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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:1029      發布時間:2024-11-1
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在日常化學實驗中,我們用到的許多化學元素和試劑對空氣和水氣是很敏感的,雖然許多人認為這是阻礙,但實際上這些敏感性的試劑正因為其高反應活性而常常被用作合成工具。比如,在制藥、化學、材料等工業領域以及實驗室基礎研究中,對水、氧敏感的有機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物質,每個化學研究人員必須掌握專門的處理技術——這個技術就是雙排管也稱為Schlenk Line。

 

01 Schlenk line(雙排管)的基本結構和原理


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內空氣;在反應或提純濃縮時提供負壓條件,后面會詳細講到,強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;

惰性氣體進口和流量調節閥(inert gas inlet and regulator)——調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,反饋系統氣密性及真空泵狀態;強烈建議選用精度高且數字顯示的壓力表,(比如"VACUUBRAND耐腐蝕數字真空表");

隔離閥(isolation valve)——開啟雙排管時,隔離真空泵進行預熱;關閉雙排管時,隔離真空泵避免倒吸或其他潛在風險,強烈建議安裝此閥(比如VACUUBRNAD蝶閥);

放氣閥(vent valve)——在實驗結束后,可通過放氣閥讓系統恢復常壓;

軟管(hosing)——通過軟管將多個不同的反應裝置連接至雙排管;

雙斜旋塞(double oblique stopcocks)——通過旋轉雙斜閥的旋塞,將閥芯轉至不同角度,即可將關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)是關閉狀態;但此時如仍有反應裝置連接至雙排管,應確保其處于惰性氣體保護狀態;其次檢查并確保冷阱內部是干燥且干凈的。

然后關閉隔離閥預熱真空泵15min左右,預熱時,可通過真空壓力表顯示值判斷系統是否密封,當壓力可達到1×10-2mbar左右時表示系統正常,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量級。

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b:關閉Schlenk Line(雙排管)

工作結束,需要關閉雙排管時,首先確保所有閥門關閉,同樣的,如果仍有反應裝置連接在雙排管上,可將其處于惰性氣體連接狀態;然后接下來的操作順序需要特別注意:首先關閉隔離閥,將真空泵隔離系統;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常壓。一定要確保打開放氣閥時,液氮已經被移走,否則就會有液氧產生的風險。待冷阱恢復至室溫后,將收集的溶劑倒進廢液收集桶,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備。
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c:玻璃反應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瓶必須干凈、干燥、連接時用真空脂密封,裝好之后,進行三次“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)的關鍵操作技巧


a:雙頭針液體轉移操作(Cannula Transfer)

雙頭針轉移是利用兩個反應瓶(一個是轉移瓶,另一個是接收瓶)中不同的惰性氣體壓力而進行液體轉移的一種操作。操作前首先需要在正壓惰性氣體保護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移瓶中,由于沒辦法對套管進行置換操作,因此需要先將雙頭針的一端插入到轉移瓶的上部,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。

液體轉移完成后就可以移除雙頭針了,必要的話,對它進行清潔處理,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中的固液分離,與雙頭針液體轉移相似,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下換橡膠塞時,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:當過濾完成之后,建議回收濾紙上可能沾有的產物,以提高產率和節省成本。
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d.凍抽操作(Freeze-pump-Thaw)
重復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。將雙斜旋塞旋至關閉,移去液氮,讓溶劑自然升溫融化。重復降溫、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行,適用于沸點低于150℃的樣品的純化和干燥;
連續減壓蒸餾——通常用于純化高沸點液體(>150°C)和一些低熔點固體。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性雜質,需要進一步純化的。
靜態減壓蒸餾——通常用于純化或干燥低沸點溶劑(<150°C),或者需要保證樣品極少被蒸發損失的情況,靜態減壓蒸餾就特別合適,因為在這種操作中,整個系統是封閉狀態。
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04 Schlenk Line(雙排管)的安全注意事項


a.液氧風險:當使用液氮作為冷阱的冷卻介質,雙排系統的任何位置的漏氣或者誤操作,都將會導致空氣中的氧氣將在液氮中被冷凝液化。液氧的氧化性強,存在安全隱患。
b.外爆:冷阱在未排空溶劑時回復常溫常壓、或者反應中持續產生氣體、或者在封閉反應系統中加熱等,都可能會在雙排系統中產生壓力,當壓力超過一定程度,會有外爆的風險。
c.內爆:當使用有裂紋或者質量較差的雙排管及玻璃反應件時,抽真空時可能會產生內爆的風險。因此,要仔細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,調動五官從聞、看、觸、聽等及時發現問題。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現問題。

第一個最常見問題:真空壓力不夠好

導致這個問題的原因有:

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

b.冷阱內部管路被堵住: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是接近0℃的,比如說苯,這種類型的溶劑非常容易在冷阱內部的管道口處凍住。

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

d.真空泵故障:后面設備部分會講到。


第二個最常見問題——平頭針轉移液體時速度過慢

導致這個問題的原因有:

a.有漏點:惰性氣體從漏點溢出,導致轉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,會比較容易觀察內部是否有堵塞。                  

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06 Schlenk Line(雙排管)的關鍵裝置和設備


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。缺點價格相對較貴,且需要建立正確的使用習慣。

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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到10-2~10-4mbar,非常適合雙排管的應用。但是,油泵定期補充或更換泵油、定期開氣鎮以排除油腔內凝結的溶劑;如果沒有日常維護,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,認為這個產品對于雙排管來講再適用不過了。它是100%的干式真空技術,內部沾濕部件采用了耐腐蝕材料,并且無摩擦運行意味著可以連續工作且無易損件。除此外,它的真空性能也很好,可達到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,大多數情況下,適用螺桿泵可以省略前置冷阱,這就節省了很大的運行費用和避免了很多安全隱患;當我們結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,甚至還可以實現遠程通訊。

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c.真空規和控制器

真空表—特別喜歡的是VACUU·VIEW extended,前面我已經多次提到過真空表的作用,這個表是使用過的及小巧、精準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用感興趣可以隨時聯系我們。

 

 

 

 

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