分離技術與天然產物有效成分提取

1、分離技術與天然產物有效成分提取 化學實驗中化合物的分離純化是一項很重要的技術,除了常用的沉淀、重結晶、升華等方法外,還包括溶劑萃取法、離子交換法、膜分離法及柱層析等。1. 溶劑萃取法溶劑萃取是指在被分離物質的水溶液中,加入與水互不混溶的有機溶劑,借助于萃取劑的作用,使一種或幾種組分進入有機相,而另一些組分仍留在水相,從而達到分離的目的。萃取體系的水相和有機相基本不互溶,且有一定的密度差異。要被萃取的物質叫被萃物,它在萃取過程中由水相轉移到有機相。對于無機金屬離子,在有機相中需要加入萃取劑,它是能與被萃物發(fā)生化學作用形成易溶于有機相的萃合物的有機試劑,分中性、酸性、螯合、胺類等,常用的萃取劑有磷

2、酸三丁酯(TBP、甲基異丁酮(MIBK、氯代三烷基甲胺(N 263、噻吩甲酰三氟丙酮(HTTA、二(2-乙基己基磷酸(P 204等,它們一般與被萃取的金屬離子形成絡合物而被萃取到有機相中。溶劑萃取法在鈾礦中鈾的分離富集、稀有金屬離子的分離及濕法冶金中發(fā)揮了很重要的作用。一般常用分配比(D、分離系數(、相比(R及萃取率(E等參數來表示萃取分離時的好壞。分配比D 是指當萃取體系達到平衡時,被萃物在有機相的總濃度與在水相中的總濃度之比,表示被萃物在兩相中的實際分配情況,D 值越大,說明被萃物越易進入有機相。分配比不是一個常數,它隨被萃物的濃度、萃取劑的濃度、溶液的酸度、稀釋劑的性質、鹽析劑的濃度等而

3、改變。分離系數(是指兩種被分離的元素在同一萃取體系內,在同樣萃取條件下分配比的比值。令A 表示易萃元素,B 表示難萃元素,則值的大小表示A 、B 兩種元素分離效果的好壞,值越大,分離效果越好,即萃取劑對某元素的選擇性越高。若D A =D B ,=1,說明該萃取劑不能把A 、B 兩元素分離。相比(R是指在一個萃取體系中,有機相和水相體積之比。在生產上,還往往用萃取率(E來表示一萃取劑對某物的萃取能力,計算萃取的效果。萃取率是萃入有機相物質的量與物質在萃取前原始水溶液中物質總量的百分比: =E 被萃物在有機相中的總量/被萃物在萃取前原始水溶液中的總量×100 % 不難推出:%1001&#

4、215;+=R D DE可見,被萃物的分配比D 越高,V 水/V 有越小,則萃取率越高,即被萃物進入有機相的比率越大,萃取效果越好。2. 離子交換分離法是應用離子交換劑與溶液中的離子之間發(fā)生的交換作用來進行物質分離的一種現代操作技術,所用的離子交換劑分為無機離子交換劑(如沸石和有機離子交換劑(稱為離子交換樹脂,其中離子交換樹脂應用最廣。它是具有網狀結構和可電離的活性基團的難溶性高分子電解質。根據樹脂骨架上的活性基團的不同,可分為陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、兩性離子交換樹脂、螯合樹脂和氧化還原樹脂等。用于離子交換分離的樹脂要求具有不溶性、一定的交聯(lián)度和溶脹作用,而且交換容量和穩(wěn)定性要高。有機

5、離子交換樹脂的骨架,最常用的有苯乙烯-二乙烯苯共聚物,甲基丙烯酸與二乙烯苯反應得到的含有羧基的樹脂,酚醛樹脂,乙烯吡啶系、環(huán)氧系、脲醛系、氯乙烯系樹脂等。按照基體內網孔的大小,可將離子交換樹脂分為微網樹脂和大網樹脂兩大類。微網樹脂是凝膠型樹脂,它在整個樹脂的基體內都布滿了較細的網孔,通常其網孔的大小為2 000到4 000 pm 。大網樹脂也稱大孔樹脂,這種樹脂的基體內含有很粗的網孔,孔徑可達20 000到100 000 pm ?；w內網孔的大小,對于樹脂的許多物理化學性質都有影響,大網樹脂可吸附比較大的離子或分子,其離子交換動力學性質比較好,應用已日趨廣泛。陽離子交換樹脂的功能團都是一些酸性

6、基團, 最常見的一些陽離子交換功能團有:強酸性基團:-SO 3H ;弱酸性基團:-COOH ;中等酸性基團:-PO 3H 2,-AsO 3H 2。由此可見,陽離子交換樹脂還可以按其酸性強弱區(qū)分為強酸性樹脂、弱酸性樹脂和中等強度酸性樹脂。在溶液中,這些交換功能團中的氫離子會解離,并與其他陽離子發(fā)生交換反應。例如RSO 3H + Na + RSO 3Na + H +式中R 代表樹脂的骨架。陰離子交換樹脂所帶的功能團都是一些堿性基團,其中常見的有:強堿性基團: , , ; 弱堿性基團: , , 。 由此可知,陰離子交換權脂也可按其堿性強弱區(qū)分為強堿性樹脂和弱堿性樹脂等。離子交換分離過程包括柱上交換與

7、淋洗過程。當將濃度為C 0的溶液流入交換柱一段時間后(圖4.1,A 區(qū)樹脂被交換,B 區(qū)樹脂部分被流入液離子交換,C 區(qū)則未交換,此時流出液濃度c 含被交換離子濃度為零。當交換液不斷加入,交換繼續(xù)進行,B 區(qū)下移,C 區(qū)縮小,直至C 區(qū)消失,到某一時刻流出液中有被交換離子,則說明樹脂發(fā)生穿透,此點稱為穿透點,此時交換容量為此交換柱的穿透交換容量,繼續(xù)加入交換液,直到樹脂完全被交換飽和,即流出液濃度為c =c 0時,為交換樹脂的全交換容量,實際操作時交換過程往往控制在穿透點之前。淋洗過程則與交換吸附過程的反應恰好相反。原先已吸附在樹脂上的離子,被淋洗液不斷淋洗出來,淋洗時,如果溶液中含有A 、B

8、 兩種(或兩種以上離子,從上層樹脂到下層樹脂,兩種離子不斷吸附和解吸,由于各種離子對樹脂的親和力不同,于是親和力較大的B 較難洗脫出來,而A 離子則先淋洗下來,結果如圖4.2,兩種離子被分離開來,從而達到分離的目的。 圖4.1 樹脂交換示意圖 圖4.2 離子交換洗脫曲線o 表示已被交換樹脂+表示未被交換樹脂-NH 2-NH(CH 3NCH 3HCl-CH 2-N(CH 33Cl N CH 3Cl-CH 2-N(CH 32ClC 2H 4OH C 交界層樹脂的粒度對分離有影響,樹脂粒度小,離子內擴散途徑短,可加快交換平衡速度,有利于分離。但粒度太小則樹脂層的壓力增大,交換液流速慢,反洗時流失量也

9、多,因此,在能達到分離的前提下,粒度盡可能大些,處理水一般用20-40目,分離元素一般要用40-80目,甚至到120目。樹脂粒度相近,可使離子柱填充均勻,提高交換效率。對一定量的樹脂,樹脂層愈高,交換量愈大,樹脂利用率愈大。一般說交換柱細長些較好,實驗室中柱高與柱徑之比為20-30:1(直徑1-2cm,柱高50-70cm為宜。洗脫劑濃度應合適,太稀和太濃,洗脫效率都較差。洗脫劑的流速也不應太快,否則洗脫過程來不及達到平衡,洗脫效率就較低,要達到同樣的洗脫百分率,所需洗脫劑體積就增加。較合適的實驗室洗脫流速為2-3mL·min-1。離子交換樹脂應用十分廣泛,如水處理是離子交換樹脂最廣泛

10、使用的一個領域,去離子水的生產、硬水軟化、廢水中貴金屬回收等。貧鈾礦的鈾多數是用季銨鹽堿性陰離子交換樹脂提取的。金礦內的少量金,工業(yè)廢物中重金屬如Cu、Ni、Cr、Co,都可以用離子交換樹脂提純分離。稀土元素有不少可用的離子交換樹脂,通過適當的離子交換樹脂提純可達到光譜級純度。有些稀有金屬如Zr-Hf、Ta-Nb、Mo-La等的分離,只能用離子交換法。3.膜分離膜是指在一種流體相內或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚物物質,它把流體相分隔為互不相通的兩部分,但這兩部分之間能產生傳質作用。膜可以是固體的,也可以是液體的。被膜分隔的流體相可以是液態(tài),也可以是氣態(tài)。膜具有兩個明顯的特征: 其一,不管膜

11、有多薄它必須有兩個界面, 通過兩個界面分別與兩側的流體相接觸;其二,膜應有選擇透過性,可以使流體相中的一種或幾種物質透過,而不允許其他物質透過。在液相中,膜能使溶劑(如常見的水透過的現象通常稱之為滲透,膜能使溶質透過的現象通常稱之為滲析。利用膜的選擇透過性進行分離或濃縮的方法稱為膜法分離技術。要實現膜法分離物質必須要有能量作為推動力,根據所給予能量的不同形式,膜法分離也就有了不同的名稱,其中最常用的技術是電滲析、反滲透、超過濾,其次是微濾和自然滲析。膜是膜分離技術的關鍵,根據膜的功能和結構特征可分為反滲透膜、超過濾膜、微孔膜、離子交換膜、氣體分離膜、液態(tài)膜、蒸餾膜、生物酶膜、漸放膜(控制釋放膜

12、和壓滲析膜等。膜法分離技術具有在分離濃縮過程中,不發(fā)生化學反應和相變化,僅使物質分離和純化但不改變他們原有的屬性;不需要從外界加進其他物質;當一種物質得到分離,另一些(或種物質則被濃縮,分離與濃縮可以同時進行;膜分離可以在常溫下進行,從而不損壞對熱敏感和對熱不穩(wěn)定的物質;此外,膜分離工藝耗能少,適應性強,處理規(guī)?？纱罂尚?操作及維護方便,易于實現自動化控制的特點。4.層析分離層析是通過物質不同組分在兩相中的分布不同而使混合物分離的方法。過程中的一相是固相,另一相是流動相。其基本原理是不同物質在固定相和流動相中有著不同的分配系數。如果一個化合物和固定相的作用較弱,那么它在流動相的沖洗下較快地從層

13、析體系中流出來,反之一個化合物和固定相作用較強,它將較慢地從層析體系中流出來。在理想的情況下,混合物的每個組分在流動相和固定相之間有著不同的分配系數,因此以不同的流速流經層析體系,從而達到完全分離的目的。層析依流動相物理狀態(tài)的不同可以分為氣相層析(流動相是氣體和液相層析(流動相為液體兩種,其中液相層析用途較廣,它又依分配體系的形狀不同分為柱層析、板層析和紙層析等。層析法分離混合物的依據是各組分在固定相表面的吸附和脫附的平衡,以及在流動相的溶解,一個分子的吸附性能與極性有關,也與吸附劑的活性及流動相的極性有關。一般來說,化合物中功能團的極性越強,它在固定相表面的吸附也越強。吸附劑的活性則與它的化

14、學組成、顆粒的大小、顆粒的多孔性質等有關。表4.1中列舉了各類化合物在柱色譜中洗脫流出的次序及常見的幾種吸附劑。表4.1各類化合物的洗脫次序及常用的吸附劑化合物吸附劑 飽和烴纖維素 烯烴淀粉 芳烴,鹵代烴糖 硫化物硅膠 醚類氧化鋁 硝基化合物活性炭 醛,酮,酯醇,胺亞砜酰胺羧酸 極 性 加 大 越 難 洗 脫吸 附 劑 活 性 增 大 在層析中使用什么吸附劑,這與需要分離的化合物的類型有關。纖維素和淀粉的吸附活性最小,因而多用于分離多功能團的天然產物中。硅膠是有機化學中應用最廣泛的吸附劑,它的一個特點是當使用氯仿做洗脫溶劑,在柱層析時硅膠柱是透明的,而無色物質在透明的柱上則形成不透明的層帶,因

15、而可以辨認出來。氧化鋁也是一個用途很廣的吸附劑,它有酸性、堿性和中性三種。酸性氧化鋁的pH 值接近于4,可用于分離氨基酸和羧酸,堿性氧化鋁的pH 值在10左右,用于分離胺類化合物,中性氧化鋁pH 值在7左右,用于分離中性有機物。用層析法分離混合物的另一個要素是洗脫溶劑,表4.2列舉了一些常用溶劑,這些溶劑可以單獨使用,也可以組成混合溶劑使用,在洗脫過程中也可以采取逐步增加極性較大溶劑的辦法(淋洗梯度使吸附性強的物質逐步分開,并洗脫下來。表4.2 常用洗脫溶劑石油醚環(huán)己烷四氯化碳苯二氯甲烷 氯仿(不含乙醇 乙醚乙酸乙酯吡啶丙酮正丙醇乙醇甲醇水醋酸溶 劑 極 性 增 加 層析中,柱上層析是經常用來

16、分離混合物或提純少量物質的有效方法。在柱上層析技術中最重要的是層析柱的裝填和洗脫這兩步操作。柱體一般是用玻璃做的,如有不同的顏色可以清楚地顯示出來以便于操作。底部的旋塞最好用聚四氟乙烯塑料旋塞,這可以避免旋塞油將分開的各組玷污,如只有玻璃旋塞時,應盡量不要涂油脂。填裝好層析柱是柱上層析成功的關鍵。層析柱要填的平整,中間沒有氣泡和空隙,裝填時先在柱底層放一些玻璃棉,然后在玻璃棉上層放一層干凈的細紗,并使上表面平整,在其上面裝入吸附劑至需要的高度,再放一層細紗。向柱內裝入吸附劑有干法和濕法兩種方法。干法裝填后,加溶劑時易出現氣泡,而且有時吸附劑與溶劑作用后要溶漲,甚至有將吸附柱漲裂的可能。濕法裝柱

17、是先將柱內充滿石油醚,然后依次不間斷的將吸附劑加入。濕法裝柱的關鍵是柱身一定要垂直,這樣可以形成較平的柱面。但如吸附劑顆粒大小不均勻,往往大顆粒向下沉速較快,小顆粒浮在上面使柱身不均勻,這時可先將吸附劑與溶劑拌成糊狀,將糊狀物加入空柱內則可以克服上述缺點。吸附劑的用量與要分離的混合物的性質及數量有關,一般情況下,要分離1g物質需要2030g吸附劑,對性質相似的化合物有時要用到(50100:1。柱高與其直徑的比值也是很重要的參數,柱太短了分離不開,過長了耗時太長也不經濟,一般以8:1到10:1為宜。裝填好柱后,將多余的溶劑通過旋塞自下放掉,使溶劑恰在吸附劑上端。將需要分離的混合物溶于盡量少的極性

18、小的溶劑中(一般每克物質不超過1015mL溶劑,小心地自上加到柱中,通過旋塞自下放掉溶劑以使混合物落在吸附劑上面。此時用洗脫劑自柱上端逐滴加入淋洗,使混合物分離并在柱上形成不同的帶,有的極性較強的化合物一時不易洗出,可增加強極性的溶劑以使其展開和洗出。所得淋洗液可用薄層層析監(jiān)測,以決定可否并在一起,當發(fā)現淋洗液中所含物質很少時,即可認為一個化合物的層析帶已經洗出。如混合物經紫外光照射克呈熒光現象時,也可以用紫外燈照射來監(jiān)測混合物展開和淋洗的情況,一般說來,經柱上層析物質的損耗極小,可以有9095%的物質被回收。5. 天然產物有效成分提取分離天然產物活性成分是指從再生資源中提取的具有獨特功能和生

19、物活性的化合物,其中許多有效成分是疾病防治、強身健體的物質基礎。天然產物安全性高,已成為醫(yī)藥、食品及飼料的重要來,具有很高的生理活性和經濟價值源。天然產物活性成分包括有黃酮、多酚、萜類等幾百種,其相對分子質量較低,從幾百到幾千,具有一定的極性,可溶于許多有機溶劑中。但是,由于天然產物中成分復雜、有效成分含量低,分離困難,因此,有關天然產物有效成分的提取分離技術一直是擺在人們面前的重要任務。傳統(tǒng)方法有浸漬法、滲漉法、煎煮法、回流提取法、連續(xù)回流提取法、水蒸氣蒸餾法等。但是傳統(tǒng)方法往往各自存在較多的缺點,如高溫操作引起熱敏性有效成分的大量分解,提取液中除有效成分外雜質較多等等。隨著技術的進步和發(fā)展,近年來發(fā)展了一些新的技術,這里介紹超臨界二氧化碳提取、超聲強化提取和微波提取。超臨界萃取技術超臨界萃取技術一般采用CO2作為萃取劑,其原理是利用超臨界流體的獨特溶解能力和物質在超臨界流體中的溶解度對壓力、溫度的變化非常敏感的特性,通過升溫、降壓手段(或兩者兼用將超臨界流體中所溶解的物質分離出來,達到分離提純的目的,它兼有精餾和萃取兩種作用。超臨界流體萃取技術最大的優(yōu)點是可以在近常溫條件下提取分離不同極性、不同沸點的化合物,幾乎保留天然產物中全部有效成分,無有機溶劑殘留,因此,有效成分提取的純度高,而且收率高,操作簡單、節(jié)能。超聲波提取技術超聲