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:
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。
b:關閉Schlenk Line(雙排管)
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。
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:
04 Schlenk Line(雙排管)的安全注意事項
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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。
b.真空泵
c.真空規和控制器
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用感興趣可以隨時聯系我們。
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