光谱学
天然产物分离(2)——净化技术,概述
最后更新:2022年10月31日|
如何获得一个纯化合物从原油混合物:5关键净化技术
在此之前,我们显示的几个例子准备粗提取物植物和其他生物。而有时(很少)我们可以幸运地获得一个提取主要是一种化合物,更代表情况,得到化合物的混合物。例如,这气相色谱法薰衣草油(GC)分析说,这一切,与36标记化合物(和更多如果你冲刷基线)。
在这篇文章中,我们将通过一些基本技术原油混合物的分离和提纯,可以从天然产物提取获得。
我们想要回答的主要问题是:有哪些选项净化原油混合物进入组件?
今天有五个关键技术我们将讨论。我们走吧!
表的内容
1。化学性质(酸碱)
最古老的(现在仍然广泛使用)方法对自然产品隔离修改pH值,因此水溶性,酸性和碱性分子的混合物。这是因为某些基本和酸性分子可以很容易地转换成盐,大大增加其水溶性。这个过程通常是可逆的,因此,在带电盐和其他混合物分离,我们可以恢复原来的酸性或碱性的物种。
这是一个总体概述。
假设你的原油混合物的分子可以作为基地——一个胺,例如。在中性形式,大多数胺只溶于乙醚或二氯甲烷等有机溶剂。然而,如果一个调整pH值下降到1左右,胺会使质子化,形成一种铵盐(它的共轭酸)。盐,现在轴承,将有相当大的水溶性,所以提取的混合物水将从原油分离盐混合物。水相可以收集,pH值调整回中性通过增加基础的。这将中和酸,导致降水的胺水相。中性胺可以用有机溶剂提取。
这里有一个代表计划(点击embiggen)
类天然产物生物碱是最早被孤立为纯粹的分子由于其酸碱属性。例如,这是德国化学家的一幅画Friederich Serturner隔离后和他的伙伴吗啡在1824年。(这是艺术家罗伯特•托姆的难以忘怀的场景,顺便说一下,不是一个肖像。)
这同样适用相反的方向,对于酸性组件。例如,一个可以粗提物溶解于有机溶剂,然后提取与强碱(pH值14)。任何组件与酸性官能团(如羧酸)将被转换成共轭基地,以及由此产生的相对水溶性盐。水提物可以被删除,然后re-acidified为了生成母体化合物。提取和有机溶剂酸分离的结果。
这是一个代表计划(点击放大)。PDF版本
从原油酸性和基本组件的分离混合物通常是第一个步骤原油天然产物提取分离的组件。它可以节省很多净化时间如果事先知道所需的复合感兴趣的是酸性或碱性。
2。分离沸点差异(蒸馏)
蒸馏最熟悉的净化方法之一:包含混合物加热到沸腾,瓶和蒸汽冷凝和收集。我们用温度计监测蒸汽的温度和注意每个分数的沸点。蒸汽是一个函数的构成根据沸点的组件拉乌尔定律(蒸汽压力的比率)。
石油就像薰衣草提取物是由许多不同的部件有不同的分子量和沸点。理论上,一个应该能够通过蒸馏分离组件,对吧?
在实践中,它不是那么容易使用传统的实验室设备,除非有很好的分离沸点(40°C是一个不错的经验法则)。可以增加蒸馏的分离用的力量利用分馏柱,从而导致更多的condensation-evaporation周期和更好的分离。
(规模也是一个问题。小于1毫升的液体就很难做一个有效的蒸馏因为很难热液体均匀。在小范围内,有工具等Kugelrohr它可以帮助。
如果你想超越“传统实验室设备”?你可以建立一个炼油厂。
(这些高塔蒸馏塔)
毕竟,炼油厂的原油,单独的组件的沸点和由此产生的部分馏分油准备出售汽油、柴油、煤油、喷气燃料等等(不提取的残留垃圾就是我们所说的“沥青”)。
我们所说的“汽油”实际上是一个超过200个不同的碳氢化合物的混合物从C4 C12,沸腾40 - 200摄氏度。给定一个足够大的蒸馏设置,这些组件可以进一步分为单个组件如戊烷、己烷、庚烷,等等,这些都是作为精细化学品。
3所示。结晶
我们都熟悉晶体和再结晶的过程中,至少在某种程度上。但如何用于获得纯结晶化合物从原油混合物?
这是一个日常的例子与历史的重要性。检查某些葡萄酒的瓶塞或底部将显示微小的明确的碎片,就像破碎的玻璃。这些“酒钻石”是事实上的晶体钾ditartrate,慢慢结晶葡萄酒的酒精含量增加。(钾ditartrate完全溶于葡萄汁(不含酒精),但不溶于乙醇。因此酒石酸氢盐的结晶分离从多方面的其他化合物存在于酒。
你可能会意识到,酒石酸晶体路易·巴斯德也引人注目,他们研究了光学异构的发现。
再结晶的一种通用方法,如下:
- 有偿付能力的调查。检查各种潜在溶剂原油混合物。理想的再结晶溶剂将整个混合物在高温下溶解,但不是在较低的温度。
- 原油混合物在高温下溶解,直到没有固体依然存在。它可能需要过滤掉任何不溶性材料。
- 允许混合物冷却原状。缓慢冷却会导致更大的晶体。
如果你很幸运,你可能会得到的外观闪亮的水晶瓶的底部。如果不发生再结晶,它可能帮助抓瓶创建晶体的成核点的形成。一个围绕名称的起源的传说”巴比妥酸”是如此命名是因为结晶被抓了一个化学家的dandruff-laden胡子(在拉丁文“胡须”)的结晶。化学家们从未闻名卫生。)
如果你这都是jibber-jabber,这里有一个视频从麻省理工学院。
另一种方法是添加少量co-solvent热,溶解原油混合物中某些组件是不溶性。(视频]
直到几十年前,再结晶是为数不多的化学家化学纯化和表征方法。如果你不能得到晶体,算了吧。(注1]。这可能导致一些化学家绝望的措施。
结晶是尽可能接近理想的净化方法。产品通常是高度纯(与混合物有时可以获得与蒸馏),操作简单,相对便宜,并且可以进行尺度从几毫克到几百公斤(和可能超出)。注3]
试图净化,使用色谱(见下文)的材料数量是一场噩梦。
唯一的问题是,并不是所有的化合物形成晶体,有时发现条件,将选择性地再结晶化合物可能会非常耗时。(注2]
另一个要注意的是结晶未知化合物的结构可以由一个技术x射线晶体学。这是多萝西毛茛霍奇金维生素B12的结构决定的,为她工作于1964年被授予诺贝尔奖。对照的x射线晶体学是结构的测定:用很少的例外,如果你能得到一个化合物结晶,可以确定其结构。
并不是所有的有机分子可以形成晶体。那些往往有相当与一个或多个环刚性结构,或盐。有机化学(早期的一个原因集中在类固醇,杂环化合物,和一定程度上的生物碱是他们相对容易结晶——前几天非常重要的现代色谱技术)。过去,一种方法处理这个问题的分子不会结晶是让衍生品如腙或亚硫酸氢盐加合物,一般晶体熔点或特征。我们仍然迫使许多大学生通过这胡言乱语即使让衍生品一直传递的有效性。
结晶的更多信息,如果你感兴趣,有一块漂亮的在布兰登•芬德雷Chemtips。
我们结束这一节与一些水晶魅力。
4所示。色谱法
一切不能很容易通过蒸馏提纯或再结晶柱层析法。说实话,对于大多数台式化学家致力于典型实验室规模(从几毫克到几克的起始物料)柱层析法的分离技术。像最好的答案囚徒困境,它可能不是一个理想的解决方案,但至少你通常有确定性它将花费你多少时间。
色谱法是如何工作的呢?我能想到的最好的快速类比是尼龙搭扣。想象一个地板地毯制成的尼龙搭扣“钩子”。然后想象走在与你正常的跑步鞋。没问题,对吧?好和顺利!现在想象衬你的跑步鞋的底部与维可牢“模糊”,做同样的事。你会走路要慢得多,使烦人rip-rip噪音,除此之外。
“维可牢”在我们的类比代表之间的交互(极性)硅胶装在列(固定相),包含免费哦组,任何组织溶解在极性溶剂(流动相),因为他们是通过列。更多的极性基团的化合物,氢键相互作用与极地硅胶,它将越慢下来列(就像在我们的维可牢示例)。“油腻”——那些有一些极性基团化合物将迅速向下移动列,因为他们很少交流与硅胶(就像走在一个维可牢地毯与“正常”的鞋)。
因为这是变成另一个长得出奇的帖子我不愿去过多的具体细节色谱和很高兴向你介绍许多伟大的在线资源(如。Youtube),您可以了解更多关于如何运行一个列。再次,从布兰登•芬德雷Chemtips一系列的文章致力于它,这也是我所推荐的。
这是一个粗略的大纲列运行。
- 使用薄层色谱法(TLC)板块,稀释样品混合原油的“发现”,并放置在各种溶剂混合物为了找到条件好的可能发生分离。
- 基于分离的材料数量,选择一个适当的列的大小,挤满了硅胶和溶剂(通常己烷)开始。
- 列的顶部装载原油材料溶解在最少的非极性溶剂。
- 洗脱液(溶剂系统流动相在薄层色谱实验确定)添加到列的顶部,和压力。
- 溶剂是通过列和收集在小管。各种产品的外观进行TLC(和紫外线灯,如果材料吸收紫外线——许多做!)。
- 后确定哪些管包含哪些化合物(TLC)分数收集和集中,然后由光谱技术,如核磁共振检查(在未来的文章中)。
一旦你有几列,你能做的最简单的方法进行了净化在一个小时内典型的规模(50 - 100毫克是常见的测试反应)。作为物质爬到> 10 g的数量规模,然而,当我们开始寻找其他技术——运行列和删除所有溶剂可以更好的部分在大规模的一天!
最后的注意。规模小(小于50毫克)也可以有用的尝试制备薄层色谱法,包括使用一个更大的盘子里。开发完成之后,不同的分数可以用紫外线(如果化合物紫外吸收),石英挠了,化合物的硅胶与乙酸乙酯等溶剂。这里有一个图片。
5。气相色谱(GC)、高效液相色谱法(HPLC)
好吧,也许你没有一公斤的原油净化材料。也许你甚至没有克,或10毫克。也许你有一个毫克或更少(不常见的一些自然产品特级!)。不幸的是,上面提到的所有技术出。值得庆幸的是,还有一个选项。GC, HPLC法救援!
GC和高效液相色谱法需要昂贵的仪器和投入大量的时间在学习如何使用它们,在所有实验室和绝对不是可用的。然而,为了给概述所有在场的化合物的混合物,它们是无与伦比的。没有其他方法可以提供这样的结果分析,薰衣草油(及其36化合物)我把这篇文章的顶部。或分析的萜烯的高效液相色谱法对10毫升的材料。看那分离(源]。
没有进入细节,这些形式的色谱法遵循相同的原则是柱层析法(上图)除了“列”是直径更小,运行在更高的压力。顾名思义,“溶剂”(流动相)是一种惰性气体的GC和液体(通常是己烷/乙腈)的高效液相色谱法。
除了他们的大国的分离,进一步利用高效液相色谱法和GC是分析可以做在一个惊人的少量的样本。例如,示例运行在两个以上微克。你出汗的指纹重量超过!
如果纯样品是需要使用GC和高效液相色谱法分离出足够的材料,以便全面表征复合使用大列。这被称为“制备”GC和高效液相色谱法,特别有价值的小,有价值的样本。约1毫克的材料是足够的能够完全描述未知化合物用我们现代光谱技术(主要是核磁共振)。
6。结论——净化技术的概述
这是一个长的职位。点已给的概述用于净化原油混合物的关键技术:1)化学性质,2)蒸馏,结晶,4)色谱法,5)GC /高效液相色谱法。
这是一个方便的表总结为每个范围的优点和缺点。是我自己的意见。欢迎在评论的分歧。
在下一篇文章中,我们将超越这个概述,开始问的问题:你如何描述一个纯粹的结构,未知化合物?
笔记
注1。名誉教授我和曾经告诉我,整个19世纪德国博士学位可能包括加热各种化合物与浓酸好几天,然后通过各种尝试再结晶的产品产生的汤。整个博士可以包含描述一个反应的产品。
注2。相同的教授告诉一个故事(可能aprocyphal)的研究生是如此沮丧的无能复合结晶经过无数次的尝试,他在再结晶尿了菜。奇迹般地,他所需的化合物的晶体出现。显然,据报道在实验“与尿酸co-crystallized”。
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