李文廣,于永齊

(南陽師范學(xué)院 化學(xué)與制藥工程學(xué)院,河南 南陽 473061)

在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,溶劑通常用來溶解體系里面的原料、催化劑以及產(chǎn)物等。對(duì)于大部分反應(yīng)來說,使用溶劑的目的是使反應(yīng)體系混合得更加均勻,以便減少反應(yīng)物相互接觸的因素,加大反應(yīng)物相互碰撞的概率,從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行。因此,通常根據(jù)溶解度相似的原則選擇溶解物質(zhì)溶解度高的溶劑。此外,溶劑可區(qū)分為低沸點(diǎn)溶劑和高沸點(diǎn)溶劑(表1)。對(duì)于低沸點(diǎn)溶劑來說,反應(yīng)完成后,可直接通過旋蒸除掉。而高沸點(diǎn)溶劑(如N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜等)無法直接進(jìn)行旋蒸除去,常常采用萃取的方法進(jìn)行處理,因?yàn)榇蠖鄶?shù)高沸點(diǎn)溶劑是溶于水的,可通過水洗除去。如果直接水洗,往往會(huì)在萃取過程中形成乳化層,影響萃取效率。因此,有機(jī)反應(yīng)后的萃取過程和乳化層處理操作在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中占有重要地位。

表1 有機(jī)反應(yīng)常用溶劑

萃取,主要是利用物質(zhì)在兩種互不相溶(或微溶)溶劑中的溶解度或分布系數(shù)的差異將溶質(zhì)從一種溶劑轉(zhuǎn)移到另一種溶劑的方法。重復(fù)此操作,大多數(shù)的化合物將被提取以分離成分,這是一種廣泛使用的實(shí)驗(yàn)操作。溶劑萃取法不僅可以選擇性地對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離,而且可以在常溫下進(jìn)行操作,具有低能耗、污染小、有機(jī)溶劑可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)萃取方法

1.1 選擇用于萃取的有機(jī)溶劑

在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域,萃取只是其中一個(gè)常見環(huán)節(jié),但幾乎關(guān)系到有關(guān)成果乃至整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成功。因此,有必要更加重視萃取的操作步驟,科學(xué)合理地選擇反應(yīng)中所使用的萃取溶液,確保萃取溶劑能夠提高萃取效率,確保萃取操作有效可靠,實(shí)現(xiàn)物料分離的預(yù)期目標(biāo)[1-3]。乙醚是化學(xué)反應(yīng)中最常用的萃取溶劑。它的沸點(diǎn)較低,可以很容易地用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器通過減壓旋蒸去除。除了乙醚,乙酸乙酯也經(jīng)常作為萃取溶劑使用,但它的沸點(diǎn)稍高,除去相對(duì)不易。應(yīng)盡可能的避免使用二氯甲烷做萃取劑,因?yàn)樗拿芏缺人?容易構(gòu)成乳濁液和難以處理的復(fù)雜混合物。

萃取溶劑的選取原則如下:

1)具有良好的物理性和化學(xué)穩(wěn)定性。應(yīng)選擇具有良好物理性質(zhì)的有機(jī)溶劑作萃取液,以避免影響萃取操作;此外,萃取溶劑需要具備足夠好的化學(xué)穩(wěn)定性。萃取溶劑的物理和化學(xué)穩(wěn)定性直接關(guān)系到有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的整體操作安全性。因此,萃取溶劑最好選擇那些沒有腐蝕性,不易聚合,毒性小和熱穩(wěn)定性好的有機(jī)溶劑。

2)萃取速度快。在選擇萃取劑時(shí),需要實(shí)現(xiàn)更快的萃取速度,以便整個(gè)萃取過程更經(jīng)濟(jì)。

3)安全性和反萃取性。在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中,萃取劑應(yīng)選用無刺激性、無毒、揮發(fā)性弱、不易燃的溶劑。在充分保證萃取劑安全的基礎(chǔ)上,應(yīng)采取一系列安全保護(hù)手段。此外,萃取劑還需要具有良好的反萃取性。一旦改變萃取條件,萃取溶質(zhì)的有機(jī)溶液可以成功地轉(zhuǎn)化為“水相”。

1.2 選擇合適體積的分液漏斗

對(duì)于有機(jī)實(shí)驗(yàn),萃取常用的實(shí)驗(yàn)裝置為分液漏斗(圖1)。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)量通常較小(一般為0.1～1.0 mol),可以選擇125 mL或250 mL大小的分液漏斗;如果反應(yīng)量較大(1～10 mol),可以選擇使用500 mL或1 L的分液漏斗。注意:分液漏斗的大小必須容納得了洗滌液和溶劑,而且這兩部分在分液漏斗中一定要完全混合。

圖1 分液漏斗

1.3 用選定的萃取溶劑在分液漏斗中稀釋反應(yīng)體系

不同量的原料需要相對(duì)應(yīng)規(guī)模的有機(jī)溶液。常規(guī)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)(規(guī)模為50～500 mg的產(chǎn)物)可使用25～100 mL的溶劑進(jìn)行稀釋。稀釋后的反應(yīng)溶劑轉(zhuǎn)移至合適大小的分液漏斗。萃取次數(shù)一般采用“少量多次”的方法,由萃取公式(1)可知:由于KV/(KV+S)總小于1,萃取次數(shù)n越大,化合物剩余量Wn就越小,萃取效果就越好。但是,當(dāng)n>5時(shí),n和S的影響幾乎可以抵消,此時(shí)如果繼續(xù)增加萃取的次數(shù),萃取效果沒有明顯的變化。所以,萃取3～5次即可。

(1)

式中:K——分配系數(shù);n——萃取次數(shù);V——水溶液體積;S——萃取溶劑的量;W0——萃取前化合物的總量;Wn——萃取n次后化合物的剩余量。

1.4 洗滌有機(jī)溶劑

萃取后的有機(jī)層多數(shù)情況下都需要進(jìn)行洗滌,洗滌液的用量一般是有機(jī)相量的十分之一到二分之一。一般重復(fù)洗滌2～3次即可。酸洗(通常用10%HCl或10%H2SO4溶液)可以除去有機(jī)堿性物質(zhì)(如:胺類化合物)或堿性雜質(zhì);堿洗(通常用飽和NaHCO3或10%NaOH溶液)能夠清理掉化合物里面含有的一些酸性雜質(zhì)。有時(shí)雜質(zhì)既不是酸性物質(zhì)又不是堿性物質(zhì)時(shí),使用飽和食鹽水(NaCl)或蒸餾水洗滌即可,可以去除有機(jī)相中的無機(jī)雜質(zhì)(注意:在用分液漏斗對(duì)混合液體進(jìn)行振蕩搖勻時(shí),一定要及時(shí)排氣,排氣的時(shí)候可以讓分液漏斗上沿口傾斜朝下,隨后上下?lián)u動(dòng),再打開活塞排氣。另外,從分液漏斗中分離出液體之前,首先要打開上端口的蓋子,否則下方液體無法正常放出)。

1.5 反向萃取回收損失的產(chǎn)品

反萃取是一種通過使用反萃取劑將提取的物質(zhì)從有機(jī)相返回到水相的過程。反萃取可以將有機(jī)相中的每一種萃取組分逐一反萃取到水相中,從而分離出分離的組分;有機(jī)相中萃取的組分也可以一次反萃取到水相中。常用的反萃取溶液主要有無機(jī)酸溶液(如:H2SO4、HCl)及無機(jī)堿溶液(如:NaOH、Na2CO3等)。反萃取劑能夠有效破壞有機(jī)相中萃取組分的結(jié)構(gòu),使萃取組分形成易溶于水的物質(zhì),或生成不溶于有機(jī)相和水相的固體沉淀,然后進(jìn)行分離。如果產(chǎn)物可以溶于水,那么可以添加反萃取溶劑,接著使用乙醚或乙酸乙酯對(duì)水溶液進(jìn)行反萃取操作,從而防止水相中樣品含量過多,造成樣品損失較大。通過薄層色譜分析法(TLC)對(duì)水相檢測(cè)分析,以確定水相中含的產(chǎn)品是否全部被萃取出來。

1.6 鹽洗(飽和NaCl溶液)

鹽洗可以去除溶解在有機(jī)相中的水,而且可以防止萃取時(shí)出現(xiàn)乳化。

1.7 干燥有機(jī)層

有機(jī)層與水相經(jīng)分液漏斗分開后,有機(jī)相中往往還含有痕量的水,此時(shí)可以向有機(jī)相中加入適量干燥劑去除殘留的水。通常優(yōu)先考慮使用無水MgSO4,高效且除水速度較快,但MgSO4吸水后呈酸性,某些反應(yīng)中不適合使用。此外,也可以使用無水Na2SO4。其干燥速度略慢于無水MgSO4,效率較低,但無水Na2SO4是中性的,價(jià)格較低。所以在大多數(shù)情況下,在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中無水Na2SO4的應(yīng)用更廣泛。值得注意的是,干燥劑的量一定要合適,當(dāng)觀察到有部分干燥劑不再結(jié)塊時(shí),意味著干燥劑的量已經(jīng)足夠了?；蛘弋?dāng)溶液變得清澈透明而沒有分層時(shí),表明不需要繼續(xù)添加干燥劑。

1.8 過濾

將干燥后的有機(jī)溶劑用布氏漏斗或多孔漏斗(均含未折疊的濾紙)進(jìn)行真空抽濾可以獲得更高的收率。

1.9 通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)有機(jī)溶液進(jìn)行濃縮

選擇合適大小的干燥純凈圓底燒瓶,稱重。將準(zhǔn)備旋蒸的濾液倒入圓底燒瓶,進(jìn)行真空濃縮。通過濃縮、向圓底燒瓶?jī)?nèi)添加少量的二氯甲烷溶液,可有效除去殘留的高沸點(diǎn)溶劑。注意:為了防止旋蒸時(shí)有機(jī)溶液出現(xiàn)爆沸,每次倒入旋蒸的有機(jī)溶劑量不能超過圓底燒瓶體積的二分之一。

1.10 用真空泵除去殘留的溶劑

使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)有機(jī)相進(jìn)行濃縮(旋干)之后,得到的樣品中會(huì)殘留少量的非揮發(fā)性化合物,對(duì)于這類不揮發(fā)的溶劑,可以通過使用真空泵高效地除去殘留的溶劑。其操作過程為:先打開真空泵抽氣,排空裝有產(chǎn)品的圓底燒瓶,再向燒瓶?jī)?nèi)充入氮?dú)?重復(fù)此過程,最后直接用真空泵抽氣30 min。特別地,如果最后的產(chǎn)物屬于低沸點(diǎn)或低分子量物質(zhì),不能使用真空泵抽,而應(yīng)該選擇用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀抽至產(chǎn)品恒重。

1.11 產(chǎn)品恒重

將裝有樣品的燒瓶從旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀或者真空泵上取下,接著稱重,然后繼續(xù)抽吸(或旋蒸)0.5 h,重新進(jìn)行稱重。重復(fù)此操作,如果出現(xiàn)連續(xù)兩次得到的質(zhì)量一樣,即可將產(chǎn)品保存?zhèn)溆?并記錄好所得產(chǎn)品質(zhì)量。

2 乳化層的處理方法

在有機(jī)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)中,常會(huì)遇到在萃取操作時(shí),一些溶劑很易乳化的問題。乳化層的成因十分復(fù)雜,如:酯類、酮類、醇、醛、羧酸類[4-6]有機(jī)化合物,該類化合物在在有機(jī)溶劑中極易形成分子間氫鍵或絡(luò)合物,同時(shí),如果乳化層中富集含氮、含雙鍵類原料殘留,會(huì)使乳化層十分穩(wěn)定。這些乳化層密度大,粘度高,長(zhǎng)時(shí)間靜置難以分層,甚至過夜也無法分開。

在萃取時(shí),將分液漏斗中的溶液混合搖勻以后,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)乳化現(xiàn)象,這可能是由于萃取液的強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性引起的,也可能是所用溶劑的密度較為相似,或萃取溶液粘度較高,造成乳化的原因很多,需要選用不同的策略予以消除[7-9],下面簡(jiǎn)單介紹幾種常用方法:

2.1 補(bǔ)加水或溶劑,再水平振蕩

當(dāng)乳化程度比較輕微時(shí),緩慢地向乳化層中加入水或溶劑,然后進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)振蕩,這樣很容易消除乳化層,將溶液分成兩相。

2.2 加乙醚

對(duì)于密度接近1的有機(jī)溶劑,在萃取或洗滌過程中與水相相互作用后,很容易出現(xiàn)乳化現(xiàn)象。此種情況,可以加入少量乙醚來稀釋有機(jī)相,以降低其密度并促進(jìn)分層。

2.3 加乙醇

如果是乙醚或氯仿造成的乳化層,可向乳化層中加入5～10滴乙醇溶液,然后緩慢搖勻以促進(jìn)乳化層分層。然而,這種方法也有缺點(diǎn)。當(dāng)乙醇混合進(jìn)萃取溶液中的時(shí)候,分配系數(shù)會(huì)降低,可能會(huì)帶來不良的影響。該操作對(duì)含表面活性劑類型的溶液特別管用。

2.4 加無機(jī)鹽及減壓

對(duì)于乙酸乙酯和水所產(chǎn)生的乳化層,可以添加無機(jī)鹽(如鹽、硫酸銨或氯化鈣等),使其變得能夠溶于水,從而促進(jìn)分層。此外,通過加熱(50 ℃左右)或使用水泵對(duì)乳化層部分進(jìn)行減壓排氣,均有利于促進(jìn)分層。對(duì)于乙醚和水形成的乳液,可以先將乳化層分離出來,放入燒杯中,在液體表面均勻地撒上無水Na2SO4粉末,可以觀察到,無水Na2SO4會(huì)在吸水的同時(shí)下沉,在燒杯底部形成水溶液層。

2.5 用濾紙過濾

對(duì)于因樹脂狀或黏液狀懸浮固體的存在而導(dǎo)致的乳化現(xiàn)象,可以使用濾紙,通過減壓抽濾的方法分離漏斗中的混合物。過濾后物料則容易分層和分離。

2.6 用玻璃棒攪拌破乳

對(duì)于反應(yīng)量較小的情況,出現(xiàn)的乳化層一般也比較薄,可以通過玻璃棒攪拌進(jìn)行物理性破乳,促進(jìn)分層。

2.7 離心分離

將乳化層混合物移至離心分離器中,然后進(jìn)行高速離心分離,可達(dá)到促進(jìn)分層的效果。

2.8 用布氏漏斗抽濾

在布氏漏斗上鋪硅藻土,然后對(duì)乳化層部分進(jìn)行抽濾,濾液呈清澈透明,分為兩層。注意:若乳化層含水過多,抽濾速度不僅會(huì)非常緩慢而且可能會(huì)把濾紙破壞,此時(shí)建議使用兩張濾紙進(jìn)行抽濾。

2.9 超聲波破乳

將乳化層移入燒杯里面,接著進(jìn)行超聲振蕩,可促進(jìn)分層。

2.10 加無水硫酸鈉

把有機(jī)層部分和乳化層部分一起轉(zhuǎn)移至另外一個(gè)分液漏斗中,添加足夠量的(可分多次加入)無水硫酸鈉并輕輕振蕩,當(dāng)新加入的無水硫酸鈉不再結(jié)塊時(shí),表明水分已經(jīng)被完全吸收,此時(shí)有機(jī)相變得澄清透明,即可供后續(xù)操作。

2.11 加入稀硫酸

對(duì)于由堿引起的乳化,可加入少量稀硫酸,再進(jìn)行振蕩,可促進(jìn)分層。

3 結(jié)論

萃取是有機(jī)化學(xué)中經(jīng)常用到的實(shí)驗(yàn)操作,是利用對(duì)產(chǎn)物溶解度較好的有機(jī)溶劑將溶質(zhì)產(chǎn)物從水相中萃取出來。在萃取操作中,采取“少量多次”的萃取策略能夠有效減少有機(jī)廢液,從而提高萃取效率。當(dāng)萃取過程中發(fā)生乳化現(xiàn)象時(shí),可以通過先對(duì)混合液,萃取劑等進(jìn)行分析,以選擇合適的破乳策略,提高整體萃取效率,減少產(chǎn)品損失。

4 注意事項(xiàng)

1)單一萃取溶劑微溶于水或不溶;必須不能與水混溶,不能選擇用高沸點(diǎn)的溶劑進(jìn)行萃取;不能使用四氫呋喃(THF)、甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)等有機(jī)溶劑單獨(dú)作萃取劑;

2)萃取前最好先了解萃取溶劑的密度,知道哪一層是有機(jī)相,切忌直接把水相倒掉。只有在確定已經(jīng)拿到目標(biāo)產(chǎn)物之后,有機(jī)相和水相才能倒掉;

3)如果后處理過程中析出固體的量較多,可以先進(jìn)行過濾,再分層萃取;

4)萃取過程中出現(xiàn)乳化現(xiàn)象時(shí),一般需要向分液漏斗中加入飽和的氯化鈉水溶液,通過靜置一段時(shí)間促使其分層;

5)萃取過程中要記得及時(shí)放氣,避免沖液。