问题

化学领域里「过柱子」是什么意思?柱子干了为什么可怕?

回答
在化学实验室里,提到“过柱子”,相信但凡经历过有机合成实践的人,脑海里都会立刻浮现出那根半透明的玻璃柱,里面 packed 着白色或淡黄色的硅胶或氧化铝,以及随之而来的各种操作和“惊喜”。这不仅仅是一个简单的分离步骤,更是一种艺术,一种技能,有时甚至是实验室里的一场小型“战役”。

“过柱子”到底是什么意思?

简单来说,“过柱子”,专业术语叫柱层析(Column Chromatography),是一种利用固定相和流动相之间分配系数的差异来分离混合物中不同组分的色谱技术。在有机合成中,它几乎是必不可少的纯化手段,尤其是在反应产物混合了起始原料、副产物或者催化剂等杂质时,柱层析就成了将目标产物“拯救”出来的关键步骤。

想象一下,你做了一个有机反应,得到了一个“成果”,但这个成果并不是纯净的,里面混杂着你不需要的东西。这时候,我们就需要用“柱子”来把它们分离开。

固定相(Stationary Phase): 通常是柱子里的硅胶或氧化铝。它们具有很强的吸附能力,可以“抓住”样品中的不同组分。硅胶更常见,因为它有很多极性的硅羟基(SiOH)基团,能够与样品中的极性分子发生相互作用。氧化铝也类似,但吸附能力和选择性与硅胶有所不同。
流动相(Mobile Phase): 这是我们用来“冲洗”柱子,带着样品组分流过固定相的溶剂,也叫洗脱剂(Eluent)。洗脱剂的选择至关重要,它决定了分离效果的好坏。通常我们会使用不同极性比例的混合溶剂,比如石油醚和乙酸乙酯的混合物。

柱层析的工作原理:

把柱子想象成一条狭窄的通道,里面塞满了固定相颗粒。我们把含有待分离混合物的少量溶剂小心地加到柱子顶部,然后开始往柱子里添加流动相。

1. 加样: 将待分离的混合物溶解在少量溶剂中,然后小心地滴加到柱子顶部的固定相上,尽量让它均匀分布,避免流体通道的破坏。
2. 洗脱(Elution): 开始往柱子顶部滴加流动相。流动相会带着样品组分向下流动。
3. 分配与吸附: 混合物中的不同组分,由于它们与固定相的相互作用力(主要是吸附力)和与流动相的溶解度(亲和力)不同,会在固定相和流动相之间不断地进行分配。
强极性组分: 与固定相(如硅胶)的极性基团有很强的相互作用,会被固定相“抓”得更紧,流动的速度就会比较慢。
弱极性组分: 与固定相的相互作用较弱,更容易被流动相“带走”,流动的速度就会比较快。
4. 分离收集: 随着流动相不断流过,强极性组分在固定相上停留的时间更长,而弱极性组分则走得更快。这样,当它们流出柱子时,就会按照极性的不同,依次被分开。我们会在柱子底部放置收集瓶,每隔一段时间就更换一个收集瓶,这样就能把不同组分分别收集到不同的瓶子里。

“过柱子”为何有时会变成一场“噩梦”?

虽然原理简单,但实际操作起来,“过柱子”可不是一蹴而就的。从准备到收尾,每一个环节都可能埋藏着“坑”。而其中,“柱子干了”绝对是实验室里最让人心惊胆战的几种情况之一。

柱子干了为什么可怕?

如果说“过柱子”是一场演出,那么柱子干了,就如同舞台上的演员突然失去了所有台词和道具,而且演出还必须继续。这不仅仅是技术上的失误,更是对分离效果的毁灭性打击。具体来说,柱子干了会造成以下几个严重后果:

1. 分离效果彻底失效,混合物“煮成一锅粥”:
当柱子里的固定相(硅胶)完全干燥时,它的吸附能力会发生根本性的改变。原本是依靠溶剂将组分“拉”出来,现在没有溶剂作为载体和竞争者,固定相会以一种非常粗暴的方式将所有极性不同的组分都牢牢地吸附住。
一旦固定相干透,再加入溶剂试图洗脱,之前精心设计的极性梯度或恒定极性的洗脱顺序将完全失效。所有组分都会以一种不可预测、且往往是极差的方式被洗脱下来,甚至可能完全冲不下来,或者一下来就是一大片混合物。
就好比你试图用水冲洗附着在磁铁上的铁屑和铜屑。如果磁铁是湿的,水流可以把一部分铜屑带走,而铁屑还在磁铁上。但如果磁铁干透了,铁屑会被吸得死死的,你即使想用水冲,水也无法有效地把铁屑从磁铁上剥离,更别说后续的分离了。而对于混合物来说,一旦柱子干了,原本按序流动的组分会瞬间混合在一起,导致你前面的分离工作“前功尽弃”。

2. 固定相颗粒结构破坏,影响后续使用(如果需要重复使用):
虽然通常实验室里用的硅胶是一次性的,但在一些特殊情况下,或者操作不当导致颗粒团聚,柱子一旦干透再重新湿润,硅胶颗粒的堆积会变得非常不均匀。这种不均匀的堆积会导致流动相在柱子里产生“沟流”(Channeling),即溶剂会沿着密度较低、阻力较小的通道快速通过,而绕过其他区域。
沟流现象会进一步加剧分离效果的恶化。原本应该均匀通过的溶剂,现在只在某些区域有效接触固定相,导致目标组分在其他区域无法被有效洗脱,或者被不恰当的洗脱。

3. 产生气泡,形成新的分离障碍:
当柱子干了,再往里加溶剂时,如果溶剂溶解了空气,或者溶剂挥发后在固定相颗粒间留下了空气,这些气泡会阻碍流动相的正常通过,形成新的不均匀区域,进一步破坏分离的均匀性。

4. 难以“抢救”,耗费时间和试剂:
一旦柱子干了,想要“抢救”回原本分离好的状态,几乎是不可能的。最常见的做法就是直接放弃,重新做一根柱子。这不仅意味着浪费了宝贵的实验时间(配置固定相、装柱、活化都需要时间),还浪费了大量的溶剂(用于洗脱和冲洗)和固定相材料。
对于产量不高或者反应条件苛刻的反应来说,重新做一次反应本身就是一种巨大的成本。所以,柱子干了对实验进度和实验成本的影响是双重的。

如何避免柱子干了的“噩梦”?

正是因为柱子干了的后果如此严重,所以在过柱子操作中,实验室里流传着各种“口头禅”和“经验之谈”,核心都是为了让柱子保持湿润和流动顺畅:

“时刻保持湿润!” 这是所有“过柱子”经验的精髓。在任何操作过程中,都要确保柱子内的固定相始终被溶剂浸润。
“溶剂不断!” 在整个洗脱过程中,一定要确保溶剂瓶里的流动相源源不断地供应到柱子顶部,不能让它有机会流干。
“观察柱子底部!” 经常留意柱子底部的流速和溶剂液面。如果发现底部流速突然加快,或者液面接近固定相顶部,就要立即补充流动相。
“不要玩手机!” 这句玩笑话背后是强调专注。过柱子是个需要持续关注的过程,走神一秒钟,可能就是柱子干透的开始。
“遇到困难,先加溶剂!” 如果发现流速变慢或者担心柱子干了,第一反应应该是赶紧往柱子顶部加足溶剂。

总而言之,“过柱子”是化学合成中的一项基本但至关重要的技术。它考验着实验者的耐心、细致和对溶剂性质的理解。而“柱子干了”,就像是这场技术考验中的一个致命错误,它打破了精妙的物理化学平衡,导致分离失效,前功尽弃,是所有致力于纯化出目标产物的化学家们最不愿意看到的场景。

网友意见

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人生何事最艰难,有机屌丝读了研。 两寸硅胶爬岁月,三根柱子过流年。 君不见, 停了反应爬块板,一跑跑出十个点。 极性基本差不多,目标产物找瞎眼。 硬着头皮装硅胶,咬牙装到两尺高。 就为这根破柱子,多少博士尽折腰。 不敢加压慢慢流,展开比例最温柔。 心中祈祷一千遍,过出产物更何求。 想着长征二万五,终于熬过上下午。 满心期待盼它纯,紫外灯前一声苦。 君不见, 这锅反应真拔群,没有杂点太喜人。 随手装根小柱子,赶紧过完要出门。 终于过出产物点,一收收了三十管。 我和伙伴都惊呆,旋蒸蒸到泪满脸。 那瓶粗品点挺浓,一过柱子影无踪。 产物人间蒸发了?剩我凌乱在风中。 此间辛酸说不尽,有限光阴无限恨。 可怜辜负好韶光,损身伤体无人问。 乙酸乙酯满屋香,甲醇丙酮断人肠。 石油醚兮如洗手,二氯甲烷又何妨。 误吸硅胶得尘肺,说多满满都是泪。 用生命在搞科研,工资基本像安慰。 问君可有女盆友?指指柱子不开口。 大好青春付与它,哪有妹子肯牵手。 朝夕相伴久生情,再看柱子也婷婷。 冰肌玉骨肤如雪,只手堪握柳腰轻。 冷眼相对她不恼,恶语相加她不吵。 万般心事她都听,不怕到头跟人跑。 想找妹子如做梦,看到女神徒心动。 且伴柱子过残生,这种领悟多么痛。 又是一年春花开,夏月秋风次第来。 冬雪纷纷漫天舞,良人仍在实验台。 实验室外风光好,实验室里博士老。 柱子闪亮总如新,年华已旧白发早。 腿软眼花耳不灵,前路昏昏梦不成。 乱语胡言君莫笑,人生不易有机僧



还是说明一下,以上打油诗是我从网络上转载的,自己也不知道出处在哪,侵删。

本人现在不做有机了,毕业后转金融失败,现在做分析。

也是泪一把。

不过,

不用过柱子啦!!!!

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我来丢几个图就跑

这个好象是我人生第一根柱子,高中竞赛培训的时候,是跟滴定管。。。现在极小量的时候会拿玻璃滴管装点硅胶过。

这好像是我本科第一根柱子

我还记得这个柱子的TLC大概长这样

(我第一个反应就用了叔丁基锂,过这种一排点的柱子,还要用三元展开剂,真是hard模式 QAQ)

本科的时候过过不少荧光柱

过得最民工的柱子(我竟然还带着一种“好兴奋哦”的笑容跟柱子合影了T_______T)

也搞过“你们三个一起上吧”这种蠢事。。。

PhD第一根柱子,锥形瓶换成试管了,而且用完就扔也不用刷真是太好了。

现在么,都用机器了。。。高效快捷省时间,用了再也回不到过去了。

还是机器好啊,开上了我就能来刷纸糊



最后来一张刚跑完的热乎乎的柱子 五分钟三个峰基线分离

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来知乎之后,发现柱子这个东西,对于学化学的(尤其是大有机这一片的人)来说几乎是无人不知无人不晓无人不会的基础技能(有机两大吃饭工具,柱子&点板),但是业外人士却很少有知道的。


1.什么是柱子?有什么用?

柱子是俗称,标准名称叫做柱色谱,Column Chromatography,CC。

这个是有机实验室最最最最最基础的分离手段,说这是从事大有机方向的科研人员的一只手都不为过。有机实验的很多反应,并不会像高中教材上的无机实验那样,要么生成一堆沉淀,要么变成气体飞出来,产品自然而然的就分开了,非常干净漂亮。有机实验的反应,大部分情况下是均相的,也就是说产品是混成一团溶在溶剂里面的。同时因为有机反应副产物很多,所以反应结束之后我们得到的一锅东西是个大杂烩,什么都有:没反应掉的底物,反应的副产品,催化剂等等,还有我们要的产品,都是混在一起的。这就需要我们去把这些打混的东西分开,而柱子就是把这些东西分开的方法中应用最广泛、适应性最强的一种。

至于柱子的原理,打个比方。

前面是一条小巷子,里面全是美女,丫丫叉叉的挤在一起。巷子的一头是一群男生,想要到巷子另一头去。于是这群男生只能从美女堆里面挤过去,于是就会有几种不同的情况:

1)史诗的大师,色即是空,丝毫不受美女的影响,很快就到对面了;

2)精良的贤者,虽然没有慌神,但是也放慢了脚步,第二批到达对面;

3)普通的师傅,明显有点慌神了,但是也跌跌撞撞,第三批到达对面;

4)粗糙的屌丝,受迷惑最严重,在人群里走得最慢,而且还趁机揩油,最后才到巷子另一头。

这样,这一堆男生就被自然而然的分开了。

——这就是柱子的原理,或者说所有的色谱(Chromatography)的原理:利用在流动相冲洗下,不同物质在固定相上“跑的速度的快慢”来将不同物质分离出来(实际上是利用物质在固定相/流动相的分配比的不同,或者说固定相对不同物质的“保留能力”的不同,但是这么说可能更难理解一些)。其中美女就可以认为是柱子的固定相,而男生就是那些待分的产品。

wiki上有一幅图很生动:

File:Column chromatography sequence.png

现在有机实验室最常规的柱子是硅胶柱,以硅胶作为固定相的柱子。正向硅胶柱上极性越低的物质爬得越快,反向硅胶柱上极性越大的物质爬的越快,所以使用什么样的硅胶完全看产品混合物的情况。大部分情况下小分子化合物的分离,用正向硅胶柱就可以解决问题了。如果产品的正电荷中心特别多,可能反相柱会更轻松一些。

另外还有氧化铝柱,碱性氧化铝柱可以用来应对需要在高PH环境下分离的产物体系。中性氧化铝柱倾向于保留一些富电子的化合物。酸性氧化铝柱则可以分离一些强酸性的物质。氧化铝柱的吸附性比硅胶要弱,所以如果产品极性特别大,在硅胶上冲不下来了可以试试用氧化铝柱子,说不定会有奇效。

至于凝胶柱,相对硅胶柱和氧化铝柱就属于高科技了。主要是针对高分子产物的分离手段,可以把高分子产品和小分子化合物很快的分开。凝胶柱的原理就相当于固定相是一个“反筛子”:尺寸比较大的分子因为无法进入凝胶内部,所以就从凝胶之间的空隙里面钻下去了,所以跑得更快;而尺寸小的分子则会进入凝胶上的微孔,不会太快被冲下来。这样就可以按照分子的尺寸而将混合物分开。


2.为什么柱子干了很麻烦?

柱子是有机实验室非常关键的东西,很多时候只有过完柱子、得到纯净的产品之后才能说明整个反应有意义。同时过柱子又是一个十分费时费精力的工作:一根柱子普遍需要过数个小时甚至更长时间。我们实验室做一些量特别小的反应,也就最多几百mg,最后的也需要至少一个上午的时间才能完整的过完一根柱子;如果是更加复杂的天然提取物的分离工作,那么一根柱子过几天都是经常会有的事情。

虽然耗时这么长,也并不意味着你可以把柱子放那儿不管然后自己去干别的——柱子必须要一直盯着才行。你需要隔一段时间点板(TLC,薄层色谱)来看现在柱子里出来的东西到底是什么:有的时候前面一个组分和后面一个组分之间就差那么四五滴,你要是错过了,那就可能全白费了——尤其是对那些试管不多,习惯用烧瓶或者锥形瓶接产品的实验室。

而柱子干了,硅胶里面可能就会混进去非常多的气泡,这样产品就很难分开。对于一些要求高产率的课题来说,干一次柱子的结果可能是产率直接掉十个点、或者减半——这样的打击非常致命,很多时候搞不好是要返工从头做的。虽然可以拿高极性的溶剂把硅胶里面残余的产品泡出来,不过这样损失不小。有的时候是做了好几步反应到最后得到那么一点,几百毫克产品,然后过柱子的时候不小心柱子干了,然后泡也没泡出来多少,那要从头返工的话或许就又是一周甚至一个月的时间过去了。

不过如果只是得到产物就行,不用过分纠结产率的那种反应(比如做小分子功能材料,只需要得到那么一点东西,足够检测其性能就可以了,产率并不是需要考虑的首要因素),干了柱子的话,好好处理一下问题也不大的。干柱子是个问题主要是针对方法学和合成实验室来说的。


3.BTW

过柱子是非常累和枯燥的一件事,但是又是几乎每个大有机方向的科研人员和研究生都逃不开的一件事——这也是没办法的事情。哪怕制备色谱,其应用局限性也很大,还有成本因素,所以也无法完全取代手工柱子。

不过,虽然装柱子的时候都非常烦躁,但是最终出产品的时候,还是很有成就感的。我们实验室做的很多反应的产物都有荧光,有的时候直接拿紫外灯照柱子,柱子里面的产品也会阶段性的有荧光,这也算是苦中作乐吧——而且还有一点好处,就是如果在柱子里看不到荧光,那说明反应失败了,柱子也不用过了,直接重开吧。

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学校13年的毕业晚会

一边是台上在表演

边上有个同学在过柱子

类似于春晚的小彩旗

一直到晚会结束,都在过

这是每个药大人都会经历的实验

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就在这见方大小的旮旯里,度过了将近五年的青葱岁月,我多想做个人见人爱的萌妹子啊……



唉?为撒我的自拍美照是横过来的呢?

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