第九单元 结晶,结晶法 鉴定中药化学成分，研究其化学结构，必须首先将中药成分制备成单体纯品。 在常温下，物质本身性质是液体的化合物，可分别用分馏法或层析法进行分离精制。 通常情况下大多数天然药物化学成分在常温下是固体物质，具有结晶的通性。若物质能够形成结晶，则代表其纯度达到了相当程度。研究中药化学成分时，一旦获得结晶，就能有效地进一步精制成为单体纯品。 纯化合物的结晶有一定的熔点和结晶学的特征，有利于鉴定。如果鉴定的物质不是单体纯品，不但不能得出正确的结论，还会造成工作上的浪费。获得结晶并制备成单体纯品，是鉴定天然产物成分、研究其分子结构的重要一步。结晶法是分离纯化固体成分的重要方法之一。,晶体的特性: （1）晶体的自范性。 （2）晶体的均匀性 （3）晶体的各向异性,（1）晶体的自范性。 晶体具有自发地生长成为结晶多面体的可能性，即晶体常以平面作为与周围的分界面，这种性质称为晶体的自范性。 晶体为化学性质均一的固体，且具有规则的晶型。晶体在形成过程中，其分子、原子或离子按一定方式排列，形成有规则的多面体外形，称为结晶多面体。,（2）晶体的均匀性 晶体中每一宏观质点的物理性质和化学组成以及每一宏观质点的内部晶格都相同，这种特性称为晶体的均匀性。,（3）晶体的各向异性 晶体的几何特性及物理效应一般说来常随方向的不同而表现出差异，这种性质称为各向异性。,不同物质具有不同的晶型。 同一物质由于结晶条件不同，所形成晶体的形状、大小、颜色等也可能不同，其溶解度也不同。 在结晶过程中，根据物质的不同溶解度与不同的晶型，创造相应的结晶条件，可使物质从溶液中以纯净结晶析出。 注： 而有些物质从水溶液中析出结晶时，以具有一定晶型的晶体水合物析出。 如葡萄糖含有一分子结晶水(C6H12 O6H2O)、氨茶碱含有两分子结晶水(C16H24 O4 N102H2O)、硫酸镁含有七分子结晶水(MgSO47H2O)。,结晶基本原理 利用不同温度可引起物质溶解度改变的性质来分离混合物中的不同成分。 结晶： 不是结晶状态的固体物质处理成结晶状态的操作称为结晶。此时，形成的晶体一般还含有较多的杂质。 重结晶： 不纯的结晶进一步精制成较纯的结晶的过程称为重结晶。,结晶过程的相平衡 主要是指溶液中固相与液相浓度之间的关系，该平衡关系可用固体在溶液中的溶解度来表示。 溶解度 饱和溶液 不饱和溶液 过饱和溶液,溶解度： 在一定温度下，任何一种物质溶解在某一定量的溶剂中，都有一个最大限度，即只能达到一个最大浓度。 通常规定在一定温度下，某物质在100g溶剂中所能溶解的最大克数，为该物质在此温度下的溶解度。 也称为饱和浓度。 该状态的溶液称为饱和溶液。,影响物质的溶解度的因素： 物质的化学性质 pH值 温度 溶剂的种类 溶剂的组成 离子强度,当某一物质在特定的溶剂中溶解时，其溶解度主要随pH值、温度而变化。 大多数物质的溶解度随温度的升高而增大。 也有一些物质对温度不敏感。 注: 还有少数物质(如螺旋霉素的溶解度随温度升高而下降。,饱和溶液： 如果溶液中溶质的含量等于溶解度，则此溶液称为饱和溶液， 此时溶液处于饱和状态，既没有固体溶解，也没有溶质从液相析出，溶液仍呈单一液相。,不饱和溶液： 在一定温度下，如果溶液中溶质的含量小于溶解度，该溶液称为不饱和溶液。 此种情况下溶质完全溶解在溶剂中，溶液呈单一液相状态。,过饱和溶液： 如果溶质含量超过溶解度，则此溶液称为过饱和溶液， 此时溶液处于过饱和状态。过饱和状态下的溶液是不稳定的，也可称为“介稳状态。 一旦遇到振动、搅拌、摩擦、加晶种甚至落人尘埃，都可能使过饱和状态破坏而立即析出结晶，直到溶液达到饱和状态后，结晶过程才停止。,溶液的过饱和状态是物质从溶液中析出结晶的必要条件。 溶液的过饱和程度 ( 即过饱和溶液浓度与溶解度之差 )是结晶过程的推动力。 而结晶收率则取决于溶解度的大小，溶解度越小，结晶收率越高。,当分散在溶剂中的溶质粒子小到微米级时，其溶解度不仅是温度的函数，也是粒度的函数。 用热力学方法，可推导出它们之间的定量关系，即Kelvin公式： ln C1 / C2 =2M/ RT（1/r1 1/ r2 ） 式中： C1 ，C2分别表示溶质半径为/r1和/r2的溶解度； R气体常数； T热力学温度； M溶质的分子量； 固体颗粒与溶液间的界面张力。,由上式可知，因2M/ RTo，若r2 r1，则1n C1 / C2 o，C1 / C2eE1，所以C1 C2 。 即半径(r1)较小的晶体，其溶解度(C1)较大；或者说微小颗粒的溶解度比正常粒度的溶解度要 大。如果r2，可认为r2相当于正常颗粒，若它的溶解度C2定义为C* (溶质的正常溶解度)，于是半径为r的粒子的溶解度C可表示为： ln C / C* =2M/ RTr =lnS,过饱和度与颗粒大小的关系： 过饱和度越大，颗粒直径越小。 若某溶液中同时存在大小不同的诸多颗粒，则经过一段时间之后，小颗粒溶质逐渐消失，而大颗粒溶质逐渐粗大整齐，这就是结晶操作中的养晶过程。,过饱和溶液的形成 结晶的首要条件是溶液处于过饱和状态，其过饱和度可直接影响结晶速率和晶体质量。 要想获得理想的晶体，必须掌握过饱和溶液的形成方法。 常用方法： 蒸发法 冷却法 真空蒸发冷却法 盐析法 反应法,重结晶 是将晶体用适合的溶剂溶解后再次结晶的过程，它可提高产品纯度。 重结晶是利用杂质与结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，来达到物质的分离与纯化。 重结晶的关键是选择适合的溶剂。,杂质产生的原因主要包括： 某些杂质与产物的溶解度相近，产生共结晶现象； 有些杂质会被结合到产品的晶格中； 因洗涤不完全，而使晶体上带有母液和杂质。,结晶操作： 溶剂的选择 操作过程 结晶条件的控制,理想的溶剂必须具备的条件： 不与被提纯的成分发生化学反应； 对被提纯成分的溶解度随温度不同有显著差异，热时溶解度大，冷时溶解度小； 对可能存在的杂质无论冷热溶解度都很大或很小(冷热都能溶的杂质，在降温时被提纯的物质析出结晶后，仍留在母液中；冷热都不溶的杂质，可趁热过滤以除去)； 溶剂的沸点不宜过高或过低(过高时，附着于晶体表面的溶剂不易除去；过低时则溶解度冷热时变化不大，不利于析晶)； 能给出较好的结晶； 无毒或毒性小。,溶剂的选择方法： (1)单一溶剂的选择 要找到合适的溶剂，一方面可查阅有关资料及参阅同类型化合物的结晶条件。 另一方面也可进行一些探索，参考“相似相溶”的规律加以考虑。但所选溶剂的沸点应低于化合物的熔点，以免在进行热溶解时化合物分解变质(若不能选择出沸点较低的溶剂，则应在比熔点低的温度下进行热溶解，以免得到混入溶剂的结晶)。 常用的结晶溶剂： 甲醇、乙醇、丙酮和乙酸乙酯等。,摸索试验方法： 若无资料可查，且不清楚被提纯物的溶解性能，需通过小量试验来摸索。 取少量试样(约0.1g)置小试管中，用滴管逐滴加入溶剂，观察试样在冷热时的溶解情况。 若试样在lml冷的溶剂中全部溶解或大部分溶解，则此溶剂的溶解度太大，不适宜做结晶溶剂； 若试样不溶或大部分不溶，但加热至沸腾(沸点低于100的，则应水浴加热) 时完全溶解，冷却，析出大量结晶，这种溶剂一般认为可用； 若样品不全溶于lml沸腾的溶剂中时，则可逐次添加溶剂，每次约加0.5ml，并加热至沸腾。若加入的溶剂总量达34ml时，样品在沸腾的溶剂中仍不溶解，表示这种溶剂不适用；反之，若样品能溶解在34ml沸腾的溶剂中，则将它冷却，观察有无结晶析出，还可用玻璃棒摩擦试管壁或用冰水冷却，以促使结晶析出。若仍未析出结晶，则这种溶剂也不适用； 若有结晶析出，则以结晶析出的多少来选择溶剂。按照上述方法逐一试验不同的溶剂，将试验结果加以比较，从中选择最佳的溶剂。,注: 有些化合物在一般溶剂中不易形成结晶，而在某些溶剂中则易于形成结晶。 例如葛根素、逆没食子酸（ellagicacid）在冰醋酸中易形成结晶，大黄素（emodin）在吡啶中易于结晶，萱草毒素（hemerocallin）在N，N一二甲基甲酞胺（DMF）中易得到结晶，而穿心莲亚硫酸氢钠加成物在丙酮一水中较易得到结晶。又如蝙蝠葛碱通常为无定形粉未，但能和氯仿或乙醚形成为加成物结晶。,(2)混合溶剂的使用 当选择不到适当的单一溶剂时，可选用两种或两种以上溶剂组成的混合溶剂. 要求: 低沸点溶剂对被提纯物的溶解度大，高沸点溶剂对被提纯物的溶解度小，这样在放置时，沸点低的溶剂较易挥发，比例逐渐减少，易达到过饱和状态，利于结晶的形成。 选择溶剂的沸点不宜太高，要适中，可在60左右。沸点太低溶剂损耗大，亦难以控制；太高则不便浓缩，同时不易除去。,一般常用的混合溶剂有: 乙醇水 醋酸水 丙酮水 吡啶水 乙醚甲醇 乙醚丙酮 乙醚石油醚 苯石油醚,操作: 一般是先将化合物溶于易溶的溶剂中，再在室温下滴加适量的难溶的溶剂，直至溶液微呈浑浊，将此溶液微微加热，使溶液完全澄清后放置。 例如J一细辛醚重结晶时，可先溶于乙醇，再滴加适量水，即可析出很好的结晶。 又如自虎杖中提取水溶性的虎杖苷时，在已精制饱和的水溶液上添加一层乙醚放置，既有利于溶出其共存的脂溶性杂质，又可降低水的极性，促使虎杖俄的结晶化。,(3)重结晶选用的溶剂 可参照结晶所选用的溶剂，但若形成粗结晶后溶解度有所改变，则所选溶剂也相应有所不同。,一般操作过程 通常将需结晶物质置于锥形瓶中，加入较需要量略少的溶剂，于水浴上加热至微沸。为了避免溶剂挥发及安全操作，应在装置中接上冷凝管。若未完全溶解，可逐步添加溶剂，直至所需结晶物质刚好完全溶解(要注意判断是否有不溶性杂质，以免误加过多溶剂)。趁热过滤，塞紧瓶塞，静置，冷却析晶。如果在室温中可以析出结晶，就不一定放置于冰箱中，以免伴随结晶析出更多的杂质。,然后采用减压抽滤，把结晶从母液中分离出来。晶体需用少量溶剂洗涤，以除去存在于结晶表面的母液。洗涤时，宜暂停抽气，用刮刀小心拨动，使所有晶体润湿，略静置后再行抽气。母液适当浓缩放置，又可得到一部分纯度较低的晶体。上述得到的结晶仍为粗晶，仍含有杂质，需反复进行重结晶后才可得到较纯晶体。 若所得粗结晶尚含有多种成分，可用分步结晶的方法使各成分分步析出。将粗晶用适当溶剂溶解，滤过，放置析出晶体后，立即抽滤得第一批结晶；母液浓缩放置，可得第二批结晶；抽滤后再浓缩母液经反复处理后得数批结晶。 各部分结晶经过检查，相同物质可合并，最后再经多次重结晶以获得较纯的晶体。,结晶条件的控制 趁热过滤得到的滤液应长时间静置，逐渐冷却，避免温度骤降使析晶过快而带出杂质。一般是溶液浓度高，降温快，析出结晶的速度也快些。但是其结晶的颗粒较小，杂质也可能多些。有时自溶液中析出的速度太快，超过化合物晶核的形成分子定向排列的速度，往往只能得到无定形粉未。 有时溶液太浓，粘度大反而不易结晶化。如果溶液浓度适当，温度慢慢降低，有可能析出结晶较大而纯度较高的结晶。有的化合物其结晶的形成需要较长的时间，例如铃兰毒苷等，有时需放置数天或更长的时间。在放置过程中，最好先塞紧瓶塞，避免液面先出现结晶，而致结晶纯度较低。,若滤液久置仍无结晶析出，可采取的方法有： 加入少量晶种(同种分子)，诱导晶核形成使结晶立即增长；或用玻璃棒摩擦玻璃容器内壁，产生微小颗粒代替晶核，以诱导方式形成结晶； 或用玻璃棒蘸取过饱和液，在空气中使之挥发除去部分溶剂后，再摩擦玻璃器壁；如仍无结晶析出，可打开瓶塞任溶液逐步挥散，慢慢析晶。或另选适当溶剂处理，或再精制一次，尽可能除尽杂质后进行结晶操作，或用少许干冰或置于冰箱以降低结晶温度；或加有机可溶性盐类盐析。,因杂质的存在会阻碍结晶的形成： 可通过选择适当的溶剂，溶出杂质，或只溶出所需要的成分。或用活性炭除去有色杂质，或采用氧化铝、硅胶、硅藻土等吸附色谱法使杂质尽可能除去。再进行制备结晶。但应用吸附剂除去杂质时，要注意所需要的