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：①薄板层析法（TLC）, ②气相色 谱法；③液相色谱法；④质谱法；⑤核磁共振法； 。1.纸层析和薄层层析法一、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 ，200～250目）均匀地涂在长条形玻璃板上（厚度0.15 ～0.5mm）。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精细有机合成工艺，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:2.高效液相色谱法一、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：150～350×105 Pa。 ?为了获得高柱效而使用粒度很小的固定相（<10μm），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1～6 mm，柱长5～40 cm。 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10-9g·mL-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0.5 cm/s时, H～u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精细有机合成工艺，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。3.气相色谱一、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）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60~80目、80~100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种类 红色硅 硅藻土 藻 担体 土 类担体名称201 红色担体 301 釉化红色担体6201 红色担体特点及用途生产厂家适用于涂渍非极性固定液分析非极性物 质 由 201 釉化而成，性能介于红色与白色 硅藻土担体之间，适用于分析中等极性 物质上海试剂厂 大连催化剂厂白色 101 白色担体硅藻土 101 酸洗担体 101 硅烷化白色担体102 白色担体高分子微球非硅玻璃微球藻土氟担体类适用于涂渍极性固定液分析极性物质 催化吸附性小，减小色谱峰拖尾上海试剂厂由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成上海试剂厂经酸碱处理，比表面积 0.02 m2 / g ,可在 较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。

由四氟乙烯聚合而成，比表面积 10.5 m2 /g 适宜分析强极性物质和腐蚀性物质固定液固定液：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， β，β’—氧二丙睛的相对极性为100.固定液 名称1、 角鲨烷 （异三十烷）2、阿皮松 L商品牌号 SQ使用温度 （最高）℃150溶剂 乙醚APL300苯3、硅油OV-101 350丙酮4、 苯基 10%OV-3350甲基聚硅氧烷5、 苯基（20%）OV-7350甲基聚硅氧烷6、 苯基（50%）OV-17 300甲基 聚硅氧烷7、苯基（60%）甲基 OV-22 350 聚硅氧烷8、邻苯二甲酸 二壬酯DNP1309、三氟丙基甲基 聚硅氧烷OV-210 25010、 氰丙基（25%） OV-225 250 苯基（25%）甲基聚硅氧烷11、聚乙二醇PEG20M 250甲苯 甲苯 甲苯 甲苯 乙醚 氯仿乙醇12、 丁二酸二乙 二醇聚酯DEGS 225氯仿相对 极性 0 — +1 +1 +2 +2 +2 +2 +2 +3氢键 氢键麦氏 常数 总和 0 143 229 423 592 827 10751500 18132308 3430分析对象 （参考）烃类及非极性化合物 非极性和弱极 性各类 高 沸点有机化合物 各类高沸点弱 极性有 机 化合物，如芳烃醇、醛酮、脂 肪酸、 酯 等极性化合物表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：β， β’— 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=Sm S=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。