淬灭、萃取
反应完全后,进入到后处理阶段,目标是以尽可能简便的方式将产物纯化出来。最简单的方法莫过于直接将溶液旋干,随后进行重结晶或柱层析。有时,反应体系成分单一,且潜在杂质都容易挥发,蒸干后可以直接得到粗产物。这是从操作便捷性角度最希望看到的情况。
直接旋干有如下潜在风险:随着反应体系的浓缩,可能发生副反应;如果体系中有无机盐,浓缩后可能形成难处理的泥状物;有的体系虽然产物对空气稳定,但包含对空气敏感的试剂,直接暴露在空气中可能引发危险;还有很多情况下反应使用的溶剂是难以旋蒸的。这时,就需要先对反应进行淬灭。
一些敏感试剂有专门的淬灭方法。例如当体系内存在少量三溴化硼时,可以采取加入当量甲醇的方法将其转化为硼酸三甲酯,然后可以旋蒸。这种方法通常在文献描述反应过程时会直接给出。本节叙述通用的淬灭方法,即水处理、萃取、洗涤。
常用于淬灭的水溶液包括纯水、饱和氯化钠、饱和氯化铵、盐酸、EDTA、饱和碳酸氢钠等。相比于纯水,饱和氯化钠可以降低有机溶剂的溶解度,例如THF易溶于水但不溶于饱和氯化钠溶液;饱和氯化铵有酸性,可用于淬灭格氏试剂、有机锂等在碱性或中性条件下易产生沉淀的试剂。盐酸的酸性更强,在淬灭包含AlCl3、ZnCl2等极易水解产生不溶物的试剂的反应时特别有用。EDTA适合淬灭过渡金属催化的反应。饱和碳酸氢钠则适用于处理包含质子酸的反应。我们通常将反应容器打开,倒入至少同体积的淬灭溶液。如果担心有对空气敏感的试剂尚未反应完全,可以先用注射器注入一些淬灭溶液,待稳定后再打开反应器皿加入剩余淬灭溶液。在淬灭的过程中,敏感试剂被消耗,原先正在进行的反应停止,水溶性溶剂进入水相,同时我们还可以利用与淬灭溶液的反应除去一些杂质。
淬灭过程中也可能发生其他反应。例如,使用酸性淬灭溶液时,OTMS可能被脱去,一些内酯或内缩醛可能会形成。有些反应是我们希望的,而如果发现发生了不希望的过程,则需要尝试更改淬灭方式。
在水溶液淬灭后,我们可能会发现产物直接析出,此时可以先过滤再进行进一步处理;更多情况下会得到产物分散在水中的乳浊液,并且有时还伴有固体杂质。若存在固体杂质,可以先进行过滤;如果固体杂质细小,常规过滤很容易堵塞滤纸,我们可以用硅藻土过滤的方式加速。
常规抽滤

一套抽滤设备包含抽滤瓶、布氏漏斗、漏斗托和水泵。打开水泵,通过橡胶管接入抽滤瓶。剪下圆形滤纸,大小要覆盖布氏漏斗的所有孔,并稍小于布氏漏斗的半径(否则会有褶皱导致漏气),放入布氏漏斗中,加少量与待过滤溶液相同的溶剂润湿。滤纸被吸在布氏漏斗上后,方可加入待过滤悬浊液。

滤纸能否被吸上跟溶剂有关。水、甲醇是最容易让滤纸吸上去的;石油醚等非极性溶剂则不容易让滤纸吸上。如果加溶剂后滤纸无法吸上,可以先用少量水实现滤纸吸附,然后依次用甲醇和目标溶剂洗涤实现溶剂置换。
在加入待过滤悬浊液时,如果直接倾倒,有时会把已经吸附上去的滤纸冲开导致过滤失败。为了避免这种情况,在开始时可以用巴氏吸管吸取少量悬浊液滴在滤纸上,很快就可以让滤纸紧紧吸在漏斗上。
将待过滤混合物倒完后,用少量溶剂洗涤原容器,与布氏漏斗中混合物合并。如果需要固体产物,且有固体挂在原容器里,可以用滤除的母液洗涤。等液体被大体除去后,形成滤饼,接下来加入少量溶剂洗涤。洗涤溶剂的确定原则是不溶解固体而能溶解母液中成分;如果需要得到固体产物,则洗涤溶剂还要求沸点尽可能低。
很多情况下,我们需要从水中过滤得到干燥的固体产物。为此,可以依次用水、一种和水互溶但对产物溶解性差的溶剂(如甲醇、THF、丙酮等)及一种低沸点溶剂(如二氯甲烷、3060 ℃石油醚、MTBE等)洗涤,充分抽干,再放入真空干燥器中进一步抽干。
除了使用滤纸的布氏漏斗外,还可以使用砂芯漏斗。砂芯漏斗不需要滤纸就可以实现过滤功能,带有一个支管,下方通过标口接烧瓶。砂芯漏斗有G1G6等规格,数字越大代表孔隙越小。G3漏斗的孔径为1630 um,可以满足大多数抽滤需求(但需要注意的是实际孔隙可能会比标称的大,有可能出现硅胶、细小的沉淀通过砂芯漏斗的情况。垫一张滤纸可以减少这种情况的发生)。与布氏漏斗相比,砂芯漏斗使用方便,不会导致滤纸碎屑混入产物,但不容易清洗。如果留在砂芯里的固体用常用溶剂无法洗净,或残留颜色,可以加入铬酸洗液、等待几分钟后抽滤,然后用大量水、甲醇、二氯甲烷洗干净。
硅藻土过滤
当混合物存在大量细小颗粒时,滤纸孔很容易被堵住,导致过滤极慢。硅藻土过滤可以一定程度上解决这一问题。例如,贵金属催化反应在大规模下容易产生难以处理的金属胶体;使用叔丁醇钾的Wittig反应经常得到糊状物,预先将固体过滤掉会省去后处理的很多麻烦。尽管如此,硅藻土过滤并非绝对能解决过滤缓慢的问题。很多情况下,硅藻土的孔道也会被堵住,仍然需要耐心等待。
硅藻土是无定形的二氧化硅水合物粉末,吸附能力远远比硅胶弱,但可以作为滤材提供比滤纸更丰富的孔道。在实现滤纸和布氏漏斗的吸附后,向布氏漏斗倒入一层硅藻土后,用溶剂润湿,此时硅藻土也会被紧密吸附上去,并能听到滋滋声。加入悬浊液后,等待过滤干净,再用溶剂多次洗涤至滤液TLC不再含有产物。
当产物没有以固体形式析出时,我们需要用有机溶剂萃取的方式获得产物。最常用的萃取溶剂是乙酸乙酯和二氯甲烷,它们对大部分有机物都有好的溶解度;如果产物极性很小,在石油醚中有较好的溶解度,也可以使用石油醚,此时可以除去大部分大极性杂质。
萃取的操作
加入淬灭溶液,通常形成乳液。

将乳液倒入分液漏斗,烧瓶内残余乳液用有机溶剂洗涤12次,倒入分液漏斗。再向分液漏斗中加入1倍乳液体积的有机溶剂。双手持分液漏斗,一手按住活塞,一手按住顶端塞子,将分液漏斗横过来振荡15秒。

3. 静置等待分层。如果水层在下层,则水相汇入原先烧瓶,有机相倒入干净的锥形瓶中,并用少量溶剂洗涤合并。如果水层在上层,则有机相放入锥形瓶,水相留在分液漏斗。

顺利情况下,最多几分钟后能形成清晰的分层。如果发生乳化,迟迟没有分层的迹象,可以加入饱和食盐水等盐类溶液,或进行一次硅藻土过滤。即使是清晰的分层,在界面处也可能有一些泡沫状物,是一些油包水/水包油的液滴,且通常含水量较高,可以留在分液漏斗里等待下一次萃取。
4. 如果水相已经被放出,则倒回分液漏斗,并用少量溶剂洗涤烧瓶汇入。重复加入溶剂-振荡-分液的过程,共计萃取3次以上,直到萃取液TLC无产物为止。有机相合并,水相弃去。
萃取完后,萃取液往往含有水分、少量无机盐等。我们习惯用饱和氯化钠溶液再进行一次反萃取除去水溶性杂质,最终将有机相用无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥、旋蒸后进一步处理。在干燥时,将待干燥溶液置于锥形瓶中,加入干燥剂。一开始,干燥剂会迅速结块,同时溶液也会从浑浊变澄清。随着干燥剂不断加入,新加的干燥剂能够分散在底部,意味着干燥剂的量已经足够。通常干燥不需严格,当溶液澄清后即可将溶液倾倒出来、用少许溶剂洗涤干燥剂3次并合并后旋蒸,剩余的少量水或在旋蒸时被有机溶剂带出,或在后续柱层析过程中被硅胶吸附。将少量的洗涤溶剂从干燥剂中转移出来的过程可以借助巴氏吸管,也可以用抽滤的方式进行。

当要处理的溶液量很小时,也可以不使用分液漏斗,在10 mL样品瓶里进行,用摇晃样品瓶代替摇晃分液漏斗,用巴氏吸管吸取液体层实现样品转移。
柱色谱层析
手工柱色谱
柱色谱层析是最常用的分离混合物的手段。几毫克到几克规模的反应几乎总是要经过柱色谱分离。装填一根硅胶柱后,将混合物上在柱顶端,让洗脱液通过硅胶柱,并收集不同时间的流出液体,从而根据极性不同实现化合物的分离。
手工柱色谱使用的硅胶是细小的粉末,极易飘散到空中,被吸入后无法代谢,因此在处理硅胶时应戴上口罩,并避免强风。硅胶的规格用目来描述;目指的是筛子每英寸长度上网眼的数量,孔径(微米)约等于15000/目数。目数越大,硅胶越细,分离效果更好,但相同压力下流速更慢。手工柱色谱最常用的是200-300目硅胶。以下为手工柱色谱的步骤:
1. 装柱

玻璃层析柱底部有活塞,上部是标口(24#居多);如今大多数层析柱的活塞上方都有砂芯。如果没有砂芯,则需要在装柱前塞入一团棉花,以防止硅胶从活塞处漏出。
首先要根据样品量选择柱规格和硅胶的量。样品与硅胶的推荐质量比为1:50-1:100,并根据实际经验调整;若硅胶过少,样品无法被完全吸附,将以混合物的形式直接流出。硅胶过多则导致流速降低,浪费时间。层析柱的规格很多,通常对于10 mg级样品可以选择外径15 mm的细层析柱;百毫克规模可以选择25 mm层析柱,而克级样品可以选择40 mm层析柱。层析柱越细,流速也越慢。
装柱时,在一个烧杯中加入硅胶,倒入石油醚并搅拌。一开始硅胶极为粘稠,随着石油醚的加入,逐渐变成易流动的悬浊液。在搅拌过程中,气泡逐渐被完全排出。随后将这一浊液通过标口漏斗倒入层析柱。由于硅胶会在烧杯中沉底,可以用巴氏吸管吸取硅胶层注入。注入色谱柱后,如果产生了气泡,可以用巴氏吸管搅拌、吸取、用洗耳球敲击色谱柱等方式让气泡排出。这些做法都是为了确保硅胶均匀,减少层析过程中样品在硅胶柱内的扩散。
打开层析柱底部的活塞,让多余的石油醚流出,直到硅胶表面露出并泛白时,立刻关闭活塞。
如果硅胶量少,也可以直接在色谱柱里倒入硅胶,再加入石油醚,用巴氏吸管反复吸吐的方式让硅胶与石油醚均匀混合、排出气泡,然后压出多余的石油醚。
为了加速液体流动,通常需要加压。这可以通过将金鱼泵用玻璃两通连接到色谱柱口实现。
2. 上样

用尽可能少的低极性溶剂(通常使用DCM,对于易溶于PE的样品当然可以使用PE)将样品溶解,使用吸管滴在硅胶表面。上样的动作要轻柔,防止破坏硅胶平面。转移过一次的样品瓶再用尽可能少的溶剂洗涤一次后,打开活塞,加压让硅胶表面露出,此时理想情况下会形成一个薄且均匀的样品层。倒入少量石英砂,起到保护样品层免受洗脱液冲击的作用。
上样时样品层一定要尽可能薄。在所有的色谱分析中,一旦上样量过大、样品层过厚,都会导致出峰严重展宽或变成平头峰,严重降低分离效率。
3. 预洗脱
在柱顶端放置一个储液球,加入纯PE,加压洗脱。这一步的目的是去除上样时残存的极性溶剂。对于烃类等低极性产物,在这一步就会很快流下。
预洗脱的初始阶段,可以观察到在残存极性溶剂的作用下样品层发生扩散。如果硅胶明显过少,则样品层会在这一步就流出柱子,此时就需要再用极性溶剂将所有样品洗下、合并旋干后重新过柱。

4. 洗脱和收集
加入淋洗剂,使用试管或锥形瓶收集洗脱液体,并及时进行TLC监测,找出主要成分为待分离组分的部分,旋干。
关于淋洗剂的极性,常用的判断规则是使用待分离组分在TLC板上Rf0.2的溶剂;若两个组分的Rf差异大于0.1,则容易比较好地分离。经常使用分段溶剂的方法,先使用小极性溶剂将极性低于目标产物的组分去除后换用更大极性溶剂。每次更换溶剂前,要让液面下降到与硅胶表面齐平。
有机反应往往会生成一些有色杂质,它们的极性很大,最终留在硅胶柱的原点。盐类往往也会留在原点。如果要分离盐类,往往需要使用DCM/MeOH,甚至MeOH/水作为展开剂。
与分析级TLC类似,带有酸碱官能团的化合物在柱层析过程中也很容易拖尾。为此,可以在展开剂中加入1%乙酸或三乙胺。
5. 压干
待目标组分流出完毕后,对柱子持续加压,直到柱子完全变干,内部硅胶容易流动。将硅胶倒在可靠的密闭容器中,作为有害废弃物处理。
溶剂的重蒸和回收
柱色谱需要使用大量溶剂,溶剂中含有的微量杂质经过浓缩可能会混入产物中,带来不可忽视的影响。这些杂质包括从包装或塑料器皿中溶出的增塑剂、石油醚里的高沸点杂质等。假如要分离10 mg产物,使用100 mL溶剂,则溶剂中十万分之一的杂质就足以达到mg量级。其中最重要的是石油醚中的高沸点杂质。
石油醚是沸点在特定范围内的烷烃混合物,常见的有3060 ℃, 6090 ℃等,其中6090 ℃石油醚最常用,3060 ℃的轻石油醚则对于旋蒸低沸点产物特别有用。在石油醚中,难以避免地混有高沸点杂质,它们极性很小,当分离非极性产物时影响尤为明显,且混入低极性产物中后很难进一步去除。在作者对一批3060 ℃石油醚的重蒸过程中,发现平均每瓶500 mL在50 ℃旋蒸会得到11 mg残余物。为了避免这种情况,可以选择使用HPLC级正己烷;更加便宜和绝对保险的方法是无论使用什么溶剂,在使用之前都用旋蒸重蒸一次。

石油醚中的杂质带来的1 ppm左右的氢谱峰
如果溶剂不充裕,或需要分离的量很大、耗费溶剂过多时,对溶剂进行回收可以极大提升经济性。我们可以选定几种常用的洗脱液比例,每次使用该比例过柱并旋蒸后将蒸出的溶剂储存起来继续使用。
对于混合溶剂,回收的溶剂比例与初始比例不同,这主要是由于两点:第一,硅胶柱会更强烈地吸附溶剂中的极性组分,因此流出的溶剂极性往往比初始溶剂小;第二,溶剂中的各组分蒸汽压不同,回收效率有异,导致最终富集高沸点组分。此外,回收的溶剂里往往混有大量从空气中冷凝的水。当水进入硅胶柱时,将起到很大极性溶剂的作用,可能干扰分离。为了避免这种情况,在使用回收溶剂进行柱色谱、并且溶剂中漂浮着水珠时,可以在柱顶端石英砂上方再加一层无水硫酸钠。
其他填充剂
硅胶表面有大量硅羟基,呈现弱酸性。除了硅胶外,酸性、中性和碱性氧化铝也可以用于柱色谱层析。它们是在不同pH下进行表面处理后的氧化铝粉末,对带有酸碱性的化合物有与硅胶柱不同的吸附性能,在硅胶柱难以有效分离的情况下可以使用氧化铝柱尝试。相对应地,也需要使用碱性氧化铝板进行TLC以确定淋洗剂比例。总体而言,氧化铝柱的柱效比硅胶柱低得多,适用性限于产物与杂质的酸碱性有明显差异的场合。
填充剂的酸碱性也会影响化合物的稳定性。对部分敏感化合物,可能观察到在色谱柱上分解,此时改用其他填充剂、或对硅胶进行中和是必要的。对于硅胶,最常用的是用三级胺对表面的酸性基团进行中和,这要求在用石油醚拌硅胶时加入几毫升的三乙胺或DIPEA,并且在柱层析过程中也要在淋洗剂中加入这些碱。为了判断化合物是否对硅胶稳定,可以在TLC时,让化合物在硅胶板上静置几分钟再展开,观察是否与立刻展开的结果不同;也可以取少量溶液与硅胶搅拌几分钟后点样。
硅胶短柱(short pad of silica gel)
有的反应产物极性很小,而杂质极性很大,此时非常容易分离。只需让溶液通过一根100-200目的硅胶短柱、并用适当的溶剂洗涤直到产物出尽为止。这相当于借助硅胶进行一次过滤,并将大极性杂质完全吸附。由于极性差异很大,硅胶短柱不需要像普通硅胶柱层析那样小心装填,只需将少量硅胶倒进柱子里即可。

很多情况下,反应混合液使用DCM等小极性溶剂,成分又适合硅胶短柱分离,可以免去淬灭、萃取等步骤,直接让反应混合液通过硅胶短柱后用DCM将产物洗出来。以上是用硅胶短柱分离一批DDQ和烯烃反应混合物前后的图片,深色且大极性的杂质被完全留在硅胶上。此外,如果萃取后的溶液纯度已经足够,也可以不加干燥剂,而是通过硅胶短柱后旋干,硅胶一方面可以起到干燥剂的作用,也可以去除大部分大极性杂质。
当所需要分离的样品量很小时,硅胶短柱也可以用移液枪头进行。用棉花堵住枪头,加入少量硅胶,上样、添加溶剂后,将洗耳球堵在枪头顶端加压。这样比使用玻璃柱子更快,唯一的缺点是消耗臂力。
自动柱色谱
手工柱色谱通常是实验室工作中最费时的步骤。使用中压制备色谱(MPLC,俗称“自动过柱机”)可以极大提升效率。MPLC使用商品化的硅胶柱,包含输液泵、检测器、收集器作为主要组成部分。输液泵通常带有至少两个溶剂入口,可以根据设置吸入指定比例的溶剂;随后将溶剂通过硅胶柱,使用紫外检测器返回实时吸收,用户可以直观观察到峰形。如果装配了收集器,可以根据流出体积和吸收情况自动切换收集容器。
商品化硅胶柱装在聚合物圆筒中,通过鲁尔接头与管路连接。它的规格用硅胶的重量(克数)描述,可以按照样品量100-200倍的方式选择。预装填硅胶柱远比手工装填的要紧密,柱效高得多。
自动柱色谱最主要的设置内容是流速和梯度。柱色谱的分离效果遵循Van Deemter方程,理论塔板高度与流速呈现对勾形关系。这导致了根据扩散和传质阻力情况不同,存在一个最佳流速。对于同一个品牌,商品化的预装填色谱柱的最佳流速对每种规格是相对固定的。例如,20 g色谱柱的最佳流速通常在2050 mL/min左右。
梯度规定了二元溶剂的组分和随时间的变化。MPLC通常采用线性梯度。以PE/EA体系为例,在最开始的几分钟,使用100% PE冲洗上样溶剂;随后溶剂组分线性地从0% EA过渡到100% EA。这段时间通常在10 min左右。习惯上将大极性组分(或广义地说,强溶剂)记作溶剂B,用B的含量百分数作为梯度数值。
自动柱色谱的操作步骤
1. 上样
选择合适的色谱柱,装在过柱机上,用0% B冲洗至少一倍柱体积,以排出气泡、让溶剂完全浸润色谱柱。
取下色谱柱,用注射器将样品推到柱中。重新安装到机器上。
预冲洗
用0% B冲洗至少一倍柱体积,排出上样溶剂。
洗脱
开始梯度洗脱,观察吸收曲线,根据峰形选择产物所在的流出溶液并旋干。
后冲洗
反相色谱柱价格很高,几乎总是回收使用。正相色谱的硅胶柱相对廉价,有条件可以做到一次性,经费有限时也可以回收使用。如果需要回收,则用100% B冲洗直到紫外吸收稳定(不一定会回到一开始的基线水平),然后用0% B冲洗直到紫外吸收稳定。
如果色谱柱不回收,则取下色谱柱,用0% B冲洗管路里的残余溶剂。
制备级TLC
制备级TLC俗称“刮大板”。制备级TLC使用的硅胶板上的硅胶负载量比普通TLC板高得多,可以用于几十mg规模样品的分离。相比于手工柱色谱,制备级TLC不需要繁琐的手工操作,特别适合组分复杂的情况。
制备级TLC的操作步骤与传统TLC类似。首先在硅胶板上用铅笔画出基线,随后用尽可能少的溶剂溶解样品后均匀涂在基线上。一种常见的方法是将棉花塞到移液枪头尖口处,蘸取溶液后使用。如果样品溶液粘度不高、没有沉淀,也可以用1 mL注射器或100 uL微量注射器吸取,然后缓缓推到基线上。涂完后,用尽可能少的溶剂洗涤容器和枪头,再上一次。上样过程中溶剂的扩散会导致样品层展宽,因此推荐使用DCM等低沸点溶剂,必要时一边上样一边吹干。

上样完成后,用电吹风吹干溶剂,放入展开缸内。制备级TLC需要的展开剂极性往往比分析级TLC大,这是由于硅胶更多,会大量吸附展开剂里的大极性组分,导致实际发挥作用的展开剂极性偏小。如果不确定合适的展开剂比例,可以先使用分析级TLC下能达到足够分离程度的展开剂,并时常将硅胶板取出,快速放在紫外灯下观察并放回,根据情况补加大极性溶剂。此外,由于硅胶吸附溶剂量很大, 也要关注展开缸里是否时刻有足够的展开剂。
如果上样时样品层过宽,也可以先用大极性溶剂(如DCM、EA等)展开,让溶剂刚刚超过样品层即停止。这样,所有组分都会被推到这时的溶剂前沿,起到让样品层变窄的作用。接着,用电吹风吹干板子上的溶剂(一定要彻底吹干!由于制备级TLC板子上硅胶很厚,即使表层看不出溶剂,内部也会吸附大量溶剂,通常需要吹数分钟),将展开缸内的溶剂换成正常的展开剂,可以得到更好的分离效果。
待达到足够分离程度后,将硅胶板取出,在紫外灯下找到感兴趣产物的条带,铅笔标记后用刮刀刮下。在下图中,作者将硅胶板从中间一分为二,同时分离两组样品,通过紫外吸收分辨出目标产物,而橙色的杂质则留在板子上。

刮下来的硅胶压碎后,放入玻璃色谱柱里,用适当的溶剂(最常用的是DCM)洗脱至流出液无紫外吸收为止,旋干即得产物。这一过程也可以在砂芯抽滤漏斗里进行。
任何色谱法给出的产物都是平滑的峰形分布,且在边缘可能有重叠。对纯度要求高时,单次色谱可能无法给出令人满意的纯度,此时可以多次色谱分离(如柱色谱后进行制备TLC);必要情况下,制备级TLC时舍弃色带边缘。除此之外,若产物为固体且量不是很小(至少几十个mg),在柱色谱后进行重结晶,往往能达到相当高的纯度。
重结晶
重结晶是获得纯的固体样品的最有效手段。当样品包含一种占据主体的固体成分和少量杂质时,让样品处于一种能够析出晶体但不会全部析出的环境,此时主体成分析出,低含量杂质留在溶液中。在重结晶之前我们通常会进行柱色谱;而若反应规模很大(几克以上),柱色谱将非常困难,此时重结晶几乎是唯一现实的纯化方案。
最简单的重结晶发生在对柱色谱洗脱液的旋蒸过程中。随着溶液的浓缩,有时我们会发现产物以固体形式析出,这种情况下析出的固体往往纯度已经相当高。我们只要确保不旋干,留下便于操作的液体体积后过滤即可得到纯品。对于母液,如果TLC发现其中仍然以目标产物为主,可以继续旋蒸、过滤的过程。
除了这种十分简单的情况外,我们需要有意进行重结晶。在重结晶前,我们需要首先掌握产物在不同溶剂中的溶解度,这可以通过取少量样品尝试用溶剂溶解来实现。重结晶常用溶剂有PE、DCM、EA、THF、MTBE、甲醇、甲苯等。一种重结晶方法是热重结晶,适用于产物在某一溶剂中溶解度随温度变化很大的情况:我们取样品加入溶剂,使得在室温下几乎不溶解;随后加热并适当补加溶剂,趁热过滤,滤液冷却(也可以降温到室温以下)后析出产物。
更常用的是二元溶剂重结晶法。为此,我们需要试出一种良溶剂和一种不良溶剂。对于极性有机物,DCM/PE是十分常见的良溶剂/不良溶剂组合。我们首先用最少量的DCM溶解产物,然后加入PE到出现浑浊(此时有可能析出的是油状物),然后再加入最少量的DCM让浑浊物溶解,此时得到产物的近饱和溶液。将这一混合物旋蒸,由于DCM沸点低,在旋蒸除去的过程中不良溶剂含量逐渐增加,产物开始析出。待产物大量析出后过滤并用不良溶剂洗涤沉淀。母液如果产物含量仍很多可以继续旋蒸。有时我们会发现旋蒸后始终无晶体析出,此时可以尝试对混合溶液进行超声,通常会迅速引发结晶过程。有的有机物易溶于DCM而不溶于甲醇,DCM/甲醇也是好用的组合。
对于极性有机物,PE是常用的不良溶剂;而对于极性的金属配合物、盐类等,用DCM/PE重结晶可能导致产物以油状物形式析出。许多此类配合物易溶于DCM,而在以MTBE为代表的低极性醚类中溶解度低,可以采用DCM/MTBE体系(与之相反,THF由于极性较大,常常能溶解产物)。如果这些常用组合不成,则需要对其他溶剂体系进行个性化的尝试。
表征前准备
直接获得的产物往往含有大量溶剂,必须先充分除去后才能用于表征。重结晶出来的固体比较容易倒到样品瓶中,但大多数情况下我们的产物是油状物或贴壁的小固体。这种情况下,我们可以用少量DCM等低沸点溶剂将产物溶解,转移到样品瓶中,洗涤2次合并,然后在样品瓶口覆盖封口膜,并在封口膜用针头上扎几个小洞。将这些样品瓶放入真空干燥器中接水泵或隔膜泵。经过至少一夜后,大部分溶剂会被除去。需要注意的是,当样品瓶过小、或溶剂量过大时,抽真空时容易喷溅导致样品损失;通常使用10 mL以上的样品瓶是比较安全的。

有时即使用水泵或隔膜泵抽干样品仍然包夹溶剂。在除去大部分溶剂的基础上,可以再将装置转移到油泵上抽30 min以上,借助油泵的高真空除去剩余溶剂。
除了使用真空干燥器外,我们也可以取一个大的抽滤瓶,在底部铺上石英砂,将样品瓶立在石英砂里。将抽滤瓶瓶口塞住,支管接真空,然后放在油浴上加热,利用升温和真空的组合除去溶剂。温度的选取依赖于样品的热稳定性、是否容易升华等性质,一般可以选择4060 ℃。
在获得纯化的样品后,需要分出适当的量用于表征。最常用的表征手段包括核磁氢谱、碳谱、红外、高分辨质谱、LC/GC-MS等。对于核磁氢谱,几毫克样品即足够,更多容易导致峰形展宽;对于碳谱,则需要20 mg左右样品,或延长扫描时间。红外、质谱、GC/LC-MS对样品量要求很少,红外光谱只需要肉眼可见的样品,而质谱使用转移样品时洗涤容器所得的溶液即足够。我们可以使用干净的玻璃吸管吸取样品溶液到不同的样品瓶中,再分别抽干。
在表征前,应当确保产物已经获得了足够的纯化。TLC只有单一的点是基本的要求;即使满足了这一要求,也经常会在核磁中发现杂质峰,其中最常见的是溶剂残余(如氢谱化学位移0.81.2 ppm的石油醚峰)。这就要求要对样品进行进一步抽干。对于固体样品,为了得到纯净的核磁,往往是需要重结晶的。