过柱子的知识总结

过柱子的知识总结

王宇

通常有机反应得到的产物中会混有一定量的副产物和杂质，所以需要对产物进行纯化以得到我们需要的目标产物。纯化的方法有多种，比如减压蒸馏、萃取、重结晶、色谱分离等等。它们有各自不同的适用范围，本文就总结一下柱层析分离（即过柱子）的基本知识。

由于柱层析分离是色谱分离技术中的一种，所以首先介绍色谱法的一些基本概况。

1．色谱法的基本概况

1.1 色谱法简介

色谱法是利用不同的物质在不同相态的选择性分配，以固定相对流动相中的混合物来进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。常用的色谱分离技术有柱色谱法、薄层色谱法、高效液相色谱法以及气相色谱法等。

1.2 色谱法的分类

首先，按照“相”来分类，色谱法可分为气相色谱和液相色谱。气相色谱包括气固色谱和气液色谱，液相色谱包括液-固色谱和液-液色谱。

按照固定相的形式来分类，色谱法可分为纸色谱、柱色谱和薄层色谱。

按照分离原理来分类，色谱法可分为吸附色谱法、分配色谱法、离子交换色谱法、排阻色谱法和亲和色谱法等。

1.3 色谱法的简要发展历史

色谱法的发展起源于十九世纪末的俄国，最先由植物学家Tswett研究时发现，他提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法，同时也被尊称为“色谱学之父”。

1941年Martin和Synge首先介绍了分配色谱法，并将蒸馏塔板理论应用于色谱分离中，使色谱方法在理论上向前推进了一步。他们二人也因为对柱层析应用的贡献而获得了1952年的诺贝尔化学奖。

1952年Martin和Games开创了气—液色谱的新领域。20世纪60年代末，法国的G·Aubouin和美国的Scott等人同时各自创立了高压液相色谱法，它与分光光度、库仑、电导、荧光等方法联用，可使分离和检测实现自动化。

到目前为止，各种色谱还在不断发展，色谱设备日益完善、操作技术不断突破，色谱分析法已成为近代化学中最重要的分离分析手段之一。

有关色谱法的整体概况这里不做重点介绍，接下来重点总结吸附柱层析分离技术的相关知识。

2．吸附柱层析的基本理论

所谓柱层析，就是将固定相装入一根被称为色谱柱的玻璃管中，在其中加入流动相洗脱剂来分离样品的方法。柱层析属于液相色谱中的液-固色谱法，实验室常用的硅胶或氧化铝柱层析都属于吸附色谱。

2.1 吸附柱层析的基本原理

柱层析的原理是根据物质在硅胶上的吸附能力不同而得到分离，极性大的物质更容易被硅胶吸附，极性小的不易被硅胶吸附。样品在随着流动相洗脱剂流下的过程中不断被硅胶吸附、解吸、再吸附、再解吸，最后达到彼此分离的目的。

2.2 液相色谱的塔板理论和速率理论

2.2.1 塔板理论

当样品组分在层析柱分离时，总会伴有谱带的展宽，这会影响到组分的分离。为了衡量一根层析柱的好坏，即色谱展宽的程度，Martin和Synge首先将蒸馏塔板理论应用于色谱分离中，把层析柱比拟成分馏塔，并假定每个塔板高度间隔内，被分离组分在两相间达到分配平衡，保留体积小的先从层析柱中流出。塔板理论虽然是半经验理论，但是可以用理论塔板数N和理论塔板高度H来衡量层析柱的效率。N越大，H越小，柱效越高。若层析柱的高度为L，则有如下公式：H=L/N

理论塔板数和理论高度虽然可以用来衡量层析柱的效率，但它不能正确反映色谱过程的实际情况，所以目前常从动力学方面，即速率理论来研究谱带展宽的问题。

2.2.2 速率理论

速率理论认为谱带扩张原因主要由三个因素引起：涡流扩散、分子扩散和传质过程。但在液相色谱中，分子扩散和在流动相中传质过程引起的谱带扩张一般很小，可以忽略。

由于层析柱装填了颗粒大小不均匀的填充剂，当溶质分子以一定速率流过层析柱时，一部分溶质分子将从柱中敞开的通道随流动相迅速通过，另一部分溶质分子将扩散进入许多弯曲的通道缓慢通过，并形成类似涡流运动。由于溶质分子在柱中的保留时间不一样，因此引起谱带扩张，用下式表示：

H P=2λd P

H P是涡流扩散提供的塔板高度，d P是填充剂颗粒的平均直径，填充剂填装越均匀λ越小。所以，若要降低涡流扩散引起的理论塔板高度，就需要用细小颗粒的填充剂并填装均匀，就会从一方面提高层析柱的柱效。

此外，在层析柱中每一个溶质分子都是连续地进入和离开固定相。当一个分子进入固定相或被吸附时，它就落后于谱带的中心，而在后面连续地移动到柱的下端。当一个分子从固定相留下来或被解吸下来，它就成为流动相的一部分，因流动相的流速往往大于谱带的流速，这个分子的移动就快于谱带中心的移动，这种不规则地前后运动引起了谱带的扩张，这属于传质过程引起的谱带扩张。

固定相中传质提供的塔板高度H S=qrd3V/D S

式中q为固定性的构型因素，r为不断随溶质和流动相的相对迁移速率变化而变化的数值，d为固定相的厚度，V为流动相的线速度，D S为溶质在固定相中的扩散系数。

所以若想降低固定相传质的理论塔板高度，从而提高柱效，可以降低流动相的流动速度，但又不能过分降低，否则会大大延长过柱子的时间。

总之，在实际的分离过程中，要结合具体情况，选择最佳分离条件，使各种因素引起的谱带扩张减小到最低程度，达到提高分离效果的目的。

3．柱层析的固定相与流动相

3.1 固定相吸附剂

实验室常用的柱层析是以硅胶或氧化铝为固定相的吸附柱层析。硅胶的性能比较温和，属无定形多孔物质，适合于分离极性较大的物质如醇、羧酸、酯、酮等，是应用最为广泛的吸附剂。硅胶可分为颗粒较粗（70-230目）和较细（230-400目）两种，前者适用于易于分离的混合物，后者适用于难于分离的混合物。

供色谱使用的氧化铝可以分为酸性、碱性和中性三种。酸性氧化铝pH为4-4.5，适用于分离羧酸和氨基酸等酸性物质；中性氧化铝pH为7.5，应用很广，适用于对酸碱敏感的各种化合物；碱性氧化铝pH为9-10，适用于分离胺类、生物碱等碱性化合物。

此外吸附剂的活性与其含水量有关，若吸水过多则活性变差，分离效果不好，此时可通过加热的办法使其脱水，以提高吸附活性。硅胶一般在105-110 o C恒温0.5-1 h，氧化铝在200 o C恒温4 h即可。

3.2 流动相洗脱剂

选取哪种极性合适的洗脱剂进行洗脱可通过TLC法来确定，结果就是要使产物点和副产物点在薄层板上明显分开，并且目标产物点的R f值为0.2-0.3之间。不能认为各点在薄层板上爬得越高，分离效果就越好，如果R f在0.6，也不容易在柱子上分开。因为柱子是一个多次爬板的过程，可以通过公式的比较0.6/0.8 一次的分离度，肯定不如（0.2/0.3）的三次方或四次方大。

此外，有时虽然在薄层板上看到分离的效果很好，但过柱子时还是很难分开。这主要的原因就是TLC用的硅胶比柱层析用的硅胶要细得多，所以分离效果好。