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這一篇就夠了!全面了解Schlenk Line(雙排管)的操作技巧和注意事項

閱讀:340      發(fā)布時間:2024-11-1
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在日?;瘜W(xué)實驗中,我們用到的許多化學(xué)元素和試劑對空氣和水氣是很敏感的,雖然許多人認(rèn)為這是阻礙,但實際上這些敏感性的試劑正因為其高反應(yīng)活性而常常被用作合成工具。比如,在制藥、化學(xué)、材料等工業(yè)領(lǐng)域以及實驗室基礎(chǔ)研究中,對水、氧敏感的有機(jī)金屬試劑幾乎每天都在被使用。那么,如何正確地、安全地操作和制備對水氧敏感的化學(xué)物質(zhì),每個化學(xué)研究人員必須掌握專門的處理技術(shù)——這個技術(shù)就是雙排管也稱為Schlenk Line。

 

01 Schlenk line(雙排管)的基本結(jié)構(gòu)和原理


如圖是典型的Schlenk Line(雙排管)裝置示意圖,它幾個重要部件組成:

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雙排管——是一個帶有多個接口的雙排玻璃管,如圖所示,上排是惰性氣體管線(inert gas manifold),下排是真空管線(vacuum manifold)

真空泵(vacuum pump)——在置換操作中抽除系統(tǒng)內(nèi)空氣;在反應(yīng)或提純濃縮時提供負(fù)壓條件,后面會詳細(xì)講到,強(qiáng)烈建議選擇耐腐蝕的無油真空泵(比如“VACUUBRAND無油耐腐蝕螺桿泵”);

冷阱(cryogenic trap)——如果真空泵用的是油泵,不耐腐蝕,在真空泵的前端需要連接一個冷阱,通常用液氮作為冷卻介質(zhì);

惰性氣體進(jìn)口和流量調(diào)節(jié)閥(inert gas inlet and regulator)——調(diào)控惰性氣體壓力和流量;

鼓泡器(bubbler)——惰性氣體的出口,通過鼓泡器可直觀顯示惰性氣體流量;

真空表(manometer)——用于指示真空壓力值,反饋系統(tǒng)氣密性及真空泵狀態(tài);強(qiáng)烈建議選用精度高且數(shù)字顯示的壓力表,(比如"VACUUBRAND耐腐蝕數(shù)字真空表");

隔離閥(isolation valve)——開啟雙排管時,隔離真空泵進(jìn)行預(yù)熱;關(guān)閉雙排管時,隔離真空泵避免倒吸或其他潛在風(fēng)險,強(qiáng)烈建議安裝此閥(比如VACUUBRNAD蝶閥);

放氣閥(vent valve)——在實驗結(jié)束后,可通過放氣閥讓系統(tǒng)恢復(fù)常壓;

軟管(hosing)——通過軟管將多個不同的反應(yīng)裝置連接至雙排管;

雙斜旋塞(double oblique stopcocks)——通過旋轉(zhuǎn)雙斜閥的旋塞,將閥芯轉(zhuǎn)至不同角度,即可將關(guān)閉實驗裝置與雙排管的連接,或者連通真空或惰性氣體的其中之一。

 

 

02 Schelenk Line(雙排管)的基本操作


a:正確開啟Schlenk Line(雙排管)

需要注意的是:開啟前,首先必須檢查并確保所有閥門(包括雙斜旋塞及放氣閥)是關(guān)閉狀態(tài);但此時如仍有反應(yīng)裝置連接至雙排管,應(yīng)確保其處于惰性氣體保護(hù)狀態(tài);其次檢查并確保冷阱內(nèi)部是干燥且干凈的。

然后關(guān)閉隔離閥預(yù)熱真空泵15min左右,預(yù)熱時,可通過真空壓力表顯示值判斷系統(tǒng)是否密封,當(dāng)壓力可達(dá)到1×10-2mbar左右時表示系統(tǒng)正常,可以添加足夠量的液氮,并開始實驗。加上液氮后,真空壓力值往往會下降一個數(shù)量級。

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b:關(guān)閉Schlenk Line(雙排管)

工作結(jié)束,需要關(guān)閉雙排管時,首先確保所有閥門關(guān)閉,同樣的,如果仍有反應(yīng)裝置連接在雙排管上,可將其處于惰性氣體連接狀態(tài);然后接下來的操作順序需要特別注意:首先關(guān)閉隔離閥,將真空泵隔離系統(tǒng);然后從冷阱上取下裝有液氮的杜瓦瓶,之后才可以打開放氣閥是真空管線回復(fù)常壓。一定要確保打開放氣閥時,液氮已經(jīng)被移走,否則就會有液氧產(chǎn)生的風(fēng)險。待冷阱恢復(fù)至室溫后,將收集的溶劑倒進(jìn)廢液收集桶,然后用丙酮潤洗,并過夜干燥,就可以為第二天開新實驗做好準(zhǔn)備。
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c:玻璃反應(yīng)瓶的正確安裝及置換操作
此步驟中只要注意連接至雙排管用的玻璃反應(yīng)瓶必須干凈、干燥、連接時用真空脂密封,裝好之后,進(jìn)行三次“抽真空-充惰性氣體”的置換操作就可以了。
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d:Schlenk Line(雙排管)實驗操作的基本操作注意事項
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03 Schlenk Line(雙排管)的關(guān)鍵操作技巧


a:雙頭針液體轉(zhuǎn)移操作(Cannula Transfer)

雙頭針轉(zhuǎn)移是利用兩個反應(yīng)瓶(一個是轉(zhuǎn)移瓶,另一個是接收瓶)中不同的惰性氣體壓力而進(jìn)行液體轉(zhuǎn)移的一種操作。操作前首先需要在正壓惰性氣體保護(hù)下將玻璃瓶上的玻璃旋塞或者特氟龍蓋子替換為橡膠塞。然后將雙頭針的一端插入一個玻璃轉(zhuǎn)移瓶中,由于沒辦法對套管進(jìn)行置換操作,因此需要先將雙頭針的一端插入到轉(zhuǎn)移瓶的上部,這個位置是惰性氣體的入口,在這里可以利用惰性氣體氣流對套裝做吹掃,吹掃大概15-30s,就足以去除雙頭針中的空氣和水汽。吹掃完之后,就可以將套管插入到接收瓶中。

液體轉(zhuǎn)移完成后就可以移除雙頭針了,必要的話,對它進(jìn)行清潔處理,然后將橡膠塞拿掉,換上玻璃磨口塞或者特氟龍蓋子。

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b.注射器定量取液操作(Using Syringes and Sure Seals)

當(dāng)需要從試劑瓶中定量移取水氧敏感試劑時需要用到注射器。

操作注意事項如下圖所示:

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c.雙頭針過濾操作(Cannula Filtration)
該操作是用于雙排管反應(yīng)中的固液分離,與雙頭針液體轉(zhuǎn)移相似,只是需要將雙頭針的一端裹上過濾紙。裹上濾紙后的針頭變大無法直接插入橡膠塞,因此,在惰性氣體正壓保護(hù)下?lián)Q橡膠塞時,需要先將雙頭針穿過橡膠塞,然后再包裹濾紙。
溫馨提示大家:當(dāng)過濾完成之后,建議回收濾紙上可能沾有的產(chǎn)物,以提高產(chǎn)率和節(jié)省成本。
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d.凍抽操作(Freeze-pump-Thaw)
重復(fù)的凍抽操作用于去除溶劑或液體試劑中微量殘留的氧氣。首先將溶劑加入Schlenk管中,液氮降溫至溶劑固化后,開始抽真空除氧。將雙斜旋塞旋至關(guān)閉,移去液氮,讓溶劑自然升溫融化。重復(fù)降溫、抽真空、升溫的過程至少兩次。
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e. 蒸餾操作
在Schlenk Line(雙排管)上,可以進(jìn)行三種不同的類型蒸餾:
簡單蒸餾——在惰性氣體常壓條件下進(jìn)行,適用于沸點(diǎn)低于150℃的樣品的純化和干燥;
連續(xù)減壓蒸餾——通常用于純化高沸點(diǎn)液體(>150°C)和一些低熔點(diǎn)固體。這種方法非常適合純化在雙排管制備需要用到的市售試劑或化合物,但已知其中含有殘留的非揮發(fā)性雜質(zhì),需要進(jìn)一步純化的。
靜態(tài)減壓蒸餾——通常用于純化或干燥低沸點(diǎn)溶劑(<150°C),或者需要保證樣品極少被蒸發(fā)損失的情況,靜態(tài)減壓蒸餾就特別合適,因為在這種操作中,整個系統(tǒng)是封閉狀態(tài)。
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04 Schlenk Line(雙排管)的安全注意事項


a.液氧風(fēng)險:當(dāng)使用液氮作為冷阱的冷卻介質(zhì),雙排系統(tǒng)的任何位置的漏氣或者誤操作,都將會導(dǎo)致空氣中的氧氣將在液氮中被冷凝液化。液氧的氧化性強(qiáng),存在安全隱患。
b.外爆:冷阱在未排空溶劑時回復(fù)常溫常壓、或者反應(yīng)中持續(xù)產(chǎn)生氣體、或者在封閉反應(yīng)系統(tǒng)中加熱等,都可能會在雙排系統(tǒng)中產(chǎn)生壓力,當(dāng)壓力超過一定程度,會有外爆的風(fēng)險。
c.內(nèi)爆:當(dāng)使用有裂紋或者質(zhì)量較差的雙排管及玻璃反應(yīng)件時,抽真空時可能會產(chǎn)生內(nèi)爆的風(fēng)險。因此,要仔細(xì)檢查用于雙排的玻璃器件

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05 Schlenk Line(雙排管)常見問題


時刻注意自己的雙排反應(yīng),調(diào)動五官從聞、看、觸、聽等及時發(fā)現(xiàn)問題。如果搭配的有各種儀表,比如真空表、流量計等也可以有效地幫助我們檢查和發(fā)現(xiàn)問題。

第一個最常見問題:真空壓力不夠好

導(dǎo)致這個問題的原因有:

a.某處存在漏氣:此時應(yīng)立刻停止實驗,否則空氣進(jìn)入冷阱會形成液氧隱患。然后應(yīng)該逐一排查,找到漏氣點(diǎn)位。強(qiáng)烈建議安裝一個讀書方便且準(zhǔn)確的真空表。(比如"VACUUBRAND耐腐蝕數(shù)字真空表")

b.冷阱內(nèi)部管路被堵?。?/span>堵住的原因1可能由于收集的溶劑量太大,液位高于真空管路連接口,這種情況需要及時排空冷阱,或者需要額外連接收集瓶;堵住的原因2可能是冷阱收集的溶劑的凝固點(diǎn)是接近0℃的,比如說苯,這種類型的溶劑非常容易在冷阱內(nèi)部的管道口處凍住。

c.冷阱收集的溶劑再次蒸發(fā):當(dāng)冷阱的冷卻介質(zhì)液氮揮發(fā)殆盡但是沒有及時添加時,溫度上升導(dǎo)致冷阱中的溶劑過度蒸發(fā),從而影響雙排系統(tǒng)的真空。

d.真空泵故障:后面設(shè)備部分會講到。


第二個最常見問題——平頭針轉(zhuǎn)移液體時速度過慢

導(dǎo)致這個問題的原因有:

a.有漏點(diǎn):惰性氣體從漏點(diǎn)溢出,導(dǎo)致轉(zhuǎn)移液體時所需壓差不夠。解決辦法時檢查并做密封處理,比如涂抹真空脂。

b.平頭針堵塞:如果使用透明塑料的平頭針,會比較容易觀察內(nèi)部是否有堵塞。                  

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06 Schlenk Line(雙排管)的關(guān)鍵裝置和設(shè)備


a.鼓泡器

常見的有三種鼓泡器,推薦的是過壓鼓泡器(over pressure bubbler),及方便使用又沒有安全隱患。缺點(diǎn)價格相對較貴,且需要建立正確的使用習(xí)慣。

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b.真空泵

雙排管最常見搭配的是油泵,比如VACUUBRAND的二級油泵RZ 2.5和RZ 6,油泵的好處是極限真空可達(dá)到10-2~10-4mbar,非常適合雙排管的應(yīng)用。但是,油泵定期補(bǔ)充或更換泵油、定期開氣鎮(zhèn)以排除油腔內(nèi)凝結(jié)的溶劑;如果沒有日常維護(hù),就會頻繁損壞。
最近幾年我接觸到VACUUBRAND的新品螺桿泵VACUU·PURE 10C時,認(rèn)為這個產(chǎn)品對于雙排管來講再適用不過了。它是100%的干式真空技術(shù),內(nèi)部沾濕部件采用了耐腐蝕材料,并且無摩擦運(yùn)行意味著可以連續(xù)工作且無易損件。除此外,它的真空性能也很好,可達(dá)到10-3mbar.
相對于油泵,在雙排管上處理溶劑時,螺桿泵有更好的耐受性和兼容性,大多數(shù)情況下,適用螺桿泵可以省略前置冷阱,這就節(jié)省了很大的運(yùn)行費(fèi)用和避免了很多安全隱患;當(dāng)我們結(jié)束實驗排空冷阱中的溶劑時,可以將螺桿泵開啟再生模式,讓它自清潔。另外,它的面板操作也比較簡單且智能,甚至還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。

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c.真空規(guī)和控制器

真空表—特別喜歡的是VACUU·VIEW extended,前面我已經(jīng)多次提到過真空表的作用,這個表是使用過的及小巧、精準(zhǔn)和耐腐蝕于一體的完美選擇。
控制器——VACUU·SELECT桌面式控制器可以自己編制日常實驗所需的步驟并且保存,這樣在做一些重復(fù)實驗室就很方便。另外,在我們需要蒸餾不同的溶劑且獲得不同的餾分時,準(zhǔn)確的控制壓力特別重要,如下圖所示。
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d.其他日常用小配件:真空密封脂、玻璃及連接件

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如果您對雙排管的應(yīng)用感興趣可以隨時聯(lián)系我們。

 

 

 

 

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