相的紫外吸收是杂质造成的;若有阴影,则重复萃取至最后一次有机相没有阴影为止,一般总共不超过六遍。

  若产物没有紫外吸收,则可按上述方法取最后一遍萃取的有机相点样,并选择合适的显色剂显色。同样地,若没有萃取完全,则重复萃取至完全为止。

  乳化是萃取分液过程中常见的问题。引起乳化的原因有很多,并且有时会出现多种因素共同导致的乳化。下面将分别介绍。

  有机相极性过大:当反应溶剂极性较大(醇类、DMF、乙腈等与水混溶的溶剂)、并且用纯水淬灭反应时,易于出现这种情况。解决办法是加入较大量萃取剂或饱和NaCl溶液,以增大两相的极性差异。在水相过多、盐浓度过低的情况下,还可尝试向分液漏斗中加入固体NaCl,以快速提升水相的极性。

  两相密度过于接近:当有机相为低密度溶剂和高密度溶剂混合时,有时会恰巧使密度与水相相同。这种情况的解决办法同上,加低密度萃取剂或饱和NaCl溶液均可。此外,当水相密度很大时,萃取剂慎用二氯甲烷,防止密度接近难以分层。

  体系含有表面活性物质或类似物:这种情况较难处理,如果造成乳化的物质是固体,可以尝试过滤除去;如果无法除去,则仍然尝试加入大量萃取剂或NaCl溶液,1000 mL分液漏斗就是用于这种场合的。如果含有的是效果拔群的、真正的表面活性剂,那确实有些黔驴技穷,建议不要对这种体系采取萃取分液操作。。。

  以上介绍了热力学的手段。如果是由于动力学原因,分层很慢的话,可以尝试轻轻振摇分液漏斗(采用滴定时振摇锥形瓶的手法),也可以用吹风机稍微加热相界面附近液体。加热时一定要小心,尤其当萃取剂为低沸点的或二氯甲烷时,以防止溶剂大量蒸发或突然沸腾。实际上,最简单的长时间静置也不失为一种方法,当忙了很久也没能成功破乳的时候,不妨放下分液漏斗去吃顿午餐,回来之后它很可能就分层了。

  反应体系中的固体沉淀是否影响分液萃取,主要视固体的量和性质而定。若固体过多、颗粒过大或过于黏稠,容易堵塞分液漏斗,此时就不适合强行分液萃取。同理,建议不要把磁子倒入分液漏斗,以免堵塞(推荐使用三角漏斗的另一个理由是可以拦住磁子)。过多的粉末状固体可预先过滤除去;块状或胶状固体可能包夹产物,不适合直接过滤,可尝试使用合适的有机溶剂、水或酸碱溶解。

  少量的粉末状固体一般不影响分液萃取。如果不会堵塞分液漏斗,带着固体一起分液萃取即可。最后有机相中含有少量固体也没关系,因为后续还有干燥、过滤的步骤,固体会在过滤时随干燥剂一起滤掉。

  当体系中存在有机碱时,相界面附近往往会出现絮状固体,难以彻底与有机相分开。实际操作中应尝试分出大部分,剩余的一点直接归入有机相即可。

  DMF是优异的高极性溶剂,尤其常用于SN2反应,然而其后处理过程较为棘手。DMF沸点很高(153 ℃)难以旋干,并且由于其极性很大,粗产物中含有少量DMF就会造成柱层析效果变差。因此后处理的目标是将DMF除尽,防止其进入粗产物。

  一般来讲,若反应体系中的DMF多于20 mL,可以在淬灭反应后预先进行旋蒸,除去大部分DMF(需要较高真空度及较高的水浴温度)。少于20 mL可以略去这一步(因为旋DMF真的很慢)。

  之后转移至分液漏斗中,加入较大量的水及萃取剂。这里推荐使用极性较低的或二氯甲烷,以尽量防止乳化。观察到两相分层后,就可以进行正常的萃取操作了。之后进行除去DMF的关键步骤——用水洗涤。水洗的次数视DMF的量而定,一般建议至少4次。当DMF较多时,直接向有机相中加水可能引起严重乳化,此时可考虑仅水洗1~2次,之后用饱和NaCl洗涤至少4次。洗涤、干燥后的有机相,在最后旋干时同样建议在高真空度下多旋一段时间,以确保除去DMF。

  在一个完整的有机合成实验过程中,我们往往不会将萃取分液当作流程的“重点”,因此尽可能快、尽可能好除去体系中的水溶性杂质就是萃取分液的唯一目的。萃取分液过程中,一切操作都要为这个目标服务,当你感觉一个操作既不利于去除杂质、又不利于富集产物、并且浪费时间时,就大胆删掉它吧。

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