精细有机合成与工艺(第11章)第11章反应过程的实现与操作

第三篇工业及实验室合成制备典型操作,第11章反应过程的实现与操作,11.1实验室中的反应的跟踪,一个反应正确的反应时间、温度、试剂配比均需通过对反应过程详细而合适的跟踪才可以确定，这对进行未报道的新反应或新化合物的合成尤为重要。,通常的方法有：薄板层析法（TLC）,气相色谱法；液相色谱法；质谱法；核磁共振法；。,一、纸层析和薄层层析分离过程二、操作技术三、特点及应用,1.纸层析和薄层层析法,一、纸层析和薄层层析分离过程,纸层析和薄层层析也属于色谱分析法。但与其它色谱方法不同的是在分离过程中一般不使用动力源。,纸层析和薄层层析流动相的移动是依靠毛细作用。将试样点在色谱滤纸或层析板的一端，并将该端浸在作为流动相的溶剂（常称之为展开剂）中，随着溶剂向上的移动，经过试样点时，带动试样向上运动。,二、操作技术,1.层析纸和层析板特制的色层滤纸。按需要剪裁成长条形（或筒型）。层析板是用专门的涂布器把浆状的吸附剂（硅胶或氧化铝，200250目）均匀地涂在长条形玻璃板上（厚度0.150.5mm）。干燥后即可使用。,2.展开剂,由一种或多种溶剂按一定比例组成。如用纸层析分离氨基酸时，常用的展开剂组成和配比为：正丁醇：乙酸：水=4：1：1。,3.点样,用微量注射器或玻璃毛细管吸取一定量试样点在原点上。试样点的直径一般应小于5mm。可并排点多个试样同时展开。,4.显色、检测,有些组份在紫外光照射下产生荧光，可在紫外灯下用铅笔将组份斑点描绘出来。常用的显色方法有喷洒显色剂、碘蒸气熏或氨水熏等。,三、特点及应用,平板色谱简单、方便、及操作费用低，可以在一块层析板上同时展开多个试样及将多条滤纸同时展开。采用方形薄层板还可以方便的进行二维展开，即按一般方法展开后，改变方向和展开剂再次展开，进一步改善分离效果。试样一般不需要经过预处理即可分离。,缺点:,缺点：分离效率较低，不适用挥发性试样分离。定性定量不便。应用：平板色谱法在染料、农药、医药、有机酸碱类化合物、糖类化合物、氨基酸、蛋白质及中草药中有效成分的分离分析中经常被使用。也可以用于无机离子的分离。还经常作为高效液相色谱的一种预试方法。,Example:,一、高效液相色谱法的特点二、流程及主要部件三、影响分离的因素四、高效液相色谱法的主要分离类型,2.高效液相色谱法,液相色谱仪（1）,液相色谱仪（2）,液相色谱仪（3）,液相色谱仪（4）,一、高效液相色谱法的特点,特点：高压、高效、高速高沸点、热不稳定有机及生化试样的高效分离分析方法。,二、流程及主要部件,1.流程,2.主要部件,(1)高压输液泵主要部件之一，压力：150350105Pa。为了获得高柱效而使用粒度很小的固定相（10m），液体的流动相高速通过时，将产生很高的压力，因此高压、高速是高效液相色谱的特点之一。应具有压力平稳、脉冲小、流量稳定可调、耐腐蚀等特性,(2)梯度淋洗装置,外梯度:利用两台高压输液泵，将两种不同极性的溶剂按一定的比例送入梯度混合室，混合后进入色谱柱。,内梯度:一台高压泵,通过比例调节阀,将两种或多种不同极性的溶剂按一定的比例抽入高压泵中混合。,(3)进样装置,流路中为高压力工作状态，通常使用耐高压的六通阀进样装置，其结构如图所示：,(4)高效分离柱,柱体为直型不锈钢管，内径16mm，柱长540cm。发展趋势是减小填料粒度和柱径以提高柱效。,(5)高效液相色谱检测器,紫外光度检测器（UV）：最小检测量10-9gmL-1，对流量和温度的波动不敏感，可用于梯度洗脱。最常用的检测器。,光电二极管阵列检测器,光电二极管阵列检测器：1024个二极管阵列，各检测特定波长，计算机快速处理，三维立体谱图，如图所示。,三、影响分离的因素,在高效液相色谱中,速率方程中的分子扩散项B/U较小，可以忽略不计，而只有两项，即：H=A+Cu故液相色谱H-u曲线与气相色谱的形状不同，如图所示：,影响分离的主要因素有流动相的流量、性质和极性。,1.影响分离的因素流速,流速大于0.5cm/s时,Hu曲线是一段斜率不大的直线。降低流速，柱效提高不是很大。但在实际操作中，流量仍是一个调整分离度和出峰时间的重要可选择参数。,2.固定相及分离柱,气相色谱中的固定液原则上都可以用于液相色谱，其选用原则与气相色谱一样。选择合适的固定相，降低填料粒度可显著提高柱效，但在高效液相色谱中，分离柱的制备是一项技术要求非常高的工作，一般很少自行制备。选择短柱、细内径提高分析速度；研制高效柱填料是一活跃领域。,3.流动相及流动相的极性,（1）可显著改变组分分离状况的流动相选择在液相色谱中显得特别重要。液相色谱的流动相又称为：淋洗液，洗脱剂。（2）亲水性固定液常采用疏水性流动相，即流动相的极性小于固定相的极性，称为正相液液色谱法，极性柱也称正相柱。（3）若流动相的极性大于固定液的极性，则称为反相液液色谱，非极性柱也称为反相柱。组分在两种类型分离柱上的出峰顺序相反。,流动相组成,流动相按组成不同可分为单组分和多组分；按极性可分为极性、弱极性、非极性；按使用方式有固定组成淋洗和梯度淋洗。常用溶剂:己烷、四氯化碳、甲苯、乙酸乙酯、乙醇、乙腈、水。采用二元或多元组合溶剂作为流动相可以灵活调节流动相的极性或增加选择性，以改进分离或调整出峰时间。,选择流动相时应注意的几个问题：,（1）尽量使用高纯度试剂作流动相，防止微量杂质长期累积损坏色谱柱和使检测器噪声增加。,（2）避免流动相与固定相发生作用而使柱效下降或损坏柱子。如使固定液溶解流失；酸性溶剂破坏氧化铝固定相等。,（3）试样在流动相中应有适宜的溶解度，防止产生沉淀并在柱中沉积。,（4）流动相同时还应满足检测器的要求。当使用紫外检测器时，流动相不应有紫外吸收。,一、气相色谱仪及其流程二、气相色谱固定相三、气相色谱检测装置1检测器特性2热导检测器3氢火焰离子化检测器4.电子捕获检测器5.具有定性功能的检测器（联用技术）,3.气相色谱,气相色谱仪1,气相色谱仪2,气相色谱仪3,一、气相色谱流程,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；,1.载气系统：包括气源、净化干燥管和载气流速控制;2.进样系统：进样器及气化室；3.色谱柱：填充柱（填充固定相）或毛细管柱（内壁涂有固定液）；4.检测器：可连接各种检测器，以热导检测器或氢火焰检测器最为常见；5.记录系统：放大器、记录仪或数据处理仪；6.温度控制系统：柱室、气化室的温度控制。,二、气相色谱固定相,1气固色谱固定相种类：活性炭：有较大的比表面积，吸附性较强。活性氧化铝：有较大的极性。适用于常温下O2、N2、CO、CH4、C2H6、C2H4等气体的相互分离。CO2能被活性氧化铝强烈吸附而不能用这种固定相进行分析。硅胶：与活性氧化铝大致相同的分离性能，除能分析上述物质外，还能分析CO2、N2O、NO、NO2等，且能够分离臭氧。,气固色谱固定相,分子筛：碱及碱土金属的硅铝酸盐（沸石），多孔性。如3A、4A、5A、10X及13X分子筛等（孔径：埃）。常用5A和13X（常温下分离O2与N2）。除了广泛用于H2、O2、N2、CH4、CO等的分离外，还能够测定He、Ne、Ar、NO、N2O等。高分子多孔微球（GDX系列）：新型的有机合成固定相（苯乙烯与二乙烯苯共聚）。型号：GDX-01、-02、-03等。适用于水、气体及低级醇的分析。,气固色谱固定相的特点,（1）性能与制备和活化条件有很大关系；（2）同一种固定相，不同厂家或不同活化条件，分离效果差异较大；（3）种类有限，能分离的对象不多；（4）使用方便。,2气液色谱固定相,气液色谱固定相固定液+担体（支持体）：固定液在常温下不一定为液体，但在使用温度下一定呈液体状态。固定液的种类繁多，选择余地大，应用范围不断扩大。担体：化学惰性的多孔性固体颗粒，具有较大的比表面积。可以作为担体使用的物质应满足以下条件：比表面积大，孔径分布均匀；化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；颗粒大小均匀、适度。一般常用6080目、80100目。,担体（硅藻土）,红色担体：孔径较小，表孔密集，比表面积较大，机械强度好。适宜分离非极性或弱极性组分的试样。缺点是表面存有活性吸附中心点。白色担体：煅烧前原料中加入了少量助溶剂(碳酸钠)。颗粒疏松，孔径较大。表面积较小，机械强度较差。但吸附性显著减小，适宜分离极性组分的试样。,表5-1填充柱气液色谱担体一览表,固定液,固定液：高沸点难挥发有机化合物，种类繁多。(1)对固定液的要求应对被分离试样中的各组分具有不同的溶解能力，较好的热稳定性，并且不与被分离组分发生不可逆的化学反应。(2)选择的基本原则“相似相溶”，选择与试样性质相近的固定相。,(3)固定液分类方法,如按化学结构、极性、应用等的分类方法。在各种色谱手册中，一般将固定液按有机化合物的分类方法分为：脂肪烃、芳烃、醇、酯、聚酯、胺、聚硅氧烷等，(4)最高最低使用温度高于最高使用温度易分解，温度低呈固体；(5)混合固定相对于复杂的难分离组分通常采用特殊固定液或将两种甚至两种以上配合使用；,(6)固定液的相对极性,规定：角鲨烷（异三十烷）的相对极性为零，氧二丙睛的相对极性为100.,表8-2优选固定液麦氏常数：x、y、z、u、s表示，分别代表了极性分子间存在着的静电力（偶极定向力）；极性与非极性分子间存在着的诱导力；非极性分子间的色散力；氢键等。也可以用五个数的总和来表示固定相的极性大小，如：，氧二丙睛五个常数的总和为4427，是强极性固定相。,三、气相色谱检测装置,色谱仪的关键部件之一，种类较多，原理和结构各异。有的具有广普性，如热导检测器；有的具有高选择性，仅对某类物质有高响应。1检测器特性浓度型检测器：测量的是载气中通过检测器组分浓度瞬间的变化，检测信号值与组分的浓度成正比。质量型检测器：测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，即检测信号值与单位时间内进入检测器组分的质量成正比。,检测器性能评价指标响应值（或灵敏度）S:,在一定范围内，信号E与进入检测器的物质质量m呈线性关系：E=SmS=E/m单位：mV/（mg/cm-3）；（浓度型检测器）mV/（mg/s）；（质量型检测器）S表示单位质量的物质通过检测器时，产生的响应信号的大小。S值越大，检测器（也即色谱仪）的灵敏度也就越高。检测信号通常显示为色谱峰，则响应值也可以由色谱峰面积（A）除以试样质量求得：S=A/m,最低检测限（最小检测量）：,噪声水平决定着能被检测到的浓度（或质量）。,从图中可以看出：如果要把信号从本底噪声中识别出来，则组分的响应值就一定要高于N。检测器响应值为2倍噪声水平时的试样浓度（或质量），被定义为最低检测限（或该物质的最小检测量）。线性度与线性范围：检测器的线性度定义为：检测器响应值的对数值与试样量对数值之间呈比例的状况。而检测器的线性范围定义为：检测器在线性工作时，被测物质的最大浓度（或质量）与最低浓度（或质量）之比。,2热导检测器,（1）热导检测器的结构池体：一般用不锈钢制成。热敏元件：电阻率高、电阻温度系数大、且价廉易加工的钨丝制成。参考臂：仅允许纯载气通过，通常连接在进样装置之前。测量臂：需要携带被分离组分的载气流过，则连接在紧靠近分离柱出口处。,（2）检测原理,平衡电桥，右图。不同的气体有不同的热导系数。,钨丝通电，加热与散热达到平衡后，两臂电阻值：R参=R测;R1=R2则：R参R2=R测R1无电压信号输出；记录仪走直线（基线）。进样后，载气携带试样组分流过测量臂而这时参考臂流过的仍是纯载气，使测量臂的温度改变，引起电阻的变化，测量臂和参考臂的电阻值不等，产生电阻差，R参R测则：R参R2R测R1这时电桥失去平衡，a、b两端存在着电位差，有电压信号输出。信号与组分浓度相关。记录仪记录下组分浓度随时间变化的峰状图形。,（3）影响热导检测器灵敏度的因素,桥路电流I：I，钨丝的温度，钨丝与池体之间的温差，有利于热传导，检测器灵敏度提高。检测器的响应值SI3，但稳定性下降，基线不稳。桥路电流太高时，还可能造成钨丝烧坏。池体温度：池体温度与钨丝温度相差越大，越有利于热传导，检测器的灵敏度也就越高，但池体温度不能低于分离柱温度，以防止试样组分在检测器中冷凝。,表7-3某些气体与蒸气的热导系数()，单位：J/cms,载气种类：载气与试样的热导系数相差越大，在检测器两臂中产生的温差和电阻差也就越大，检测灵敏度越高。载气的热导系数大，传热好，通过的桥路电流也可适当加大，则检测灵敏度进一步提高。氦气也具有较大的热导系数，但价格较高。,3氢火焰离子化检测器,（1）特点（FID：hydrogenflameionizationdetector）a.典型的质量型检测器，b.对有机化合物具有很高的灵敏度，c.无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应。d.氢焰检测器结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点。e.比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12gg-1。,(2)氢焰检测器的结构,a.在发射极和收集极之间加有一定的直流电压（100300V）构成一个外加电场。b.氢焰检测器需要用到三种气体：N2：载气携带试样组分；H2：为燃气；空气：助燃气。使用时需要调整三者的比例关系，检测器灵敏度达到最佳。,(3)氢焰检测器的原理,a.当含有机物CnHm的载气由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基：CnHmCHb.产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：CH+OCHO+ec.生成的正离子CHO+与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：CHO+H2OH3O+CO,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区,氢焰检测器的原理,d.化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流（约10-610-14A）；e.在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器；f.组分在氢焰中的电离效率很低，大约五十万分之一的碳原子被电离；g.离子电流信号输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。,A区：预热区B层：点燃火焰C层：热裂解区：温度最高D层：反应区,（4）影响氢焰检测器灵敏度的因素,各种气体流速和配比的选择：N2流速的选择主要考虑分离效能，N2H2=1111.5氢气空气=110。极化电压正常极化电压选择在100300V范围内。,一、质谱分析原理二、仪器与结构三、联用仪器,4.色质联用,一、质谱分析原理,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱,1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光,1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆,质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa）质量分析器（10-6Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,原理与结构,电离室原理与结构,仪器原理图,质量分析器原理,在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力=向心力；m2/R=H0eV曲率半径：R=(m)/eH0质谱方程式：m/e=(H02R2)/2V离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/e、H0、V改变加速电压V,可以使不同m/e的离子进入检测器。质谱分辨率=M/M（分辨率与选定分子质量有关）,加速后离子的动能:(1/2)m2=eV=(2V)/(m/e)1/2,四极杆质量分离器,二、仪器与结构,三、联用仪器,仪器内部结构,联用仪器（THEGC/MSPROCESS）,联用仪器（THELC/MSPROCESS）,联用仪器,Figure.API-IonTrapInterface(Esquire-LC),一、分子离子峰,分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的相对摩尔质量相等。,有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇。,分子离子峰的特点：,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏特。,质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰吗？如何确定分子离子峰？,律,由、组成的有机化合物，一定是偶数。由、组成的有机化合物，奇数，奇数。由、组成的有机化合物，偶数，偶数。分子离子峰与相邻峰的质量差必须合理。,二、同