有机合成：关于重结晶问题的探讨与总结

有机合成：关于重结晶问题的探讨与总结在化合物的合成中，反应往往可以发生，但最后拿不到纯品，特别是药物的合成工艺，需要以工业化为目标，重结晶就成为了一种重要的提纯手段，不同的人有不同的见解，比如以下几位TA这样说以前详细比较过，个人经验：100g以下的，不搅拌比搅拌合适，体系小，传热问题很难控制，体系其实处于相对不稳定的状况，而且体系能形成晶核的物质相对多一些，稳定性相对较差，经常要面临的问题是析出速度过快，这时候需要控制的是晶核附近溶质的扩散速度，形成尽可能长的浓度梯度，避免多晶核的形成，这时候不搅拌比搅拌有利。1kg级别的，必须搅拌。这时候体系较大，热量散失导致的温度梯度问题比小体系好很多，晶体有足够的时间来析出，经常要解决的问题是晶体沿着壁生长形成厚厚的一层，包夹问题强于吸附问题，必须研磨后再充分洗涤才能达到好的结果。这时候包夹母液问题多多。但是搅拌也不是蛮搅，在不同的阶段需要根据析出状况调搅拌速度的，并且容易析出来的跟难析出来的需要搅拌速度也有区别，容易的一般低速避免多晶核，难的高速增加晶核。当然这都是针对一般情况而言，特殊的也有很多例子。以前有个项目重结晶，是乙醇和水替换，2kg的处理量，每次不搅拌滴加24h以上，能看到晶体点点的沿着晶核生长成为有规则晶面的单晶，能得到单晶级别的产品，搅拌则是粉末，纯度下降两个点。析晶的浓度及不良溶剂对溶质的溶解度大小都会有影响。还有些特殊情况下不搅拌的，利用两种互溶的溶剂的密度差异来在溶剂界面扩散重结晶的，碰到过两次，都是特殊操作，用于有机盐的形成，但是都因为无法控制参数而无法放大。重结晶最需要的是观察和悟性，切忌教条。TA这样说首先要快速找到合适的重结晶溶剂。本人最常使用的仪器是试管，每根试管里面称取0.5~1.0g左右的样品，然后加入一定量的溶剂后，试试比较每个溶剂在常温和回流状态下的溶解性差异，差异大的就是我要的溶剂，这就是为什么DCM、DMF等不太作为重结晶溶剂的原因，特殊情况下也是可以使用的，比如样品的溶解性方面其次是溶剂的选择要考虑潜在的因素，比如乙酸乙酯和丙酮最好不用用来重结晶胺类物质。比如之前本人做的项目，产品是伯胺，用丙酮重结晶收率只有60%，母液检测也没有问题，其中可能是伯胺与丙酮发生了反应，后来将母液用酸处理，回收了大部分的产品第三：重结晶解决颗粒度大小的方面。这个最后测定一下或者大概了解一下物质在什么温度下开始析晶，降温速度快，生成的晶核多，产物的颗粒较细，抽滤困难；降温速度慢，晶体生成有足够的时间，析出的产品颗粒度大，晶体性状较好，抽滤容易。因此可以在某一温度下保持一段时间进行养晶，然后再快速降温。第四：对于碰到一些熔点在室温附近的化合物，常温结晶比较困难，析晶需要在低温。此时用到反溶剂法很可能出现油析现象，此时最好使用溶解度一般的单一溶剂，降温至合适的温度，产品析出。比如之前做个一个项目，由于粗品中残留的液体2-溴吡啶很多，油状物很难析晶，最好选用甲基叔丁基醚或异丙醇将产物析出，而所有的杂质均在溶剂中。第五：不得不说的化学反应结晶。经常会碰到酸性或者碱性官能团的化合物，当在上述方法均失败后，可以通过加酸或酸碱中和，将产物从溶剂中析出。比如碰到过的一氯喹啉衍生物含有二氯杂质，约5%，上述重结晶方法均告失败，后来使用20%的硫酸成盐，产品回收率很好，仅损失与杂质等量的产品。此外重结晶过程中，常碰到某些杂质很难达标，因此也可以采用类似的方式，比如杂质是酯类，可以在重结晶溶剂中加入伯胺，让其转化为溶解度较好的酰胺，这个只在书本上碰到。重结晶最好把反应先做好了，当把某些杂质控制好了，重结晶也相对容易的多！TA这样说重结晶是一门学问，更是一门艺术，能解决很多问题，常见的比如：提高纯度、改变晶型、改变晶貌、控制颗粒大小等，还能影响产品的其他特性，如：熔点、堆密度、溶解性、过滤速度等。要想搞好重结晶需要很多方面的知识，新手和初学者至少要了解重结晶的基本原理，溶剂的选择，影响重结晶的基本因素，常用的重结晶的手段。有一定经验的可以深入的学习晶体生长原理、单晶培养、XRD等一些与晶体有关的知识。以下是我这些年的一些重结晶经验：1.能使用单一溶剂的最好不要使用混合溶剂，因为涉及到溶残以及溶剂中本身杂质带来的影响，同时混合溶剂得到的产品晶体颗粒较小，含有较多的无定型物，过滤困难。2.溶剂的选择，在重结晶原理中有提到，个人觉得在有多种溶剂选择的前提下，优先选择介稳区适中的溶剂，介稳区太宽易爆发析晶，太窄结晶条件不易控制，不利于晶体长大。3.针状的晶体是最不希望得到的晶体，易堵塞滤布，过滤困难，不易洗涤，针状晶体团聚的发生是由于其在各自组分上的定向结晶所致，当过饱和度较高时，成核过程非常迅速和随机。因此，降低溶液的过饱和度，缓慢降温，给予晶体充分的生长时间是减少针状晶体的最有效的办法。同时，若产品在溶剂中的介稳区较宽，采用降温析晶时，一旦出晶就是爆发式的析晶，得到的晶体通常是粉末状或针状，要想得到其他形状的颗粒较大的晶体，最有效的办法是在析晶前加入晶种，或采用等温连续结晶的办法。4.等温连续结晶的优点是颗粒均匀，尤其适用于大量的化工或药物结晶。5.晶种的加入：晶种在开始出晶前的2-5℃加入，介稳区越宽，加入的时间越早。6.晶种的选择：加入的晶种最好是你需要的晶型或晶貌的样品，将晶种过筛，过大和过小的都不要，只选择适中的，个体均匀的，加入量在溶质的1-5%。7.同一产品，粉末状和针状的晶体堆密度较低、熔点较低，溶解性较好，过滤效果差；柱状的晶体堆密度高，熔点较高，溶解性较差，过滤效果好。8.搅拌很重要，但对此研究确实是少之又少，相同的析晶条件，搅拌不同得到的产品晶体形状或相关特性会完全不一样。首选能使料液上下翻滚的搅拌，如桨式或双层框式，最好不要使用锚式，锚式搅拌中心基本是静止的，料液也没有形成上下翻动，不利于碰撞成核。相同的析晶条件下，锚式搅拌的出晶温度通常是最低的。9.通常情况下，快速搅拌得到的晶体颗粒较小，慢速搅拌得到的晶体颗粒较大，静止析晶的溶剂残留较高。