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化学分析仪器实验中过柱子是什么意思?

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发现柱子这个东西,对于研究或学习化学尤其是有机化学的人来说几乎是无人不知无人不会的基础技能(有机两大吃饭工具,柱子&点板),但是业外人士却很少有知道的。


1.什么是柱子?有什么用?


柱子是俗称,标准名称叫做柱色谱,Column Chromatography,CC。这个是有机实验室最最最最最基础的分离手段,说这是从事大有机方向的科研人员的一只手都不为过。有机实验的很多反应,并不会像高中教材上的无机实验那样,要么生成一堆沉淀,要么变成气体飞出来,产品自然而然的就分开了,非常干净漂亮。有机实验的反应,大部分情况下是均相的,也就是说产品是混成一团溶在溶剂里面的。同时因为有机反应副产物很多,所以反应结束之后我们得到的一锅东西是个大杂烩,什么都有:没反应掉的底物,反应的副产品,催化剂等等,还有我们要的产品,都是混在一起的。这就需要我们去把这些打混的东西分开,而柱子就是把这些东西分开的方法中应用最广泛、适应性最强的一种。


化学分析仪器实验中过柱子是什么意思?


关于柱子的原理,我们这里打个比方。前面是一条小巷子,里面全是美女,丫丫叉叉的挤在一起。巷子的一头是一群男生,想要到巷子另一头去。于是这群男生只能从美女堆里面挤过去,于是就会有几种不同的情况:

1)史诗的大师,丝毫不受美女的影响,色即是空,很快就到对面了;

2)精良的贤者,虽然没有慌神,但是也放慢了脚步,第二批到达对面;

3)普通的师傅,明显有点慌神了,但是也跌跌撞撞,第三批到达对面;

4)粗糙的屌丝,受迷惑最严重,在人群里走得最慢,而且还趁机揩油,最后才到巷子另一头。这样,这一堆男生就被自然而然的分开了。


——以上是柱子的原理,也就是所有的色谱(Chromatography)的原理:利用在流动相冲洗下,不同物质在固定相上“跑的速度的快慢”来将不同物质分离出来(实际上是利用物质在固定相/流动相的分配比的不同,或者说固定相对不同物质的“保留能力”的不同,但是这么说可能更难理解一些)。其中美女就可以认为是柱子的固定相,而男生就是那些待分的产品。


现在有机实验室最常规的柱子是硅胶柱,以硅胶作为固定相的柱子。正向硅胶柱上极性越低的物质爬得越快,反向硅胶柱上极性越大的物质爬的越快,所以使用什么样的硅胶完全看产品混合物的情况。大部分情况下小分子化合物的分离,用正向硅胶柱就可以解决问题了。如果产品的正电荷中心特别多,可能反相柱会更轻松一些。另外还有氧化铝柱,碱性氧化铝柱可以用来应对需要在高PH环境下分离的产物体系。中性氧化铝柱倾向于保留一些富电子的化合物。酸性氧化铝柱则可以分离一些强酸性的物质。氧化铝柱的吸附性比硅胶要弱,所以如果产品极性特别大,在硅胶上冲不下来了可以试试用氧化铝柱子,说不定会有奇效。至于凝胶柱,相对硅胶柱和氧化铝柱就属于高科技了。主要是针对高分子产物的分离手段,可以把高分子产品和小分子化合物很快的分开。凝胶柱的原理就相当于固定相是一个“反筛子”:尺寸比较大的分子因为无法进入凝胶内部,所以就从凝胶之间的空隙里面钻下去了,所以跑得更快;而尺寸小的分子则会进入凝胶上的微孔,不会太快被冲下来。这样就可以按照分子的尺寸而将混合物分开。


2.为什么说柱子干了很麻烦呢?


我们实验室做一些量特别小的反应,也就最多几百mg,最后的也需要至少一个上午的时间才能完整的过完一根柱子;如果是更加复杂的天然提取物的分离工作,那么一根柱子过几天都是经常会有的事情。柱子是有机实验室非常关键的东西,很多时候只有过完柱子、得到纯净的产品之后才能说明整个反应有意义。同时过柱子又是一个十分费时费精力的工作:一根柱子普遍需要过数个小时甚至更长时间。


虽然耗时这么长,也并不意味着你可以把柱子放那儿不管然后自己去干别的——柱子必须要一直盯着才行。你需要隔一段时间点板(TLC,薄层色谱)来看现在柱子里出来的东西到底是什么:有的时候前面一个组分和后面一个组分之间就差那么四五滴,你要是错过了,那就可能全白费了——尤其是对那些试管不多,习惯用烧瓶或者锥形瓶接产品的实验室。而柱子干了,硅胶里面可能就会混进去非常多的气泡,这样产品就很难分开。


对于一些要求高产率的课题来说,干一次柱子的结果可能是产率直接掉十个点、或者减半——这样的打击非常致命,很多时候搞不好是要返工从头做的。虽然可以拿高极性的溶剂把硅胶里面残余的产品泡出来,不过这样损失不小。有的时候是做了好几步反应到最后得到那么一点,几百毫克产品,然后过柱子的时候不小心柱子干了,然后泡也没泡出来多少,那要从头返工的话或许就又是一周甚至一个月的时间过去了。


不过如果只是得到产物就行,不用过分纠结产率的那种反应(比如做小分子功能材料,只需要得到那么一点东西,足够检测其性能就可以了,产率并不是需要考虑的首要因素),干了柱子的话,好好处理一下问题也不大的。干柱子是个问题主要是针对方法学和合成实验室来说的。


3.BTW


虽然过柱子是非常累和枯燥的一件事,但是又是几乎每个大有机方向的科研人员和研究生都逃不开的一件事——这也是没办法的事情。不过,虽然装柱子的时候都非常烦躁,但是最终出产品的时候,还是很有成就感的。我们实验室做的很多反应的产物都有荧光,有的时候直接拿紫外灯照柱子,柱子里面的产品也会阶段性的有荧光,这也算是苦中作乐吧--而且还有一点好处,就是如果在柱子里看不到荧光,那说明反应失败了,柱子也不用过了,直接重开吧。哪怕制备色谱,其应用局限性也很大,还有成本因素,所以也无法完全取代手工柱子。


2018-04-17 13:37:17浏览次数:1592次
本文来源:http://m.yiqi.com/retiao/detail_1836.html
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