實驗室基本操作與雜質(zhì)和安全

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我們在做單元反應(yīng)時該注意到的一些操作細節(jié)問題，需要實驗人員在長期的實踐工作中觀察與總結(jié)并養(yǎng)成良好的實驗習慣，在工作中可以得到事半功倍的效果。這些基本操作不僅會影響試驗結(jié)果，使試驗得出錯誤的結(jié)論，甚至會誤導實驗員選擇路線及確定試驗方案，更有甚者會對實驗員與現(xiàn)場生產(chǎn)人員人身安全造成危害。

基本操作粗糙，并會對控制產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響、生成不必要雜質(zhì)。（雜質(zhì)包括：有關(guān)物質(zhì)、有機殘留、金屬雜質(zhì)等。。。有關(guān)物質(zhì)一般包括：各種原料、中間體、副產(chǎn)物及各種降解產(chǎn)物等。。。）在工作過程中把良好的實驗習慣和應(yīng)該做到的一些慣性思維固化成我們的基本操作，并實施開發(fā)的小試工藝，形成產(chǎn)品的SOP，得到質(zhì)量優(yōu)良的產(chǎn)品。

下面我講的可能不只涉及基本操作問題，而是將從試驗原料確認到烘料整個操作程序可能遇到的問題與大家共同探討與分享：
 

原料

1.起始原料：
（1）意義：
 

隨著API國內(nèi)申報及申報的統(tǒng)一，涉及到提供非簡單分子結(jié)構(gòu)原料合成路線，仍需要建立相應(yīng)質(zhì)量標準控制該起始原料質(zhì)量。
（2）對實驗工作帶來的影響：
A.對雜質(zhì)研究工作帶來的影響：
根據(jù)客戶提供的工藝，可以大致推斷該原料中可能含有的合成該原料的原料、中間體、溶劑、可能生成的副產(chǎn)物和后續(xù)反應(yīng)中可能繼續(xù)產(chǎn)生的雜質(zhì)。
B.質(zhì)量標準的建立：
通過試驗可以相應(yīng)地建立該原料的質(zhì)量標準，并反饋給客戶以便達到我們的要求。

如果客戶達不到我們的要求，可以更換客戶或調(diào)整工藝。

2.原料質(zhì)量：
普通試劑：

溶劑、商業(yè)化小分子試劑。
應(yīng)該是我們需要經(jīng)常關(guān)心的問題，會影響反應(yīng)收率及產(chǎn)品質(zhì)量。

A.原料中含有的水分
許多的反應(yīng)是非水的反應(yīng)，需要避免水分的帶入，水分的帶入會影響反應(yīng)酸堿性質(zhì)。
一些親水試劑，比如，四氫呋喃，放置過程中水分會有所提高。

B.原料酸度
二氯甲烷在放置過程中會發(fā)生分解產(chǎn)生鹽酸氣。

 

C.原料的氧化（涉及到反應(yīng)的安全）
醚類化合物乙。在空氣中容易氧化成過氧化物，這個過氧化物在蒸餾的過程中，超溫時容易發(fā)生爆炸，所以蒸餾過程需要注意，避免使用電熱套，如果采用水浴蒸餾風險就小很多。

3.原料處理：
酸堿洗滌：

對于不溶于水的溶劑，采用這樣的方法（包括：這樣溶劑的回收），可以除去該溶劑中含有的酸、堿及其以溶于水的其它雜質(zhì)，zui后用常規(guī)的干燥方法干燥后蒸餾即可。
脫水干燥：
A.普通的脫水劑干燥
用干燥劑如無水硫酸鈉、無水硫酸鎂、氯化鈣、氧化鈣、五氧化二磷等。要注意這些干燥劑的適用范圍，一個是酸堿性質(zhì)，另一個是適用的環(huán)境溫度比如無水硫酸鈉和無水硫酸鎂。
B.與水反應(yīng)脫水
一般用金屬鈉、鉀、氫化鈉、金屬硼氫化物等。
重新蒸餾：可以通過重新蒸餾解決液體原料純度問題。
減壓干燥：對于水分不合格的固體原料采用的方法，以達到限度。
精制：主要是針對固體試劑的純度不合格。
注意：有時候工業(yè)品的質(zhì)量要優(yōu)于放置時間太久的瓶裝試劑。

4.溶劑的選擇：
主要涉及：雜質(zhì)問題中的有機殘留，需要在保證收率和質(zhì)量的情況下，盡量采用允許的殘留值大的有機溶劑。
溶劑分類：一類溶劑的避免使用，無法避免時，要有替代實驗證明；

5.試劑的選擇：
基因毒性問題現(xiàn)在是API出口越來越關(guān)注的問題，這個今后可能要涉及相關(guān)的試劑的選擇，甚至會涉及到工藝路線的選擇。

投料

1.投料順序：
（1）反應(yīng)涉及的物料通常情況下是反應(yīng)試劑和溶劑（特殊情況下：催化劑、助溶劑或反應(yīng)物既是試劑又是溶劑），這就有一個問題：是先加反應(yīng)物還是先加溶劑，是先加固體試劑還是先加液體試劑。
一般情況下：先加溶劑應(yīng)該是*的辦法，這樣不會出現(xiàn)把反應(yīng)物先加在一起，反應(yīng)無法控制的問題。對于某些反應(yīng)例如氧化反應(yīng)，不這樣做溫和的情況下會產(chǎn)生一定量的過氧化雜質(zhì)，劇烈情況下反應(yīng)失控發(fā)生爆沸充料甚至爆炸，舉例。
（2）反應(yīng)物料中如果有固體的情況，應(yīng)該先加固體攪拌溶清后再加液體試劑。這樣加的好處是一般會在均相條件下反應(yīng)，而且現(xiàn)場加固體物料可以避免沉積到反應(yīng)罐底的現(xiàn)象。
 

到底如何投料？
個人認為應(yīng)該是這樣的（考慮到現(xiàn)場的實際情況）：在反應(yīng)容器內(nèi)先加入一定量的溶劑，加入一種物料后，攪拌加熱下（如果可以加熱的話）溶清，少許溶劑洗滌漏斗；加入另一反應(yīng)物料（如果另一物料不能直接加入，則用部分溶劑溶解后滴加），少許溶劑洗滌盛裝該反應(yīng)物的容器。

2.投料配比：
（1）包括：

反應(yīng)物和溶劑的配比、反應(yīng)物之間的配比。
（2）的情況是較少的溶劑，反應(yīng)物的配比是1：1，這樣可以減少除去溶劑帶來的麻煩，反應(yīng)完成后通過后處理來除去某一反應(yīng)物的操作也可以省略。但是通常都會涉及到以下兩個問題。
（3）涉及到反應(yīng)物和溶劑的投料配比：
有些文獻溶劑量用得特別的大，實際上溶劑用得越多，降低了反應(yīng)物的濃度，在溫度一定的情況下降低了正反應(yīng)的反應(yīng)速度，會造成雜質(zhì)的增多。總的來說要根據(jù)實際情況合理調(diào)整溶劑的投量，對于反應(yīng)放熱比較劇烈、反應(yīng)物溶解度小、反應(yīng)物濃度太大容易生成副產(chǎn)物等就利于增大溶劑的量。
（4）反應(yīng)物之間的投料配比：
一般來說是便宜的原料多投，但并不是價格便宜的物料就一定多投，而是要根據(jù)反應(yīng)的機理來確定哪一個原料應(yīng)該多投。當然價格貴的多投的原料需要考慮回收套用。

3.投料方式：
（1）固體試劑有采用分次投料的，也有把試劑一次加入到反應(yīng)液中的。如果沒有對投料的方式做比較理性的分析，往往會造成某些反應(yīng)的局部濃度過大，反應(yīng)過于劇烈，生成不不要的雜質(zhì)。
（2）特別是在較低的溫度下的反應(yīng)，一般采用一種原料先投入反應(yīng)釜溶清冷卻后，滴加另一種液體原料或者固體原料的溶液，可以控制反應(yīng)速度，避免局部反應(yīng)熱問題。

反應(yīng)過程控制

1.反應(yīng)溫度與反應(yīng)時間：
（1）實際上反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間大多數(shù)情況下是兩個關(guān)聯(lián)因數(shù)。
（2）正、副反應(yīng)跟溫度有極大的關(guān)聯(lián)，副反應(yīng)生成雜質(zhì)。
（3）根據(jù)現(xiàn)在申報的要求，這兩個參數(shù)一般都會歸于關(guān)鍵工藝參數(shù)。在8號資料中一般都要求體現(xiàn)。
反應(yīng)溫度控制：
一般原則是在保證收率和質(zhì)量的情況下，盡量提高反應(yīng)溫度以縮短反應(yīng)時間。當然在室溫的條件下，也可以在較短的時間反應(yīng)*的反應(yīng)，則沒有必要升溫反應(yīng)繼續(xù)縮短反應(yīng)時間。實際操作中，還要綜合考慮工藝時間，適宜倒班。

A.溫度顯示或測定：
注意：
 

溫度計的校正。
各種溫度計互相比較：

棒式溫度計、玻套溫度計、具塞溫度計（于蒸餾溫度的檢測）等。

B.加熱：
加熱方式：
（1）接觸加熱：

直接接觸火源或者電熱絲等。
（2）有介質(zhì)加熱：

以液體溶劑為介質(zhì)的水浴加熱，比如，水浴鍋、油浴鍋等或以空氣為介質(zhì)對電熱帽進行加熱。

需要避免的加熱操作方式：
（1）將反應(yīng)瓶直接放到電熱套內(nèi)加熱，實際變成了接觸加熱，雖然反應(yīng)瓶內(nèi)的溫度還在我們控制的范圍內(nèi)，但是，反應(yīng)瓶直接接觸的部分已經(jīng)嚴重超溫，生成了高溫條件下才能生成的雜質(zhì)；
（2）濾瓶直接放置在電熱套內(nèi)加熱，會因為受熱不均，造成反應(yīng)瓶的破裂。
正常加熱操作：
電熱套加熱時，反應(yīng)瓶應(yīng)該懸空不接觸加熱套底部，加熱不能太猛；對于溫度不太高的盡量用水浴加熱，水浴溫度比較穩(wěn)定，有利于對參數(shù)的考察。
回流高度：
目前，有較多文獻提到回流，但是，同樣的回流操作，不同的人得到的實驗結(jié)果是不一樣的。主要是：回流高度不一樣，實際上不同回流高度回流溫度與加熱劇烈程度不同，回流高度越高，回流溫度越高，需要熱量越大，存在反應(yīng)過熱風險。
通常回流高度應(yīng)該不超過回流冷凝管三分之一。

C.冷卻
（1）根據(jù)能夠冷卻到的溫度由高到低分為常水冷卻、冰水冷卻、冰鹽冷卻、干冰冷卻、液氮冷卻或者（液氮的有機溶劑冷卻）等。
無論反應(yīng)還是精制析晶冷卻過程均需要對冷卻速度有控制，比如，從較高溫度冷卻至較低溫度，一般不需要直接用冰鹽浴冷卻，原因如下：冷卻速度太快，反應(yīng)瓶容易炸裂（無論實驗室反應(yīng)瓶還是現(xiàn)場反應(yīng)釜均會存在此項問題）；較低的溫度下保溫反應(yīng)如果溫度升高用冰鹽水冷卻，雖然，反應(yīng)瓶內(nèi)部溫度沒有低于反應(yīng)物料析出來的溫度，但物料依然有析出來的可能，這主要是局部溫度過低的現(xiàn)象造成的；精制過程中的保溫析晶也會同樣涉及這個問題。

 

D. 考察反應(yīng)溫度

（1）反應(yīng)產(chǎn)物受熱力學與動力學控制：

比如，順反異構(gòu)。
（2）不同反應(yīng)溫度可能生成不同產(chǎn)物：

比如，氧化反應(yīng)。

E.反應(yīng)時間考察
反應(yīng)終點：
反應(yīng)時間考察的必要性，一定溫度下反應(yīng)時間決定反應(yīng)完成程度（確定反應(yīng)終點），從而提高勞動效率，減少能耗。
反應(yīng)時間的確定、中間體或成品質(zhì)量標準之間的關(guān)系。取決于相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量控制，zui終取決于成品質(zhì)量。

2.反應(yīng)過程中隔絕空氣操作及有毒有害氣體吸收
A.隔絕空氣操作（同時也可以隔絕水汽）：
通氮氣或者氬氣保護。操作過程是抽真空，通惰性氣體置換。
B.有毒有害氣體的吸收:
硼烷、鹽酸氣體。吸收塔，簡易吸收塔的制作；專業(yè)的吸收塔。
C.有時這兩種操作需要同時進行:
三化磷、三磷、二氯亞砜氯代反應(yīng)等。

3.反應(yīng)過程控制的方式
TLC、HPLC、GC或者文獻。根據(jù)工作實踐，TLC有較大的缺陷不準確，有時候有5%（HPLC），都不會顯示斑點，不利于中間體質(zhì)量標準建立，也不利于雜質(zhì)控制。

后處理

1.蒸餾
減壓蒸餾、常壓蒸餾
常壓蒸餾可用于低沸點物料的回收，如果要提高溶劑的回收率可用低溫循環(huán)水來解決。
注意：
高真空蒸餾：主要用于高沸點物料的蒸餾，要用到的比較特殊的設(shè)備是機械泵、真空接收器、具塞溫度計等。如果采用尾接鼓泡需要注意調(diào)節(jié)鼓泡的量。工業(yè)上經(jīng)常采用短程蒸餾，用于蒸餾高沸點物料，是一套高真空泵、油浴加熱循環(huán)系統(tǒng)和兩個相短程連接的反應(yīng)釜組成的系統(tǒng)。

2.萃取及分層
萃取和分層通常情況下是一個連接在一起的操作，一般在攪拌下進行兩相的萃取，在分液漏斗中進行分層。
萃取需要注意的是：
 

攪拌的轉(zhuǎn)速要足夠高，時間要足夠長，使兩相充分混勻，使溶質(zhì)在兩相間的分配盡快達到平衡。直接在分液漏斗中進行振搖萃取的操作是不可取的，這樣做的萃取效率太低。同樣的溶劑量多次萃取高于一次萃取的效果，這個可以通過溶質(zhì)的分配系數(shù)計算得出結(jié)論。同時需要提到的是試驗中較少用到有連續(xù)萃取裝置，可以用于萃取在萃取相中分配系數(shù)小的物料。
分層的基本技巧：

兩相間一定要有密度差別，密度差別越小越不利于分層。為了增大兩相間的密度差別，當水層是下層時可以添加食鹽增大水層的密度；或者增大有機溶劑的用量來擴大兩相間密度差別。當兩相分層不清楚時，可以適當?shù)恼駬u分液漏斗促進分層。當有大量的泡沫產(chǎn)生，可以適當?shù)奶砑酉輨ū热?，丙酮、乙醇等），但以不發(fā)生反應(yīng)為前提。還有值得注意的是用有機溶劑萃取含有機溶劑的水相時，是有可能把水相中的有機溶劑一起萃取出來的，有機層的體積會增大較多，后處理的時候要注意解決。

3.酸堿處理和pH值的控制
許多反應(yīng)在反應(yīng)完成后的后處理中，需要進行酸堿處理用以除去未反應(yīng)*的帶有酸堿性質(zhì)的原料和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的帶酸堿性質(zhì)的雜質(zhì)。當然也可以通過對pH值的控制來除去酸堿強度不一樣的物質(zhì)，這個是一定要注意的，并不是簡單的進行強酸強堿處理。
中間體和成品的制備需要成鹽時，一個是要對pH值進行控制，對于非水溶劑中成鹽則需要用非水pH計控制，但目前國內(nèi)的非水pH計的準確度都有待提高；另一個就是在溶劑量、轉(zhuǎn)速一定的情況下成鹽時的滴加速度也需要控制，這個關(guān)系到鹽的粒度和雜質(zhì)的去除。

4.過濾
用于脫色過濾活性炭、重結(jié)晶濾去機械雜質(zhì)、濾得反應(yīng)產(chǎn)生的中間體或者成品等。對于乳化的分層操作，過濾也可以用于破乳，只是這個操作一般用得比較少?，F(xiàn)場的操作形式表現(xiàn)為壓濾（氮氣、空氣壓濾）及過濾（需要保溫時可以保溫過濾桶）。
過濾成品的時候，可以在布氏漏斗上加蓋一層濾紙或者培養(yǎng)皿以避免空氣中的灰塵或者其它機械雜質(zhì)污染樣品。
熱濾時盡量控制抽氣量或者真空度，避免大量的溶劑揮發(fā)帶走熱量物料立即析出，堵塞布氏漏斗。

5.洗滌
料的洗滌也應(yīng)該遵循少量多次的原則，用以增加洗滌的效果。
其中打漿洗滌是一個不錯的操作。對于洗滌用的揮發(fā)性溶劑，過濾時通過性要好，否則溶劑揮發(fā)會在物料表明留下有色的痕跡。
好的洗滌效果可以除去物料顆粒間歇的雜質(zhì)改善物料的外觀。

精制

1.精制方式
（1）溶解狀況下的重結(jié)晶、非溶解下的回流重結(jié)晶、酸堿精制等。
（2）溶解狀況下的重結(jié)晶是成品精制的通用操作，有時候為了控制中間體的質(zhì)量也會用到。
（3）非溶解狀態(tài)下的回流重結(jié)晶實驗中用到的幾率較小，但是這是一個比較有用的操作，對于在各種溶劑中溶解度較小的產(chǎn)品可以采用（4）這個操作除去產(chǎn)品中的雜質(zhì)。比較典型的例子是：格列美脲粗品在丙酮中回流的精制；還有就是順反異構(gòu)體在同一溶劑中溶解度的不同，回流狀態(tài)下除去溶解度大的異構(gòu)體。
（5）酸堿精制可以用在中間體和成品的純化操作上，在成鹽的過程中控制好成鹽的溫度、速度等操作也是可以有效除去不能成鹽的雜質(zhì)或者溶解度有差別的雜質(zhì)。

2.精制的控制要點
（1）考察產(chǎn)品在各種溶劑和同一溶劑不同溫度下溶解度曲線，可以為精制提供依據(jù)（相似相容原理）。
（2）如果在同一溶劑體系中不能兼顧除去極性相差較大的雜質(zhì)，可以采用兩種不同極性的溶劑體系分段除去這些雜質(zhì)。
（3）保溫析晶的運用優(yōu)勢：
 

可以保證晶型的均一性，和標準圖譜更加一致；

更加有利于除去雜質(zhì)，特別是極性相差不大的雜質(zhì)也有效，因為保溫析晶時，析晶的速度較慢，雜質(zhì)不易進入產(chǎn)品的晶格中；

晶粒的大小更加均一。
結(jié)晶顆粒大小的控制：溶液的濃度、攪拌速度、降溫速度的控制。

烘料

1.烘料溫度的考察
對熱不穩(wěn)定的成品藥和中間體都需要對烘料溫度進行考察。考察的方法就是在不同溫度下烘料前后的有關(guān)物質(zhì)的變化情況。

2.烘料方式
根據(jù)烘料的壓力的不同分為常壓鼓風烘料、減壓烘料。
對于在空氣中不穩(wěn)定容易氧化的物料一般都要求進行減壓干燥。

安全

實際上上面講的的基本操作也是安全操作的基礎(chǔ)。實驗室安全總的說來要求實驗人員要膽大心細，熟悉水、電、氣、物料的基本性質(zhì)，公司也應(yīng)該配備一些基本的安全設(shè)施和裝備以及常用藥品等。
1.試劑擺放；
2.有毒與有害氣體、處理試劑；
3.電器知識；
4.具體實驗操作帶來的風險；
（1）蒸餾過程中的充料；
攪拌要有足夠轉(zhuǎn)速、加熱溫度不要太高。
（2）氧化反應(yīng)的控制；
（3）氫化還原；
氮氣置換、氫氣置換操作，Raney-Ni自燃。
（4）抽濾濾瓶的內(nèi)爆：真空度和抽氣量的控制；
（5）實驗室燙傷的防護：對于溫度高的反應(yīng)不要裸手拿捏反應(yīng)瓶；
（6）烘料的風險；
※具有比較大的風險，大部分實驗室燃燒與爆炸基本上取決于此。許多物料都含有有機溶劑，烘料的時候一定要注意風門一定是打開的狀態(tài)，否則有機溶劑在加熱的狀態(tài)下形成的氣體不能順利排出。

5.防護設(shè)施與實驗裝備
（1）消防實施：滅火器、沙土。
（2）實驗裝備：通風櫥、盡量杜絕明火加熱的加熱裝置、對眼的防護——護目鏡、對呼吸道的防護——口罩、防毒面具。
（3）急救藥品：緊急情況下，需要的清洗眼睛、面部、過敏所需要的藥品或者洗液。

小結(jié)

我們在做單元反應(yīng)時該注意到的一些操作細節(jié)問題，需要實驗人員在長期的實踐工作中觀察與總結(jié)并養(yǎng)成良好的實驗習慣，在工作中可以得到事半功倍的效果。這些基本操作不僅會影響試驗結(jié)果，使試驗得出錯誤的結(jié)論，甚至會誤導實驗員選擇路線及確定試驗方案，更有甚者會對實驗員與現(xiàn)場生產(chǎn)人員人身安全造成危害，所以，需要格外注意嘍！