光学异构体的分离

实验报告课程名称：化工专业实验指导老师：成绩：__________________实验名称：光学异构体的分离实验类型：_______同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的1、通过苯甘氨酸的拆分实验，理解对映异构体的各种拆分方法；2、理解有机物溶解、结晶的原理及意义，并将其用于分离提纯；3、掌握拆分、结晶的基本操作。二、实验原理和仪器1、实验原理对映异构体（也称光学异构体、对映体）是指分子为互相不可重合的镜像的立体异构体，其主要的拆分方法有机械拆分法，微生物化学拆分法，选择吸附拆分法，诱导结晶拆分法，化学拆分法。诱导结晶拆分法是指在外消旋体（两种对映体的等量混合物）的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，形成溶液中该种旋光体过量，且在晶种的诱导下优先结晶析出。将这种结晶滤出后，则另外一种旋光体在滤液中相对较多。再加入外消旋体制成过饱和溶液，于是另外一种旋光体优先结晶析出，如此反复进行结晶，就可以把一对对映体分开。化学拆分法是指利用手性试剂作为拆分剂加入外消旋体混合物中，使它与外消旋体发生反应，生成两个非对映异构体复盐（非对映异构体指具有二个或多个非对称中心，并且其分子互相不为镜像的立体异构体），再利用它们物理性质（例如溶解度、蒸汽压、吸收系统等）的不同，用常规的方法将其拆分，最后再把这两个非对映异构体分别复原为原来的对映体。化学拆分法最适用于酸或碱的外消旋体的拆分。对于苯甘氨酸，诱导结晶拆分法得到的产物光学纯度较低，难以找到合适的溶剂使得两种对映体在其中的溶解度有较大差异，且循环量较大，因此本实验采用化学拆分法，利用手性拆分剂与外消旋体形成的复盐溶解度的差异进行结晶拆分。本实验中，D，L-苯甘氨酸（简写D，L-PG分子式如I），手性拆分剂为d-樟脑磺酸（简写d-CS，分子式如II），二者形成的复盐在水中溶解度有很大差异（如表1），可用结晶方法分离。D，L-苯甘氨酸和d-脑磺酸溶于热溶剂中，形成非对映异构体复盐的饱和溶液，降低温度则复盐溶解度降低，溶液变成过饱和溶液，在饱和溶液中结晶和溶解存在动态平衡，可以通过降温和／或加晶种破坏其平衡使一种结晶优先析出。D-苯甘氨酸-d-樟脑磺酸（简写D-PG-d-CS分子式如ⅡI）溶解度相对较小，则加入D-苯甘氨酸-d-樟脑磺酸晶种后D．苯甘氨酸-d一樟脑磺酸优先结晶析出，过滤时D-苯甘氨酸-d-樟脑磺酸被滤除，L-苯甘氨酸-d-樟脑磺酸留在母液中与结晶分离，从而达到拆分的目的。（如图1）影响拆分效率的因素有：专业：_姓名：学号：日期：地点：(1)温度。1)起始的结晶温度。起始的结晶温度是控制其溶液过饱和程度的，如果让溶液在结晶前过度地饱和，就会在起始结晶时产生很多的结晶中心，使晶粒增多，无法保障晶粒长大，所以最好控制在稍微过饱和时产生结晶，然后继续产生的结晶是起初晶粒的长大。2)过滤温度。过滤温度高时，晶体纯度高，但收率低，温度低时可能两种复盐都会析出，收率高，但纯度低，因此要选择合适的过滤温度。(2)晶种。晶种加入量、加入时间、晶种品质都会影响晶体的形成。加入适量的晶种时形成的晶体晶型规整，单晶大容易与溶剂分离，表面吸附残留的母液较少，不加晶种时形成的晶体较小，且规整度不好，表面吸附残留母液较多，烘干后母液中的杂质留在晶体上，纯度低。(3)冷却速度。冷却速度越小，晶体越规则，也越易成形。(4)溶剂量。复盐在水中有一定的溶解度，因此溶剂量（包括淋洗液的量）会影响收率。(5)溶剂种类。复盐在水、硫酸水溶液、氯化钠水溶液中的溶解度不同。(6)搅拌速度。一般认为搅动越慢，晶体越规则。三、主要仪器设备(1)仪器三口烧瓶(l00mL)，电磁搅拌加热器，温度计，短颈漏斗量筒(100mL)，培养皿，滴管，吸滤瓶(250mL)，布氏漏斗，真空泵，玻璃棒，烧杯（250mL、100mL各一个），旋光仪。(2)试剂D,L-苯甘氨酸(D,L-PG),d-樟脑磺酸(d-CS),D-苯甘氨酸-d樟脑磺酸(D-PG-d-CS)复盐，盐酸（分析纯）。(3)其它滤纸四、实验步骤实验一：1、制备热溶液。100mL三口瓶，依次加入l0gD,L-PG、15.4gd-CS、40g蒸馏水，电磁搅拌加热至溶清（约83℃）；2、溶清后直接冷却结晶。冷却步骤：关掉加热器后，先不移走，利用加热器的余温慢慢冷却40min，然后移走加热器，空气冷却30min，若还没有降至室温，则用冷水冷却：3、冷却至室温后，真空过滤得到D-PG-d-CS复盐，转移至培养皿，干燥，称重；4、测定D-PG-d-CS旋光度。配制1mol/LHCI；精确称取约1g烘干的D-PG-d-CS，加入50mL1mol/LHCI溶解，用旋光仪测定比旋光度。实验二：溶清后，冷却至大约80℃时加入约0.4gD-PG-d-CS复盐晶种（加入后应有少量固体未溶清），再继续冷却，其余操作步骤同实验一。比较分析两组实验结果。五、数据记录与处理实验数据处理方法：1、收率D-PG-d-CS收率=实得D-PG-d-CS质量／理论D-PG-d-CS质量xl00%2、比旋光度和光学纯度[α]=α/l*C式中：C——溶液的浓度（g/mL）；l——旋光管长度（dm）表1.实验数据记录表D-PG-d-CS实验一（不加晶种）实验二（加晶种）实得D-PG-d-CS质量4.300g5.129g理论D-PG-d-CS质量12.684g13.084g收率33.9%39.2%比旋光度-25.75-25.8光学纯度51.8%51.9%计算示例：实验二：1）培养皿质量：37.516g；干燥后D-PG-d-CS与培养皿总质量：42.645g实得D-PG-d-CS质量：42.645-37.516=5.129gD-PG质量：5g；D-PG物质的量：5/151.16=0.03308mol理论D-PG-d-CS物质的量：0.03308mol；理论D-PG-d-CS质量：0.03308*383.47+0.4=13.084gD-PG-d-CS收率：5.129/13.084*100%=39.2%2）溶液的浓度c=1/50=0.02g/ml，实验用的旋光管长度l=2dm，旋光度α=-1.032；[α]=α/l*C=-1.032/(2*0.02)=-25.8；相同条件下，纯D-PG-d-CS的比旋光度[α]=-49.7；光学纯度=25.8/49.7*100%=51.9%六、分析与讨论实验结果：不加晶种条件下所得产品的收率明显小于加晶种时，而两者的光学纯度基本相同。理论上加晶种的条件下纯度应较高，实际可能实验二的过滤温度较低，两种复盐均析出，造成收率提高但纯度降低。七、思考题1.在布氏漏斗中溶剂洗涤晶体时应注意什么问题？洗涤溶剂的量及次数不宜过多；洗涤时应先断开抽滤管，关闭抽气泵，用适量的溶剂湿润晶体，以刚好没过晶体为宜，然后再抽滤，否则在抽气状态下洗晶体，溶剂来不及湿润晶体就被吸走，不利于洗去杂质。2.减压过滤时用什么方法将烧杯中最后的少量晶体转移到布氏漏斗中？可用抽滤后的母液洗涤烧杯，再将其转移至布氏漏斗。3.用母液洗涤和用水洗涤产品有什么区别？用母液洗涤时，母液中的晶体析出更多，烘干后产品收率增加，但杂质晶体会降低产品纯度；用水洗涤时，部分产品会因溶解而损失，使得产品收率降低，但杂质量减少，产品纯度提高。4.结晶过程为何要持续搅拌？热饱和溶液在冷却过程中易形成局部过饱和溶液，不利于形成稳定晶形沉淀。搅拌可以使形成的细小晶粒在溶液中分散均匀，避免局部过饱和。且适当搅拌能够提高结晶速率。