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这一篇就够了!全面了解Schlenk Line(双排管)的操作技巧和注意事项

时间:2024-11-01      阅读:301

在日常化学实验中,我们用到的许多化学元素和试剂对空气和水气是很敏感的,虽然许多人认为这是阻碍,但实际上这些敏感性的试剂正因为其高反应活性而常常被用作合成工具。比如,在制药、化学、材料等工业领域以及实验室基础研究中,对水、氧敏感的有机金属试剂几乎每天都在被使用。那么,如何正确地、安全地操作和制备对水氧敏感的化学物质,每个化学研究人员必须掌握专门的处理技术——这个技术就是双排管也称为Schlenk Line。

 

01 Schlenk line(双排管)的基本结构和原理


如图是典型的Schlenk Line(双排管)装置示意图,它几个重要部件组成:

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双排管——是一个带有多个接口的双排玻璃管,如图所示,上排是惰性气体管线(inert gas manifold),下排是真空管线(vacuum manifold)

真空泵(vacuum pump)——在置换操作中抽除系统内空气;在反应或提纯浓缩时提供负压条件,后面会详细讲到,强烈建议选择耐腐蚀的无油真空泵(比如“VACUUBRAND无油耐腐蚀螺杆泵”);

冷阱(cryogenic trap)——如果真空泵用的是油泵,不耐腐蚀,在真空泵的前端需要连接一个冷阱,通常用液氮作为冷却介质;

惰性气体进口和流量调节阀(inert gas inlet and regulator)——调控惰性气体压力和流量;

鼓泡器(bubbler)——惰性气体的出口,通过鼓泡器可直观显示惰性气体流量;

真空表(manometer)——用于指示真空压力值,反馈系统气密性及真空泵状态;强烈建议选用精度高且数字显示的压力表,(比如"VACUUBRAND耐腐蚀数字真空表");

隔离阀(isolation valve)——开启双排管时,隔离真空泵进行预热;关闭双排管时,隔离真空泵避免倒吸或其他潜在风险,强烈建议安装此阀(比如VACUUBRNAD蝶阀);

放气阀(vent valve)——在实验结束后,可通过放气阀让系统恢复常压;

软管(hosing)——通过软管将多个不同的反应装置连接至双排管;

双斜旋塞(double oblique stopcocks)——通过旋转双斜阀的旋塞,将阀芯转至不同角度,即可将关闭实验装置与双排管的连接,或者连通真空或惰性气体的其中之一。

 

 

02 Schelenk Line(双排管)的基本操作


a:正确开启Schlenk Line(双排管)

需要注意的是:开启前,首先必须检查并确保所有阀门(包括双斜旋塞及放气阀)是关闭状态;但此时如仍有反应装置连接至双排管,应确保其处于惰性气体保护状态;其次检查并确保冷阱内部是干燥且干净的。

然后关闭隔离阀预热真空泵15min左右,预热时,可通过真空压力表显示值判断系统是否密封,当压力可达到1×10-2mbar左右时表示系统正常,可以添加足够量的液氮,并开始实验。加上液氮后,真空压力值往往会下降一个数量级。

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b:关闭Schlenk Line(双排管)

工作结束,需要关闭双排管时,首先确保所有阀门关闭,同样的,如果仍有反应装置连接在双排管上,可将其处于惰性气体连接状态;然后接下来的操作顺序需要特别注意:首先关闭隔离阀,将真空泵隔离系统;然后从冷阱上取下装有液氮的杜瓦瓶,之后才可以打开放气阀是真空管线回复常压。一定要确保打开放气阀时,液氮已经被移走,否则就会有液氧产生的风险。待冷阱恢复至室温后,将收集的溶剂倒进废液收集桶,然后用丙酮润洗,并过夜干燥,就可以为第二天开新实验做好准备。
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c:玻璃反应瓶的正确安装及置换操作
此步骤中只要注意连接至双排管用的玻璃反应瓶必须干净、干燥、连接时用真空脂密封,装好之后,进行三次“抽真空-充惰性气体”的置换操作就可以了。
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d:Schlenk Line(双排管)实验操作的基本操作注意事项
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03 Schlenk Line(双排管)的关键操作技巧


a:双头针液体转移操作(Cannula Transfer)

双头针转移是利用两个反应瓶(一个是转移瓶,另一个是接收瓶)中不同的惰性气体压力而进行液体转移的一种操作。操作前首先需要在正压惰性气体保护下将玻璃瓶上的玻璃旋塞或者特氟龙盖子替换为橡胶塞。然后将双头针的一端插入一个玻璃转移瓶中,由于没办法对套管进行置换操作,因此需要先将双头针的一端插入到转移瓶的上部,这个位置是惰性气体的入口,在这里可以利用惰性气体气流对套装做吹扫,吹扫大概15-30s,就足以去除双头针中的空气和水汽。吹扫完之后,就可以将套管插入到接收瓶中。

液体转移完成后就可以移除双头针了,必要的话,对它进行清洁处理,然后将橡胶塞拿掉,换上玻璃磨口塞或者特氟龙盖子。

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

当需要从试剂瓶中定量移取水氧敏感试剂时需要用到注射器。

操作注意事项如下图所示:

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c.双头针过滤操作(Cannula Filtration)
该操作是用于双排管反应中的固液分离,与双头针液体转移相似,只是需要将双头针的一端裹上过滤纸。裹上滤纸后的针头变大无法直接插入橡胶塞,因此,在惰性气体正压保护下换橡胶塞时,需要先将双头针穿过橡胶塞,然后再包裹滤纸。
温馨提示大家:当过滤完成之后,建议回收滤纸上可能沾有的产物,以提高产率和节省成本。
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d.冻抽操作(Freeze-pump-Thaw)
重复的冻抽操作用于去除溶剂或液体试剂中微量残留的氧气。首先将溶剂加入Schlenk管中,液氮降温至溶剂固化后,开始抽真空除氧。将双斜旋塞旋至关闭,移去液氮,让溶剂自然升温融化。重复降温、抽真空、升温的过程至少两次。
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e. 蒸馏操作
在Schlenk Line(双排管)上,可以进行三种不同的类型蒸馏:
简单蒸馏——在惰性气体常压条件下进行,适用于沸点低于150℃的样品的纯化和干燥;
连续减压蒸馏——通常用于纯化高沸点液体(>150°C)和一些低熔点固体。这种方法非常适合纯化在双排管制备需要用到的市售试剂或化合物,但已知其中含有残留的非挥发性杂质,需要进一步纯化的。
静态减压蒸馏——通常用于纯化或干燥低沸点溶剂(<150°C),或者需要保证样品极少被蒸发损失的情况,静态减压蒸馏就特别合适,因为在这种操作中,整个系统是封闭状态。
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04 Schlenk Line(双排管)的安全注意事项


a.液氧风险:当使用液氮作为冷阱的冷却介质,双排系统的任何位置的漏气或者误操作,都将会导致空气中的氧气将在液氮中被冷凝液化。液氧的氧化性强,存在安全隐患。
b.外爆:冷阱在未排空溶剂时回复常温常压、或者反应中持续产生气体、或者在封闭反应系统中加热等,都可能会在双排系统中产生压力,当压力超过一定程度,会有外爆的风险。
c.内爆:当使用有裂纹或者质量较差的双排管及玻璃反应件时,抽真空时可能会产生内爆的风险。因此,要仔细检查用于双排的玻璃器件

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05 Schlenk Line(双排管)常见问题


时刻注意自己的双排反应,调动五官从闻、看、触、听等及时发现问题。如果搭配的有各种仪表,比如真空表、流量计等也可以有效地帮助我们检查和发现问题。

第一个最常见问题:真空压力不够好

导致这个问题的原因有:

a.某处存在漏气:此时应立刻停止实验,否则空气进入冷阱会形成液氧隐患。然后应该逐一排查,找到漏气点位。强烈建议安装一个读书方便且准确的真空表。(比如"VACUUBRAND耐腐蚀数字真空表")

b.冷阱内部管路被堵住:堵住的原因1可能由于收集的溶剂量太大,液位高于真空管路连接口,这种情况需要及时排空冷阱,或者需要额外连接收集瓶;堵住的原因2可能是冷阱收集的溶剂的凝固点是接近0℃的,比如说苯,这种类型的溶剂非常容易在冷阱内部的管道口处冻住。

c.冷阱收集的溶剂再次蒸发:当冷阱的冷却介质液氮挥发殆尽但是没有及时添加时,温度上升导致冷阱中的溶剂过度蒸发,从而影响双排系统的真空。

d.真空泵故障:后面设备部分会讲到。


第二个最常见问题——平头针转移液体时速度过慢

导致这个问题的原因有:

a.有漏点:惰性气体从漏点溢出,导致转移液体时所需压差不够。解决办法时检查并做密封处理,比如涂抹真空脂。

b.平头针堵塞:如果使用透明塑料的平头针,会比较容易观察内部是否有堵塞。                  

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06 Schlenk Line(双排管)的关键装置和设备


a.鼓泡器

常见的有三种鼓泡器,推荐的是过压鼓泡器(over pressure bubbler),及方便使用又没有安全隐患。缺点价格相对较贵,且需要建立正确的使用习惯。

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b.真空泵

双排管最常见搭配的是油泵,比如VACUUBRAND的二级油泵RZ 2.5和RZ 6,油泵的好处是极限真空可达到10-2~10-4mbar,非常适合双排管的应用。但是,油泵定期补充或更换泵油、定期开气镇以排除油腔内凝结的溶剂;如果没有日常维护,就会频繁损坏。
最近几年我接触到VACUUBRAND的新品螺杆泵VACUU·PURE 10C时,认为这个产品对于双排管来讲再适用不过了。它是100%的干式真空技术,内部沾湿部件采用了耐腐蚀材料,并且无摩擦运行意味着可以连续工作且无易损件。除此外,它的真空性能也很好,可达到10-3mbar.
相对于油泵,在双排管上处理溶剂时,螺杆泵有更好的耐受性和兼容性,大多数情况下,适用螺杆泵可以省略前置冷阱,这就节省了很大的运行费用和避免了很多安全隐患;当我们结束实验排空冷阱中的溶剂时,可以将螺杆泵开启再生模式,让它自清洁。另外,它的面板操作也比较简单且智能,甚至还可以实现远程通讯。

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c.真空规和控制器

真空表—特别喜欢的是VACUU·VIEW extended,前面我已经多次提到过真空表的作用,这个表是使用过的及小巧、精准和耐腐蚀于一体的完美选择。
控制器——VACUU·SELECT桌面式控制器可以自己编制日常实验所需的步骤并且保存,这样在做一些重复实验室就很方便。另外,在我们需要蒸馏不同的溶剂且获得不同的馏分时,准确的控制压力特别重要,如下图所示。
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d.其他日常用小配件:真空密封脂、玻璃及连接件

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如果您对双排管的应用感兴趣可以随时联系我们。

 

 

 

 

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