五、重结晶

从有机合成反应后分离出来的固体粗产物往往含有未反应的原料、副产物及杂质，必须加以分离纯化，重结晶是分离提纯固体化合物的一种重要的、常用的分离方法。

1.重结晶原理

重结晶是把待结晶的粗产物溶于一种热的溶剂中，再冷却此溶液，被溶解的物质在较低温度时溶解度下降，从而，产物便从溶液中析出。如果晶体生长相对较慢而且是选择性的话，称为结晶；而如果这个过程发生得很快而且是没有选择性的话，则称为沉淀。结晶过程是一个可逆过程，结果可以得到非常纯的产品，它最初是生成一粒小晶种，随后可逆地一层层长大。从某种意义上说，这个晶种在溶液中“选择”恰当的分子。而沉淀过程中，晶体形成很快，以致杂质也被包藏在晶格中，所以沉淀物是一个含有杂质的混合物，而结晶却容易得到相对较纯的物质。

固体有机物在溶剂中的溶解度与温度有密切的关系，一般是：温度升高，溶解度增大，固体溶解在热溶剂中可形成饱和溶液，温度降低，溶解度下降，溶液变成过饱和而析出晶体。重结晶就是利用不同溶剂对提纯物及杂质的溶解度不同，使被提纯物质从过饱和溶液中析出，而杂质全部或大部分仍留在母液中，从而达到提纯的目的。

所以重结晶的首要问题是选择一种合适的溶剂。有机化合物的溶解度是由溶剂和溶质二者的本质决定，溶解的规律是“相似相溶”。

通过图2-23可看出A是良好的溶剂，这条溶解度曲线相当陡，说明在较低温度（或室温），其溶解度较低，当温度升高时，溶解度也急剧增大；而斜率小的B线，则是表示溶解度在温度变化时变化不大，那么溶液温度下降时也不会造成有效的结晶，所以B类溶剂是差溶剂；C线也是一条斜率小的线，是指被溶解物质在一切温度下都易溶于溶剂中，也很难生成结晶，所以也是差溶剂。只有像A线所示性能的溶剂才是理想的溶剂。

若溶质的极性都很大，就须用极性很大的溶剂才能溶解；若溶质是非极性的，则须用非极性溶剂。例如：对于带有能形成氢键的官能团（例如—OH，—NH ₂ ，—COOH，—CONH ₂ ）的化合物，它们属于极性化合物，所以通常是选用水、醇之类含羟基的溶剂，而不是选用苯、石油醚等非极性溶剂，重结晶溶剂也可选用混合溶剂（如某溶质易溶于乙醇，难溶于水，可用乙醇加热溶解，再加入适量的水降低溶解度，再慢慢冷却结晶）。下表列出了重结晶操作中常用的一些溶剂：

可选择作为重结晶溶剂应具备的条件：

（1）与要提纯的物质不起化学反应；

（2）在较高温度时能溶解多量被提纯的物质，而在室温或更低的温度时只能溶解少量被提纯物质；

（3）对杂质的溶解度非常大或非常小（对杂质溶解度非常大是使杂质留在母液中不随提纯物品析出，对杂质溶解度非常小则是使杂质在热过滤时被滤去）；

（4）能结晶出较好的晶型；

（5）溶剂的沸点要适中，不宜太高，也不宜太低。过低，溶解度改变不大，难分离，且操作也难；过高，附着于晶体表面的溶剂不宜除去。

2.重结晶方法

重结晶操作的成功关键在于被提纯物质在热溶剂中的溶解度以及被提纯物质在冷溶剂中的溶剂度有较大的差别，这种差别越大，回收率就愈高。

举例说明：假设物质A及杂质B二者在20℃的溶解度均为1g/100mL（溶剂），在100℃时的溶解度为10g/100mL（溶剂）。现有一个不纯的样品C，其中被提纯物质A组分为9克，杂质B组分为2克，总计11克样品，在20℃时，所有样品不能被100mL溶剂所溶解（室温仅能溶解1克的A组分和1克的B组分），若将溶剂热至100℃所有样品全部溶解（因为溶剂在100℃时可溶解10克A组分和10克B组分）。若现在将溶液冷至20℃，则还有1克的A组分和1克的B组分仍被溶解，而只有8克A组分和1克的B组分结晶出来，留下2克样品于溶液中（此溶液称为母液）；此外，结晶中还有1克杂质需再一次提纯，又用100mL新溶剂重复处理所得结晶，又将析出7克结晶，留下1克被提纯物质A和1克杂质B于母液中。这两次操作的结果是得到7克纯的A物质，但损失了2克纯的被提纯物质。这两次的结晶步骤可用图2-24表示。

这一结果说明重结晶的另一个重要方面——被提纯物的损失，而且这种损失是无法避免的。但是，杂质如果在溶剂中更易溶，则可以减少损失。另外，被提纯物中杂质的含量都是很少的。如果样品中A和B是50/50的混合物，就无法实现分离杂质的目的。一般说来，杂质含量增大，样品损失也必定增大。重结晶只适宜杂质含量在5％以下的固体有机混合物的提纯。并且，从反应粗产物直接重结晶是不适宜的，必须先采取其他方法初步提纯，然后再重结晶提纯。

3.重结晶操作

（1）溶解固体：为使样品在母液中的损失降至最低限度，通常要制成沸腾的饱和溶液。实验操作是加入比计算量略少的溶剂，加热至沸腾，如还有固体未溶解，可再分次添加溶剂（注意：每次加入均需再加热到沸腾直至物质完全溶解）。要使重结晶得到的产品纯和回收率高，溶剂用量是关键。溶剂过量，可使溶解损失增大；溶剂用量过少，在热过滤时，晶体与杂质一起析出，造成热过滤的困难，也增加产品的损失。如需热过滤时，一般是加入的溶剂恰好溶解固体，再多加20％左右的溶剂将溶液稀释。

（2）热过滤：上述溶液中有一些不溶性的固体杂质，须在产品结晶前除去（如沙石、活性炭等），而使用普通的过滤法，则容易使晶体提前析出，达不到分离杂质的目的，所以需趁热过滤，以除去不溶性固体杂质。

热过滤的方法：一般用热水漏斗过滤，热水漏斗内装入热水并固定在铁环上，然后，漏斗支管上用酒精灯加热。同时将套在热水漏斗内的玻璃漏斗放在烘箱里预热，并预先折好折叠滤纸（简易或者菊花形状，见图2-27（a）~（e））。在过滤前须用少量热的溶剂湿润滤纸，以免干滤纸吸收溶液中的溶剂使结晶析出而堵塞滤纸孔，然后再将溶液沿玻璃棒分批倒入漏斗内（注意：溶液始终是热的！）。如果热过滤进行顺利，只有少量的结晶在滤纸上析出。若结晶析出过量，必须用刮刀刮到原来的瓶中，再加入溶剂溶解并过滤。滤液放置冷却析出结晶。

（3）活性炭的使用：粗制的产品假若含有有色杂质，且可溶于热溶剂中，冷却析出结晶时，部分杂质也会结晶析出，使产物有色且不纯；另外，如果溶液中存在着某些树脂状物质或者某些不溶性杂质的悬浮体，使溶液浑浊，常常不能用一般的过滤方法除去，只要在溶液中加入少量活性炭煮沸就可以使溶液脱色。

因为活性炭是由木炭、糖炭、骨灰和少量磷酸钙等组成，分子结构松散，表面积大，可吸附有色物质、树脂状物质以及悬浮物，然后趁热过滤，除去这些杂质和活性炭。

使用活性炭时注意：避免活性炭用量过多，因为活性炭在吸附杂质的同时也可以吸附产品。所以活性炭用量宜少，一般为产品质量的1％~5％，通常为1/4药匙（0.25克左右）。活性炭不能加入到已沸腾的溶液中，因为从活性炭内放出大量的空气能引起发泡，加剧溶液沸腾，而产生暴沸，发生意外，所以加活性炭之前必须使溶液冷却，再加入活性炭，然后再重新煮沸5~10分钟，最后趁热过滤。

（4）晶体的析出：趁热过滤后的热溶液静置自然冷却，这样可以析出较好的晶体，如果是采用冰水或冷水浴急速冷却，虽然晶体析出较快，但晶体小，成粉末状，包裹杂质一起析出，同时表面积大，吸附杂质也多。

（5）结晶收集和洗涤：把晶体和母液分开，通常是用抽滤法。使用布氏漏斗（Bunecher）并配上适中的橡皮垫，然后放在抽滤瓶上，再与安全瓶相连，再接水泵。漏斗内应放一直径稍小于漏斗内径的滤纸。使用前应先用少量溶剂湿润滤纸，并轻抽气使滤纸与漏斗紧贴。边抽气边将过滤物质倒入漏斗内，使物质分布于整个滤纸面，待抽干后，打开安全瓶活塞，用少量溶剂洗涤，用玻棒使晶体润湿，再关闭安全瓶活塞，将溶剂抽干，重复一二次，即可以得到纯净的晶体。

（6）干燥：重结晶得到的晶体，其表面吸附少量溶剂，应干燥才可以得到纯净的产品。通常有如下方法：①风干，即自发凉干；②烘干（烘箱干燥）；③真空干燥（在真空中干燥）；④红外干燥（用红外灯发出的射线干燥）。

4.重结晶装置

重结晶装置如图2-25和图2-26所示。