有机化学实验过柱子的原理是什么？

奋斗的小鸟

有机化学实验过柱子的原理是什么？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/29424852

长长的路

一. 柱子里面的固定相
⼀般是用硅胶，硅胶注意目数，目数越高，代表硅胶颗粒越细，分离效果就越好。但是相应的，用越细的硅胶，产物在柱子上的移动就越慢，这会需要更大的压力，或者更长的时间。Flash柱的话，硅胶目数推荐200-400目，比较容易分离的体系，需要用更低目数来节约时间。但是硅胶有微酸性，所以如果产物对酸非常敏感，就需要使用中性氧化铝过柱子了。同理，如果分离偏碱性化合物（例如胺）时，则应该使用碱性氧化铝过柱子。用得最多的氧化铝是100-200目的，如果体系比较难分离，可以使用200-300目。大部分情况下，使用硅胶和三氧化二铝的分离效果差别不是太大，实验室用哪种都可以。如果天气潮湿，硅胶或氧化铝又放了比较长时间，建议烘箱150℃过夜除水后，再使用。考虑因素: 目数，酸碱性, 含水量。
二. 柱子的填装长度
毫无疑问， 柱子越长，分离效果越好， 但是柱长对分离效率的提高，我如果没有记错的话，大致是和根号L成正比的。所以柱子不用装得特别长，因为对分离效果提高作用有限。⼀般而言，15-40cm足够应付绝大多数情况。也就是⼀根柱子的1/3到1/2那么高。大部分体系，新手默认装20cm就可以了。
三. 柱子的粗细问题
自己估算待分离的样品体积（可以带有部分溶剂），均匀薄薄⼀层为最佳。用太细的柱子，会导致半峰宽太长，分离效果不好；用太粗的柱子，如果都铺不满⼀层，上样不均匀，也会导致分离效果不佳。理论上在使用同样多的硅胶的情况下，用粗柱子和用长柱子是等效的。但是个⼈经验，粗柱子效果往往比长柱子会更好⼀些。
四. 硅胶的用量
如果纯理论计算的话，会发现分离效果完全正比于硅胶使用量，也就是用的硅胶越多，分离效果越好。但是硅胶或多或少会吸附你的样品，因此如果好分离的体系，样品又比较珍贵时，少用些硅胶为佳。大部分情况下，样品比硅胶， 1:50-1:100吧，比如分离200mg样品，就用差不多10-20g硅胶就可以了。对于特别难分离的体系，用超过1：100也可以，最高可以到1：00，但是这样分离损失往往会>10%，看自己取舍。如果1：200分离效果还是不行，我的建议是用更高目数（400-800目）。
五. 流速的控制
既然说了是Flash柱子，完全可以压快⼀点。于比较难分离的体系，就应当适当减慢速度，甚至完全靠重力（滴柱子）。大部分时候，流速慢⼀些，分离效果更好。是流速不能太慢，太慢样品会在硅胶柱上缓慢扩散，理想情况下，样品出峰是⼀个高斯曲线，稍加计算就知道，如果流速太慢，会让高斯曲线变得矮胖，反而影响分离效果。体现到过柱子，就是拖尾特别严重。
Ps:来自于微信公众号——小备化学与分析。侵删。

长长的路

所谓过柱子，无非就是纯化的基本手段之一。而所谓纯化，就是把你要的产物和不要的杂质分离，毕竟有机反应存在各种副反应，反应不完全等情况。你提到的过柱子，学名叫柱层析，先是利用一种东西（学名叫固定相，实验室常用的就是硅胶）把你的产物和杂质都吸附上去，然后利用不同的液体（学名叫流动相）去淋洗，因为每种物质在固定相的结合力不同，有的吸得牢固一点就洗下来慢一点，有点吸得很不牢固，就很快洗下来了，这样就起到区分的目的了。好吧，我尽可能通俗化 。。。。
当然，这里面涉及到用什么东西去吸附，还有用什么液体去洗脱，还分什么正相柱子，反向柱子，就是另外一个层次的问题了，就不详细展开了

卡卡

说的简单一点，你把一滴菜汤滴到卫生纸上，你会发现最后会变成几个同心圆，这是因为菜汤里不同成份在卫生纸上的流动速度有快有慢。
同理，你把一堆卫生纸塞到玻璃管里，然后在上端加上菜汤，只要有足够大的压力和时间，菜汤里的几种成份就会先后从玻璃管里流出来。
大概就是这样…

卡卡

其实我一直有个私藏的大杀器来给人讲解过柱子的基本原理。如果你正在吃饭或者将要吃饭，请远离此答案。
重口味预警
重口味预警
重口味预警
重口味预警


好的我要开始了……

如果要给新手讲懂一个新的内容，我觉得最好的方法是先用简单易懂的方法，把基本原理的框架串清楚，让他理解好这个框架以后，在这个框架上不断补充细节。那么现在要讲的，是过柱子的基本原理，也就是框架部分……

都在便池里便便过和嘘嘘过吧？
吶，你看，当你在便池里便便完和嘘嘘完以后，便便和嘘嘘就像乖宝宝，在池子里一动不动。
当你拿水慢慢冲的时候，是不是便便还是一动不动，但是嘘嘘先跑掉了呀？呐，你看，我们用水一冲，就达到了分离便便和嘘嘘的效果。这就是过柱子最基本的原理了，在水的冲刷下，便便跑得慢，嘘嘘跑得快，由于他们在光滑的池子上摩擦，摩擦，摩擦的时候跑起来速度不同，他们就被分开了。对应到柱子来说，池子的表面就是所谓固定相，水就是所谓的流动相。
那么固定相和流动相是怎么对分离产生影响的呢，呐，你想，如果我把池子光滑的表面弄得坑坑洼洼，是不是便便就跑得更慢了呀？再想，如果池子的表面彻底光滑，是不是水一冲，便便和嘘嘘就一起往前跑了呀？由此我们知道，物质跟固定相的吸附作用，会影响物质跑的速度，就是因为物质跟固定相有吸附作用但是又吸附得没有太强力，物质才能跑起来然后被分离。
吶，你想，如果我们把流动相换成油，会有什么效果呢，这种粘糊糊的油，肯定冲的效果没有用水冲好啦，所以我们知道，流动相的性质对物质分离也是有很大影响哒。
吶，我们再想，一般的池子长度是很短的，用水一冲虽然能分开，但分得也没有那么开，那如果我们用来分离的是个的万人坑，而且你只能在坑的另一头接产物呢？这就会出现两个情况，一是便便和嘘嘘的分离更彻底，二是在分离开的时候花的时间更长了。呐，所以呀，长一点的柱子有利于分离，但是太长的话耗的时间会很长哒。
基本原理到此结束，剩下的再引入流动相的极性啊固定相的种类啊等等等等的内容，就不一一展开了。

今天的重口味过柱学就讲到这里，谢谢大家。祝看到这里的每一个你，在将来的日子里过每一根柱子的时候，都会想到今天这个便便和嘘嘘的故事。

队长是我

过柱子总结：
吸附剂与洗脱剂
（一）吸附剂与洗脱剂
  根据待分离组分的结构和性质选择合适的吸附剂和洗脱剂是分离成败的关键。
1．吸附剂的要求
①对样品组分和洗脱剂都不会发生任何化学反应，在洗脱剂中也不会溶解。
②对待分离组分能够进行可逆的吸附，同时具有足够的吸附力，使组分在固定相与流动相之间能最快地达到平衡。
③颗粒形状均匀，大小适当，以保证洗脱剂能够以一定的流速（一般为1.5mL·min-1）通过色谱柱。
④材料易得，价格便宜而且是无色的，以便于观察。
2、常用吸附剂的种类：氧化铝、硅胶、聚酰胺、硅酸镁、滑石粉、氧化钙（镁）、淀粉、纤维素、蔗糖和活性炭等。
3、几种常见吸附剂的特性
（1）氧化铝：市售的层析用氧化铝有碱性、中性和酸性三种类型，粒度规格大多为100～150目。
碱性氧化铝（pH9—10）：适用于碱性物质（如胺、生物碱）和对酸敏感的样品（如缩醛、糖苷等），也适用于烃类、甾体化合物等中性物质的分离。但这种吸附剂能引起被吸附的醛、酮的缩合。酯和内酯的水解、醇羟基的脱水、乙酰糖的去乙酰化、维生素A和K等的破坏等不良副反应。所以，这些化合物不宜用碱性氧化铝分离。
酸性氧化铝（pH3.5—4.5）：适用于酸性物质如有机酸、氨基酸等以及色素和醛类化合物的分离。
中性氧化铝（pH7—7.5）：适用于醛、酮、醌、苷和硝基化合物以及在碱性介质中不稳定的物质如酯、内酯等的分离，也可以用来分离弱的有机酸和碱等。
（2）硅胶：硅胶是硅酸的部分脱水后的产物，其成分是SiO2·xH2O，又叫缩水硅酸。柱色谱用硅胶一般不含粘合剂。
适用范围：非极性和极性化合物，适用于芳香油、萜类、甾体、生物碱、强心甙、蒽醌类、酸性、酚性化合物、磷脂类、脂肪酸、氨基酸，以及一系列合成产品如有机金属化合物等。
（3）聚酰胺：色谱用聚酰胺主要又锦纶6（聚己内酰胺）和锦纶66（聚己二酰己二胺）两种，分子量一般在16000～20000，其亲水性和亲脂性均较好，因此既可分离水溶性成份，也可分离脂溶性成分。可溶于浓盐酸、甲酸及热的乙酸、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；对碱稳定，对强酸可水解。
聚酰胺色谱的原理：兼具吸附色谱和分配色谱的功能。采用强极性洗脱剂时主要为吸附色谱——正相色谱；采用弱极性洗脱剂时主要为分配色谱——反相色谱。
分离对象：能与聚酰胺形成氢键的化合物，如酚类、酸类、醌类、硝基化合物及含羟基、氨基、亚氨基的化合物及腈和醛等类化合物。
聚酰胺在水中吸附能力的规律：
形成氢键的基团(如：酚经基、按基、酪基、硝基等)越多，
则吸附力越强。如：丁二酸＞丁酸
形成氢键的位置与吸附力有很大关系。对位、间位酚羟基使吸附力增大，邻位使吸附力减小。
芳香核、共轭双键多者吸附力大，少者吸附人小。
若形成分了内氢键，则使化合物的吸附力减小。
（4）硅酸镁：中性硅酸镁的吸附特性介于氧化铝和硅胶之间，主要用于分离甾体化合物和某些糖类衍生物。为了得到中性硅酸镁，用前先用稀盐酸，然后用醋酸洗涤，最后用甲醇和蒸馏水彻底洗涤至中性。
3．吸附剂的活度及其调节
吸附剂的活性取决于它们含水量的多少，活性最强的吸附剂含有最少的水。吸附剂的活性一般分为五级，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示。数字越大，表示活性越小，一般常用Ⅱ～Ⅲ。向吸附剂中添加一定的水，可以降低其活性。反之，如果用加热处理的方法除去吸附剂中的部分水，则可以增加其活性，后者称为吸附剂的活化。各种不同活度吸附剂的含水量见表
   表3—6  各种不同活度的吸附剂的含水量
活度        氧化铝（水%）        硅胶（水%）        硅酸镁（水%）
Ⅰ        0        0        0
Ⅱ        3        5        7
Ⅲ        6        15        15
Ⅳ        10        25        25
Ⅴ        15        35        35
4、实验操作
吸附剂用量的确定→柱子的选择→装柱→柱留体积的测量→加样或拌样→洗脱→分部收集→检测→合并→浓缩
氧化铝：一般选择中性，粒度150～200目，超过220目需加压；一般用量1g样品/20～50g，特例1g样品/100～200g
硅胶：吸附色谱——1g样品/20～50g ，特例1g样品/500～1000g，用前最好120烘24h，可不做活性测定。分配色谱——1g样品/100～1000g，特例1g样品/10000g。
色谱柱的选择：
有玻璃柱和不锈钢柱两种，一般不使用有机玻璃柱，实验室常用玻璃柱；
径长比一般为1:10～1 :20，特例1:40；
内壁光滑均匀，上下粗细一样，管壁无裂缝，活塞密封良好；
根据吸附剂用量（体积）确定柱子的大小，一般吸附剂应填充到柱子体积的1/4～1/5左右。
装柱：有干装法和湿装法两种。
干装法——在下端减压抽气的同时，将吸附剂通过长径漏斗缓缓到入柱内。
湿装法——①准确加入一定体积的溶剂，然后缓慢加入吸附剂，必要时可轻敲柱壁，排除多余溶剂，计算主留体积；②准确量取一定体积的溶剂倒入称量好的吸附剂，间歇性搅拌数次，静置过夜，次日在搅拌下装柱，计算主留体积。
加样：
①将样品溶于合适的溶剂，在不扰动吸附剂层面的情况下，加到柱体上面。最后在用少量清洁溶剂对主壁洗涤2～3次；
②将样品溶于合适的溶剂后，在搅拌下加入样品量3～5倍的吸附剂，晾干至粉末状，然后在不扰动吸附剂层面的情况下，加到柱体上面。
洗脱
必须注意在洗脱的过程中，尤其是开始阶段，不能扰动层面。洗脱速度一般为每分钟流出1/200柱留体积左右。对于梯度洗脱需注意标记不同溶剂的分界管号。
分部收集：一般每管收集1/20～ 1/10柱留体积
检测：确定目标物的位置及纯化情况
①薄层色谱或纸色谱检测；
②气相色谱或液相色谱检测；
合并：成分相同或相似的收集液合并，交叉部分单独收集。
浓缩：旋转薄膜蒸发；确保烧瓶干燥干净。
展开剂的极性规律
单一溶剂的极性大小顺序为：
石油醚（小）→环己烷→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）
混合溶剂的极性顺序：
  苯∶氯仿（1+1）→ 环己烷∶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）→环己烷∶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）
选择展开剂，要依据溶剂极性和他们的混溶性，溶剂对被分析 物的溶解性，以及被分析物的结构。这里只讨论药典里通常使用的以硅胶为固定相主体的正相薄层，也不考虑板的活 性。
列出溶剂极性参数表，方便以下比较展开剂。环已烷 :-0.2、石油醚（Ⅰ类，30~60℃）、 石油醚（Ⅱ类，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、异丙醇:3.9、正丁醇:3.9 、四氢呋喃: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  。
    关于溶剂混溶性，一般根据相似相溶原则，需要注意，极性相 差大的不混溶，比如正己烷与甲醇。多元展开剂，主体的两种溶剂不能混溶，就需要通过第三种溶剂来调和。比如： 石油醚、正庚烷、正已烷、戊烷、环已烷和甲醇、水之类的。
   一般正相色谱，固定相为极性，被分析物质的极性越大，需要极性更 大的展开剂。
   了解被分析物的极性可以通过分析其结构获得，很难获得它的极性指 数。物质分子化学结构中，通常由较极性部分和非极性部分两部分。例如下面以苯丙烷为极性小部分，随着极性基团 部分的增加，总体的极性就增加，展开剂极性也增加了。
    ，  依次为肉桂酸、阿魏酸、咖啡酸、菊苣酸、绿原酸 。
    相应展开剂分别为：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)。（由于薄层板、比移值不同的原因，展开剂极性比较是相对的，并非绝对的后者大于前者）。
    现在最重要的问题是，不同化合物，怎么定它的极性，又用什 么标准来定它对应的展开剂呢？以下分开讨论不同化合物极性情况及其对应的展开剂。
    首先是极性较小的挥发性物质。比如：冰片：石油醚 (30～60 ℃)—醋酸乙酯(17:3)、厚朴酚：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：环己 烷－醋酸乙酯(3:1)，这类化合物，以石油醚、正构烷和苯为体积百分数比较大的溶剂，通常起溶解和分离化合物的作 用，而用醋酸乙酯为调节Rf（比移值）的溶剂。为了减少拖尾之类其他相似相溶原则以外的影响，适当加入添加剂， 如有机酸或者有机碱。
    极性较小的不挥发性物质。比如：β -谷甾醇：环己烷－醋酸 乙酯－甲醇(6:2.5:1)或者环己烷－丙酮(5:2) 、熊果酸：甲苯－醋酸乙酯－冰醋酸(12:4:0.5)、齐墩果酸：氯仿－甲 醇(40:1)、猪去氧胆酸：氯仿－乙醚－冰醋酸(2:2:1)、大黄素：苯—醋酸乙酯—甲醇(15:2:0.2)或者苯—乙醇 (8:1) 、丹参酮ⅡA：苯-醋酸乙酯-甲酸(40:25:4) 、穿心莲内酯：氯仿-无水乙醇(9:1)、靛玉红、靛蓝氯仿－乙醇(9:1)或 者苯－氯仿－丙酮(5:4:1)。这类物质展开剂极性比极性较小的挥发性物质洗脱力强一些，因为这类物质极性小的母核 大，而极性大的基团通常可以形成氢键，比如羧酸、羟基。以上物质，母核分子量减小、母核结构中不饱和健的增加 （尤其是出现苯环），极性基团的增加，都使极性增加，展开剂极性也增大。这个范围内的物质很多，一般展开剂大 百分数的溶剂可以从环己烷—〉甲苯—〉二甲苯—〉苯—〉氯仿的顺序，按照极性要求选择。这里注意，异丙醇、正 丁醇极性指数也比较小，在这范围的化合物很少用，因为粘性大、展开慢，造成斑点扩散；另外，羟基的氢键作用力 也有不利。调节Rf值的溶剂，从醋酸乙酯—〉甲醇—〉丙酮—〉乙醇。挥发性物质也有很多带羰基、羟基的，但从它 的挥发性就可以明白，分子间作用力不强，另外，母核与石油醚、正构烷和苯的结构差异小，估计更容易脱离硅胶吸 附，更快进入溶剂中，而不需要通过提高展开剂的极性。
    皂苷类。人参皂苷：氯仿－甲醇－水 (65:35:10)10℃以下放置 的下层溶液或正丁醇－醋酸乙酯－水(4:1:5)的上层溶液或氯仿－醋酸乙酯－甲醇－水(15:40:22:10)10℃以下放置的 下层溶液、芍药苷：氯仿－醋酸乙酯－甲醇－甲酸(40:5:10:0.2)、黄芩苷：醋酸乙酯－丁酮－醋酸－水(10:7:5:3)、 橙皮苷：苯—醋酸乙酯—甲酸—水(1:12:2.5:3)的上层溶液、葛根素：氯仿－甲醇－水(14:5:0.5)、芦丁：醋酸乙酯 －甲酸－水(8:1:1)。这类物质，由于存在糖的多羟基结构，苷元的结构影响变小。展开剂中使用极性大的有机溶剂（ 氯仿、醋酸乙酯、甲醇、正丁醇）和水。乙酸和甲酸的使用，一方面增大展开剂极性，另外也可以抑制硅胶羟基的作 用，减少拖尾。由于混溶性和硅胶耐酸能力的限制，水和酸的使用是有限度的。
    极性大的小分子有机酸。没食子酸：氯仿－醋酸乙酯－甲酸 (5:4:1)、阿魏酸、咖啡酸、菊苣酸、绿原酸、异绿原酸。这类物质多数是苯乙烯母核的，这个结构的极性本身比较大 ，另外有酚羟基和羧酸基团，个别有多羟基配基。皂苷的展开剂差不多，极性大。注意甲酸通常指的是浓度85%左右的 ，含有水。
    含氮有机物。盐酸小檗碱：苯－醋酸乙酯－甲醇－异丙醇－浓 氨试液(12：6：3：3：0.6)(氨蒸气饱和) 或正丁醇－冰醋酸-水(7:1:2)、麻黄碱：氯仿－甲醇－浓氨试液(20:5:0.5) 或正丁醇－冰醋酸－水(8:2:1)、甘草酸铵：醋酸乙酯－甲酸－冰醋酸－水(15:1:1:2)。由于NH2硅醇基的作用很强， 在强极性展开剂加有机酸、有机碱扫尾。对于极性化合物，使用正丁醇对斑点扩散影响较小，因为化合物和硅胶的作 用强。
    进行薄层分析基本可以根据母核、基团，选择相似的化合物对 号入座。当然，具体的条件优化则需要根据实际情况了。遇到较困难的分离，需要使用到设计优化方法的，已经不属 于本文讨论范围了。
[1]章育中、郭希圣，薄层层析法和薄层扫描法，中国医药科技出版社，1990
来源:分析测试圈（ID:ifenxiceshi）微信公众号，更多相关知识。