重结晶提纯法
知识目录：
1、重结晶的目的
2、结晶与重结晶的定义
3、结晶的形成过程
4、结晶法的基本原理
5、重结晶的一般操作过程
6、重结晶过程中溶剂应具备哪些条件：
7、加热溶解固体时应注意哪些？
8、选择溶剂具体试验方法？
9、混合溶剂法的选择及方法
10、活性炭的使用及注意事项
11、热过滤分类（常压过滤和减压过滤）
12、循环式真空水泵的使用注意事项
13、扇形折叠滤纸（菊花滤纸）
1、重结晶的目的是什么？
在进行有机制备时，产物往往与许多其他物质（其中包括未反应的原料、副产物、溶剂及催化剂等）共存于最后的产物中，因此在进行有机制备时，常需要从复杂的混合物中分离所需要的物质。纯化这类物质的有效方法就是选择合适的溶剂进行重结晶，其目的在于获得最大回收率的精品。
2、结晶与重结晶的定义
结晶(crystalization)是物质以晶态的形式从溶液中析出的过程。结晶是纯化固体有机化合物的重要方法之一，它是利用混合物中各成分在某种溶剂中或某种溶剂中的溶解度不同，使其相互分离形成结晶的过程。
重结晶(recrystaliaztion)：由于初次结晶或多或少总会少量杂质，因此需反复结晶，这一过程叫做重结晶。
3、晶体的形成过程？
晶体的形成过程是一个可逆的过程，最初先形成一粒子晶种，这个晶种从溶液中选择恰当的分子，按照一定的晶格排列而慢慢地一层层长大，形成具有一定几何形状的晶体。如果这个过程进行较快，没有什么选择性，就会得到沉淀；如果这个过程进行相对较慢，有一定的选择性，则生成结晶。因此，结晶过程应避免将溶液冷却过快或突然向溶液中加入极性相反的溶剂。
4、结晶法的基本原理
结晶是依据要纯化的固体物质与所含杂质在同一溶剂中溶解度的不同，使结晶析出而得到纯化。若所选择的溶剂只溶解被纯化的物质，不溶解杂质，那么通过过滤后进行结晶，可以很容易将样品纯化。但是，实际上并没有或很少有这样理想的溶剂，而溶剂往往对欲纯化物质和杂质都能溶解的情况较多，但是只要杂质在总固体中占很小一部分，即可以用结晶法予以纯化。
如设物质A及其杂质B，室温下两者在某溶剂的溶解度均为1g/mL。若有一不纯的样品，其中含10gA和2gB，当加入
mL溶剂时，室温下都不会溶解。当加热到℃时，两者全部溶解，冷却至室温时，有9gA和1gB析出，1gA和1gB留在母液中。继续用mL溶剂进行重结晶，冷至室温，则只有8gA析出，1gA和1gB在母液中，最终得8g纯A，但损失2g。这一结果说明利用结晶法可以分离纯化含有少量的杂质的样品，但结晶法会对样品造成一定的损失，而且这种浪费是不可避免的。当然如果杂质在溶液中更易溶且含量较少的话，可减少损失。
注意：如果A和B为50%的混合物，即使选择较好的溶剂，损失量是很大的，分离效果差，几乎无法分离。这就是为什么有时用多次重结晶仍不能得到纯品的原因。在这种情况下，可以考虑其他的分离方法，如色谱分离法等。
5、重结晶的一般操作过程
一般操作步骤为：
①选择适当的溶剂，并确定适当的溶剂用量。
②在待纯化的样品中加入已选好的溶剂，加热至沸腾，得到沸腾温度下的饱和溶液；
③如溶液含有有色杂质，可加活性炭煮沸脱色，并将此饱和溶液趁热过滤，以除去有色杂质及活性炭；
④将滤液冷却，使结晶析出；
⑤抽滤收集结晶，可溶性杂质留在母液中而得以分离；
⑥用少量溶剂洗涤结晶并抽干；
⑦干燥后测定熔点；
⑧如果样品的纯度达不到规定的要求，可根据情况重复上述操作，直到得到纯品。
6、重结晶过程中溶剂应具备哪些条件：
①不与被提纯物质起化学反应，且有适宜的沸点；
②被提纯物质的溶解度必须随温度升降有明显正相关的变化；
③杂质在热溶剂中不溶（可趁热过滤除去）或在冷溶剂中易溶（待结晶后分离除去）；
④被提纯物质能生成较整齐的晶体；
⑤价廉易得，毒性低，回收率高，操作安全。
7、加热溶解固体时应注意哪些？
1、首先将待提纯物放在一玻璃容器中（烧杯、锥形瓶或烧瓶中），并加入少许溶剂边搅拌边加热直到沸腾，再向沸腾的混合中分次加入溶剂直至热溶剂正好全溶解固体（由于通常溶解度曲线在接近溶剂沸点时会陡然升高，故重结晶操作中应将溶剂加热至沸）。
2、对于易挥发、易燃或有毒的有机溶剂作重结晶溶剂时，应在锥形瓶或烧瓶的上口装上球形回流冷凝管以防止溶剂蒸气的逸出。溶剂的用量必须要从两个方面考虑，既要防止溶剂过滤造成溶质的损失，又要考虑到后面饱和溶液热过滤时，因溶剂的挥发、温度下降使溶液变成过饱和，造成过滤时在滤纸上析出结晶，从而影响收率。因此溶剂量一般比需要量多15%～20%。
3、加热时一定遵循安全规则！（详见加热与冷却）。
8、选择溶剂具体试验方法？
取0.1g结晶固体与试管中，用滴管逐滴加入溶剂，并不断振荡试管，待加入溶剂约1mL时，注意观察是否溶解，若完全溶解或间接加热至沸完全溶解，但冷却后无结晶析出，表明该溶剂是不适用的；若此物质完全溶于1mL沸腾的溶剂中，冷却后析出大量结晶，这种溶剂一般认为是合适的；如果试样不溶于或未完全溶于1mL沸腾的溶剂中，则可逐步添加溶剂，每次约加0.5mL，并继续加热至沸腾，当溶剂总量达4mL，加热后样品仍未全溶（注意未溶的是否是杂质），表明此溶剂也不适用。若该物质能溶于4mL以内热溶剂中，冷却后仍无结晶析出，必要时可用玻璃棒摩擦试管内壁或用冷水冷却，促使结晶析出，若晶体仍不能析出，则此溶剂也是不适合的。
9、混合溶剂法的选择及方法
常常遇到用单一溶剂无法找到某个化合物的合乎溶解度要求的溶剂。在这种情况下，可使用混合溶剂。
混合溶解的选择：选一种能溶解某样品的溶剂，作为第一种溶剂；再选一种能和第一种溶剂互溶，对样品溶解度较小的溶剂作为第二种溶剂。
混合溶剂结晶方法：将化合物溶于能使其溶解得最少量的沸腾的第一种溶剂中，接着向此沸腾混合物中滴入第二种溶剂，直至混合物刚好变成混浊。达到这一点时，加热使其澄清或加入第一种溶剂使其刚刚变为澄清，过滤除去不溶杂质，冷却，即有结晶析出。
10、活性炭的使用及注意事项
粗制的有机化合物常包含有色杂质，在重结晶时杂质虽可溶于溶剂，但仍有部分被结晶吸收，因此当分出结晶时常会得到有色产物。另外，溶液中常存在少量树脂物质或极细的不溶物，用简单过滤的方法无法出去。如果在溶液中加入少量脱色剂（活性炭）煮沸5-10min，活性炭可吸附色素或树脂状物质，趁热滤去，即可得无色、较纯的产品溶液。
使用活性炭脱色时要注意以下几点：①加活性炭以前，首先将待结晶化合物加热溶解在溶剂中，待溶液稍冷后再加入活性炭,活性炭不能加到沸腾的溶液中，否则会引起溶液暴沸，严重时甚至会有溶液被冲出来的危险；②加入活性炭的量，可以根据杂质的多少而定，一般为固体化合物的1%～5%。加入量过多，活性炭将吸附一部分纯产品。除活性炭脱色外,也可以采用层析柱来脱色，如氧化铝吸附脱色等。
11、热过滤分类
热滤的方法有两种，即常压过滤和减压过滤。重结晶溶液是一种热的饱和溶液，常需要进行过滤。
（1）常压热过滤就是用重力过滤的方法除去不溶性杂质（包括活性炭）。选一短颈而粗的玻璃漏斗放在烘箱中预热，过滤时趁热取出使用。在漏斗中放一折叠滤纸，折叠滤纸向外的棱边，应紧贴于漏斗壁上。先用少量热的溶剂润湿滤纸，然后加溶液，再用表面皿盖好漏斗，以减少溶剂挥发（如左图）。如过滤的溶液量较多，则应用热水保温漏斗，将它固定安装妥当后，过滤前预先将夹套内的水烧热（如右图），若操作顺利，只有少量结晶析出在滤纸上，可用少量热溶剂洗下。若结晶较多，用刮刀刮回原来的瓶中，再加适量溶剂溶解，过滤。滤毕，将滤液静置冷却。
（2）减压过滤也称真空过滤，其装置由布氏漏斗、抽滤瓶、安全瓶及水泵组成，如图所示。减压过滤的最大优点是过滤速度快，结晶一般不易在漏斗中析出，操作亦较简便。但悬浮的杂质有时会穿过滤纸，且低沸点溶剂容易被抽走。由于减压过滤简便快捷，实验中被更广泛地使用。
为了防止活性炭等固体从滤纸边吸入抽滤瓶中，滤纸不能大于布氏漏斗的底面，在溶液倾入漏斗前必须用同一热溶剂将滤纸润湿后抽滤，使其紧贴于漏斗的底面。当溶剂为水或其他极性溶剂时，只要以同种溶剂将滤纸润湿，适当抽气，即可使滤纸贴紧；但在使用非极性溶剂时，滤纸往往不易贴紧，在这种情况下可用少量水先将滤纸润湿，抽气使贴紧后，再用溶样的那种溶剂洗去滤纸上的水分，然后倒入溶液抽滤。在抽滤过程中，应保持漏斗中有较多的溶液，待全部溶液倒完后才抽干，否则，吸附有树脂状物质的活性炭可能会在滤纸上结成紧密的饼块阻碍液体透过滤纸。同时，压力亦不可抽得过低，以防溶剂沸腾抽走，或将滤纸抽破使活性炭漏下混入滤液中。如果由于操作不慎而使活性炭透过滤纸进入滤液，则最后得到的晶体会呈灰色，这时需重新热溶过滤。还应注意，为了避免热过滤时的热量损失过多，以致造成结晶在漏斗中提前析出，在过滤前应将布氏漏斗放入烘箱（或用电吹风）预热，如果以水为溶剂，则可将布氏漏斗在沸水浴中预热。
12、循环式真空水泵的使用注意事项
在有机化学实验室，常用的减压泵有水泵和油泵。若不要求很低的压力时，可用水泵。用水泵抽气时，应在水泵前装上安全瓶，以防水压下降，水流倒吸；停止抽气前，应先放气，然后才关水泵。长期不使用时，要将储水放干，以防机件绣蚀。
13、扇形折叠滤纸（菊花滤纸）
滤纸的折叠方法：
首先，将滤纸对折，再对折成四等份。
打开后，将每四等分再对折成八等分。
沿着每个八等分的中线，互成反方向各再折一次，成十六等分。注意：在接近圆心处不要用力折，以免由于磨损造成过滤时破裂。
展开后即得到折叠滤纸，并放入漏斗中使用。
一、实验目的
1．学习用重结晶提纯有机化合物的原理和意义。
2．掌握重结晶提纯有机物的基本步骤及操作方法。
二、实验原理
通过有机反应制备的固体有机化合物多是不纯的,往往混有反应生成的副产物和未反应的原料或者反应过程当中所用的溶剂、催化剂等，所以，经常要设法将杂质与所需的产物进行分离，加以纯化。重结晶是提纯固体化合物常用的方法之一。固体化合物在溶剂中的溶解度跟温度密切相关,一般温度升高溶解度增加，反之则溶解度降低。如果把固体化合物溶解在热的溶剂中制成饱和溶液，然后冷却至室温或室温以下，则溶解度下降，这时就会有结晶固体析出。利用溶剂对被提纯物质和杂质的溶解度的不同，使杂质在热过滤时被滤除或冷却后留在母液中与结晶分离，从而达到提纯的目的。
重结晶法适用于提纯杂质含量在5%以下的固体化合物，如果杂质含量过多，常会影响提纯效果，须经过多次重结晶才能提纯。因此，常用其它方法如水蒸气蒸馏，萃取等手段先将粗产品初步纯化，然后再用重结晶法进行提纯。
三、实验步骤
1．溶剂的选择
在重结晶实验中，选择合适的溶剂至关重要，否则，很难达到纯化的目的。选择溶剂时，必须考虑到被提纯物的成分和结构（相似相溶原理）。合适的溶剂须符合下列各项条件：
（1）与重结晶的物质不起化学反应。
（2）从溶解度来说，对被提纯的物质，在热时易溶，冷时难溶或不溶。
（3）对被提纯物和杂质的溶解度要有显著差别，即所用的溶剂对杂质的溶解度热时冷时都很大，即使在冷时杂质也不会以固体状态析出，这样就能使杂质留在母液中，不随晶体一同析出。或是所选用的溶剂对杂质的溶解度非常小，即使在热时，杂质亦不溶或难溶，这样就把杂质在过滤热溶液时除去。
（4）沸点适中，易与结晶分离。沸点过高的话，附着于晶体表面的溶剂很难除去；沸点过低时，溶解度改变不大，操作比较困难。
（5）所选择的溶剂对被提纯物能生成较好的晶形。
此外，溶剂的毒性，易燃性和价格等都是选择溶剂过程中需要考虑的问题。常用的溶剂有水、乙醇、丙酮、四氯化碳、石油醚和乙酸乙酯等。
为了选择合适的溶剂，需要查阅理化手册中的溶解度一项，但最终溶剂的选择往往是通过溶解度实验来确定，具体方法为：取几个小试管，各放入约0.1g需重结晶的物质，分别逐滴加入不同种类的溶剂，如果在1ml冷的或者温热的溶剂已经完全溶解，此溶剂就不适用；如果在超过4ml的溶剂当中加热沸腾仍然不能完全溶解，此溶剂也不适用。若该物质能溶于1ml～4ml沸腾的溶剂当中，则需观察试管冷却后晶体析出的情况，如果晶体不能自行析出，可用玻璃棒摩擦液面下的试管壁，以使晶体析出，如果晶体还是不能析出，则此溶剂也不适用。如果能正常析出晶体，一般选择析出晶体多的溶剂。有时物质易溶于某一种溶剂而难溶于另一种溶剂，而且该两溶剂能互溶，那么我们就可以用二者的混合溶剂来进行试验，常用的混合溶剂有乙醇与水、苯与乙醚、甲醇与乙醚等。
2.溶解固体
把样品放入锥形瓶中，先加入比计算量略少的溶剂，加热至沸腾，如果没有全部溶解（是否有不溶性的杂质，要注意判断，否则会造成误加过多溶剂），再每次少量，逐渐分次添加溶剂，每次加入均需加热至沸腾，直到样品刚好完全溶解，一般要比需要量多加20%左右的溶剂。要使重结晶得到的产品纯度及回收率高，溶剂的用量是个非常关键的问题。从减少溶解损失来考虑，溶剂不能过量，但这样在热过滤时可能会有大量晶体析出造成操作损失，所以必须根据这两方面的损失来权衡溶剂的用量多少。
有时为了避免溶剂挥发、可燃性溶剂起火或者有毒的溶剂中毒，通常在锥形瓶上安装回流冷凝管，从冷凝管的上口添加溶剂。对于一些易燃性的溶剂，可以选择适当的浴液进行加热。
3．杂质的除去
（1）脱色如果溶液中存在着某些影响产品纯度的有色杂质，通常要加入吸附剂予以除去，常用的吸附剂有活性炭和氧化铝。活性炭的用量根据杂质含量的多少而定。通常情况下，大约加入相当于样品重量的1%～5%，如果一次脱色不彻底，要进行重复操作。需要注意的是，活性炭除吸附杂质外，也会吸附产品，所以不能加入太多。为了防止溶液暴沸，活性炭必须在热的溶液稍冷以后再加，然后煮微沸5～10min，再趁热过滤，除去活性炭。
（2）趁热过滤对于溶液中的不溶固体物质以及进行脱色操作时加入的活性炭，须过滤将其除去。为了防止过滤时因温度降低而导致结晶析出在滤纸上，常用短颈玻璃漏斗（使用前先在烘箱中预热）和热水保温漏斗（在溶液稍冷就会析出结晶或者过滤的溶液较多时使用），配以折叠滤纸（菊花形滤纸），过滤时将短颈玻璃漏斗置于保温漏斗内，先用少量热溶剂润湿滤纸，然后把溶液迅速倒入漏斗内，并用表面皿盖好漏斗，以防止热量散失、溶剂挥发而导致结晶析出，如图1。
图1热过滤装置
在整个热过滤过程中，若溶剂为易燃有机物，过滤时一定要熄灭火焰，保证周围无明火。
为了提高过滤速度，滤纸需要经过折叠以增加其过滤的表面积。滤纸的折叠形状很多，菊花形滤纸是其中常用的一种，其折叠方法是：将圆形滤纸连续对折两次，使其形成边1、2和边3;打开滤纸至1/2对折状即半圆状，继而分别将边2和边3、边1和边3对折，使其形成边4和边5(图2a);再打开至半圆状，依次再将每等分对折，使其分别形成边6、边7、边8和边9(图2b和c);将半圆状的八等分依次按折痕交替向相反方向对折成16等分，得到象扇形一样的排列(图2d)，将其打开成图2e状；最后，将边1和边2处的折痕相同的折面分别向相反方向对折一次，即得到一个菊花形滤纸(图2f)。使用前应将滤纸翻转并整理好后再放入漏斗中，这样可以避免被手指弄脏的一面污染滤液。
图2菊花形滤纸的折叠方法
4．析出晶体
如果将滤液在冷水浴中迅速冷却并辅以剧烈搅拌的话，得到的是颗粒很小的晶体。小晶体表面积大，吸附于表面的杂质比较多。一般我们先将热的滤液静置，使其缓慢地降温，即可析出均匀而相对更为纯净的结晶。如果趁热过滤时，滤液中已经有结晶析出，可先加热复溶后再让其缓慢冷却析出晶体。有时由于滤液当中有油状物或者胶状物存在，或形成过饱和溶液使晶体不易从溶液中析出。这种情况下，可用玻棒摩擦液面下的容器内壁，或投入“晶种”（同一物质的晶体），就可以促进结晶的析出。
5．分离晶体
要把结晶从母液中分离出来，常进行抽气过滤，如图3所示。先检查好抽真空系统，再用少量同种的冷溶剂把滤纸润湿，打开水泵，关闭安全瓶活塞，抽气使滤纸与漏斗贴紧（以防止晶体在抽滤时从滤纸边缘吸入瓶里）后，才把要抽滤的固液混合物转移到布氏漏斗上，用少量母液将贴附在容器壁上的结晶洗出。为除去晶体表面吸附的母液，可用新鲜的冷溶剂进行洗涤，每次3～5mL洗涤2～3次，即可把晶体洗涤干净。然后用玻璃塞将结晶压实，以尽量除去母液。
图3抽气过滤装置
6．干燥晶体
抽滤后的得到的晶体，表面还吸附有少量溶剂，可根据重结晶所选用的溶剂及晶体本身的性质来选择合适的方法进行干燥。重结晶后的产物需要测其熔点来检验纯度。
四、乙酰苯胺重结晶
称取不纯的乙酰苯胺4g加入到mL的锥形瓶中，注入mL水后，在石棉网上加热至溶解，待溶液稍冷，加入0.2g活性炭，不断搅拌，再加热至微沸5min～10min，然后趁热过滤，以除去不溶性杂质及活性炭。如果过滤时已经有晶体析出，应先加热使其复溶，并在烧杯上盖上干净的纸或表面皿，将滤液自然冷却，即有无色片状结晶的乙酰苯胺从溶液中析出。如果有油状物析出，一经析出便剧烈搅拌混合物，使油状物分散并固化。待晶体完全析出后，进行抽滤并用少量冷水洗涤晶体，尽量抽干水分后，再用玻璃塞压实，以尽可能除去吸附在晶体表面的母液。然后将晶体转移至表面皿上烘干，称重，计算回收率。
五、操作与安全
1．使用有机溶剂进行重结晶时，在进行固体的溶解和热过滤时，周围不能有明火，否则有发生火灾的危险。
2．切勿在沸腾的溶液中加入活性炭，否则有烫伤及引发火灾的危险。
六、问题与思考
1．重结晶实验的具体步骤依次有哪些？
2．在进行重结晶实验时，应该怎样选择溶剂？
3．在重结晶操作过程中，必须注意哪些问题才能得到产量又高，质量又好的产品？
4．怎样证明经重结晶后的产品是纯粹的呢？
资料来源：陈琳、孙福强主编《有机化学实验》第2版。
双指示剂法
双指示剂法测定混合碱含量
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