化工實驗室培訓(xùn)資料：柱層析方法與技巧

實用柱層析方法與技巧常說的過柱子應(yīng)該叫柱層析分離，也叫柱色譜。我們常用的是以硅膠或氧化鋁作固定相的吸附柱。由于柱分的經(jīng)驗成分太多，所以下面我就幾年來過柱的體會寫些心得，希望能有所幫助。一：柱子可以分為：加壓，常壓，減壓壓力可以增加淋洗劑的流動速度，減少產(chǎn)品收集的時間，但是會減低柱子的塔板數(shù)。所以其他條件相同的時候，常壓柱是效率最高的，但是時間也最長，比如天然化合物的分離，一個柱子幾個月也是有的。減壓柱能夠減少硅膠的使用量，感覺能夠節(jié)省一半甚至更多，但是由于大量的空氣通過硅膠會使溶劑揮發(fā)（有時在柱子外面有水汽凝結(jié)），以及有些比較易分解的東西可能得不到，而且還必須同時使用水泵抽氣（很大的噪音，而且時間長）。以前曾經(jīng)大量的過減壓柱，對它有比較深厚的感情，但是自從嘗試了加壓后，就幾乎再也沒動過減壓的念頭了。加壓柱是一種比較好的方法，與常壓柱類似，只不過外加壓力使淋洗劑走的快些。壓力的提供可以是壓縮空氣，雙連球或者小氣泵（給魚缸供氣的就行）。特別是在容易分解的樣品的分離中適用。壓力不可過大，不然溶劑走的太快就會減低分離效果。個人覺得加壓柱在普通的有機化合物的分離中是比較適用的。二：關(guān)于柱子的尺寸應(yīng)該是粗長的最好。柱子長了，相應(yīng)的塔板數(shù)就高。柱子粗了，上樣后樣品的原點就?。ǚ从吃谥由暇褪菢悠穼颖容^薄），這樣相對的減小了分離的難度。試想如果柱子十厘米，而樣品就有二厘米，那么分離的難度可想而知，恐怕要用很低極性的溶劑慢慢沖了。而如果樣品層只有0.5厘米，那么各組分就比較容易得到完全分離了。當(dāng)然采用粗大的柱子要犧牲比較多的硅膠和溶劑了，不過這些成本相對于產(chǎn)品來說也許就不算什么了（有些不環(huán)保的說，不過溶劑回收重蒸后也就減小了部分浪費）?，F(xiàn)在見到的柱子徑高比一般在1：5～10，書中寫硅膠量是樣品量的30～40倍，具體的選擇要具體分析。如果所需組分和雜質(zhì)分的比較開（是指在所需組分rf在0.2～0.4，雜質(zhì)相差0.1以上），就可以少用硅膠，用小柱子（例如200毫克的樣品，用2cm×20cm的柱子）；如果相差不到0.1，就要加大柱子，我覺得可以增加柱子的直徑，比如用3cm的，也可以減小淋洗劑的極性等等。三：關(guān)于無水無氧柱適用于對氧，水敏感，易分解的產(chǎn)品，可以濕柱，也可以干柱。不過在樣品之前至少要用溶劑把柱子飽和一次，因為溶劑和硅膠飽和時放出的熱量有可能是產(chǎn)品分解，畢竟要分離的是敏感的東東，小心不為過。也是因為分離的東西比較敏感，所以接收瓶一定要用可密封的，遵循schlenk操作。至于是加壓、常壓、減壓，隨需而定。因為是schlenk操作，所以點板是個問題，如果樣品是顯色的，恭喜了，不用點板，直接看柱子上的色帶就行了。如果樣品無色，只好準(zhǔn)備幾十個schlenk瓶，一瓶一瓶的點，不過幾次之后就知道樣品在哪，也就可以省些了。像我以前過一根無水無氧柱，需要六個schlenk，現(xiàn)在只一個就能把所要的全收集到。無水無氧柱中用的比較多的是用氧化鋁作固定相。因為硅膠中有大量的羥基裸露在外，很容易是樣品分解，特別是金屬有機化合物和含磷化合物。而氧化鋁可以做成堿性、中性和酸性的，選擇余地比較大，但是比硅膠要貴些。聽說有個方法，就是用石英做柱子，然后用HF254做固定相，這樣在柱子外面用紫外燈一照就知道產(chǎn)品在哪里了，沒有驗證過。四：關(guān)于濕法、干法上樣濕法省事，一般用淋洗劑溶解樣品，也可以用二氯甲烷、乙酸乙酯等，但溶劑越少越好，不然溶劑就成了淋洗劑了。很多樣品在上柱前是粘乎乎的，一般沒關(guān)系?？墒怯械纳蠘雍笤诠枘z上又會析出，這一般都是比較大量的樣品才會出現(xiàn)，是因為硅膠對樣品的吸附飽和，而樣品本身又是比較好的固體才會發(fā)生，這就應(yīng)該先重結(jié)晶，得到大部分的產(chǎn)品后再柱分，如果不能重結(jié)晶，那就不管它了，直接過就是了，樣品隨著淋洗劑流動會溶解的。有些樣品溶解性差，能溶解的溶劑又不能上柱（比如DMF,DMSO等，會隨著溶劑一起走，顯色是一個很長的脫尾），這時就必須用干法上柱了。樣品和硅膠的量有一種說法是1：1，我覺得是越少越好，但是要保證在旋干后，不能看到明顯的固體顆粒（那說明有的樣品沒有吸附在硅膠上）。五：溶劑的選擇當(dāng)然是最便宜，最安全，最環(huán)保的了。所以大多選用石油醚，乙酸乙酯。文獻(xiàn)中有寫用正己烷的，太貴了，除非特別需要不要用不然銀子嘩嘩的，流的比淋洗劑還快，不過因為極性很小，有時還是非它不可。乙醚也可以用，但是就是容易睡覺，注意保持清醒別讓溶劑流干了，那樣柱子也就不爽了。二氯甲烷也有用的，但是要知道，它和硅膠的吸附是一個放熱過程，所以夏天的時候經(jīng)常會在柱子里產(chǎn)生氣泡，天氣冷的時候會好一些。甲醇據(jù)說能溶解部分的硅膠，所以產(chǎn)品如果想過元素分析的話要留神，應(yīng)該經(jīng)過后繼處理，比如說重結(jié)晶等。其他的溶劑用的相對較少，要依個人的不同需要選擇了。由于某些原因，用到的淋洗劑多是大包裝的（便宜嘛），我們這里是用10升或25升的塑料桶裝的，就要注意這些工業(yè)品的純度是較低的。經(jīng)常能夠從送來的大桶底部看見有色的雜質(zhì)，其他的雜質(zhì)就可想而知了，所以在比較嚴(yán)格的柱分時就要對溶劑重蒸。當(dāng)然過原料時就可以免去這一步了，反正下面還有提純的方法。另外溶劑在過柱子后最好也回收使用，一方面環(huán)保，另一方面也能節(jié)省部分經(jīng)費，缺點是要消耗一定的人工。這里要注意的是，一般在過柱同時進(jìn)行的是減壓旋蒸，石油醚和乙酸乙酯的比例由于揮發(fā)度的不同會導(dǎo)致極性的變化，一般會使得極性變大，在梯度淋洗時比較合適，正好極性越來越大了。在過完柱子后，溶劑最后回收要采用常壓，因為在減壓旋蒸時會有部分低沸點的雜質(zhì)一起出來，常壓時就會減少這種現(xiàn)象，如果雜質(zhì)和你下面要過的樣品有反應(yīng)那就慘了。六：關(guān)于操作問題1、裝柱柱子下面的活塞一定不要涂潤滑劑，會被淋洗劑帶到產(chǎn)品中的，可以采用四氟節(jié)門的。干法和濕法裝柱覺得沒什么區(qū)別，只要能把柱子裝實就行。裝完的柱子應(yīng)該要適度的緊密（太密了淋洗劑走的太慢），一定要均勻（不然樣品就會從一側(cè)斜著下來）。書中寫的都是不能見到氣泡，我覺得在大多數(shù)情況下有些小氣泡沒太大的影響，一加壓氣泡就全下來了。當(dāng)然如果你裝的柱子總是有氣泡就說明需要多練習(xí)了。但是柱子更忌諱的是開裂，甭管豎的還是橫的，都會影響分離效果，甚至作廢！2、加樣用少量的溶劑溶樣品加樣，加完后將下面的活塞打開，待溶劑層下降至石英砂面時，再加少量的低極性溶劑，然后再打開活塞，如此兩三次，一般石英砂就基本是白色的了。加入淋洗劑，一開始不要加壓，等溶樣品的溶劑和樣品層有一段距離（2～4cm就夠了），再加壓，這樣避免了溶劑（如二氯甲烷等）夾帶樣品快速下行。3、淋洗劑的選擇感覺上要使所需點在rf0.2～0.3左右的比較好。不要認(rèn)為在板上爬高了分的比較開，過柱子就用那種極性，如果rf在0.6，即使相差0.2也不容易在柱子上分開，因為柱子是一個多次爬板的狀態(tài)，可以通過公式的比較：0.6/0.8一次的分離度，肯定不如（0.2/0.3）的三次方或四次方大。4、樣品的收集用硅膠作固定相過柱子的原理是一個吸附與解吸的平衡。所以如果樣品與硅膠的吸附比較強的話，就不容易流出。這樣就會發(fā)生，后面的點先出，而前面的點后出。這時可以采用氧化鋁作固定相。另外，收集的試管大小要以樣品量而定，特別是小量樣品，如果用大試管，可能一根就收到了三個樣品，wuwu。如果都用小試管那工作量又太大。5、最后的處理柱分后的產(chǎn)品，由于使用了大量的溶劑，其中的雜質(zhì)也會累積到產(chǎn)品中，所以如果想送分析，最好用少量的溶劑洗滌一下，因為大部分的雜質(zhì)是溶在溶劑里的，一洗基本就沒了，必要時進(jìn)行重結(jié)晶。另外，再過柱的時候，有時會出現(xiàn)氣泡，一是和使用的溶劑有關(guān)，如果是易揮發(fā)的溶劑，如乙醚、二氯甲烷等，在室溫稍高的情況下，很容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此，在室溫高的時候，可以選擇沸點較高，揮發(fā)相對小的溶劑。還有，使用混合溶劑時，使用的兩種溶劑的沸點應(yīng)該相差不大，如：乙酸乙酯和石油醚(60~90),而乙醚卻要選擇30－60的石油醚。二是：不論是用帶砂板的還是塞棉花的，在裝柱之前，都要將空氣用加壓的方法將空氣排干，這樣就可避免柱中有空氣！一）吸附劑與洗脫劑根據(jù)待分離組分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)選擇合適的吸附劑和洗脫劑是分離成敗的關(guān)鍵。1．吸附劑的要求①對樣品組分和洗脫劑都不會發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，在洗脫劑中也不會溶解。②對待分離組分能夠進(jìn)行可逆的吸附，同時具有足夠的吸附力，使組分在固定相與流動相之間能最快地達(dá)到平衡。③顆粒形狀均勻，大小適當(dāng)，以保證洗脫劑能夠以一定的流速（一般為1.5mL·min-1）通過色譜柱。④材料易得，價格便宜而且是無色的，以便于觀察。2、常用吸附劑的種類：氧化鋁、硅膠、聚酰胺、硅酸鎂、滑石粉、氧化鈣（鎂）、淀粉、纖維素、蔗糖和活性炭等。3、幾種常見吸附劑的特性（1）氧化鋁：市售的層析用氧化鋁有堿性、中性和酸性三種類型，粒度規(guī)格大多為100～150目。堿性氧化鋁（pH9—10）：適用于堿性物質(zhì)（如胺、生物堿）和對酸敏感的樣品（如縮醛、糖苷等），也適用于烴類、甾體化合物等中性物質(zhì)的分離。但這種吸附劑能引起被吸附的醛、酮的縮合。酯和內(nèi)酯的水解、醇羥基的脫水、乙酰糖的去乙?；?、維生素A和K等的破壞等不良副反應(yīng)。所以，這些化合物不宜用堿性氧化鋁分離。酸性氧化鋁（pH3.5—4.5）：適用于酸性物質(zhì)如有機酸、氨基酸等以及色素和醛類化合物的分離。中性氧化鋁（pH7—7.5）：適用于醛、酮、醌、苷和硝基化合物以及在堿性介質(zhì)中不穩(wěn)定的物質(zhì)如酯、內(nèi)酯等的分離，也可以用來分離弱的有機酸和堿等。（2）硅膠：硅膠是硅酸的部分脫水后的產(chǎn)物，其成分是SiO2·xH2O，又叫縮水硅酸。柱色譜用硅膠一般不含粘合劑。適用范圍：非極性和極性化合物，適用于芳香油、萜類、甾體、生物堿、強心甙、蒽醌類、酸性、酚性化合物、磷脂類、脂肪酸、氨基酸，以及一系列合成產(chǎn)品如有機金屬化合物等。（3）聚酰胺：色譜用聚酰胺主要又錦綸6（聚己內(nèi)酰胺）和錦綸66（聚己二酰己二胺）兩種，分子量一般在16000～20000，其親水性和親脂性均較好，因此既可分離水溶性成份，也可分離脂溶性成分?？扇苡跐恹}酸、甲酸及熱的乙酸、甲酰胺和二甲基甲酰胺中；微溶于乙酸和苯酚等；不溶于醇、氯仿、丙酮、乙醚、苯等；對堿穩(wěn)定，對強酸可水解。聚酰胺色譜的原理：兼具吸附色譜和分配色譜的功能。采用強極性洗脫劑時主要為吸附色譜——正相色譜；采用弱極性洗脫劑時主要為分配色譜——反相色譜。分離對象：能與聚酰胺形成氫鍵的化合物，如酚類、酸類、醌類、硝基化合物及含羥基、氨基、亞氨基的化合物及腈和醛等類化合物。聚酰胺在水中吸附能力的規(guī)律：形成氫鍵的基團(如：酚經(jīng)基、按基、酪基、硝基等)越多，則吸附力越強。如：丁二酸＞丁酸形成氫鍵的位置與吸附力有很大關(guān)系。對位、間位酚羥基使吸附力增大，鄰位使吸附力減小。芳香核、共軛雙鍵多者吸附力大，少者吸附人小。若形成分了內(nèi)氫鍵，則使化合物的吸附力減小。（4）硅酸鎂：中性硅酸鎂的吸附特性介于氧化鋁和硅膠之間，主要用于分離甾體化合物和某些糖類衍生物。為了得到中性硅酸鎂，用前先用稀鹽酸，然后用醋酸洗滌，最后用甲醇和蒸餾水徹底洗滌至中性。3．吸附劑的活度及其調(diào)節(jié)吸附劑的活性取決于它們含水量的多少，活性最強的吸附劑含有最少的水。吸附劑的活性一般分為五級，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示。數(shù)字越大，表示活性越小，一般常用Ⅱ～Ⅲ。向吸附劑中添加一定的水，可以降低其活性。反之，如果用加熱處理的方法除去吸附劑中的部分水，則可以增加其活性，后者稱為吸附劑的活化。各種不同活度吸附劑的含水量見表表3—6各種不同活度的吸附劑的含水量活度

氧化鋁（水%）

硅膠（水%）

硅酸鎂（水%）Ⅰ

0

0

0Ⅱ

3

5

7Ⅲ

6

15

15Ⅳ

10

25

25Ⅴ

15

35

354、實驗操作吸附劑用量的確定→柱子的選擇→裝柱→柱留體積的測量→加樣或拌樣→洗脫→分部收集→檢測→合并→濃縮氧化鋁：一般選擇中性，粒度150～200目，超過220目需加壓；一般用量1g樣品/20～50g，特例1g樣品/100～200g硅膠：吸附色譜——1g樣品/20～50g，特例1g樣品/500～1000g，用前最好120烘24h，可不做活性測定。分配色譜——1g樣品/100～1000g，特例1g樣品/10000g。色譜柱的選擇：有玻璃柱和不銹鋼柱兩種，一般不使用有機玻璃柱，實驗室常用玻璃柱；徑長比一般為1:10～1:20，特例1:40；內(nèi)壁光滑均勻，上下粗細(xì)一樣，管壁無裂縫，活塞密封良好；根據(jù)吸附劑用量（體積）確定柱子的大小，一般吸附劑應(yīng)填充到柱子體積的1/4～1/5左右。裝柱：有干裝法和濕裝法兩種。干裝法——在下端減壓抽氣的同時，將吸附劑通過長徑漏斗緩緩到入柱內(nèi)。濕裝法——①準(zhǔn)確加入一定體積的溶劑，然后緩慢加入吸附劑，必要時可輕敲柱壁，排除多余溶劑，計算主留體積；②準(zhǔn)確量取一定體積的溶劑倒入稱量好的吸附劑，間歇性攪拌數(shù)次，靜置過夜，次日在攪拌下裝柱，計算主留體積。加樣：①將樣品溶于合適的溶劑，在不擾動吸附劑層面的情況下，加到柱體上面。最后在用少量清潔溶劑對主壁洗滌2～3次；②將樣品溶于合適的溶劑后，在攪拌下加入樣品量3～5倍的吸附劑，晾干至粉末狀，然后在不擾動吸附劑層面的情況下，加到柱體上面。洗脫必須注意在洗脫的過程中，尤其是開始階段，不能擾動層面。洗脫速度一般為每分鐘流出1/200柱留體積左右。對于梯度洗脫需注意標(biāo)記不同溶劑的分界管號。分部收集：一般每管收集1/20～1/10柱留體積檢測：確定目標(biāo)物的位置及純化情況①薄層色譜或紙色譜檢測；②氣相色譜或液相色譜檢測；合并：成分相同或相似的收集液合并，交叉部分單獨收集。濃縮：旋轉(zhuǎn)薄膜蒸發(fā)；確保燒瓶干燥干凈。展開劑的極性規(guī)律單一溶劑的極性大小順序為：石油醚（?。h(huán)己烷→四氯化碳→三氯乙烯→苯→甲苯→二氯甲烷→氯仿→乙醚→乙酸乙酯→乙酸甲酯→丙酮→正丙醇→甲醇→吡啶→乙酸（大）混合溶劑的極性順序：苯∶氯仿（1+1）→環(huán)己烷∶乙酸乙酯（8+2）→氯仿∶丙酮（95+5）→苯∶丙酮（9+1）→苯∶乙酸乙酯（8+2）→氯仿∶乙醚（9+1）→苯∶甲醇（95+5）→苯∶乙醚（6+4）→環(huán)己烷∶乙酸乙酯（1+1）→氯仿∶乙醚（8+2）→氯仿∶甲醇（99+1）→苯∶甲醇（9+1）→氯仿∶丙酮（85+15）→苯∶乙醚（4+6）→苯∶乙酸乙酯（1+1）→氯仿∶甲醇（95+5）→氯仿∶丙酮（7+3）→苯∶乙酸乙酯（3+7）→苯∶乙醚（1+9）→乙醚∶甲醇（99+1）→乙酸乙酯∶甲醇（99+1）→苯∶丙酮（1+1）→氯仿∶甲醇（9+1）選擇展開劑，要依據(jù)溶劑極性和他們的混溶性，溶劑對被分析物的溶解性，以及被分析物的結(jié)構(gòu)。這里只討論藥典里通常使用的以硅膠為固定相主體的正相薄層，也不考慮板的活性。列出溶劑極性參數(shù)表，方便以下比較展開劑。環(huán)已烷:-0.2、石油醚（Ⅰ類，30~60℃）、石油醚（Ⅱ類，60~90℃）、正已烷:0.0、甲苯:2.4、二甲苯:2.5、苯:2.7、二氯甲烷:3.1、異丙醇:3.9、正丁醇:3.9、四氫呋喃:4.0、氯仿:4.1、乙醇:4.3、乙酸乙酯:4.4、甲醇:5.1、丙酮:5.1、乙腈:5.8、乙酸:6.0、水:10.2[1]。關(guān)于溶劑混溶性，一般根據(jù)相似相溶原則，需要注意，極性相差大的不混溶，比如正己烷與甲醇。多元展開劑，主體的兩種溶劑不能混溶，就需要通過第三種溶劑來調(diào)和。比如：石油醚、正庚烷、正已烷、戊烷、環(huán)已烷和甲醇、水之類的。一般正相色譜，固定相為極性，被分析物質(zhì)的極性越大，需要極性更大的展開劑。了解被分析物的極性可以通過分析其結(jié)構(gòu)獲得，很難獲得它的極性指數(shù)。物質(zhì)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)中，通常由較極性部分和非極性部分兩部分。例如下面以苯丙烷為極性小部分，隨著極性基團部分的增加，總體的極性就增加，展開劑極性也增加了。，依次為肉桂酸、阿魏酸、咖啡酸、菊苣酸、綠原酸。相應(yīng)展開劑分別為：正己烷—乙醚—冰醋酸(5:5:0.1)、苯－冰醋酸－甲醇(30:1:3)、氯仿－甲醇－甲酸（9:1:0.5）、石油醚－乙酸乙酯－甲酸（3:6:1）、醋酸丁酯－甲酸－水(7:2.5:2.5)。（由于薄層板、比移值不同的原因，展開劑極性比較是相對的，并非絕對的后者大于前者）?，F(xiàn)在最重要的問題是，不同化合物，怎么定它的極性，又用什么標(biāo)準(zhǔn)來定它對應(yīng)的展開劑呢？以下分開討論不同化合物極性情況及其對應(yīng)的展開劑。首先是極性較小的揮發(fā)性物質(zhì)。比如：冰片：石油醚(30～60℃)—醋酸乙酯(17:3)、厚樸酚：苯－醋酸乙酯(9:1.5)、α-香附酮：苯－醋酯乙酯－冰醋酸(92:5:5)、丹皮酚：環(huán)己烷－醋酸乙酯(3:1)，這類化合物，以石油醚、正構(gòu)烷和苯為體積百分?jǐn)?shù)比較大的溶劑，通常起溶解和分離化合物的作用，而用醋酸乙酯為調(diào)節(jié)Rf（比移值）的溶劑。為了減少拖尾之類其他相似相溶原則以外的影響，適當(dāng)加入添加劑，如有機酸或者有機堿。極性較小的不揮發(fā)性物質(zhì)。比如：β-谷甾醇：環(huán)己烷－醋酸乙酯－甲醇(6:2.5:1)或者環(huán)己烷－丙酮(5:2)、熊果酸：甲苯－醋酸乙酯－冰醋酸(12:4:0.5)、齊墩果酸：氯仿－甲醇(40:1)、豬去氧膽酸：氯仿－乙醚－冰醋酸(2:2:1)、大黃素：苯—醋酸乙酯—甲醇(15:2:0.2)或者苯—乙醇(8:1)、丹參酮ⅡA：苯-醋酸乙酯-甲酸(40:25:4)、穿心蓮內(nèi)酯：氯仿-無水乙醇(9:1)、靛玉紅、靛藍(lán)氯仿－乙醇(9:1)或者苯－氯仿－丙酮(5:4:1)。這類物質(zhì)展開劑極性比極性較小的揮發(fā)性物質(zhì)洗脫力強一些，因為這類物質(zhì)極性小的母核大，而極性大的基團通?？梢孕纬蓺滏I，比如羧酸、羥基。以上物質(zhì)，母核分子量減小、母核結(jié)構(gòu)中不飽和健的增加（尤其是出現(xiàn)苯環(huán)），極性基團的增加，都使極性增加，展開劑極性也增大。這個范圍內(nèi)的物質(zhì)很多，一般展開劑大百分?jǐn)?shù)的溶劑可以從環(huán)己烷—〉甲苯—〉二甲苯—〉苯—〉氯仿的順序，按照極性要求選擇。這里注意，異丙醇、正丁醇極性指數(shù)也比較小，在這范圍的化合物很少用，因為粘性大、展開慢，造成斑點擴散；另外，羥基的氫鍵作用力也有不到。調(diào)節(jié)Rf值的溶劑，從醋酸乙酯—〉甲醇—〉丙酮—〉乙醇。揮發(fā)性物質(zhì)也有很多帶羰基、羥基的，但從它的揮發(fā)性就可以明白，分子間作用力不強，另外，母核與石油醚、正構(gòu)烷和苯的結(jié)構(gòu)差異