编者按:本系列开始以来,获得众多读者朋友们的喜爱,笔者深感荣幸。笔者尽一切可能让推送内容严谨、全面,但限于个人能力,仍有缺憾。有些话当时没想到更好的表达,或限于文章篇幅和主旨不得不忍痛割爱,这一次就当复习课,一起分享给大家。

内容摘要:

一、开反应

二、薄层层析(TLC)

三、柱层析

四、后处理

正文部分:

一、开反应

① 无论什么反应,只要反应规模放大了,比如以前做2-3 mmol,如今大量做原料开10-30mmol,建议你把反应在冰浴下充分冷却再分批投料。反应规模小的时候,热量充分交换,放出的一点热量被空气迅速带走;反应规模放大后,热量缓慢囤积甚至骤然放热,很容易冲料。

② 如果反应始终不反应,抱着死马当活马医的心态,逐步升温,定期点板跟踪。如果有相当多的原料残留,过柱子时要回收原料,单独保存在一个瓶子里。相信我,整理数据时或审稿意见出来后需要补实验时,这些原料可以重新利用,节省两三天的工作。

③ 试剂保存温度越低,就越要冷却到室温再打开,避免药品进水吸潮。

④ 要在加入溶剂后且充分搅拌下才能用冰水浴或低温浴冷却。免得引入水汽,或物质凝固而低温下溶剂溶解度下降,导致体系不均匀。

⑤ 条件筛选时得到的产物要学会保存,积少成多。后续化学转化大有用处;尝试新反应或分离新产物的核磁数据要妥善保存,不要出现核磁文件名与实验记录编号张冠李戴的现象。后续随着研究深入还会回头看,带着新认识倒查数据,足以解开疑惑。

⑥ 反应的TLC板是反应结束、柱层析等的重要参考,一块板子及时、准确地画好可以为师弟师妹,以及未来的你自己省去很多麻烦。小心:同时为多个反应TLC时,不要把TLC板张冠李戴,画错位置。

⑦ 明天要用的反应仪器,今天晚上就要做好准备。不能当一天和尚撞一天钟,每天晚上睡前想想明天要做什么事,每周末至少想想未来三天要干啥,脑子过一下就行。别觉得一周很长,例如为了在周末工作汇报前拿到结果且不加班,周五就要开上关键反应,原料要在周一、二开始做。

⑧ 人可以休息,机器别让它停着,学会运筹学。结合经验和既有实验数据,一些反应时间超长的反应,周五开上,周一处理正好。吃饭前开上,午睡后点板处理正好。整理数据、测熔点的时候,通风橱搅着反应多好,特别是原料最初几步,量大、皮实、搅一辈子都不见得坏,让它开去吧。

二、薄层层析(TLC)

① TLC可以鉴定纯度,甚至是最常用、最便宜的纯度鉴定法,但注意TLC一个spot里不一定只有一个物质。而且比移值大于0.7(爬得太高)或小于0.1(没爬起来)都无法确定是否为单一spot,所以必须选择合适展开剂,使得待观察的spot的比移值位于0.3-0.5(即爬到1/3~1/2高)。

② TLC展开剂极性对过柱洗脱剂极性的选择有指导意义,一般爬到1/3高的spot可直接用当前展开剂极性作淋洗剂过柱。

③ 考虑到安全和试剂易得性,苯、甲苯、氯仿、丙酮等外国课题组常用的淋洗剂不建议过柱子,除非确实只有该种溶剂才能在TLC上爬开。乙醚可以用但不建议大量用,如果PE/EA分离度差,PE/乙醚分离效果可能会更好。

 如果是两组分之间的反应,点板时S点必须选择1.0当量的原料,如有条件可以把大于1.0当量的另一个原料也点上(一个叠氮分子的偶联反应,严格控制反应时间3小时,否则原料还没反应完,产物先分解了)。原因很简单,当量大于1的原料,无论反应是否完毕都会有剩余,怎么可能用它在TLC上指示反应进行程度呢?对于贵金属催化的偶联反应,(简易的)端炔和硼酸会发生其他副反应,而两者要么易挥发要么极性太大,所以当TLC发现1.0当量的原料迟迟未反应完,要及时补加另一种原料。

⑤ 有时即使展开剂能分开,点板也要用不同的上样浓度多点两块(浓度靠毛细管与硅胶板接触时间长短控制)再爬爬看,避免大而浓的点包裹其他点。

⑥ TLC能看到的spot,过柱子可能过不下来(量太少过散了);过柱子冲下来的点,TLC可能看不到(展开剂极性没选对)。但记录本上要用TLC情况指示过柱子过出的化合物情况,两者之间有误差虽正常,但若不上称也就四两重,一上称千百斤打不住。

为此,TLC应该展示主要矛盾,不要事无巨细,大小点分不清主次全画得一样大,甚至M点与S点和P点完全对不上,一眼就看出TLC质量奇差。政治不正确地说,过柱子过出几个spot,你的记录本的TLC上才能画出几个spot。其他过不出来的TLC spot就画成小点或虚点。

⑦ 对笔者的课题而言,展开剂PE/EA = 10/1就算很大了。笔者做四各异芳基呋喃时用PE/EA = 100/1爬板,做炔烯酮(原料)时用PE/EA = 50/1或30/1爬板。PE/EA = 2/1足以应对羧酸,DCM/MeOH = 10/1很少用。诸位读者的课题各有特色,有些人的经验可能就是PE/EA = 10/1属于小极性,所以展开剂的选择要依据读者所处课题组诸前辈的探索经验和自身课题的特点。

⑧ 点板前,要预测一下对原料和产物的极性差距,比如产物中多出一个原料中没有的酰基,大概率极性显著变大。注意是“大概率”,有时羟基被烷基化后的产物极性会更大;有时在分子内氢键的作用下,带酚羟基的化合物极性反而更小。

⑨ TLC点样的原则是点要小,浓度适中。如果反应体系很浓,那么点板时毛细管要蜻蜓点水般接触硅胶板。如果反应体系很细,可以像啄木鸟一样反复点,但间隔时间不能太短否则点会晕开而散大,有必要可以要吹干溶剂后再点一次。

三、柱层析

在柱层析问题上,可以看出每个课题组的要求大致一样,但具体细节上差别不小。比如装柱子,一些组打开硅胶桶直接倒就是,另一些要求在塑料桶的盖板上用剪刀扎洞,缓缓挤压;有的认为必须在柱顶铺石英砂,有的认为石英砂毫无必要,塞块棉花就行,有的认为棉花都不用塞,只须慢慢倒洗脱剂。但无论如何,装柱子时需要开隔膜泵抽气,保证柱子装紧的同时避免硅胶飞散伤人。这就体现了原则性和灵活性,所谓“文无定法,水无常形”,只要分离效果好,具体细节上不用纠结。

① 某几类反应很难过(点多极性相差大/点离得近),有的反应一旦放大量就难过,有的大锅反应要拆成三份上样,总之一个反应要过两次乃至三次才能分开属于正常情况,不要有心理负担

② 不要把纯化的重担全甩给柱层析,上样的样品杂质越少,柱层析的分离效果越好:比如大锅反应,体系内不溶固体抽滤一下;体系内无机盐或碱用水/酸洗掉等。

③ 干法上样硅胶加多和湿法上样溶液加多的后果差不多,后者更严重(更多的极性溶剂);柱子也不是装得越高越好。专家、熟手正体现在熟练地用更少的溶剂/硅胶浓密而均匀地上样,装更矮的柱子大到相似乃至更好的分离效果。上样上好了,柱子就过成一半了。

④ 从原料制备到关键反应,课题必然涉及结构、性质相似的一类或几类物质,后处理策略可以相互参考。它们是否适合PE/EA体系?是否容易在柱上析出?荧光在浓度下降时是否会显著减弱?有没有比过柱更好的纯化手段?这便是“经验”的重要部分。无意踩坑能理解,回回做回回踩就无法容忍了。

⑤ 如果后续需要过柱,萃取后的有机相无需干燥,直接拌硅胶干法上样。水可以被油泵抽掉,硅胶里本来也有水。

⑥ 笔者在合成生涯中曾为不同课题组中效力,有的过柱不加压,有的用电动气泵加压,有的鼓气球。一般认为,在分离效果恒定的情况下,柱高与洗脱剂流速成反比。柱子装得越矮,流速就该越大才能达到一致的分离效果。加压过柱称为Flash Chromatography,不加压让柱子自己流叫Gravity Column。后者过一根柱子要一两个小时,前者只需要一半的时间。

四、后处理

① 多数情况下,萃取时直接用DCM基本不会踩坑(除非使用DMF等作溶剂),但是如遇使用乙醚、甲苯、四氢呋喃等低密度溶剂的大锅反应,建议用同样低密度的EA萃取,否则DCM密度大,后续容易乳化而分层困难。当然,讨巧的话也可以淬灭后旋走大半溶剂再用DCM萃取。

② 进行多种玻璃仪器相互配合的复杂操作(蒸馏、回流等)后,第一时间拆掉仪器,避免磨口粘连无法取下。同样,干法上样时,磨口最好别沾水,否则一旦抽干,抽头与玻璃瓶粘连,掰碎了抽头都取不下来,只能砸碎瓶颈,玉石俱碎。

③ 老生常谈,实验记录本一定要趁着记忆清晰时及时填写。特别是重要的操作细节(事倍功半)、显著的反应现象(辅助判断反应进程)和TLC情况(有助于过柱子)。有一个项目多数人容易忽略——实验结论每一个spot是什么结构?能推测出来就画好结构式,推测不出来就标注特征峰,messy或unknown也写清楚,未知物与先前某次反应的某个spot的核磁一致就写出上一次实验的记录编号。核磁准确验证了事先推测就写NMR OK。如果反应不好,就写一句下一步打算尝试什么条件。这样一找就是一串,相互印证,脉络清晰。

④ 实操中旋蒸所用的水泵、隔膜泵等大多年老多病,真空度不高,所以无论怎么调真空度、水浴温度,无论旋多久,旋蒸瓶内总是剩余一些溶剂。此时,可以用洗耳球沿着上侧内壁或在距离瓶口1-2 cm的位置向瓶内鼓气(直接吹气流太强可能导致液体飞溅损失),用气流加速溶剂挥发,不到一分钟就能吹走大半,然后把液膜摊平了再抽油泵,绝对不会冲料。

⑤ 有些反应做不成,可能是原料的问题。主要是国产有机金属试剂、(贵)金属催化剂等可能质量不稳定,例如钯碳、正丁基锂和格氏试剂等。用它们做一些大锅的简单反应问题可能不大,但做一些精细的反应就不行。国内试剂厂商大多会梗着脖子,拿着检测报告,拒不承认试剂有问题。即使退款,你的原料的损失和耽误的时间也无从挽回。

注意,新买来(甚至没拆封)的格氏剂可能会析出固体,使用前要回升到室温并适当超声,直到固体全溶,格氏剂的浓度才正确。但是格氏剂吸潮变坏的特征也是析出固体。这就非常头疼,尤其是新买的格氏剂,瓶底的固体无论如何都不溶,说它坏了还没拆封,它没坏为啥有不溶固体?

⑥ 补充:400M 核磁的¹H-NMR兆数是400M,¹³C-NMR兆数是100M,¹⁹F-NMR兆数是376M。