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常用有机溶剂的纯化

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:市售的有机溶剂有工业纯、化学纯和分析纯等各种规格。此外,在合成中如需用大量纯度较高的有机溶剂,考虑到分析纯试剂价格高昂,也常常用工业级的普通溶剂自行精制后供实验室使用。普通用的氯仿中含有质量分数为1%的乙醇,这是为了防止氯仿分解为有毒的光气,作为稳定剂加入氯仿中的。

市售的有机溶剂有工业纯、化学纯和分析纯等各种规格。在有机合成中,通常根据反应特性来选择适宜规格的溶剂,以便使反应顺利进行而又不浪费试剂。但对某些反应来说,对溶剂的纯度要求特别高,即使只有微量有机杂质和痕量水的存在,常常对反应速度和产率也会产生很大的影响,这时就须对溶剂进行纯化。此外,在合成中如需用大量纯度较高的有机溶剂,考虑到分析纯试剂价格高昂,也常常用工业级的普通溶剂自行精制后供实验室使用。

1.乙醇

由于乙醇和水能形成共沸物,故工业乙醇的质量分数为95.6%,其中水的质量分数为4.4%。为了制得纯度较高的乙醇,在实验室中用工业乙醇与氧化钙长时间回流加热,使乙醇中水与氧化钙作用,生成不挥发的氢氧化钙来除去水分。这样制得的乙醇质量分数可达99.5%,通常称为无水乙醇。如需高度干燥的乙醇,可用金属镁或金属钠将制得的无水乙醇或者用分析纯的无水乙醇(质量分数不少于99.5%)进一步处理制得绝对乙醇。

在用金属钠处理时,由于生成的氢氧化钠和乙醇之间存在平衡,使醇中水不能完全除去,因而必须加入邻苯二甲酸二乙酯或丁二酸二乙酯,通过皂化反应除去反应中生成的氢氧化钠。

(1)无水乙醇(质量分数为99.5%)的制备:在250 mL圆底烧瓶中,加入100 mL 95%乙醇和25 g生石灰,用塞子塞住瓶口,放置用于下次实验。

下次实验时,拔去塞子,装上回流冷凝管,其上端接一氧化钙干燥管。在水浴上加热回流2 h,稍冷后,拆去回流冷凝管,改成蒸馏装置。用水浴加热,蒸去前馏分,再用已称量的干燥瓶作接收器,蒸馏至几乎无液滴流出为止。立即用空心塞塞住无水乙醇的瓶口,称重,计算回收率

(2)绝对乙醇(质量分数99.9%)的制备:

①用金属镁制备。在100 mL圆底烧瓶中放入0.3 g干燥的镁条(或镁屑),10 mL 99.5%乙醇和几小粒碘,用热水浴温热(注意此时不要振摇)回流,不久镁在碘的周围发生反应,观察到碘棕色减退,镁周围变浑浊,并伴随着氢气的放出。随着反应的扩大,碘的颜色逐渐消失,有时反应可以相当激烈。待反应稍缓和后,继续加热使镁基本上反应完毕。然后加入40 mL 99.5%乙醇和几粒沸石,加热回流0.5 h。改成蒸馏装置。之后操作同(1)。

②用金属钠制备。在100 mL圆底烧瓶中放入1 g金属钠和50 mL 99.5%乙醇,加入几粒沸石,加热回流0.5 h,然后加入2 g邻苯二甲酸二乙酯,再回流10 min。之后操作同(1)。

附注:

(1)本实验中所用仪器必须绝对干燥。由于无水乙醇具有很强的吸水性,故操作过程中和存放时必须防止水分侵入。

(2)如用空心塞,就必须用手巾纸将瓶口生石灰擦去,否则不易打开。

(3)若不放置,则可适当延长回流时间。

(4)金属钠的称量和处理见附录七。

2.甲醇

工业甲醇中的主要杂质是水(0.5%~1.0%)和丙酮(0.1%)。由于甲醇和水不能形成共沸物,故可用高效精馏柱将少量水除去,通过这样精制的甲醇质量分数可达99.5%。假如需要除去甲醇中所含少量丙酮,可以应用下面方法:

将500 mL工业甲醇、25 mL呋喃甲醛和60 mL 10%氢氧化钠溶液加热回流6~12 h,然后用分馏柱分馏出无丙酮的甲醇(95%)。呋喃甲醛和丙酮生成树脂状物留在瓶内。

制取高度干燥的甲醇,可将精制得到的99.5%甲醇或分析纯甲醇用镁处理(见绝对乙醇的制备)。

纯甲醇的沸点为64.96℃;折射率为1.328 8;相对密度为0.791 4。

附注:

甲醇对视神经有较大的毒害作用,处理时应避免吸入大量蒸气,故操作最好在通风橱中进行。

3.乙醚

普通乙醚中含有少量水和乙醇,在保存乙醚期间,由于与空气接触和光的照射,通常除了上述杂质外,还有二乙基过氧化物(C2H52O2。这对于要求用无水乙醚作溶剂的反应(如Grignard反应),不仅影响反应,且易发生危险。因此,在制备无水乙醚时,首先需检验有无过氧化物存在,为此,取少量乙醚与等体积的2%碘化钾溶液,再加入几滴稀盐酸一起振摇,振摇后的溶液若能使淀粉显蓝色,即证明有过氧化物存在。此时应按下述步骤处理:

在分液漏斗中加入普通乙醚,再加入相当于乙醚体积1/5的新配制的硫酸亚铁溶液,剧烈摇动后分去水层。醚层在干燥瓶中用无水氯化钙干燥,间隙振摇,放置24 h,这样可除去大部分水和乙醇。蒸馏收集34℃~35℃馏分,在收集瓶中压入钠丝,然后用带有氯化钙干燥管的软木塞塞住,或者在木塞中插入一端拉成毛细管的玻璃管,这样可以使产生的气体逸出,并可防止潮气侵入。放置24 h以上,待乙醚中残留的痕量水和乙醇转化为氢氧化钠和乙醇钠后,才能使用。

附注:

(1)硫酸亚铁溶液的配制:在55 mL水中加入3 mL浓硫酸,然后加入30 g硫酸亚铁,溶液必须在使用时配制,如放置过久,易氧化变质。

(2)乙醚沸点低,极易挥发,严禁用明火加热,可用事先准备好的热水浴加热,或者用变压器调节的电热锅加热。尾气出口通入水槽,以免乙醚蒸气散发到空气中。由于乙醚蒸气比空气密度大(约为空气的2.5倍),容易聚集在桌面附近或低洼处。当空气中含有1.85%~36.5%的乙醚蒸气时,遇火即会发生燃烧爆炸,因此在蒸馏过程中必须严格遵守操作规程

4.四氢呋喃

四氢呋喃常常在Grignard反应和氢化铝锂的还原中用来代替乙醚作溶剂。普通的四氢呋喃中含有少量的水和过氧化物。如果有过氧化物存在,必须按乙醚中所述方法用硫酸亚铁溶液洗涤。然后用无水硫酸钙或固体氢氧化钾干燥。干燥后的四氢呋喃与氢化铝锂(通常500 mL四氢呋喃加2 g氢化铝锂)在隔绝潮气下加热回流1~2 h。蒸馏收集65℃~66℃的馏分。

纯四氢呋喃的沸点为67(64.5)℃;折射率为1.405 0;相对密度为0.889 2。

附注:

曾有过报道,含过氧化物的THF用固体氢氧化钾或用浓氢氧化钾溶液处理时,可能会发生爆炸。

5.二氧六环

在500mL二氧六环中加入7mL浓盐酸和50mL水,在通风橱中加热回流12 h,回流时缓慢地将氮气通入溶液以除去乙醛。待溶液冷却后,加入粒状氢氧化钾直至不再溶解。分去水层,在有机层中再加入粒状氢氧化钾振摇除去痕量水。将有机层放入干燥的圆底烧瓶中,加入金属钠加热回流10~12 h,使金属钠最终保持光亮,如果不是这样,可以再加入金属钠,以同样方式处理。最后蒸馏收集101℃馏分。

6.氯仿

通用的氯仿中含有质量分数为1%的乙醇,这是为了防止氯仿分解为有毒的光气,作为稳定剂加入氯仿中的。为了除去乙醇,可将氯仿与为其一半体积的水在分液漏斗中振荡数次,然后分出下层氯仿,用无水氯化钙或无水碳酸钾干燥。

另一种提纯法是将氯仿与少量浓硫酸一起振摇数次。每500 mL氯仿约用25 mL硫酸洗涤,分去酸层后,用水洗涤,干燥后蒸馏。

注意:除去乙醇的无水氯仿必须保存在棕色瓶中,并放于柜中,以免在光的照射下产生光气。氯仿绝对不能用金属钠来干燥,否则会发生爆炸。

7.二氯甲烷

使用二氯甲烷比氯仿安全,因此常常用它来代替氯仿作为比水重的物质的萃取介质。普通的二氯甲烷一般都能直接作萃取剂用。如需纯化,可用5%的碳酸钠溶液洗涤,再用水洗涤,然后用无水氯化钙干燥,蒸馏收集40℃~41℃的馏分。

8.丙酮

普通丙酮中常含有少量水及甲醇、乙醛等还原性杂质,分析纯的丙酮中即使有机杂质已少于0.1%,水的质量分数仍达1%。它的纯化采用如下方法:

在500 mL丙酮中加入2~3 g高锰酸钾加热回流,以除去少量还原性杂质。若高锰酸钾紫色很快消失,则需再加入少量高锰酸钾继续回流,直至紫色不再消失为止。蒸出丙酮,然后用无水碳酸钾和无水碳酸钙干燥,蒸馏收集56℃~57℃馏分。

9.二甲亚砜(DMSO)

二甲亚砜是能与水互溶的高极性非质子溶剂,因而广泛用作有机反应和光谱分析的试剂。它易吸潮,常压蒸馏时还会有些分解。若要制备无水二甲亚砜,可以用活性氧化铝、氧化钡或硫酸钙干燥过夜。然后滤去干燥剂,在减压下蒸馏收集(75℃~76℃)/12 mmHg或(85℃~87℃)/20 mmHg的馏分,放入分子筛储存待用。

纯二甲亚砜的沸点为189℃;折射率为1.477 0;相对密度为1.101 4。

10.N,N-二甲基甲酰胺(DM F)

普通的N,N-二甲基甲酰胺中含有少量的水、胺和甲醛等杂质。在常压蒸馏时有些分解,产生二甲胺和一氧化碳。若有酸或碱存在时,分解加快,如用固体氢氧化钾或氢氧化钠干燥数小时,会发生部分分解。因此它的提纯最好使用硫酸钙、硫酸镁、氧化钡、硅胶或分子筛干燥。然后减压蒸馏收集76℃/39 mmHg的馏分。精制后的N,N-二甲基甲酰胺最好放入分子筛后保存。

纯的N,N-二甲基甲酰胺沸点为149℃~156℃;折射率为1.430 5;相对密度为0.941 7。

11.吡啶

分析纯吡啶的纯度大于99.5%,已可供一般使用。如要制得无水吡啶,可与粒状氢氧化钠一起加热回流,然后在隔绝潮气下蒸馏。无水吡啶吸水性很强,最好将精制后的吡啶放入粒状氢氧化钾保存。

附注:

吡啶具有恶臭,全部操作必须在通风橱中进行,尾气出口通入水槽。

12.石油醚

石油醚是低相对分子质量的烃类混合物,常用的有沸程为30℃~60℃、60℃~90℃和90℃~120℃等规格。石油醚中主要成分为戊烷、己烷和庚烷。此外,还有少量不饱和烃(主要为芳香烃)。为了除去这些杂质,通常采用如下方法提纯:

在分液漏斗中将石油醚用其体积分数为10%的浓硫酸振摇2~3次,除去大部分不饱和烃。然后在10%硫酸中配制成的高锰酸钾饱和溶液洗涤,直至水层中紫色不再消失为止。再用水洗涤,经无水氯化钙干燥后蒸馏。若需要绝对干燥的石油醚,则可压入钠丝(见乙醚纯化)。

13.苯

分析纯的苯通常可供直接使用。假如需要无水苯,则可用无水氯化钙干燥过夜,过滤后,压入钠丝(见乙醚)。普通苯中噻吩(沸点84℃)为主要杂质,为了制得无水无噻吩苯,可用下列方法精制:

在分液漏斗中将苯与相当于苯体积分数10%的浓硫酸一起振摇,弃去底层酸液,再加入新的浓硫酸,这样重复操作直至酸层呈现无色或淡黄色,且检验无噻吩存在为止。苯层依次用水、10%碳酸钠溶液、水洗涤,经氯化钙干燥后蒸馏,收集80℃的馏分,压入钠丝(见乙醚)保存待用。

噻吩的检验:取5滴苯于小试管中,加入5滴浓硫酸及1~2滴1%靛红的浓硫酸溶液,振摇片刻,如呈墨绿色或蓝色,则表示有噻吩存在。

纯苯的沸点为80.1℃;折射率为1.501 1;相对密度为0.878 65。

14.乙酸乙酯

分析纯的乙酸乙酯质量分数为99.5%,可供一般使用。工业乙酸乙酯质量分数为95%~98%,含有少量水、乙醇和乙酸,可用下列方法提纯:

于1 000 mL乙酸乙酯中加入100 mL乙酸酐和10滴浓硫酸,加热回流4 h,以除去水和乙醇。然后进行分馏,收集76℃~77℃的馏分,馏分用20~30 g无水碳酸钾振荡,过滤后再蒸馏。收集产物沸点为77℃,纯度达99.7%。

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