有机分析(分离技术)

第五章有机混合物的分离分离科学中的各种分离方法，按其性质可以分为物理分离法和化学分离法两大类。物理分离法是以被分离对象所具有的不同物理性质为依据，采用合适的物理手段进行分离。常用的有：气体扩散法，离心分离法，色谱分离法，过滤法，萃取法，蒸馏法、重结晶和升华等。化学分离法主要按被分离的对象在化学性质上的差异，通过合适的化学过程使它们获得分离。常见的有：沉淀和共沉淀，溶剂萃取法，离子交换法等。色谱分离分析法是一种十分重要且很有效的分离技术。是分离混合物、提纯物质以及结构同一性鉴定的有效方法之一。5.1混合物分离常规方法混合物出现的状况：某些有机物中夹杂着少量的其它杂质：提纯。混合物由两种或两种以上成分组成，其中没有一种组分占总量的90%以上：选择合适的方法分离，再提纯。对分离的要求是：既不能丢失组分，又不能使原有各组分的结构有所改变。分离混合物的依据是混合物中各组分在物理性质和化学性质上的差异，采用相应的物理和化学分离方法将其逐个分出，达到分离的目的。对于各组分相对含量较大的混合物，大致有三种分离方法：根据组分挥发性不同，对液体混合物采用各种蒸馏方法。根据组分的溶解性不同，采用各种溶剂萃取、分液来分离液体或固体。根据组分的化学性质不同进行分离。一、根据组分挥发性不同进行分离对于易挥发的液体，沸点比较低，可借助于各种蒸馏方法将混合物中低沸点的组分蒸出，剩下高沸点的组分，达到分离目的。普通蒸馏：沸点低于水的有机物可用水浴加热蒸出。如果两个组分的沸点相差较大，且无共沸现象，也可采用普通蒸馏或分馏的方法将其中的挥发组分蒸出。例：乙醚（b.p.34.5℃）和苯乙酮（b.p.202℃）水蒸气蒸馏：是将水蒸气通入不溶或难溶于水但有一定挥发性的有机物质中，使该有机物质在低于100℃的温度下，随水蒸气一起被蒸馏出来的操作。对于在水中挥发性不同的两组分，可采用水蒸气蒸馏的方法使其中一种较易挥发的组分分离出来。一般，单官能团的化合物在水中的挥发性较大，往往会随水蒸气蒸出，而双官能团的化合物能与水缔合在水中有较大的溶解度，一般不能随水蒸气挥发。例乙酸和草酸、丙醇和丙二醇、苯甲酸和苯二甲酸等均可用水蒸气蒸馏法分离。蒸馏分离步骤：蒸馏或水蒸气蒸馏混合物水溶液，蒸出易挥发的组分；残留液用碱碱化，使一些有机碱游离出来，再进行蒸馏，馏出液中含挥发性碱组分；残留液用硫酸酸化，游离出有机酸，再进行蒸馏，馏出液中含挥发性有机酸组分；残留液中不挥发组分再根据化学物理性质进行分离。二、根据溶解度不同进行分离有机化合物的溶解性在溶解度分组试验中已提及。一般采用乙醚、及一些低沸点惰性溶剂、稀氢氧化钠溶液、稀碳酸氢钠溶液、稀盐酸等作溶剂。所用溶剂必须在分离后最终能够与被溶解的有机物分离，一般应尽量避免用水作溶剂，因为水溶性有机物不易与水分离。举例三、利用混合物中组分的特殊反应来分离混合物中某一组分与某试剂反应所得的产物能与其它组分分离；能用逆反应恢复到反应前原来的分子结构。例：芳烃和烷烃的分离。用发烟硫酸处理，芳烃生成芳磺酸，能与烷烃分离；分离后的芳磺酸用过热蒸汽处理，恢复到原来的芳烃。四、混合物分离的一般程序1、预试验液体混合物：气味、粘度、颜色观察；灼烧试验；水分试验；挥发性试验；薄层色谱；溶解性试验；酯类试验；元素定性试验；官能团试验。固体混合物：气味、晶形、颜色观察；灼烧试验；薄层色谱；溶解性试验；元素定性试验；官能团试验。2、拟定分离步骤水溶性混合物的分离：分离挥发性中性或酸性组分；分离碱性组分；分离不随蒸汽挥发的组分；随蒸汽挥发的中性组分。水不溶性混合物的分离：分离挥发性组分；分离中性组分；分离酸性组分；分离碱性组分。二、5.2色谱法概述色谱法是指这样的一种物理分离方法，它是根据不同的物质在由两相构成的体系中具有不同的分配系数而分离。当两相作相对运动时，这些物质也随流动相一起运动，并在两相间进行多次反复的分配，这样就使得那些分配系数只有微小差别的物质在移动速度上能产生很大差别，从而使各组分达到完全分离。慢中等快Temporalcourse淋洗液色谱是利用样品中的溶质在固定相和流动相之间分配系数的不同，进行连续的无数次的交换和分配而达到分离的过程。一、色谱分析方法的分类1、按两相状态分类色谱中共有两相——固定相和流动相。用液体作为流动相的称为液相色谱；用气体作为流动相的称为气相色谱；用超临界流体作流动相的称为超临界流体色谱。若考虑到固定相的两种状态——固体吸附剂和载体固定液，则又可将色谱按两相状态分为五类：即气相色谱：气-固色谱和气-液色谱；液相色谱，液-固色谱和液-液色谱；以及超临界流体色谱。2、按固定相性质分类柱色谱共分为两大类：一类是固定相装在一根玻璃或金属管内，称为“填充柱色谱”；另一类是固定相附在管子的内壁，中心是空的，称为“空心柱色谱”，或习称为“毛细管柱色谱”。纸色谱利用滤纸作为固定相让样品溶液在纸上展开，根据纸上斑点的位置和大小进行鉴定和定置分析。薄层色谱将吸附剂研成粉末，在玻璃或瓷扳上涂成薄薄一层，然后采取与纸色谱类似的操作方法。棒色谱类似薄层色谱，将吸附剂研碎后涂敷在石英棒上，再进行色谱操作。3、按分离过程的物理化学原理分类吸附色谱：利用吸附剂表面对不同组分具有的不同吸附能力，达到分离目的。分配色谱：利用不同组分在给定的两相中具有不同的分配系数而使混合物实现分离与测定的方法。其他色谱法利用离子交换原理的离子交换色谱法；利用化学反应的反应色谱法；利用胶体的电动效应建立的电色谱(纸上电泳)法等。慢中等快Temporalcourse淋洗液5.3色谱理论（以柱色谱为例）一、分离原理在色谱分析中，当流动相携带样品通过色谱的固定相时，样品分子与固定相分子之间发生相互作用，使样品分子在流动相和固定相之间进行分配。与固定相分子作用力越大的组分向前移动速度越慢，与固定相分子作用力越小的组分向前移动速度越快，经过一定的距离后，由于反复多次的分配(柱色谱为103~106次)，使原本性质(沸点、极性等)差异很小的组分之间也可得到很好的分离。二、分配平衡1、分配系数（K）在一定的温度和压力下，当分配体系达到平衡时，组分在两相中的浓度之比为一常数，这个常数称为分配系数。分配系数与组分和固定相的热力学性质相关，随柱温而变化，而与两相的体积无关。在液相色谱中分配系数还决定于流动相的性质。当色谱体系和分离对象给定以后，K值便只与柱温相关。msccK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度2、分配比分配比是指在一定温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时分配在固定相和流动相中的总量之比，即Vs、Vm分别表示色谱中固定相与流动相的体积。Vs在不同类型色谱中的含义不同，分配色谱中指固定液体积，吸附色谱中为吸附剂表面积，离子交换色谱中为离子交换剂的交换容量。它是指真正参与组分在两相间分配的那一部分有效体积。Vm包括两个部分：一是在固定相颗粒间的流动相，是流动的；一是多孔固定相颗粒内部孔隙中的流动相，是静止的。msmmssVVKVcVck分配比是衡量分离体系对组分保留能力的重要参数，分配比不仅取决于组分和两相性质，而且与两相的体积相关。分配比越大，则停留在固定相中的分子数越多，组分移动得越慢。msmmssVVKVcVck三、色谱流出曲线和常用术语样品进入色谱柱后在色谱柱的两相之间反复多次分配而彼此分离，分离后的组分依次离开色谱柱进入检测器而形成了色谱流出曲线图。色谱流出曲线图是以组分的浓度或质量变化为纵坐标、以出峰时间为横坐标的。峰宽(Wb)：峰两侧曲线在拐点作切线面在基线上相交的线段。峰高(h)：峰最高点至海底的垂直距离。半峰宽(Y1/2)：峰高的一半处峰的宽度。标准偏差(σ)：0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。1、基线：在只有流动相通过检测器时所得到的信号。通常为一水平线，如图中OC线。2、峰：当流动相含有组分时通过检测器所得到的信号，对峰的描述主要有峰宽、峰高、半峰宽。3、保留值保留值是色谱定性的主要依据，主要包括以下方面。①死时间(tM)：惰性物质(与固定相无相互作用的物质)从进样开始到出现峰极大值时所需的时间。②保留时间(tR)：试样组分从进样开始到出现最高峰时所需的时间称为保留时间。③调整保留时间()：扣除了死时间的保留时间称为调整保留时间。'Rt④死体积(VM)：色谱柱中未被固定相占据的空隙体积，包括进样器和捡测器的空间体积及从进样器到柱和从柱到检测器的连接管路的体积。死体积由下式计算：式中，Fc为柱压与柱温下校正后的流动相体积流速。ml/min⑤保留体积(VR)：从进样开始到试样色谱峰出现最高点时所流过的流动相的体积。⑥调整保留体积():调整保留体积是扣除了死体积后剩下的保留体积。cMMFtV'RV相对保留值：色谱中采用一种物质为标准，其他物质的调整保留值对此标准物质的调整保留值的比值，称为相对保留值。即式中：下标2表示被约定的标准物，1表示其他组分。212112RRRRVVttr四、色谱法基本理论研究的主要目的：解释色谱流出曲线的形状，探求影响色谱区域宽度扩张的因素和机理。色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）1、塔板理论（platetheory）半经验理论：将色谱分离过程比拟作精馏塔的蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复；设想色谱柱是由若干小段组成，在每一小段内，一部分空间为固定相占据，另一部分空间充满流动相。组分随流动相进入色谱柱后，就在两相间进行分配而达到分配平衡。经过多次分配平衡达到分离的目的。塔板理论的假设：(1)假设物质在一小段内两相之间能够很快达到平衡，这样的一个小段称作一个理论塔板，一小段的长度称作理论塔板高度（H）。(2)假设流动相通过色谱柱时不是连续式而是脉冲式；(3)假设流动相不可压缩；(4)组分在开始时均存在于第零块塔板上；(5)物质分配系数不随浓度而变，同时忽略纵向分子扩散；(6)假设柱内各处塔板高度H为常数。塔板理论中柱效率可用理论塔板数n或理论塔板高度H表示。①理论塔板数与色谱参数之间的关系为：如色谱柱长L，则有关系式：n=L/H对于长度相同的色谱柱，理论塔板高度H越小，理论塔板数n就越多，组分在柱内达到分配平衡的次数就越多，色谱柱效率就越高，色谱峰就越窄，峰形越对称。222116545)()(./bRRWtYtn②有效塔板数和有效塔板高度单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。组分在tM时间内不参与柱内分配。需引入有效塔板数和有效塔板高度：222/1)(16)(54.5bRRWtYtn理有效有效有效nLHWtYtnbRR2'22/1')(16)(54.5塔板理论的特点和不足(1)当色谱柱长度一定时，塔板数n越大(塔板高度H越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，按照塔板理论，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。2、速率理论——影响柱效的因素在吸收塔板理论中塔板高度概念的同时，考虑了影响塔板高度的动力学因素，指出了理论塔板高度是峰展宽的量度。导出了塔板高度与载气线速度u的关系式。（1）速率方程（也称范.弟姆特方程式）H=A+B/u+C·uH：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s)减小A、B、C三项可提高柱效；存在着最佳流速；A、B、C