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有机合成实验室中最常用的单元联合操作——简单蒸馏原理和操作要点

 有机合成大菜籽 2023-11-27 发布于广东

(注:这几天在修改,所以都是旧文重发,修改了一些已知表达不清楚的内容,也增添了一些内容, 原始发表已经删除,感谢大家的意见)
在说简单蒸馏之前,先明确一下什么是蒸馏?
蒸馏是一种热力学的分离工艺,它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同,使低沸点组分蒸发,再冷凝以分离整个组分的单元操作过程,是蒸发和冷凝两种单元操作的联合。
根据概念,我们明白蒸馏是一种纯化分离技术。
区别于固体化合物物料用重结晶和打浆纯化,对于液体化合物特别是低沸点的小分子化合物的纯化,不能不动脑子,简单粗暴直接过柱子,首先要明确一下该化合物的沸点。
在有机合成实验室,标况下,沸点在250℃以下的化合物都可以考虑蒸馏操作。根据软件粗略换算,标况下250℃的物质,在1KPa下的沸点在114℃左右,而1KPa的减压蒸气压普通循环水泵就可以实现。
图,不同压力下化合物沸点换算
(注:图中软件来源于网络,公众号内回复摄氏度符号 “ ℃ ” 可获取,请低调使用)
蒸馏、简单蒸馏,平衡蒸馏,精馏,……,傻傻分不清?
事实上,蒸馏是一个很大的概念,其中包含着无数小的种类,一般按操作方式:简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏;按操作压强分:常压、加压、减压;按混合物中组分:双组分蒸馏、多组分蒸馏等。

而在有机合成实验室中最长用到的是多组分的减压的简单蒸馏,用于分离沸点相差比较大的化合物,偶尔用到简单的精馏或者常压蒸馏,一般装置都不太复杂。下面以常压简单蒸馏为例叙述装置搭建以及需要注意的点。
图,简单蒸馏装置搭建要点
常压简单蒸馏装置用到的仪器设备包括:
加热装置,铁架台,蒸馏烧瓶,搅拌子,蒸馏头,温度计套管,温度计,直形冷凝管,尾接管,接收瓶若干,以及控制压力的泵。
安装仪器:
仪器安装顺序一般先从加热的热源开始,然后由下而上,由蒸馏主体到外伸展,具体为先在加热装置上放置蒸馏烧瓶,于烧瓶内加入需要蒸馏的反应液(液量不多余瓶内体积的2/3,不少于瓶内体积的1/3),放置蒸馏头,随后将温度计(温度计注意量程,应在蒸馏温度以内)插入到温度计套管中装在蒸馏头上温度计顶端水银球位置应与蒸馏头支管底部齐平),然后在蒸馏头支管处装入直形冷凝管,一般此时要加入铁架台将直行冷凝管固定,最后装上尾接管,尾接管下装入接收瓶。
检查体系气密性:
在组装好仪器不能直接就去蒸馏,一定要检查装置气密性,方法是在压力控制口加入一个氮气球,观察气球有没有变小,各部件接口处是否密封,玻璃仪器有没有裂痕。
通入水,加热开始蒸馏
检查气体气密性没问题后,此时通入水(注意馏分熔点,大多数是冷凝水;偶尔会用热水,比如一些苯胺的蒸馏),在通入水后,此时才开始开启加热,进行蒸馏,对于不太明白具体沸点的化合物,温度应该梯度提高,特别是发现体系有回流现象之后。
蒸馏过程控制
简单蒸馏,在体系内回流后,要注意两个点,一个是蒸馏头上温度计示数的变化,一个是有无馏分。通常来讲蒸馏头上的温度计示数会先有个急速变化而有稳定的过程,一旦观察到示数稳定,就要换接收瓶,接受该温度下的馏分,而在接受这种馏分即将完成时,蒸馏头上温度计示数会下降,此时也要换接收瓶,并要考虑是否要升温接受另外的馏分。
蒸馏结束
蒸馏结束不要贸然拆装置,应该先关闭加热设备,使整个体系稳定下来后,然后再拆除,同时釜残不要轻易丢弃,一定要监测里面是不是还有产物,是留着下次套用还是其他。
蒸馏效果
以小编曾经蒸的一个反应液体系为例(见下图),产物点里包点,无法过柱纯化,一般这种情况只能考虑打浆结晶或者蒸馏,正好产物是个液体,沸点100度左右,所以考虑蒸馏,后期使用NMP平衡,可以把产物全部蒸馏出来。

减压蒸馏和常压蒸馏基本类似,对于需要减压蒸馏的,只需要在压力控制口处接入隔膜泵,具体操作与上述大同小异,只要注意接入压力和撤掉压力时的操作就好。
整个流程看似简单,但是对小白来讲,容易出现的问题点还是比较多,总结如下:
1、蒸馏瓶液体体积为什么要控制?
因为超过2/3时容易冲料,少于1/3时一方面受热不均,另一方面由于气液平衡,缓冲太大,要蒸馏的液体不容易出来,增加成本。
2、温度计量程?
别的实验室不知道的,小编以前实验室有一种-50~50℃的温度计,很多人蒸馏都不看的,结果过一段时间就炸一个。
3、温度计头部水银为什么要和蒸馏头支管齐平?
因为馏分是从蒸馏头支管先出来的,我要测量是馏分刚出来的温度,用温度恒定馏分是不是一种东西,别的地方的温度没意义。
4、为什么要用直形冷凝管?
蒸馏不是过山车,你搞个球形冷凝管,馏分动不动停一会,是取经呢,还是想给后面的馏分撞一下?还真能撞出来火花不成,本来就不爱了,非要纠缠不清!
5、尾接管真空控制口处加个氮气球啥意思?
小编就遇到过,你给一个正压,馏分怎么可能出来。这个地方要不不给压力顺其自然,要不就给个负压引导一下。
就好比,你脱掉拖鞋,对你藏在小山洞里儿子说:“你过来鸭,老子绝不打你!”
恐怕他更不敢出来!

以上,听说给本文点赞,在看的同仁们都要发nature,science了!!!

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