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药化实验13
制药工程专业实验
药物化学实验部分
天津工业大学制药工程系
2013-3
第一单元、药物的重结晶
实验一重结晶的基本原理和操作
重结晶(recrystallization)既是将晶体溶于溶剂或熔融以后,又重新从溶液或熔体中结晶的过程。
又称再结晶。
重结晶可以使不纯净的物质获得纯化,或使混合在一起的盐类彼此分离。
重结晶的效果与溶剂选择大有关系,最好选择对主要化合物是可溶性的,对杂质是微溶或不溶的溶剂,滤去杂质后,将溶液浓缩、冷却,即得纯制的物质。
混合在一起的两种物质,如果它们在一种溶剂中的溶解度随温度的变化差别很大,例如硝酸钾和氯化钠的混合物,硝酸钾的溶解度随温度上升而急剧增加,而温度升高对氯化钠溶解度影响很小。
则可在较高温度下将混合物溶液蒸发、浓缩,首先析出的是氯化钠晶体,除去氯化钠以后的母液在浓缩和冷却后,可得纯硝酸钾。
重结晶往往需要进行多次,才能获得较好的纯化效果。
一、重结晶原理
固体有机物在溶剂中的溶解度与温度有密切关系。
一般是温度升高,溶解度增大。
若把固体溶解在热的溶剂中达到饱和,冷却时即由于溶解度降低,溶液变成过饱和而析出晶体。
利用溶剂对被提纯物质及杂质的溶解度不同,可以使被提纯物质从过饱和溶液中析出。
而让杂质全部或大部分仍留在溶液中(若在溶剂中的溶解度极小,则配成饱和溶液后被过滤除去),从而达到提纯目的。
关于可以应用重结晶法的讨论:
假设一固体混合物由9.5克被提纯物A和0.5克杂质B组成,选择某溶剂进行重结晶,室温时A、B在此溶剂中的溶解度分别为SA和SB,通常存在下列三种情况:
(1)室温下杂质较易溶解(SB>SA)。
设在室温下SB=2.5克/100ml,SA=0.5克/100ml,如果A在此沸腾溶剂中的溶解度为9.5克/100ml,则使用100ml溶剂即可使混合物在沸腾时全溶。
若将此滤液冷却至室温时可析出A9g(不考虑操作上的损失)而B仍留在母液中,A损失很小,即被提纯物回收率达到94%。
如果A在此沸腾溶剂中的溶解度为47.5克/100ml,则只要使用20ml溶剂即可使混合物在沸腾时全溶,这时滤液可析出A9.4克,B仍可留在母液中,被提纯物的回收率高达99%。
由此可见,如果杂质在冷时的溶解度大而产物在冷时的溶解度小,或溶剂对产物的溶解性能随温度的变化大,这两方面都有利于提高回收率。
(2)杂质较难溶解(SBchang),回收率极大的降低。
(3)两者溶解度相等(SA=SB)。
设在室温下皆为2.5克/100ml,若也用100ml溶剂重结晶,仍可得到纯A7克。
但如果这时杂质含量很多,则用重结晶分离产物就比较困难。
在A和B含量相等时,重结晶就不能用来分离产物了。
从上述讨论总可以看出,在任何情况下,杂志的含量过多都是不利的(杂质太多还会影响结晶速度,甚至妨碍结晶的生成)。
一般重结晶只适用于纯化杂质含量在5%以下的固体有机混合物。
二、重结晶的溶剂选择
在结晶和重结晶纯化化学试剂的操作中,溶剂的选择是关系到纯化质量和回收率的关键问题。
选择适宜的溶剂时应注意以下几个问题:
1.选择的溶剂应不与欲纯化的化学试剂发生化学反应。
例如脂肪族卤代烃类化合物不宜用作碱性化合物结晶和重结晶的溶剂;醇类化合物不宜用作酯类化合物结晶和重结晶的溶剂,也不宜用作氨基酸盐结晶和重结晶的溶剂。
2.选择的溶剂对欲纯化的化学试剂在热时应具有较大的溶解能力,而在较低温度时对欲纯化的化学试剂的溶解能力大大减小。
3.选择的溶剂对欲纯化的化学试剂中可能存在的杂质或是溶解度甚大,在欲纯化的化学试剂结晶和重结晶时留在母液中,在结晶和重结晶时不随晶体一同析出;或是溶解度甚小,在欲纯化的化学试剂加热溶解时,很少在热溶剂溶解,在热过滤时被除去。
4.选择的溶剂沸点不宜太高,以免该溶剂在结晶和重结晶时附着在晶体表面不容易除尽。
用于结晶和重结晶的常用溶剂:
DMF、氯苯、二甲苯、甲苯、乙腈、乙醇、THF、氯仿、乙酸乙酯、环己烷、丁酮、丙酮、石油醚。
比较常用溶剂:
DMSO、六甲基磷酰胺、N-甲基吡咯烷酮、苯、环己酮、丁酮、环己酮、二氯苯、吡啶、乙酸、二氧六环、乙二醇单甲醚、1,2-二氯乙烷、乙醚、正辛烷。
二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的溶解能力大,当找不到其它适用的溶剂时,可以试用。
但往往不易从溶剂中析出结晶,且沸点较高,晶体上吸附的溶剂不易除去,是其缺点。
乙醚虽是常用的溶剂,但是若有其它适用的溶剂时,最好不用乙醚,因为一方面由于乙醚易燃、易爆,使用时危险性特别大,应特别小心;另一方面由于乙醚易沿壁爬行挥发而使欲纯化的化学试剂在瓶壁上析出,以致影响结晶的纯度。
在选择溶剂时必须了解欲纯化的化学试剂的结构,因为溶质往往易溶于与其结构相近的溶剂中―“相似相溶”原理。
极性物质易溶于极性溶剂,而难溶于非极性溶剂中;相反,非极性物质易溶于非极性溶剂,而难溶于极性溶剂中。
这个溶解度的规律对实验工作有一定的指导作用。
溶质和溶剂极性不要相差太悬殊。
水>甲酸>甲醇>乙酸>乙醇>异丙醇>乙腈>DMSO>DMF>丙酮>HMPA>CH2Cl2>吡啶>氯仿>氯苯>THF>二氧六环>乙醚>苯>甲苯>CCl4>正辛烷>环己烷>石油醚。
如:
欲纯化的化学试剂是个非极性化合物,实验中已知其在异丙醇中的溶解度太小,异丙醇不宜作其结晶和重结晶的溶剂,这时一般不必再实验极性更强的溶剂,如甲醇、水等,应选择极性较小的溶剂,如丙酮、二氧六环、苯、石油醚等。
适用溶剂的最终选择,只能用试验的方法来决定。
下表可供选择溶剂时参考。
物质的类别
溶解度大的溶剂
烃(疏水性)
烃、醚、卤代烃
卤代烷
醚、醇、烃
酯
酯
酮
醇、二氧环己烷、冰醋酸
酚
乙醇、乙醚等有机溶剂
酰胺
醇、水
低级醇
水
高级醇
有机溶剂
盐(亲水性)
水
若不能选择出一种单一的溶剂对欲纯化的化学试剂进行结晶和重结晶,则可应用混合溶剂。
混合溶剂一般是由两种可以以任何比例互溶的溶剂组成,其中一种溶剂较易溶解欲纯化的化学试剂,另一种溶剂较难溶解欲纯化的化学试剂。
一般常用的混合溶剂有:
乙醇和水、乙醇和乙醚、乙醇和丙酮、乙醇和氯仿、二氧六环和水、乙醚和石油醚、氯仿和石油醚等等,最佳复合溶剂的选择必须通过预试验来确定。
此外,还有其他注意事项,例如:
一个好的溶剂在沸点附近对待结晶物质溶解度高而在低温下溶解度又很小。
DMF、苯、二氧六环、环己烷在低温下接近凝固点,溶解能力很差,是理想溶剂;乙腈、氯苯、二甲苯、甲苯、丁酮、乙醇也是理想溶剂;溶剂的沸点最好比被结晶物质的熔点低50℃,否则易产生溶质液化分层现象;溶剂的沸点越高,沸腾时溶解力越强,对于高熔点物质,最好选高沸点溶剂;含有羟基、氨基而且熔点不太高的物质尽量不选择含氧溶剂。
因为溶质与溶剂形成分子间氢键后很难析出;含有氧、氮的物质尽量不选择醇做溶剂,原因同上。
三、重结晶技术
众所周知,重结晶是有机合成中一项非常基本,但是又非常重要的技术,它原理简单、使用方便,但是真的要做好重结晶,不是那么容易的事,尤其是溶剂的选择,以及在出现乳化现象时的处理等等都有很深的学问。
重结晶的操作过程如下:
1、溶解
对已知物质可以通过查阅文献或立化数据手册来确定溶剂,对于未知物,可用以下方法查找溶剂:
取0.1g样品置于干净的小试管中,用滴管逐滴滴加某一溶剂,并不断振摇,当加入溶剂的量达1mL时,可在水浴上加热,观察溶解情况,若该物质(0.1g)在1mL冷的或温热的溶剂中很快全部溶解,说明溶解度太大,此溶剂不适用。
如果该物质不溶于1mL沸腾的溶剂中,则可逐步添加溶剂,每次约0.5mL,加热至沸,若加溶剂量达4mL,而样品仍然不能全部溶解,说明溶剂对该物质的溶解度太小,必须寻找其他溶剂。
若该物质能溶于1~4mL沸腾的溶剂中,冷却后观察结晶析出情况,若没有结晶析出,可用玻璃棒擦刮管壁或者辅以冰盐浴冷却,促使结晶析出。
若晶体仍然不能析出,则此溶剂也不适用。
若有结晶析出,还要注意结晶析出量的多少,并要测定熔点,以确定结晶的纯度。
最后综合几种溶剂的实验数据,确定一种比较适宜的溶剂。
这只是一般的方法,实际情况往往复杂得多,选择一个合适的溶剂需要进行多次反复的实验。
选择好溶剂之后,通过试验结果或查阅溶解度数据计算被提取物所需溶剂的量,在将被提取物晶体置于锥形瓶中,加入较需要量稍少的适宜溶剂,加热到微微沸腾一段时间后,若未完全溶解,可再添加溶剂,每次加溶剂后需再加热使溶液沸腾,直至被提取物晶体完全溶解(但应注意,在补加溶剂后,发现未溶解固体不减少,应考虑是不溶性杂质,此时就不要再补加溶剂,以免溶剂过量)。
注意事项:
(1)溶剂量的多少,因同时考虑两个因素。
溶剂少则收率高,但可能给热过滤带来麻烦,并可能造成更大的损失;溶剂多,显然会影响回收率。
故两者应综合考虑。
一般可比需要量多加20%左右的溶剂(有人认为一般可比需要量多20—100%的溶剂)。
(2)可以在溶剂沸点温度时溶解固体,但必须注意实际操作温度是多少,否则会因实际操作时,被提纯物晶体大量析出。
但对某些晶体析出不敏感的被提纯物,可考虑在溶剂沸点时溶解成饱和溶液,故因具体情况决定,不能一概而论。
例如,本次实验在100℃时配成饱和溶液,而热过滤操作温度不可能是100℃,可能是80℃?
也可能是90℃?
那么在考虑加多少溶剂时,应同时考虑热过滤的实际操作温度。
(3)为了避免溶剂挥发及可燃性溶剂着火或有毒溶剂中毒,应在锥形瓶上装置回流冷凝管,添加溶剂可从冷凝管的上端加入
(4)若溶液中含有色杂质,则应加活性炭脱色,应特别注意活性炭的使用。
注意,待溶液稍冷后,加入活性炭(用量为固体1-5%),煮沸5-10min(切不可在沸腾的溶液中加入活性炭,那样会有暴沸的危险。
)
2、热过滤
(1)若为易燃溶剂,则应防止着火或防止溶剂挥发。
(2)应注意滤纸的折叠方法及操作要领(包括漏斗的预热、滤纸的热水润湿等);应洗净抽滤瓶,注意和滤纸的大小、滤纸的润湿等操作,开始不要减压太甚,以免将滤纸抽破(在热溶剂中,滤纸强度大大下降)。
热过滤的关键是要保证溶液在较高温度下通过滤纸。
为此,在过滤前应把漏斗放在烘箱中预热,待过滤时才取出放在铁圈或盛装滤液的锥形瓶口上,迅速放入伞形滤纸,伞形滤纸的上沿应低于滤斗口,并使其棱边紧贴漏斗壁,以少许热溶剂润湿滤纸,倒入热溶液后应迅速盖上表面皿,以减少溶剂挥发。
如果热溶液较多,一次不能完全倒入漏斗,则剩余的部分应继续加热保温。
过滤时若操作合适,在滤纸上仅有少量结晶析出。
若漏斗未预热或虽已预热,但操作过慢,则往往有较多结晶在滤纸上析出,这时必须仔细地将滤纸和结晶一起放回原来的瓶中,加入适量的溶剂重新溶样,再进行热过滤。
对于极易析出晶体的溶液,或当需要过滤的液量较多时最好使用保温漏斗过滤。
3、结晶
(1)将滤液在室温或保温下静置使之缓缓冷却(如滤液已析出晶体,可加热使之溶解),析出晶体,再用冷水充分冷却。
必要时,可进一步用冰水或冰盐水等冷却(视具体情况而定,若使用的溶剂在冰水或冰盐水中能析出结晶,就不能采用此步骤)。
(2)有时由于滤液中有焦油状物质或胶状物存在,使结晶不易析出,或有时因形成过饱和溶液也不析出晶体,在这种情况下,可用玻棒摩擦器壁以形成粗糙面,使溶质分子成定向排列而形成结晶的过程较在平滑面上迅速和容易;或者投入晶种(同一物资的晶体,若无此物质的晶体,可用玻棒蘸一些溶液稍干后即会析出晶体),供给定型晶核,使晶体迅速形成。
(3)有时被提纯化合物呈油状析出,虽然该油状物经长时间静置或足够冷却后也可固化,但这样的固体往往含有较多的杂质(杂质在油状物中常较在溶剂中的溶解度大;其次,析出的固体中还包含一部分母液),纯度不高。
用大量溶剂稀释,虽可防止油状物生成,但将使产物大量损失。
这时可将析出油状物的溶液重新加热溶解,然后慢慢冷却。
一当油状物析出时便剧烈搅拌混合物,使油状物在均匀分散的状况下固化,但最好是重新选择溶剂,使其得到晶形产物。
4、抽气过滤(减压过滤)
(1)装置中各仪器的名称和用途介绍。
(2)减压过滤程序介绍:
剪裁合符规格的滤纸放入漏斗中(滤纸的直径切不可大于漏斗底边缘,否则滤纸会折过,滤液会从折边处流过造成损失)→用少量溶剂润湿滤纸→开启水泵并关闭安全瓶上的活塞,将滤纸吸紧→可先倒入部分滤液(不要将溶液一次倒入)启动水循环泵,通过缓冲瓶(安全瓶)上二通活塞调节真空度,开始真空度可低些,这样不致将滤纸抽破,待滤饼已结一层后,再将余下溶液倒入,此时真空度可逐渐升高些,直至抽“干”为止,并用少量滤液洗出粘附在容器上的晶体,一并倒入漏斗中→再次开启水泵并关闭安全瓶上的活塞进行减压过滤直至漏斗颈口无液滴为止→打开安全瓶上的活塞,再关闭水泵→用少量溶剂润湿晶体→再次开启水泵并关闭安全瓶上的活塞进行减压过滤直至漏斗颈口无液滴为止(必要时可用玻塞挤压晶体,此操作一般进行1—2次)。
如重结晶溶剂沸点较高,在用原溶剂至少洗涤一次后,可用低沸点的溶剂洗涤,使最后的结晶产物易于干燥(要注意该溶剂必须是能和第一种溶剂互溶而对晶体是不容或微溶的)。
抽滤所得母液若有用,可移至其它容器内,再作回收溶剂及纯度较低的产物。
5、结晶的干燥
在测定熔点前,晶体必须充分干燥,否则测定的熔点会偏低。
固体干燥的方法很多,要根据重结晶所用溶剂及结晶的性质来选择:
(1)空气凉干(不吸潮的低熔点物质在空气中干燥是最简单的干燥方法)。
(2)烘干(对空气和温度稳定的物质可在烘箱中干燥,烘箱温度应比被干燥物质的熔点低20—50℃。
(3)用滤纸吸干(此方法易将滤纸纤维污染到固体物上)
(4)置于干燥器中干燥、
四、思考题
1、重结晶法一般包括哪几个步骤?
各步骤的主要目的如何?
2、如何选择溶剂种类以及确定溶剂使用的量?
实验二L-抗坏血酸钙的制备
L-抗坏血酸又名维生素C,是广泛存在于动植物体内的一种有机物质,是人体内必需的营养成分。
该分子具有烯醇式结构,使它不仅作为营养强化剂应用于食品、医药工业,而且作为抗氧剂获得了广泛的应用。
但由于其易于氧化变质的特点,使用效果不太理想。
而它的钙盐(简称VC-Ca)则克服了这个缺点,实验证明,它不仅比VC稳定,而且吸收效果好,在体内具有VC的全部作用,其抗氧化作用优于VC,且由于Ca的引入,也增强了它的营养强化作用。
L-抗坏血酸钙早在1964年由美国人Ruskin研制成功,不久后该产品便在美国、瑞士、日本等国上市,随着研究的深入,用途不断发展,研究表明它还可作为保鲜剂、杀菌剂,作为钙盐可预防骨质疏松,用于茶及饮料中可降血压。
该产品需要量有日益扩大的趋势,目前,VC-Ca在国外如瑞士罗士,日本武田等都在大量生产;在国内,东北制药厂已有大批量生产,湖北宜昌制药厂已形成了年产1000吨的生产能力。
一、实验目的
1、了解L-抗坏血酸的基本化学性质和制备方法。
2、掌握沉淀结晶法。
二、实验原理
三、实验方法
容器中加入5.4g(0.03mol)L-抗坏血酸,10mL水,加热(50oC)溶解,剧烈搅拌下缓慢加入1.5g(0.015mol)碳酸钙粉末,待无气泡逸出时停止搅拌。
反应物在室温下难于自行结晶,用无水乙醇沉淀,静置,抽滤,真空干燥得产品。
可以对实验溶剂用量、加料顺序等进行改变,做1~2组对照实验。
四、思考题
1、L-抗坏血酸还可以生成哪些为生理正常发育所需要的金属盐?
2、沉淀结晶的原理是什么?
实验三L-抗坏血酸钙的精制
一、实验目的
1、学习手性化合物的合成方法。
2、学习文献检索方法,了解文献检索在实验中的作用。
二、实验方法
1、检索L-抗坏血酸盐的理化性质。
2、根据理化性质,以水-无水乙醇为溶剂设计实验方案进行重结晶,注意溶剂组成,用量对重结晶的影响。
三、思考题
1、用极性不同的溶剂系统重结晶对产品有什么影响?
2、如何确定重结晶容剂的量?
药物化学实验报告
姓名:
学号:
实验项目
分数
1
2
3
4
5
总分
实验题目:
一、实验目的:
二、实验原理或流程:
三、实验药品
试剂名称
投料量
物质的量比
理化常数
四、实验装置图
五、实验步骤:
六、实验结果:
七、讨论分析:
附录一:
药典有关水杨酸镁的记录以及相关内容(2005版)
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