结晶的获得与重结晶

郭凌霄

摘 要：结晶是有机化合物合成中的重要的分离方法，广泛应用于化工合成，特别是制药领域。由于结晶是同类分子或离子进行规则排列的分子组装过程，具有高度的选择性，能从含杂质较多的混合液中分离出高纯度的晶体产品。区别于液体产品，结晶产品除纯度和收率等要求外，还对结晶物质的晶型、粒度分布及晶习有相关的要求，结晶过程决定了晶体的纯度和性质。

关键词：结晶获得;结晶方法;重结晶

晶型反映晶体的内部微观结构，晶习描述外部宏观形态，可以认为是结晶过程的形态学参数。结晶经历成核和生长，是复杂多相多组分的传热传质过程，同时涉及表面反应。影响结晶过程因素比较多，会导致晶体的粒度分布，晶习和晶型的变化，进而决定产品的质量、纯度、主体密度等，同时还关系到后续操作（如过滤、清洗和干燥等）。

1 结晶的获得

1.1 晶体的形成

一般的结晶的原理是形成过饱和的溶液，构晶分子通过相互作用在过饱和溶液中形成晶核，然后进一步成长为按一定晶格排列的晶体。晶核的形成有两种情况：一种是均相成核作用;一种是异相成核作用。均相成核作用是指构晶分子在过饱和溶液中通过相互作用自发地形成晶核;异相成核作用是指溶液中混有固体微粒，在沉淀过程中这些微粒起晶种的作用，诱导沉淀形成。

形成晶核后要经历两个过程，即晶核的形成和晶体的生长。如果晶核的形成很快而晶体的生长速度很慢或接近停止，则可以得到分散度很高的溶胶，反之则产生沉淀。晶核形成过程的速率决定于形成和生长两个因素：

①从溶液中析出固体的速率。溶质的浓度必须超过溶解度s，Q为过饱和浓度，溶质的析出速率正比于Q-s，所以晶核形成的速率v1为：

②当晶核一旦形成以后，溶质在其上沉积，进一步逐渐长大的速率v2为：

D是溶质的扩散系数，A是晶核的表面积，δ是扩散过程中溶质离子所移动的距离。当的值较小时，生成的晶核少，Q-s下降不多，v2较大，晶核生长的较快，有利于生成大块沉淀。

在形成晶核后，溶液中的构晶分子向晶核表面扩散，并沉积在晶核上，使晶核逐渐长大，达到一定程度后形成沉淀微粒。沉淀微粒有聚集为更大的聚合物的倾向，构晶分子也有一定的晶格排列而形成大晶粒的倾向。前者是聚集过程，后者是定向过程。聚集速度主要与溶液的相对过饱和度有关，相对过饱和度越大，聚集速度也就越大;定向速度则与物质的性质有关，晶格能较大的物质一般具有较大的定向速度。如果聚集速度慢，定向速度快，则得到晶形沉淀;反之则得到无定形沉淀。[1]

1.2 结晶方法

根据以上讨论，为得到较好的晶体，溶液的过饱和程度不能过大，溶解度s不能过小，析晶过程中减少对体系的影响以减少异相成核和聚合作用，但同时又要保证结晶的产量（s不能过大），这就对溶剂的选择、温度的控制有了一定的要求。

配制过饱和溶液可以采取冷却结晶法和蒸发结晶法，也可以用加入不良溶剂降低溶质的溶解度的混合溶剂结晶法。因为热溶液的冷却结晶过饱和程度过大易得到碎晶，所以较少采用这种方法。保持温差变化不大，蒸发溶剂可使过饱和程度较小，可以得到较大的晶体，但持续时间长。混合溶剂法是先利用良溶剂将溶质配置为不饱和溶液，加入不良溶剂后溶质溶解度降低，形成过饱和溶液，也可以适当的将良溶剂蒸出以减少溶质溶解的量。由于有机溶剂分为极性溶剂和非极性溶剂，一般的有机物在其中一种溶解度较好，而在另一种溶剂中溶解度较小，所以加入不良溶剂在有机实验中较为常用。要注意的是两种溶剂要互溶，否则起不到降低溶解度的作用。

2 重结晶

2.1 重结晶的原理

重结晶从字面上可以理解为再次结晶。利用各种溶质（含杂质）在溶剂中溶解度的不同，将溶质加热溶解后，冷却溶液使目标组分再次从溶液中析出，而杂质留在了溶液中或被过滤，从而使目标组分得到纯化。

对于溶剂的选择有兩种做法：一是让杂质在热溶剂中的溶解度很小或者完全不溶，经过热过滤后，目标组分就保留在溶液中，而杂质则被过滤掉;二是让杂质在热溶剂中的溶解度很大，且溶解度随温度变化不大，当目标组分析出时杂质依然溶解在溶液中。一般情况下杂质的含量较少，当产品形成饱和溶液时，相对于杂质是不饱和溶液，所以析出的为目标组分，从而使两者得到分离。

2.2 重结晶的操作

重结晶操作一般为向溶质中加入一定量的溶剂，加热回流使其全部溶解，可以加入活性炭脱色，趁热过滤除掉不溶杂质，冷却析晶，过滤得到纯净的目标组分。还可以通过混合溶剂重结晶法，先加入良溶剂加热溶解，再加入不良溶剂，产生少量浑浊，可以采取加热或补加良溶剂的方法使产生的浑浊溶解，再进行热过滤等后续操作。

3 结论

结晶是一种复杂的过程，与许多因素有关，也与自身的性质有关，如何控制好条件是实验乃至工业生产中重要的课题。但不管如何改进方法都是为了改变不饱和度及溶解度等主要因素，在实际操作中应考虑多方面因素，设计最优的实验条件来得到较好的晶体。重结晶作为重要的固体纯化方法，广泛应用于有机合成中。通过对溶剂的选择和条件的控制，做到使损失最小的情况下得到纯净的产物。

参考文献：

[1]傅献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华.物理化学（第五版）下册[M].北京：高等教育出版社，2005.