现代分离技术ppt课件

现代分离技术 目录 第一章绪论第二章蒸馏与分馏技术第三章萃取分离 逆流分配技术第四章结晶分离与升华技术 目录 第五章经典色谱分离技术第六章气相色谱分离 分析技术第七章高效液相色谱分离 分析技术第八章膜分离技术第九章生物大分子分离与纯化技术第十章旋光异构体的拆分技术 第一章绪论 1 1分离纯化技术的意义及用途1 2分离 纯化技术的特点1 3分离 纯化技术的类型1 4分离 纯化技术选择附 分离纯化常用玻璃仪器 1 1分离纯化技术的意义及用途 第一章绪论 有机化合物数量极大 结构复杂多样 性质千差万别 它们在被发现或合成的过程中 在其性能研究及分析工作中 在应用时都离不开分离和纯化步骤 无论是石油化工 制药 精细化工 生物化工 食品工业和其他有关行业 还是有机合成 生物化学及生物工程 分析化学 医药和环境保护等科研领域都需要有高效 快速和经济的分离纯化技术 例如 1 天然产物试样中微量成分的获得如 抗癌药物 干扰素 天然的1克价格达几百万元 2 生物工程产品的产业化生产其下游技术就是分离纯化工艺 其工作量和投资占整个过程的50 80 3 有机化合物的性能研究和分析 如 保健品中褪黑激素的测定 运动员体液兴奋剂检测 4 很多药物有立体异构 其药理性质不同 氯霉素 广普抗菌药 D 有杀菌活性L 无 葡萄糖D 在动物代谢作用中起重要作用L 既不能被代谢 也不能在植物体内合成 麻黄素 左旋体有疗效 右旋体不仅无疗效 而且还干扰左旋的作用 5 乙基 5 1 3 二甲基丁基 巴比妥酸盐 S 抑制中枢神经 催眠镇痛药 R 惊厥剂 可见 学习分离纯化技术不仅是必要的 常常也是困难的工作 它的好坏成败制约了某个研究课题的成败 它的代价往往是某个产品成本的决定因素 所以 研究化合物的分离 纯化技术 为科研和生产服务是十分重要的工作 1 2分离 纯化技术的特点 1 分离技术的多样性有机化合物结构复杂多样 性质千差万别 决定了分离技术的多种多样 碳链骨架 官能团 分子量及空间结构不同构成了性质十分复杂的有机家族 从熔点 沸点 折光 密度 酸碱性 分子量 溶解度和吸附性能等方面考查 有些物质在某些性质上接近 在其他性质上差别大 而另一些物质也许正好相反 这就决定了我们只有选择某些合适的方法 利用分离对象组份间性质有差异的条件实现分离 所以要求有多种多样的分离方法 以适应实际需要 2 主要利用化合物物理性质的差异进行分离 如 蒸馏 利用沸点差异重结晶 利用溶解度差异色谱 利用吸附性能差异膜分离 利用分子量的大小不同 3 每种分离方法均有适应性及局限性 每种分离方法 分离材料 分离工艺都是依据不同的分离对象 分离目的而确定的 当分离对象与目的改变时 分离技术也要重新选择 4 分离技术与设备发展迅速 新理论的出现 新技术和新材料的采用大大推进了分离纯化技术的发展 如 计算机和电子技术的广泛使用使自动化程度大大提高 酶制剂的使用为手性化合物的分离开辟了新途径 色谱技术和仪器的进步大大推动了分离技术的进步 膜技术的应用提高了分离处理量而且降低了成本 1 3分离 纯化技术的类型 按分离原理不同分为以下几种类型 蒸发蒸馏分馏 1 按蒸气压不同 沸点不同 实现分离的技术有 普通蒸馏减压蒸馏水蒸气蒸馏 2 按在两相中溶解度不同或分配比不同实现分离的技术有 3 依靠物质从过饱和溶液中结晶析出的性质实现分离的技术有 经典萃取双水相萃取逆流分配超临界萃取 结晶重结晶多步结晶沉淀法 4 靠有一定大小孔径的膜来实现不同大小分子分离的技术有 透析超滤 5 因分子大小不同及带电情况不同在电场中实现分离的技术有 电泳等电聚焦毛细管电泳法 6 利用物质在两相中各种亲和能力的不同实现分离的技术有 色谱法 色谱法分类 按色谱流动相的不同分为 气相色谱和液相色谱 按色谱固定相容器的形状可分为 柱色谱 薄层色谱和纸色谱 按固定相对溶质保留机理的不同 又可分为 正相 反相 离子交换 排阻 疏水相互作用和亲合色谱 1 4分离 纯化技术选择 分离纯化方案的设计是分离纯化工作的前提 也是决定分离工作成败的关键 1 分离对象 按分离对象选择方法 了解待处理对象 植物材料 动物材料及反应液等 的物质组成 熟悉各种物质的理化性质 尽可能了解目标物 被分离物质 的化学结构及其理化性质 确立目标物可靠的检测目标物方法 2 分离目的 科研 生产 3 分离量 各种方法处理量不同 4 实验条件 了解和熟练掌握各种分离技术 明确各方法的应用范围和优缺点 满足以上条件基础上选择廉价方法 提取 沉淀除杂减压蒸馏 减压蒸馏 萃取除杂 实例1毛花洋地黄粗总甙的提取分离 萃取除杂 减压蒸馏 溶解普通蒸馏 结晶 重结晶干燥 续实例1 萃取 化学反应 萃取 化学反应 萃取 化学反应 萃取 化学反应 萃取 化学反应 精馏 色谱 实例2 附 分离纯化常用玻璃仪器 第二章蒸馏与分馏技术 2 1蒸馏技术2 2分馏技术2 3减压蒸馏技术2 4水蒸气蒸馏技术 第二章蒸馏与分馏技术 蒸馏 分馏 均是利用有机物具有不同沸点进行分离的方法 其技术 普通蒸馏减压蒸馏水蒸气蒸馏分馏 应用 用于液体组分的分离 提纯和浓缩 2 1蒸馏技术 1 二元组分体系的相图相律的表达式为 F K 2式中 F 自由度 K 组分数 相数 对于二元体系 K 2 1 蒸馏操作中对象一般为均一的液体 则 F 2 1 2 3 即自由度为 温度 T 压力 P 和浓度 X 表示这三个变量的相图必须用立体图 但一般蒸馏操作是在固定的压力下进行的 所以可以用这个立体相图的一个截面 即平面图T X图来表示其气液平衡 图2 1气 液平衡的相图 aA aB分别为A B两物质在纯化合物时的正常沸点 aA aB aA aB之间的两条弧线 上面的叫气相线 下面的叫液相线 在气相线上方为气相单相区 在液相线下方为液相单相区 两线之间为气液两相共存 纵坐标为温度 横坐标为A B两组分的组成 左端为100 A 右端为100 B 当A B两组分组成为XB的弧立体系加热到S点时 体系出现两相 据此相图可知它们的组成 气相的组成 B XgB A 1 XgB液相的组成 B XlB A 1 XlB 2 蒸馏原理 如上图 若原始溶液的组成为XB 加热到S 时开始沸腾 此时 共存气相的组成为Xg B 显然Xg B XB 若将该气相液化 则组分B较原始溶液含量高 而留在蒸馏瓶中的溶液中含A组分 高沸点 比原来多 注意 一般情况下只有两组分的沸点相差80 以上时才有可能得到纯的低沸点馏出物 若两组分沸点相差小于80 最好用分馏 3 蒸馏装置及一般操作 装置问题 温度计水银球位置 最大刻度的要求 安装与拆装顺序 冷凝管哪端接水管 操作问题 料液最多不能超过烧瓶多少 沸石的作用 沸石能否重复使用 冷凝器如何选用 判断馏出液沸点的现象 应该怎样做 停止蒸馏顺序 图2 2蒸馏实验装置及安装方法 注意 蒸馏过程中 蒸馏装置永远不能完全密封 总有一处通大气 被蒸馏液中含有的固体 应先滤去 蒸馏前要了解被蒸馏物的性质 一是了解其组成沸点 二是了解有无在蒸馏中会发生爆炸的物质存在 如过氧化氢 高氯酸 肼等物质达到一定浓度后自身或在有机物存在下发生爆炸 若有 应先除去或控制其浓度不要接近危险点 并且要在有安全保护装置的条件下进行蒸馏 若馏出液需绝对干燥 在接液管的支管上可接一个干燥塔 以防止大气中水分侵入 若馏出液毒性大或气味难闻 可在接液管支管上接一个吸收瓶吸收 或者在某些情况下接一根管子引入水槽下水管 用水流带走逸出的气体 2 2分馏技术 定义 应用分馏柱来使几种沸点相近的混合物进行分离的方法 称为分馏 实质 就是多次的蒸馏作用 1 分馏的基本原理 多次蒸馏原理 图2 3 对于沸点接近的混合物 采用多次简单蒸馏以得到纯物质是不现实的 而这种多次重复的操作可以用分馏 在分馏柱中 来完成 图2 3苯 甲苯体系的温度 组成相图 分馏柱 图2 4常见分馏柱a 维格罗柱b 亨普尔柱c 分馏头 实验室常用的分馏柱有两种 维格罗 Vigrux 柱和亨普尔 Hempel 柱 维氏柱又叫刺形分馏柱 是一个有很多犬牙交错凹凸的玻璃管 它几乎是一般有机实验室必备的仪器 优点是无需填料 柱内滞留液体很少且易于洗脱 缺点是分馏效率差 回流比 指在同一时间内回流的液体量和馏出的液体量之比 可以用数滴来简单地计量 亨氏柱又叫填料式分馏柱 其空管如图2 4b 管内径为2 5 3 5cm 长度30 60cm不等 分馏效率的高低取决于填料的种类 一般是 雷氏环 短玻管 6 6mm 该分馏柱优点是分馏效率高 缺点是柱内液体滞留较多且不易洗脱 分馏原理 当烧瓶中被分馏的液体加热到沸点后 蒸气进入分馏柱 并被部分冷凝成液体 这液体含低沸点成分比蒸馏瓶内的多 因此沸点也比蒸馏瓶内的低 当烧瓶内另一部分蒸气上升到分馏柱中时 便和这部分已冷凝的液体进行热交换 使其重新气化 而蒸气则被部分冷却 继续上升的蒸气在离开分馏柱以前在不断进行着上升 冷凝 气化的过程 每一次分馏柱内由下向上的气化 冷凝过程都使低沸点组分的含量提高 难以用简单蒸馏的办法分离的混合液体在适当的分馏柱和适当的条件下可分开 分馏柱的效率 用理论塔板数 n 和理论塔板高度 H 表示 理论塔板 一个理论塔板就相当于一次简单蒸馏 一根分馏柱的理论塔板数越大 分馏能力越大 理论塔板高度 表示分馏柱单位高度的分馏效率 也就是相当于完成一次蒸馏所需的分馏柱高度 越小越好 其关系 理论塔板数 柱长 理论塔板高度 共沸点 最高共沸点 共沸点高于两个组分的独立沸点 最低共沸点 共沸点低于两个独立组分沸点 具有固定的沸点和固定组成的双组分混合物 其沸腾时气相和液相的组成完全相同 无法分馏分离 这一沸点叫共沸点 其组成叫共沸物 图2 4最高共沸混合物的相图 图2 5最低共沸混合物的相图 如果溶液组成位于Z点左边 则分馏仅能得到少量的低沸点A 如果溶液组成位于Z点右边 则分馏仅能得到少量的高沸点B 注意 当某混合物中的组分能形成共沸时 有两种情况 有最高共沸点时 在被分馏物组成未达到恒温组成前 可能将多余的组分馏出一部分 使体系内组成逐渐向共沸组成接近 当瓶内物料组成已达到共沸物的组成后 温度即会上升 共沸物开始馏出 直到瓶内物料蒸完为止 若物料是双组分具有最低共沸点的体系 则情况有所不同 先蒸出共沸物 当其中一种组分被蒸完后 温度会上升到多余组分的沸点 即多余组分被蒸出直至蒸完 例如 乙醇沸点为78 3 水的沸点为100 水和乙醇可以形成共沸物 共沸点在78 1 共沸物的组成为乙醇95 6 水4 4 当乙醇和水的混合物在分馏时 先馏出的液体组成总是共沸物的组成 即乙醇95 6 水4 4 直到乙醇或水两个组分之一被蒸完后 才蒸出另一个纯组分 所以含水的乙醇是无法用分馏来制备无水乙醇的 表3 1几种常见的共沸混合物 2 分馏的操作 装置 操作要点 为了防止柱内液体聚集 通常用石棉绳或电加热套管包扎柱体 以保证柱内气液热交换的动态平衡 柱内的气液间的热量交换需要一定的时间 因此蒸馏速度或蒸汽上升速度不应太快 这是至关重要的 如果加热太猛 蒸出速度过快 不仅会使柱内失去梯度而降低柱效 同时还容易造成液泛 即上升蒸汽将下降的液体顶上去 破坏了回流的现象 所以要注意调控温度 分馏柱要尽可能调整到垂直状态 以保证柱子内表面的冷凝液的均匀分布和蒸气的齐头上升 图2 6分馏装置 3 分馏应注意的问题 n 为理论塔板数T2 T1 为低 高沸点组分的沸点 K 选好分馏柱分馏的关键 被分馏的混合物沸点差别越大 对分馏柱的要求越低 沸点差别越小 使用的分馏柱塔板数应越高 分馏柱所需理论塔板数也可以用下式估算 注意 实际塔板数高于计算所得的理论塔板数 才能得到满意的结果 理论塔板数与实际塔板数之比叫塔板效率 应为0 5 0 7 分馏要缓慢进行控制好恒定的分馏速度 选择好合适的回流比 尽量减少分馏柱的热量损失和温度波动这样可提高分馏效率 注意双组分液体共沸点的蒸馏 2 3减压蒸馏 对于那些常压蒸馏时会发生分解 聚合及其他反应的化合物以及那些沸点高在常压蒸馏时难以蒸出的有机物 分离和提纯时采用减压蒸馏 1 基本原理沸点 液体加热时 液面上蒸汽压等于外界大气压时的温度 液体表面的压力降低时 便可降低液体的沸点 减压蒸馏就是降低液体表面压力 使有机物沸点大大下降 变得容易蒸出 沸点与给定的压力之间的关系可以近似地用下式表示 P 为蒸气压 即液面的气压 T 为沸点的绝对温度 A B均为常数 若以lgP为纵轴 1 T为横轴 可近似得到一条直线 图2 7 可粗略找出某个压力下的沸点 图2 7压力 沸点关系 表3 2几种有机物的沸点与压力的关系 2 装置 图2 8 毛细管的安装 作用 能使用沸石吗 接收瓶使用圆底烧瓶 接液管有单头和多头 转动多头可接收不同馏分 仪器一般均为磨口的 减压设备 油泵 真空泵 水泵 3 操作 开始蒸馏 装置 开真空泵 旋毛细管上螺丝夹达到所需压力 开冷却水并开始加热 控温使每秒馏出1 2滴 结束蒸馏 撤离热源 缓缓打开毛细管上螺丝夹 关闭真空泵 附 实验装置与操作常用减压蒸馏装置可以分为蒸馏 抽气 安全系统和测压四部分 不得漏气是保证减压蒸馏的先决条件 图2 8减压蒸馏装置图 2 4水蒸气蒸馏 适用于下面几种情况 从大量树脂状或不挥发性杂质中分离有机物 从含大量固体的反应混合物或天然的植物根茎叶及种子中分离有一定挥发性的液体组分 除去挥发性的有机物杂质 某些有机物在其自身沸点温度下易被破坏 用水蒸汽蒸馏可以在100 以下蒸出 优点 试样中含有固体也可以 蒸馏对象沸点很高 但蒸出液温度却很低 被蒸馏的物质应该具备下列条件 不溶或几乎不溶于水 在沸腾下与水共存不起化学变化 在100 左右具有一定的蒸气压 一般不小于1333Pa 10mmHg 1 基本原理 据道尔顿分压定律 P总 PA PB 当P总 P外时的温度 T 为该混合体系的沸点 此时的沸点比任何一个单独组分的沸点要低 可将不溶于水的沸点较高的组分在100 以下与水一起蒸馏出来 估算水蒸气蒸馏时馏出液中水和有机组分的相对量 PV nRT 当在同一温度下 同一容积中操作时 有 nA nB PA PB而 nA WA MA nB WB MB 其中WA WB为各组分蒸气的质量 MA和MB为各自的分子量 WA WB MAnA MBnB MAPA MBPB可见 两种组分在馏出液中的质量之比等于它们各自的蒸气压和分子量之积的比 例如 溴苯在常压下的沸点为156 水的沸点为100 在95 5 时 水的蒸气压力为86112Pa 646mmHg 溴苯的蒸气压为15196Pa 114mmHg 用水蒸气蒸馏溴苯时 混合物在95 5 开始沸腾 蒸馏液中的物质之比为 W水 W溴苯 18 646 157 114 6 5 10每蒸出6 5g水 应蒸出10g溴苯 蒸馏液中含溴代苯61 实际值比此值小 原因是蒸气进入蒸馏瓶中还来不及被蒸馏物混合 就有部分就离开了蒸馏瓶 通常采用的有三种方法 即水蒸汽蒸馏法 直接水蒸汽蒸馏法及过热水蒸汽蒸馏法 该法在此处不做介绍 水蒸汽蒸馏法由水蒸汽发生器和蒸馏装置组成 2 装置 图2 9水蒸气蒸馏装置图 A 水蒸气发生器B 蒸汽出口C 安全管D 汽水分离器E 螺旋夹F 蒸汽导入管G 园底烧瓶H 冷凝管 装置 图2 9 问题 安全管起什么作用 蒸馏瓶内液体不超过其容积多少 在水蒸气发生器与蒸馏瓶间有一个三通T形管 它的作用 3 操作 开始蒸馏 装置 包括装水 加样 打开三通T E 形管 加热蒸气发生器至沸腾 夹紧E夹 通入水蒸汽至物料沸腾 通入冷凝 收集馏液 结束or中断蒸馏 必须先打开T形管下的夹子 再停止加热 油水分离 被蒸出物在分液漏斗内静置 油水分离 注意 发现安全管中水位迅速升高 则表示系统发生了堵塞或冷凝水未打开加热又太快所致 直接水蒸汽蒸馏法混合液具有低沸点 低粘度或含有不是很细的固体时 可采用直接法进行水蒸汽蒸馏 分液漏斗用于补充水液 一般滴加水的速度与馏出的速度大体相近 注意事项 当有机物的熔点较高 会在冷凝管内结晶析出 从而阻塞冷凝管 此时需暂停冷凝水 固体逐渐熔化后并流入收集瓶后 再缓缓通入冷水 图2 10直接水蒸气蒸馏法装置 作业 思考题 用相图说明具有最高或最低共沸点的双组分混合物蒸馏和分馏时 混合物的馏出物成分及温度怎么变化 减压蒸馏中通导毛细管起什么作用 可否用沸石代替 有什么替代办法 第三章萃取分离与逆流分配 萃取原理萃取操作逆流分配双水相萃取超临界流体萃取 3 1萃取原理 1 原理 利用物质在互不相溶的两相中溶解度或分配系数的不同达到提取 分离及纯化的 即 萃取是通过溶质在两相的溶解竞争而实现的 分配定律 在一定温度下 此有机化合物在有机相和水相的浓度之比为一常数 分配定律数学表达式 CA CB K 溶解度之比 一般地 有机物在有机溶剂中的溶解度比在水中的大 所以较易将它们从水溶液中萃取出来 其中 K 为常数 又叫分配系数 CA CB 有机物在两液相A B中的浓度 2 萃取效率 使用一定量的有机溶剂去萃取一定量的水溶液中的有机物质 应该采取 少量多次 的方法 这样既节省溶剂 又可以实现高的萃取率 利用分配定律可以定量地说明萃取次数 溶剂量与萃取后剩余物之间的关系 即 可以看出 结论 用XmL萃取剂来萃取 则应将其中分成几份 多萃取几次 效果会比一次萃取好得多 即遵循 少量多次 的原则 n越大 Wn越小 例题 在100mL水溶液中含有4克正丁酸 若用100mL苯来萃取正丁酸 已知15 时正丁酸和水中的分配系数K 3 操作如果在15 进行 计算 100mL苯作1次萃取后 在水中的正丁酸的量及萃取效率 100mL苯作3次萃取后 在水中的正丁酸的量及萃取效率 解 代入公式 W1 4 100 3 100 100 1 0g E1 75 W3 0 5gE3 87 5 可见 少量多次 萃取效率高 但过多次数没必要 3 2萃取操作 萃取方法 人工手摇法机械振荡法机械搅拌法超声搅拌法连续萃取法 3 2 1液体中物质的萃取 液 液萃取 1 实验室常用仪器 分液漏斗 有球形和长梨形两种 2 常见操作过程 用有机溶剂从水溶液中萃取有机物 用水从有机溶液中萃取水溶液 3 操作步骤 见下页图 分液漏斗检漏 装样液与萃取剂 充分摇动 注意放气 静置分层 分离 注 一般操作3 5次 图3 1液 液萃取操作 4 对有机萃取剂的要求 与水不溶且易分层 被萃取物在其中溶解度大 萃取剂与被萃取物不发生反应 且易分离 一般使用低沸点溶剂 图3 2常用溶剂的互溶性 不互溶 互溶 5 应用 例子 液 液萃取在有机工业中的应用 3 2 2固体中物质的萃取 浸取 1 浸取过程 机理 在浸取过程中 干燥的固体首先吸收溶剂 溶剂则进入固体的小孔或细胞内 溶质成分就在其中扩散 直到相平衡 即 固 液传质过程 浸取过程中的相平衡可用分配系数衡量 D m 液 m 固 m 液 m 固 分别表示溶质在液相和饱和固相中的浓度 其单位 Kg m3 则D值一般保持不变 常见有机物质浸取过程 溶剂的选择 食品工业 水 酸 无毒的盐水溶液 己烷 乙醇 二氯甲烷 丙酮等 植物油的浸取 己烷 醇类 醇 水混合液制药与化工工业 溶剂范围广 因为治疗效果比溶剂可能导致的副作用重要得多 注 超临界的萃取可用于食品和生物物质的浸出 2 方法 冷浸法 最方便的方法在天然产物研究中常称为提取 萃取之前 固体材料一般均需要粉碎至20目左右 用新鲜溶剂室温反复浸泡3次 每次溶剂用量为材料的5倍左右 每次12 24h或数天 缺点 溶剂用量大 萃取效率低 浓缩工作量大 如用水萃取还需防止发霉变质 适用范围 富含淀粉 树胶 粘液质和果胶等成分的材料以及不宜采用热提取法的物料 渗漉法 优点 在各部分始终维持了一个被萃物料与萃取液之间被萃物的浓度差 效果比 好 常用的仪器 渗滤筒 分液漏斗 粗色谱柱等 操作步骤 粉碎 润湿 拌匀 静置 30min 装料 压实 添加溶剂 静置 6h 渗漉注意事项 流速 随物料的多少而定 如100g料 可控制1mL min 1 终点判定 颜色或体积 10倍 图3 3渗漉装置 加热回流萃取法 适宜于实验室和工业生产 一般需要加上搅拌 工业上多用蒸气加热 实验室多用水浴加热 但不适宜于热敏性物质的提取 连续加热萃取法 实验室多用索氏提取器 也称索氏提取法 索氏提取器是利用溶剂回流后流过固体样品的滤纸套 样品不断地被新冷凝下来的纯溶剂萃取 溶剂 回流 冷凝 萃取 虹吸入烧瓶 蒸发 回流 周而复始 被萃取的物质浓集在烧瓶内 优点 提取效率高 省溶剂 a 较轻溶剂萃取较 b 较重溶剂萃取较轻 c 兼具 a 和 b d 脂肪提取器重溶液中物质溶液中的物质图3 4连续萃取装置 超声波提取 适宜于实验室和工业生产 小量提取可利用实验室的超声波清洗器进行 一般物料比控制在5 1 9 1之间 提取温度控制在30 40 提取次数为2 3次 工业提取可采用专用的超声波提取机进行 超声功率一般为1600 2000W 提取时间为30min 该法提取效率极高 对于热敏性物质尤为合适 超临界提取 后面讨论 图3 5超声波提取机 3 2 3萃取液的浓缩 实验室常用的浓缩方法是蒸馏 普通蒸馏和减压蒸馏 和真空旋转薄膜蒸发 真空旋转薄膜蒸发器 下页图 由旋转蒸发烧瓶 可调速的驱动马达 加热恒温装置 高效冷凝器 溶剂收集瓶组成 图3 6旋转薄膜蒸发器 3 3逆流分配 2 实质 连续的多次萃取 1 概念 利用混合物中各组分在两种互不相溶的液相间分配系数的差别 在两液相互相逆流中不断地进行萃取 使物质实现分离的方法 3 原理 见下页图 4 用途 能解决一般方法所不能解决的困难问题 如分离性质很近似的同系物or同分异构体 图3 8逆流分溶各管中溶质的分布曲线 图3 7逆流分溶操作示意图 例子 设 含等量A B两成分混合物中其分配系数在同样的两个互不相溶的溶剂内分别为0 707及1 414 所用二溶剂体积相等 在作了100次移置后 A及B的理论分布如下图 由图知 第44至56容器为A B未能完全分离 由22至43容器含纯A 由57至75号容器含纯B 每成分可有93 分离为纯度很高化合物 再增加移置数 A及B便可完全分开 图3 9二成分混合物的100次移置分布 例如 柴胡里含有多种皂甙 七个a b1 b2 b3 b4 c d 结构上差异小 一般分离方法难分纯 尤其是柴胡皂甙a和d在C16位的 OH构型不同 在薄层上的Rf非常接近 采用液滴逆流分配法可成功分离 多效分配的结果 两化合物的分配系数差别越大 其混合物越容易分离 应用液滴分配法曾满意地分离纯化多种成分 如 皂甙 生物碱 酸性化合物 蛋白质 多肽 氨基酸类等 3 4双水相萃取 1 原理 例子 将2 2 质量分数 的葡聚糖水溶液与等体积的0 72 的甲基纤维素的水溶液相混并静置后 可以得到两个粘稠的液层 下层含有大部分葡聚糖 上层含有大部分甲基纤维素 两层的主要成分是水 图3 10等体积的2 2 葡聚糖与0 72 甲基纤维素的水溶液所形成的双水相 双水相萃取原理 绝大多数天然的或合成的亲水性聚合物的水溶液在与第二种亲水性聚合物混合并达到一定浓度时 就会产生两相 两种高聚物分别溶于互不相溶的两相中 即 高聚物 高聚物双水相体系某些聚合物溶液与这一些无机盐溶液相混时 在一定的浓度范围内也会形成两相 即 高聚物 无机盐双水相体系这两种双水相体系中 各相的含水量都很大 一些生物活性物质 特别象酶 蛋白质和核酸这样的生物大分子在两相中有不同的分配 从而可用双水相萃取来实现它们的提取和分离 常用的聚合物 聚乙二醇 葡聚糖 聚乙烯醇 常用的无机盐 磷酸盐 硫酸铵 2 影响溶质在双水相体系中分配平衡的因素 聚合物平均分子量的影响 例如 聚乙二醇分子量越低 成相的临界浓度 与盐溶液组成两相的临界浓度 越高 组成体系需要的聚乙二醇越多 但分子量太大 聚合物溶解度下降 不利于使用 聚合物浓度的影响 在一定浓度下 如在10 25 的聚乙二醇中 蛋白质在聚合物相的分配随聚合物浓度的增大而增大 达到一个最大值后 聚合物浓度再增大 蛋白质在聚合物相的分配反而减小 盐的种类及浓度 盐的种类既影响分配平衡 对蛋白质稳定性有不同影响 如 盐酸胍 尿素加入后会使蛋白质失活 盐浓度的影响与 类似 pH值 不仅影响分配系数 而且影响蛋白质和酶的稳定 因此在溶质是蛋白质和酶的双水相萃取中 pH值的选择以考虑溶质的稳定性为主 离子强度 增加离子强度有利于相分离 3 应用 适合于分离提取有生物活性的大分子 直接从含菌体的发酵液和培养液中提取目标产品 优点 使活性物质不失活 操作及设备简单 无毒 分离规模大 不足 理论和实用方面有待进一步研究 实例 3 5超临界流体萃取技术 概念 利用超临界流体作为萃取剂 从液体和固体中提出某种高沸点的成分 以达到分离或提纯目的 3 5 1超临界流体 SCF 的性质 超临界流体 是处于临界温度和压力以上的流体 在这种条件下 流体即使处于很高的压力下 也不会凝缩为液体 图3 11CO2的P T相图 例如 CO2的P T相图 某些超临界萃取剂的临界参数 1 传递性质 性质 超临界流体的密度与液体相近 黏度与普通气体相近 自扩散系数也远大于一般液体 表明 与一般液体溶剂相比 在超临界流体中 可更快地进行传质 在短时间内达到分配平衡 从而高效地进行分离 尤其是对固体物质中的某些成分进行提取时 由于溶剂的扩散系数大 黏度小 渗透性能好 所以可以简化固体粉碎的预处理过程 2 溶解性能 与一般熔媒相比 SCF具有十分独特的物理化学性质 对某些物质具有异乎寻常的溶解能力 SCF对液体 固体的溶解度与液体接近 温度和压力的变化会大大改变超临界流体的溶解能力 例如 图3 12萘在CO2中溶解度与压力的关系图 图3 13萘在CO2中溶解度与温度的关系图 由图看出 萘在CO2中溶解度随着压力上升而急剧上升 温度对萘在CO2中溶解度也有很大的影响 当压力 150 105Pa时 随温度的升高 萘溶解度逐渐加大 当压力减小 150 105Pa 时 则温度升高时 溶解度却急剧下降 溶剂CO2的密度急剧减小的缘故 3 5 2基本原理 超临界流体萃取 是气体溶剂于低温 高压的高密度条件下 萃取所需的有效成分 然后采取恒压升温 或恒温降压或降压又升温 的方法 可将溶剂与所萃取的有效成分分离 它兼利用蒸汽压和溶解度之间的差异 又称Distraction 即具备精馏和萃取两者混合的分离方法 3 5 3主要的临界萃取剂二氧化碳 乙烷 乙烯 丙烷 丙烯 苯 氨 3 5 4提高溶剂选择性的基本原则 对工艺要求 1 操作温度与超临界流体的临界温度相近 2 超临界流体的化学性质与被萃取的化学性质相近 3 5 5应用 1 从石油残渣油中回收油品 2 从咖啡中提炼咖啡因 3 从啤酒花中提取有效成分 4 从大豆中提取豆油 5 从烟草中提取尼古丁 6 从动植物体中提取有用成分 3 5 6超临界流体萃取优点 1 所得产物无残留毒性 2 能量消耗非常少 不足 超临界流体萃取发展处于初级阶段 所需高压系统给它的大规模应用带来一定的困难 思考题 1 萃取与双水相萃取的原理有什么异同 为什么双水相萃取不会引起生物物质失活 2 索氏提取器的工作原理 3 超临界流体萃取中流体指什么 二氧化碳萃取的优点 第四章结晶分离及升华技术 4 1沉淀法及盐析法4 2重结晶4 3多步结晶4 4升华 4 1沉淀分离法及盐析法 沉淀法 在试样中加入沉淀剂或改变pH值 使所需的组分溶解度减小或者与沉淀剂形成不溶物而沉淀出来的办法 沉淀过程从任何均相流体中析出固体物质的过程 沉淀过程发生的必要条件溶液体系对某种溶质是过饱和的 使溶质达到过饱和的方法 冷却法 蒸发法 溶剂转化法 盐析法 反应沉淀分离法 4 1 1重金属盐沉淀法 铅盐沉淀法 1 原理 利用中性醋酸铅或碱式醋酸铅在水或稀的醇溶液中能与许多物质生成难溶的铅盐或络盐而得到分离 中性醋酸铅可以沉淀 有机酸 蛋白质 氨基酸 鞣质 酸性皂甙 树脂及部分黄酮甙等酸性或酚类物质 碱式醋酸铅沉淀 上述所有 甙类 糖类及一些生物碱等碱性物质 例如 具有二羟基结构的黄酮利用铅盐沉淀分离 在中药的乙醇或甲醇提取液中加入饱和的中性乙酸铅水溶液 可使具有邻二酚羟基或羧基的黄酮类化合物沉淀析出 此 悬浮于乙醇中 通入H2S进行复分解 滤除硫化铅沉淀 滤液中可得黄酮类化合物 2 一个试样可以依次用中性醋酸铅 碱性醋酸铅将试液的组分分成三部分 3 脱铅方法 通H2S气体 使沉淀转化为溶解度更小的PbS 加入强酸性阳离子交换树脂 使铅离子转移到树脂上 加入磷酸或稀硫酸 使沉淀转化为Ksp小的PbSO4 orPb3 PO4 4 1 2试剂沉淀法 加入某些特殊的试剂使目标物质沉淀出来 有机物中含 鞣质 用明胶或蛋白质将其沉淀出来 胰岛素 用Zn离子将其沉淀出来 二者形成复合物 生物碱 用某些沉淀试剂 使其生成不溶性复盐而 出来 蛋白质 调节pH PI 等电点 使其 出来 橙皮甙 芦丁 黄苓甙 甘草皂甙 加酸可以使其 出来 洋地黄皂甙 加甾体皂甙形成难溶的分子复合物 再分离 分解 还原 4 1 3盐析法 1 原理 在有机物的水溶液中加入大量的无机盐 会使有机物溶解度减小而沉淀出来 2 特点 不会破坏蛋白质 肽 酶等生物活性 处理量大 操作方便 3 盐的种类 盐析性盐 能使蛋白质水溶性减小的盐 常用的有 Na2SO4 KH2PO4 Na2HPO4 NH4 2SO4 KOAC NaOAc NaCl 盐溶性盐 使蛋白质的溶解度反而增大 常用的有 盐酸胍 脲 硫氰酸盐等 它们的加入还会破坏蛋白质的活性 4 盐析性盐加入蛋白质水溶液中会产生两种影响 使蛋白质溶解度增大 因为 盐的离子与蛋白质的亲水基团 OH COOH NH2 作用 降低蛋白质的活度系数 使蛋白质溶解度减小 因为 盐会破坏蛋白质表面水化膜 使蛋白质的疏水基团 ph CH3 CHn C C 之间疏水力增加 即蛋白质之间疏水力增大 盐浓度 离子强度 与蛋白质溶解度的关系怎样衡量 蛋白质溶解度与离子强度的关系 lgs lgso ks I式中 s为某离子强度下蛋白质的溶解度 so为I 0时蛋白质的溶解度 ks是盐析系数 它与蛋白质有关 还与盐的种类 pH值及温度有关 I是离子强度 I MZ2 2 M是离子摩尔数 Z是对应离子的价数 例如 提取麻黄碱 苦参碱 向其中加入NaCl溶液 让其溶解度减小 以提高有机溶剂萃取率 4 1 4有机溶剂沉淀法 1 原理 样品为少量的浓溶液 溶剂为A 加入大量与A相溶而与溶质不溶或微溶的有机溶剂B 溶质的溶解度在有机溶剂A中减小而析出 条件 有机溶剂B与A必须有互溶性 样品在有机溶剂B中微溶或不溶 2 溶剂的选择 溶质在水 A 中溶解度大 在有机溶剂 B 中不溶 溶剂 B 与水 A 互溶 溶剂与提取物无化学作用 无毒性 价廉 3 应用 例子 高分子材料中 高聚物 与 添加剂 分离 4 缺点 选择性不强 消耗大量溶剂 4 2重结晶目的 纯化固体目标物 4 2 1基本原理 利用在一定溶剂中各种组分溶解度的不同和有机物在加热 冷却时溶解度大 小不同的性质来除去少量杂质的方法 即 注意 杂质溶解度越大 被提纯物在加热和常温下溶解度差别越大则重结晶的回收率越高 4 2 2溶剂的选择 重结晶的关键 1 理想的溶剂应符合下列条件 不与被提纯物质起反应 样品中被提纯的组分在该溶剂中加热时溶解度大而常温下溶解度小 这两者之差越大越好 杂质在溶剂中溶解度大 可以留在母液中 不会结晶出来 或者溶解度极小 很难溶于热溶剂中而过滤除去 溶剂容易挥发 使结晶容易干燥 被重结晶的有机物可以得到好的晶体 2 溶剂的选择粗选 经验和 相似相溶 规则表4 1重结晶常用溶剂 精选 试管实验筛选法 方法如下页 判断标准 只有当溶剂的量在2 3mL内 试样能全溶于沸腾的溶剂中 而在冷却后有较多的结晶析出者 方可作为结晶的候选溶剂 通常要做出几种溶剂试验 相互比较 选出结晶速度适当 产率高者 作为最佳溶剂 没有合适的单一溶剂 可使用混合溶剂 混合溶剂筛选方法 选用两种互溶的溶剂 其中一种必须对样品是易溶的 另一种则是难溶或不溶的 将少量的样品溶于易溶的溶剂中 然后向其中逐渐加入已预热的难溶溶剂 至溶液刚好出现混浊为止 再滴加1 2滴易溶溶剂 使混浊消失 冷却 结晶析出 则这种溶剂适用 纪录两种溶剂的体积比 实际操作时 可按上述程序进行 也可按比例配制好后使用 4 2 3操作技术 工作程序 热饱和溶液配制 热过滤 冷却析晶 减压抽滤 晶体洗涤 干燥 目标物 1 溶解 加入溶剂要适量 一般所加的溶剂比被结晶物制成饱和溶液多20 左右 热饱和溶液配制 将待结晶的物质和略少于需要量的溶剂置于烧瓶或锥形瓶中 装上冷凝器 加热至沸腾 若未完全溶解时 可补加少量溶剂 直至沸腾时能够完全溶解为止 但要注意判断是否有杂质存在 以免加入溶剂过量 注意事项 一般溶剂的量是按饱和溶液的需要量多加20 这是一个参考值 在实际工作中 主要由实验确定 溶液中的颜色或树脂状悬浮物可通过加入1 5 的活性碳进行脱色 活性碳的量不宜过多 且必须在样品溶解完全后 等溶液稍冷之后再加入 此后 再加热5 10min 使用易燃 有毒溶剂时 应注意装上冷凝器和避免使用明火加热 2 热过滤 为除去固体杂质或为脱有色杂质的颜色而加入的活性C 一定要趁热过滤 其技术 热过滤 要求尽可能在较短时间内和溶液保温下完成 利用折叠滤纸和预热的普通漏斗进行的重力过滤法 漏斗预热方法有两种 沸腾溶剂直接预热 适用于水溶剂 装置如图4 1 用保温热水漏斗套保温过滤 适用于所有溶剂 装置及加热方法如图 保温漏斗夹层中的水量一般为2 3 过滤前应预先将其加热到所需要的温度 然后熄灭火源即可起到保温过滤作用 滤纸折叠方法 折叠滤纸可提高过滤速度 扇形滤纸是其中常用的一种 其折叠方法如下图 使用前将滤纸内外翻转即可 图4 1常压热过滤和减压过滤装置 图4 2扇形滤纸的折叠方法 3 结晶 滤液在放置冷却过程中 溶质的溶解度随母液的温度降低而减小 会有结晶逐渐析出 其技术 析晶 有自然冷却法和强制冷却法两种 自然冷却法 室温冷却法析晶较慢 效果较好 强制冷却法 快速冷却法析晶较快 若搅拌会使结晶颗粒较细 其表面常会吸附杂质 但结晶速度过慢 将导致晶体颗粒过大 结晶中会包藏有溶液和杂质 诱导结晶的方法 玻棒擦壁 晶种法 4 减压过滤与干燥 减压过滤 母液与结晶分离 洗涤 晶体表面的母液和杂质 要用重结晶的溶剂洗 干燥 抽滤得到的结晶总附有少量溶剂 其方法 固液分离和结晶洗涤固液分离 用减压抽滤法完成 瓶中残留结晶的转移可用少量母液反复冲洗完成 将晶体尽量抽干 必要时可用玻璃塞或镍刮刀挤压晶体 洗涤 停止抽气 滴加少量的洗涤液润湿晶体表面 再抽干 依次反复2 3次 如果结晶较多且又紧密时 可在加入洗涤液后 用镍刮刀将结晶轻轻掀起并加以搅动 使全部结晶湿润 最后用刮刀将结晶移至干净的表面皿上进行干燥 减压抽滤技术 使用的是布氏漏斗 Buchner 筛板上的滤纸大小应和布氏漏斗底部恰好合适 抽滤前用溶剂润湿滤纸并与漏斗底部贴紧 在过滤过程中漏斗里应一直保持有较多的溶液 在未过滤完以前不要抽干 同时注意调节真空度以防止由于压力过低而导致溶液沸腾 方法是用手稍稍捏住抽气管 使吸滤瓶中仍保持一定的真空度 而能继续迅速抽滤 4 3多步结晶 当某个待纯化的样品中含有两个以上的成分 难以用简单的重结晶法得到纯组分时 可以用分步结晶法来完成纯化工作 4 4升华技术 目的 分离易挥发且热稳定的固体物质 是一种纯化固体有机物的方法之一 条件 固体物质必须在其熔点之下具有相当高蒸气压 1 基本原理 物质从固态不经过液态而直接转变为蒸气 然后物质的蒸气不经过液态又直接转变为固态的过程 即 固体 气体 固体 物质的三相平衡图 当物质处于一定温度和压力时 其固 液 气三相处于平衡状态 该条件称为物质的三相点 一般说来 不同的物质具有不同的三相点 P T Liquid Solid Gas 图4 3物质的三相平衡图 图4 4常压升华装置图4 5减压升华装置 2 装置及操作 常压升华 减压升华 3 常用升华法分离的物质 升华法只适用于纯化那些在不太高温度下又足够蒸气压 高于20mmHg 的固体物质 下表列出了一些固体化合物在熔点时的蒸气压 注意事项 升华操作的关键是加热速度不能太快 否则蒸气压会超过三相点的压力 物质将会由固体直接转变为液体 导致升华失败 冷却面与升华物质的距离尽可能近些 因升华发生在固体物质的表面 所以应将待升华物质预先研细 图 a 中 在蒸发皿和漏斗连接处需盖一张钻有许多小孔的滤纸 漏斗的颈部应提前用玻璃丝或棉花堵塞 减少蒸气外逸 必要时可在漏斗外用湿滤纸或湿布冷却 在常压下虽具有一定蒸气压 但不易升华的化合物 可采用减压升华 如苯甲酸 如果量较多时 可采用 b 装置进行 思考题 1为了让物质从溶液中变成固体析出 有哪些办法 2重结晶操作时若使用有机溶剂 其装置 溶剂的选择 重结晶操作的要点 3为了溶液中的有机物变成固体析出 有哪些办法 各是什么 第五章常见色谱分离技术 绪论薄层色谱法纸色谱经典柱液相色谱法及干柱层析 5 1绪论 5 1 1色谱发展史及进展 1 色谱法的出现1903年俄国植物学家Tswett 茨维特 把干燥的碳酸钙粉末装到一根细长的玻璃管中 然后把植物叶子的石油醚萃取物倒到管中的碳酸钙上 萃取液中的色素就吸附在管内上部的碳酸钙里 再用纯净的石油醚洗脱被吸附的色素 于是在管内的碳酸钙上形成了色带 当时Tswett把这种色带叫作 色谱 Chromatography 在这一方法中把色谱管叫作 色谱柱 碳酸钙叫作 固定相 纯净的石油醚叫作 流动相 2 色谱法的发展 在Tswett提出色谱概念后的20多年里没有人关注这一伟大的发明 1931年 德国的Kuhn和Lederer在Tswett实验的基础上用氧化铝和碳酸钙分离了 和 胡萝卜素 此后用这种方法分离了60多种这类色素 1940年 Martin和Synge提出液 液分配色谱法 Liquid LiquidPartionChromatography 即固定相是吸附在硅胶上的水 流动相是某中有机溶剂 1941年Martin和Synge提出用气体代替液体流动相的可能性 1952年James和Martin发表了从理论到实践比较完整的气液色谱方法 Gas LiquidChromatography 因而获得了1952年的诺贝尔化学奖 1957年Golay开创了开管柱气相色谱法 Open TubularColumnChromatography 习惯上称为毛细管气相色谱法 CapillaryColumnChromatography 1956年VanDeemter等在前人研究的基础上发展了描述色谱过程的速率理论 1965年Giddings总结和发展了前人的色谱理论 为色谱的发展奠定了理论基础 1944年Consden等就发展了纸色谱 1949年Macllean等在氧化铝中加入淀粉粘合计制作薄层板使薄层色谱 TLC 得以实际应用 而在1956年Stahl开发出薄层色谱板涂布器之后 才使TLC得到广泛地应用 20世纪60年代末 把高压泵和化学键合固定相用于液相色谱 出现了高效液相色谱 HighPerformanceLiquidChromatography 20世纪80年代初毛细管超临界流体色谱得到发展 但在90年代后未得到较广泛应用 20世纪80年代初由Jorgenson等集前人经验而发展起来的毛细管电泳 在90年代得到广泛的发展和应用 同时集高效液相色谱和毛细管电泳优点的毛细管电色谱在90年代后期受到重视 21世纪色谱科学将在生命科学等前沿科学领域发挥他不可替代的重要作用 包括两相 即固定相 移动相 和样品 固定相在色谱过程中不发生移动 材料 固体 相 固体及其所支持的液体 流动相在色谱过程中不停地移动 并带动被分离物质一起移动 材料 气体 液体 样品溶质 5 1 2色谱体系 色谱法的基本原理 色谱法是包括一大类操作方式不同 但分离原理相同的一门技术 不论采用何种方法或设备 其色谱过程有着如下共同点 1 任何色谱过程 都必须有两相物质存在 一为固定相 一为流动相 2 物质的分离还必须借助于流动相相对于固定相移动 3 被分离的物质称为溶质 由于各种溶质组分与两相物质有着不同作用力 从而造成各组分产生差速运动而达到分离目的 溶质与两相物质之间作用力可以为吸附力 也可以为溶解力 由于此种力之不同 决定了各个组分在两相中有着不同量或浓度的分布 随着流动相的前移 则此种分布不断变更 最终与流动相作用力大的组分前移快 反之则慢 下图为一二元组分分离示意图 下图为一二元组分分离示意图 分离原理 在色谱分析中 当流动相携带样品通过色谱的固定相时 样品分子与固定相分子之间发生相互作用 使样品分子在流动相和固定相之间进行分配 与固定相分子作用越大的组分向前移动速度越慢 与固定相分子作用越小的组分向前移动速度越快 经过一定的距离后 由于反复多次的分配 使原本性质 沸点 极性等 差异很小的组分之间可得到很好的分离 5 1 3色谱法的分类 依据不同 分发不同 1 按两相的状态分类 开床式色谱 纸色谱 利用滤纸作固定相的支持物 把试样点在滤纸上 用溶剂将其展开而进行分离 薄层色谱 用粉末吸附剂 压成或涂成薄层 然后用类似纸色谱的操作进行分离 2 按分离 床 的几何形状分类 柱色谱 3 按分离原理分类 吸附色谱 利用吸附剂表面对不同组分具有的不同吸附能 达到分离目的 分配色谱 利用不同组分在给定的两相中具有不同的分配系数而使混合物实现分离与测定的方法 离子交换色谱 以带固定电荷的离子交换剂作固定相 用于分离带相反电荷的物质 由于不同物质带电情况不同而对固定相有不同的静电力而进行分离 凝胶色谱 又叫体积排阳色谱 分子筛色谱 以多孔的固体凝胶作固定相 分子大小不同的物质因进入固定相孔内的程度不同而达到分离的目的 亲合色谱 根据固定相上键合的特殊配体对某种生物大分子有专一性吸附而除去其他杂质 使生物大分子得以分离 4 按使用领域不同对色谱的分类 分析型色谱 主要用于各种样品的分析 其特点是色谱柱较细 分析的样品量少 制备型色谱 又可分为实验室用制备型色谱和工业用大型制造纯物质的制备色谱 5 2薄层色谱法 薄层色谱法 Thin LayerChromatography 简称TLC 定义 是一种把固体分离材料铺在一个固体薄片上形成薄层 通过移动相流经薄片上附着的吸附剂 带动试样逐渐上升 展开 由于混合物组分对固定相 移动相相对吸附能力的不同而将其加以分离的方法分类 薄层色谱法可以有多种形式 如吸附色谱 分配色谱 离子交换色谱等 而应用最广泛的是吸附薄层色谱 所以在这里只讨论它 5 2 1基本原理 基本概念 吸附 溶质分子随流动相之流动 会贴在固定相表面上 这就是吸附 物理吸附 吸附作用力为分子间的一般作用力 即范德华力 没有化学键的生成与破坏 因之物理吸附具有普遍性 无选择性 吸附速度快而可逆 同时吸附热较小 5 10千卡 摩尔 被吸附分子不限于单层 实际上可以是多层 化学吸附 吸附作用力类似化学键力 即电子的转移或电子共用等 由于被吸附分子与吸附剂分子间有成键的可能 所以有选择性 吸附速度较慢 需要在高温下才能发生 不易解析 吸附热较大 10 100千卡 摩尔 被吸附分子一般是