重結(jié)晶在藥物化學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

重結(jié)晶在藥物化學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用摘要：重結(jié)晶是固體有機(jī)物提純分離的基礎(chǔ)技術(shù)，在重結(jié)晶基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合了藥物化學(xué)合成中的實(shí)際情況，對重結(jié)晶的重要方法及要點(diǎn)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并介紹了幾種特殊情況下的新方法。關(guān)鍵詞：重結(jié)晶，溶劑選擇，提純分離1.基本原理固體有機(jī)物在溶劑中的溶解度與溫度有密切關(guān)系。一般是溫度升高，溶解度增大。利用溶劑對被提純物質(zhì)及雜質(zhì)的溶解度不同，可以使被提純物質(zhì)從過飽和溶液中析出，而讓雜質(zhì)全部或大部分仍留在溶液中，或者相反，從而達(dá)到分離、提純之目的。1.1結(jié)晶過程本身是一種純化過程重結(jié)晶從字面上可以理解為再次結(jié)晶。結(jié)晶過程是利用溶質(zhì)在溶劑中溶解度的不同，溶質(zhì)變成溶液，溶液冷卻后，溶質(zhì)再次從溶液中析出的過程。每一種純的固體有機(jī)化合物都有其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)析出的過程是該物質(zhì)沿著自己固有的晶體結(jié)構(gòu)逐漸生長的過程，而不會長成別的結(jié)構(gòu)。因此，隨著溶液溫度的降低，溶質(zhì)的溶解度降低，溶質(zhì)重新沿著自己的晶格結(jié)構(gòu)生長而得到純化。這是重結(jié)晶概念的第一“重”內(nèi)涵。1.2有機(jī)固體混合物之間必須有不同的溶解度在有機(jī)合成反應(yīng)產(chǎn)物中，往往得到的不是單一組分，需要對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離提純。液體有機(jī)混合可以通過蒸餾或分餾等方法分離，固體有機(jī)混合物一般通過重結(jié)晶分離純化。兩種或兩種以上有機(jī)混合物進(jìn)行重結(jié)晶分離的前題條件是被純化物質(zhì)和雜質(zhì)之間在選定溶劑中的溶解度差要盡可能大。從原理上講，選擇溶劑有兩種做法:一是讓目標(biāo)組分在熱溶劑中溶解度很大，同時使雜質(zhì)的溶解度很小或者完全不溶，這樣經(jīng)過熱過濾目標(biāo)組分就保留在溶液中，而雜質(zhì)留在濾渣上被分離;二是讓目標(biāo)組分在熱溶劑中溶解度很小或不溶，同時使雜質(zhì)的溶解度很大，這樣經(jīng)過熱過濾目標(biāo)組分就留在濾渣上而分離，而雜質(zhì)轉(zhuǎn)移到濾液中被除去。顯然，第一種選擇更合理，因?yàn)槟繕?biāo)組分經(jīng)歷了一次結(jié)晶過程而得到純化。如果不存在這種盡可能大的溶解度差，就不能完成目標(biāo)組分與雜質(zhì)間的分離，目標(biāo)組分與雜質(zhì)在選定溶劑中的溶解度差要不同，要盡可能的大，這種不同就是重結(jié)晶概念的第二“重”內(nèi)涵。1.3被純化的物質(zhì)在不同溫度的溶劑中有不同的溶解度溶質(zhì)在溶劑中的溶解度一般是隨著溶液溫度的降低而減小的。對于目標(biāo)組分而言，在分離了雜質(zhì)以后，還要求該組分在溶劑中的溶解度差也要盡可能大，即在低溫時溶解度要盡可能小，這樣才能提高目標(biāo)組分的結(jié)晶收率。如果目標(biāo)組分的溶解度隨溫度的變化差異很小，在結(jié)晶終溫時的晶體析出量就會很低。因此，選擇重結(jié)晶溶劑時必須考慮目標(biāo)組分在溶劑中的溶解度在不同溫度的溶劑中有較大的不同，這是重結(jié)晶概念的第三“重”內(nèi)涵。2.重結(jié)晶與藥物化學(xué)在實(shí)際中的結(jié)合應(yīng)用2.1結(jié)晶和重結(jié)晶包括以下幾個主要操作步驟：1.將需要純化的化學(xué)試劑溶解于沸騰或?qū)⑦M(jìn)沸騰的適宜溶劑中；2.將熱溶液趁熱抽濾，以除去不溶的雜質(zhì)；3.將濾液冷卻，使結(jié)晶析出；4.濾出結(jié)晶，必要時用適宜的溶劑洗滌結(jié)晶。2.2在實(shí)施結(jié)晶和重結(jié)晶的操作時要注意以下幾個問題：1.在溶解預(yù)純化的化學(xué)試劑時要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室安全操作規(guī)程，加熱易燃、易爆溶劑時，應(yīng)在沒有明火的環(huán)境中操作，并應(yīng)避免直接加熱。因?yàn)樵谕ǔ５那闆r下，溶解度曲線在接近溶劑沸點(diǎn)時陡峭地升高，故在結(jié)晶和重結(jié)晶時應(yīng)將溶劑加熱到沸點(diǎn)。為使結(jié)晶和重結(jié)晶地收率高，溶劑的量盡可能少，故在開始加入的溶劑量不足以將欲純化的化學(xué)試劑全部溶解，在加熱的過程中可以小心的補(bǔ)加溶劑，直到沸騰時固體物質(zhì)全部溶解為止。補(bǔ)加溶劑時要注意，溶液如被冷卻到其沸點(diǎn)以下，防爆沸石就不在有效，需要添加新的沸石。2.為了定量地評價結(jié)晶和重結(jié)晶地操作，以及為了便于重復(fù)，固體和溶劑都應(yīng)予以稱量和計量。3.在使用混合溶劑進(jìn)行結(jié)晶和重結(jié)晶時，最好將欲純化的化學(xué)試劑溶于少量溶解度較大的溶劑中，然后趁熱慢慢地分小份加入溶解度較小的第二種溶劑，直到它觸及溶液的部位有沉淀生成但旋即有溶解為止。如果溶液的總體積太小，則可多加一些溶解度大的溶劑，然后重復(fù)以上操作。有時也可用相反的程序，將欲純化的化學(xué)試劑懸浮于溶解度小的溶劑中，慢慢加入溶解度大的溶劑，直至溶解，然后再滴入少許溶解度小的溶劑加以冷卻。4.如有必要可在欲純化的化學(xué)試劑溶解后加入活性炭進(jìn)行脫色（用量約相當(dāng)于欲純化的物質(zhì)重量的1/50-1/20），或加入濾紙漿、硅藻土等使溶液澄清。加入脫色劑之前要先將溶劑稍微冷卻，因?yàn)榧尤氲拿撋珓┛赡軙詣右l(fā)原先抑制的沸騰，從而發(fā)生激烈的、爆炸性的暴沸?；钚蕴純?nèi)含有大量的空氣，故能產(chǎn)生泡沫。加入活性碳后可煮沸5－10分鐘，然后趁熱抽濾去活性碳。在非極性溶劑，如苯、石油醚中活性碳脫色效果不好，可試用其他辦法，如用氧化鋁吸附脫色等。5.欲純化的化學(xué)試劑為有機(jī)試劑時，形成過飽和溶液的傾向很大，要避免這種現(xiàn)象，可加入同種試劑或類質(zhì)同晶物的晶種。用玻璃棒摩擦器壁也能形成晶核，此后晶體即沿此核心生長。6.結(jié)晶的速度有時很慢，冷溶液的結(jié)晶有時要數(shù)小時才能完全。在某些情況下數(shù)星期或數(shù)月后還會有晶體繼續(xù)析出，所以不應(yīng)過早將母液棄去。7.為了降低欲純化試劑在溶液中的溶解度，以便析出更多的結(jié)晶，提高產(chǎn)率，往往對溶液采取冷凍的方法?？梢苑湃氡渲谢蛴帽?、混合制冷劑冷卻。8.制備好的熱溶液必須經(jīng)過過濾，以除去不溶性的雜質(zhì)，而且必須避免在抽濾的過程中在過濾器上結(jié)晶出來。若是一切操作正規(guī)，確實(shí)由于該試劑太易析出結(jié)晶而阻礙抽濾時，則可將溶液配制地稍微稀一些，或者采用保溫或加熱過濾裝置（如保溫漏斗）過濾。9.欲使析出地晶體于母液有效地分離，一般用布氏漏斗抽濾。為了更好地使晶體和母液分離，最好用清潔地玻璃塞將晶體在布氏漏斗上擠壓，并隨同抽氣盡量地去除母液。晶體表面地母液，可用盡量少地溶劑來洗滌。這時應(yīng)暫時停止抽氣，用玻璃棒或不銹鋼刀將已壓緊地晶體挑松，加入少量地溶劑潤濕，稍待片刻，使晶體能均勻地被浸透，然后再抽干，這樣重復(fù)一、二次，使附于浸透表面的母液全部除去為止。10.晶體若遇熱不分解時，可采用在烘箱中加熱烘干的方法干燥。若晶體遇熱易分解，則應(yīng)注意烘箱的溫度不能過高，或放在真空干燥器中在室溫下干燥。若用沸點(diǎn)較高的溶劑重結(jié)晶時，應(yīng)用沸點(diǎn)低的且對晶體溶解度很小的溶劑洗滌，以利于干燥。易潮解的晶體應(yīng)將烘箱欲先加熱到一定的溫度，然后將晶體放入；但是極易潮解的晶體，往往不能用烘箱烘，必須迅速放入到真空干燥器中干燥。用易燃的有機(jī)溶劑重結(jié)晶的晶體在送入烘箱前，應(yīng)預(yù)先在空氣中干燥，否則可能引起溶劑的燃燒或爆炸。11.小量及微量的物質(zhì)的重結(jié)晶：小量的物質(zhì)的結(jié)晶或重結(jié)晶基本要求同前所述，但均采用與該物質(zhì)的量相適應(yīng)的小容器。微量物質(zhì)的結(jié)晶和重結(jié)晶可在小的離心管中進(jìn)行。熱溶液制備后立即離心，使不容的雜質(zhì)沉于管底，用吸管將上層清夜移至到另一個小的離心管中，令其結(jié)晶。結(jié)晶后，用離心的方法使晶體和母液分離。同時可在離心管中用小量的溶劑洗滌晶體，用離心的方法將溶劑與晶體分離。12.母液中常含有一定數(shù)量的所需要的物質(zhì)，要注意回收。如將溶劑除去一部分后再讓其冷卻使結(jié)晶析出，通常其純度不如第一次析出來的晶體。若經(jīng)純度檢查不合要求，可用新鮮溶劑結(jié)晶，直至符合純度要求為止。2.3溶劑的選擇在結(jié)晶和重結(jié)晶純化化學(xué)試劑的操作過程中，溶劑的選擇是關(guān)系到純化質(zhì)量和回收率的關(guān)鍵問題。選擇適宜的溶劑時應(yīng)注意以下幾個方面的問題：1.選擇的溶劑應(yīng)不與欲純化的化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如脂肪族鹵代烴類化合物不宜用作堿性化合物結(jié)晶和重結(jié)晶的溶劑；醇類化合物不宜用作酯類化合物結(jié)晶和重結(jié)晶的溶劑，也不宜用作氨基酸鹽酸鹽結(jié)晶和重結(jié)晶的溶劑。2.選擇的溶劑對欲純化的化學(xué)試劑在熱時應(yīng)具有較大的溶解能力，而在較低溫度時對欲純化的化學(xué)試劑的溶解能力大大減小。3.選擇的溶劑對欲純化的化學(xué)試劑中可能存在的雜質(zhì)或是溶解度甚大，在欲純化的化學(xué)試劑結(jié)晶和重結(jié)晶時留在母液中，在結(jié)晶和重結(jié)晶時不隨晶體一同析出；或是溶解度甚小，在欲純化的化學(xué)試劑加熱溶解時，很少在熱溶劑溶解，在熱過濾時被除去。4.選擇的溶劑沸點(diǎn)不宜太高，以免該溶劑在結(jié)晶和重結(jié)晶時附著在晶體表面不容易除盡。用于結(jié)晶和重結(jié)晶的常用溶劑有：水、甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、冰醋酸、二氧六環(huán)、四氯化碳、苯、石油醚等。此外，甲苯、硝基甲烷、乙醚、二甲基甲酰胺、二甲亞砜等也常使用。二甲基甲酰胺和二甲亞砜的溶解能力大，當(dāng)找不到其它適用的溶劑時，可以試用。但往往不易從溶劑中析出結(jié)晶，且沸點(diǎn)較高，晶體上吸附的溶劑不易除去，是其缺點(diǎn)。乙醚雖是常用的溶劑，但是若有其它適用的溶劑時，最好不用乙醚，因?yàn)橐环矫嬗捎谝颐岩兹?、易爆，使用時危險性特別大，應(yīng)特別小心；另一方面由于乙醚易沿壁爬行揮發(fā)而使欲純化的化學(xué)試劑在瓶壁上析出，以致影響結(jié)晶的純度。在選擇溶劑時必須了解欲純化的化學(xué)試劑的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿苜|(zhì)往往易溶于與其結(jié)構(gòu)相近的溶劑中—“相似相溶”原理。極性物質(zhì)易溶于極性溶劑，而難溶于非極性溶劑中；相反，非極性物質(zhì)易溶于非極性溶劑，而難溶于極性溶劑中。這個溶解度的規(guī)律對實(shí)驗(yàn)工作有一定的指導(dǎo)作用。如：欲純化的化學(xué)試劑是個非極性化合物，實(shí)驗(yàn)中已知其在異丙醇中的溶解度太小，異丙醇不宜作其結(jié)晶和重結(jié)晶的溶劑，這時一般不必再實(shí)驗(yàn)極性更強(qiáng)的溶劑，如甲醇、水等，應(yīng)實(shí)驗(yàn)極性較小的溶劑，如丙酮、二氧六環(huán)、苯、石油醚等。適用溶劑的最終選擇，只能用試驗(yàn)的方法來決定。若不能選擇出一種單一的溶劑對欲純化的化學(xué)試劑進(jìn)行結(jié)晶和重結(jié)晶，則可應(yīng)用混合溶劑。混合溶劑一般是由兩種可以以任何比例互溶的溶劑組成，其中一種溶劑較易溶解欲純化的化學(xué)試劑，另一種溶劑較難溶解欲純化的化學(xué)試劑。一般常用的混合溶劑有：乙醇和水、乙醇和乙醚、乙醇和丙酮、乙醇和氯仿、二氧六環(huán)和水、乙醚和石油醚、氯仿和石油醚等，最佳復(fù)合溶劑的選擇必須通過預(yù)試驗(yàn)來確定。結(jié)晶溶劑選擇的一般原則：對欲分離的成分熱時溶解度大，冷時溶解度?。粚﹄s質(zhì)冷熱都不溶或冷熱都易溶。沸點(diǎn)要適當(dāng)，不宜過高或過低，如乙醚就不宜用。利用物質(zhì)與雜質(zhì)在不同的溶劑中的溶解度差異選擇溶劑。2.4溶劑的選擇原則和經(jīng)驗(yàn)1、常用溶劑：DMF、氯苯、二甲苯、甲苯、乙腈、乙醇、THF、氯仿、乙酸乙酯、環(huán)己烷、丁酮、丙酮、石油醚。2、比較常用溶劑：DMSO、六甲基磷酰胺、N-甲基吡咯烷酮、苯、環(huán)己酮、丁酮、環(huán)己酮、二氯苯、吡啶、乙酸、二氧六環(huán)、乙二醇單甲醚、1,2-二氯乙烷、乙醚、正辛烷。3、一個好的溶劑在沸點(diǎn)附近對待結(jié)晶物質(zhì)溶解度高而在低溫下溶解度又很小。DMF、苯、二氧六環(huán)、環(huán)己烷在低溫下接近凝固點(diǎn)，溶解能力很差，是理想溶劑。乙腈、氯苯、二甲苯、甲苯、丁酮、乙醇也是理想溶劑。4、溶劑的沸點(diǎn)最好比被結(jié)晶物質(zhì)的熔點(diǎn)低50℃。否則易產(chǎn)生溶質(zhì)液化分層現(xiàn)象。4、溶劑的沸點(diǎn)越高，沸騰時溶解力越強(qiáng)，對于高熔點(diǎn)物質(zhì)，最好選高沸點(diǎn)溶劑。5、含有羥基、氨基而且熔點(diǎn)不太高的物質(zhì)盡量不選擇含氧溶劑。因?yàn)槿苜|(zhì)與溶劑形成分子間氫鍵后很難析出。6、含有氧、氮的物質(zhì)盡量不選擇醇做溶劑，原因同上。7、溶質(zhì)和溶劑極性不要相差太懸殊。極性順序：水＞甲酸＞甲醇＞乙酸＞乙醇＞異丙醇＞乙腈＞DMSO＞DMF＞丙酮＞HMPA＞CH2Cl2＞吡啶＞氯仿＞氯苯＞THF＞二氧六環(huán)＞乙醚＞苯＞甲苯＞CCl4＞正辛烷＞石油醚＞環(huán)己烷2.5重結(jié)晶經(jīng)驗(yàn)1.與“相似相溶”背道而馳就行了，大極性的東西，用中等極性的溶劑結(jié)晶；小極性的東西，用大極性的溶劑。這種方法有一半以上的情況是適合的。2.先試石油醚（正己烷）、乙醚、乙酸乙酯、乙醇、水；然后再試丙酮、甲醇、乙腈、苯、氯仿、乙酸、吡啶等。如果還不行，就采用混合溶劑。乙醚可以利用其揮發(fā)性和沿玻璃向上爬而使固體析出的特性。丙酮如不與水配對使用時，應(yīng)加以干燥。3.混合溶劑法：用過量熱的良溶劑溶解，過濾，加熱，緩慢加入不良溶劑至有渾濁，加熱至澄清，靜置等待。4.關(guān)于用乙醚結(jié)晶?；亓饕颐褧r，要加一冷凝管。不斷從上口加乙醚，直至混濁消失，有時是因?yàn)槿芙獾妮^慢，而不是不能溶，所以要有耐心。如果加入很多乙醚還有少量沉淀不溶，則將其濾去，濾液濃縮至有固體析出，再加熱，加入少量乙醚使澄清。自然放冷，可得晶型較好的結(jié)晶。過濾，用少量乙醚洗晶體。洗滌液合并入母液，在盛母液的瓶口蒙一層濾紙，或塞一團(tuán)衛(wèi)生紙，讓乙醚自然揮發(fā)，而不能落入灰塵。每天早晨看一眼，直到有滿意數(shù)量的晶體出來，別太貪了，揮發(fā)干了就又要重來了。5、關(guān)于用混合容積結(jié)晶有一些特別需要注意的地方。溶解性好的溶劑（S），溶解性不好的溶劑（U）。在圓底燒瓶中先用S來進(jìn)行溶解，接上回流冷凝管再進(jìn)行加熱直至其全部溶解，然后從冷凝管的上部開始滴加U，直到油一點(diǎn)點(diǎn)渾濁后停止滴加，然后再滴加S至其剛好澄清，然后撤走熱源，讓它慢慢冷卻結(jié)晶析出。這樣析出來的晶體非常漂亮，并且也不會附再壁上。當(dāng)然這樣的晶體不能用來做X－衍射（因?yàn)椴皇菃尉В?、重結(jié)晶時經(jīng)常得到油狀液，并不析出晶體，如何解決？首先建議用其他純化方法。如果一定要用結(jié)晶法，以下經(jīng)驗(yàn)可能有幫助：（1）過柱預(yù)純化，粗分離后再結(jié)晶；（2）石油醚熱提--冷析法：“石油醚熱提--冷析法”也是用來對付油狀物的方法。將待精制化合物加入熱的石油醚中，攪拌使之溶解，有些不溶物沉在下面。傾出上層清液于另一燒杯中，然后再向樣品中加入石油醚，加熱攪拌傾出清夜，依次下去。（在此過程中還可加入活性炭脫色效果會更好，有一缺點(diǎn)就是冷卻后剩余樣品和活性炭在一起會變的很硬）直至石油醚層無色，則基本提取完全，冷卻后一般會析出晶體；（3）選低沸點(diǎn)的溶劑如乙醚；（4）晶種的取得，用玻璃棒沾一滴溶液，揮干。（5）不要輕易冷凍，讓溶劑自然揮發(fā)。出現(xiàn)油狀油一個原因：那就是你在蒸發(fā)溶劑的時候蒸發(fā)的太多了，會出現(xiàn)油狀，解決的辦法很簡單就是在加一些溶解性比較好的溶劑讓其全部溶解，再來進(jìn)行結(jié)晶讓其析出。另外成油的一個原因是降溫太快。出現(xiàn)油比較麻煩，一般可以加晶種，或冷凍，可能會有效。出現(xiàn)油狀，解決的辦法就是再加一些溶解性比較好的溶劑讓其全部溶解，再來進(jìn)行結(jié)晶讓其析出。油狀物有時可以通過抽氣的辦法析出固體濃縮得到油狀物也可能是本身熔點(diǎn)太低，加入CH2Cl2冷抽試試。如果你的油狀物能溶于乙醚，可用乙醚將其溶解后轉(zhuǎn)移至研缽中進(jìn)行研磨，隨著乙醚的不斷揮發(fā)，油狀物會漸漸凝為固體。原因一方面溶劑不斷在減少，另一方面研磨中產(chǎn)生大量玻璃微屑成為晶種而誘導(dǎo)析晶。發(fā)粘一般是另外一種東西，找一個能溶解粘物的，但又與產(chǎn)物不溶的洗滌、分散后，再濾，如果要母液的話，可以蒸餾分離，通常乙醚和丙酮最常用。怎樣將少量固體取出瓶子，分兩種情況：（1）旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后，固體呈透明狀，粘在瓶壁上，無法用刮刀刮下。解決方法：用易溶溶劑（如丙酮）重新溶解，并加入一些不良溶劑（如己烷），重新旋干，固體將以較好的形態(tài)析出，或以第二種情況存在；（2）旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后，固體呈白色非透明狀，粘在瓶壁上，可以用刮刀刮下，但由于靜電原因無法取出來。解決方法：用少量易溶溶劑重新溶解，將溶液轉(zhuǎn)移到表面皿或扁平的樣品瓶中，把它們放到一個更大的容器里，蓋上張濾紙防止落上灰塵，讓溶劑自然揮干。另外，應(yīng)準(zhǔn)確稱量轉(zhuǎn)移前后的瓶重，以確定樣品是否完全轉(zhuǎn)移。3.一種微量重結(jié)晶的操作方法做重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)時,通常是在回流下用溶劑使固體溶解,冷卻時晶體析出。當(dāng)在溶劑中存在溶解度較小的雜質(zhì)時還需趁熱過濾。這種做法溶劑量大,產(chǎn)品損失較多。作者在進(jìn)行微量實(shí)驗(yàn)時常需進(jìn)行微量固體的重結(jié)晶,使用的裝置如圖1在砂芯上放上固體樣品,樣品的上面可覆蓋棉花、石英砂、