在日常化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)際上這些敏感性的試劑正因?yàn)槠涓叻磻?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(shí)驗(yàn)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:
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(xiǎn),強(qiáng)烈建議安裝此閥(比如VACUUBRNAD蝶閥);
放氣閥(vent valve)——在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。
b:關(guān)閉Schlenk Line(雙排管)
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。
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(xiàng)如下圖所示:
04 Schlenk Line(雙排管)的安全注意事項(xiàng)
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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(jì)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(shí)驗(yàn),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(jià)格相對較貴,且需要建立正確的使用習(xí)慣。
b.真空泵
c.真空規(guī)和控制器
d.其他日常用小配件:真空密封脂、玻璃及連接件
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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