资料来源: 德克萨斯州 & m 大学化学系, 塔玛拉。
无机化学家经常使用高度和的敏化合物。无合成的两种最常用和最实用的方法是利用 Schlenk 线或箱。本实验将演示如何在 Schlenk 线上进行简单的操作, 重点是溶剂制备和转移。通过合成反应性钛 (III) 茂金属络合物, 我们将演示一种新的, 简单的方法来加气溶剂, 以及如何转移溶剂的套管和注射器在 Schlenk 线。
合成一个 Ti (III) 茂金属化合物3显示在图 1。1化合物3与 O2具有高度的反应性, (见图 4中显示的化合物3至 Ti (IV) 的氧化 1)。因此, 在厌氧条件下进行合成是非常重要的。目标化合物3的合成可以视觉监测和进展, 通过一个额外的颜色变化, 然后到达所需的产品, 这是蓝色的颜色。如果在实验中有一个观察到的颜色变化从蓝色到黄色 (或绿色 = 蓝色 + 黄色), 这是一个迹象表明, O2进入烧瓶, 并认为化合物3的不受欢迎的氧化为 Ti (IV) 模拟 (化合物 4) 已经发生。
图 1.钛 (III) 茂金属化合物3的合成及其与 O2的反应。
在处理和敏试剂时, Schlenk 线技术使用惰性气体的正压来保持系统中的空气。Schlenk 线技术的介绍可以在 “Schlenk 线转移的溶剂” 视频在有机化学精要系列中找到。在本模块中, 将探讨使用 Schlenk 线的两种实验技术: 溶剂脱气和无溶剂转移。
厌氧合成要求去除溶解在反应溶剂中的空气 (即, 脱去溶剂)。气体在液体中的溶解度取决于气体和溶剂的特性, 以及系统的温度和液体上方气体的分压。亨利定律指出, 在一定的温度下, 在特定的液体体积中溶解的气体量与系统中气体的分压成正比。为了加气溶剂, 液体上方的空气被除去或替换为惰性气体, 如 N2或 Ar。通过减少或消除液体上方空气的压力, 液体中溶解的空气量会减少。脱气过程最终导致去除溶解在溶剂中的所有空气。
有几种方法可用于加气溶剂, 包括冷冻泵解冻和起泡惰性气体通过溶剂 (清除)。虽然冻结泵-解冻方法是更严格的两种方法, 以消除溶解 O2 (见 “脱气液体” 的视频, 在有机化学精华系列), 清除是有用的, 当使用较小的液体量和当反应物和/或产品不是水敏感。在这里, 我们演示如何通过清洗来加气溶剂。重要的是要记住, 脱气溶剂不去除水。
最常用的方法来增加溶剂的反应使用 Schlenk 线包括注射器或套管 (长双尖针,图 2)。当一个特定的液体体积需要添加到反应 (即, 添加液体试剂) 时, 使用注射器。套管转移可以用来转移一个确切的体积到一个下降漏斗, 或近似体积, 如果转移溶剂的反应。套管转移依赖于两个烧瓶之间的压力差将溶剂从一个容器 (施主烧瓶) 转移到另一个 (接收瓶) (图 3), 并且压力差可以通过真空或压力的应用来实现。Vacuum-based 套管转移是通过把接收瓶置于静态或动态真空, 而施主烧瓶连接到正 N2压力。在压力套管转移, 接收瓶是发泄, 而积极的 N2压力被送入捐赠瓶。在这两种情况下, 接收瓶中的较低压力会导致溶剂流经从施主烧瓶到接收瓶的套管。在这里, 我们演示如何使用压力法套管转移。
图 2.套管.
图 3.套管转移的基础。Schlenk 烧瓶 A (接收瓶, 左) 包含固体反应物和 Schlenk 瓶 B (施主烧瓶, 权利) 包含脱乙腈。
1. Schlenk 线的设置
有关更详细的程序, 请查看 “Schlenk 线转移溶剂” 视频在有机化学精要系列。在进行这项试验之前, 应审查 Schlenk 线的安全。玻璃器皿应在使用前检查是否有星裂缝。如果使用液态 N2, 则应注意确保 O2在 Schlenk 线陷印中不凝结。在液体 N2温度下, O2在有机溶剂存在下凝结并呈爆炸性。如果怀疑 O2已被压缩, 或在冷阱中观察到蓝色液体, 则在动态真空下使陷井处于冷状态。请勿将液体 N2补漏白或关闭真空泵。随着时间的推移, 液体 o2将升华为泵-只有在 O2的所有升华中, 才可以安全地删除液体 N2陷印。
2. 固体反应物的制备
3. 溶剂的制备
注: 由于反应不是水敏, 玻璃器皿和溶剂不需要干燥。然而, 如果准备使用在手套, 所有玻璃器皿和溶剂应适当干燥。
4. 通过套管添加溶剂 (图 3)
5. 合成钛 (III) 茂金属 (化合物 3)
6. 通过注射器添加溶剂
化学家经常遇到敏化学试剂和反应, 因此必须在与他们合作时应用特殊的技术。
化学反应中微量的空气可能导致不需要的副产品。为了避免这种情况, 首先通过净化设备和试剂去除氧的痕迹。
然后, 为了保持无氧的气氛, 试剂是处理在一个手套, 或从一个封闭的系统转移到另一个通过插管使用 Schlenk 线。
这段视频将说明一个过程, 从反应混合物中清除氧气和维持一个无的气氛, 在合成一个 Ti (III) 茂金属。接下来将介绍这项技术的应用实例。
无机化学反应, 如茂二氯化物转化为其二形式和最后的钛 (III) 茂金属, 对氧高度敏感, 因此必须在无条件下进行。
要开始, 在一个装有 Schlenk 线的通风罩, 也称为双歧管, 重量 Cp2(Ti4 +) Cl2和锌尘成一个200毫升 Schlenk 烧瓶配备一个轰动酒吧, 标签为 “a”。用带油的玻璃塞子密封瓶子, 用橡皮筋固定。将 Tygon 油管从 Schlenk 线连接到烧瓶手枪。
打开塞到真空和疏散5分钟, 然后关闭塞到烧瓶, 切换到 n2, 并使至少五快速180°转弯前慢慢打开, 以填补与 N2烧瓶。
在一个单独的 Schlenk 瓶标签为 “B”, 测量15毫升的乙腈和密封与橡胶隔膜。将 Tygon 油管从 Schlenk 线连接到烧瓶手枪, 然后将油管抽出5分钟, 再用 N2重新填充油管。
将长针连接到 Schlenk 线上的第二个 Tygon 管上, 并用 N2清除几分钟。将清洗过的针头插入含有乙腈的 Schlenk 烧瓶中, 然后放在排气针上。将气泡 N2放入溶剂中15分钟, 然后打开烧瓶塞至 N2并取出针头。
与 Schlenk 瓶 a 在 N2之下, 去除玻璃塞子并且替换它与橡胶隔。将两个 Schlenk 烧瓶打开到 N2, 将套管的一端插入施主烧瓶, 高于溶剂的水平, 并确定 n2是否流经另一端。然后将套管的另一端插入含有试剂的接收瓶中, 关闭接收瓶的塞, 并附上通气针。
将套管放入溶剂中, 并允许所有的乙腈滴入或缓慢地沿接收瓶的两侧流动。一旦添加完成, 重新打开接收瓶塞到 N2, 并卸下套管和排气针。
加入溶剂后, 用力搅拌乙腈、锌尘和 Cp2(ti4 +) Cl2的反应混合物, 直到它变成蓝色, 表示 Ti (III) 茂金属络合物的形成。
如果反应混合物保持绿色在15分钟以后, 保持塞开放对正面 N2压力, 去除间隔和增加1-2 等值锌尘土。如果混合物仍然是绿色或变成黄色, 很可能是氧气进入系统, 这导致进一步氧化到钛 (IV) 茂金属络合物。
现在你知道如何使用套管转移, 但万一这是不可能的, 溶剂可以通过注射器添加。首先, 确保接收和捐赠烧瓶都打开到 N2。
将装有12毫升注射器的针头插入两个烧瓶中, 并仅将 N2拉入其中。卸下针并将 N2弹出到引擎盖中。
一旦针头和注射器被清除, 插入到施主烧瓶的针头, 并拉动所需的溶剂量。然后, 稍微举起针, 将它弯曲成一个拱, 并拉起1毫升的 N2。保持针弓和注射器指向, 并把它从捐赠瓶。
将拱形针插入接收瓶。慢慢地加入溶剂, 完成后从收瓶中取出注射器针。
现在, 我们已经讨论了一个无合成的过程, 让我们看看一些应用程序。
硒化镉量子点是由镉硒核和配体壳组成的半导体纳米晶。这些多组分结构能够在纳米尺度上操纵电子。
这些纳米晶体的合成需要精确的反应条件, 特别是无氧大气。
茂二氯化物, 这一视频中使用的试剂, 是一种钛化合物, 通常用于有机和金属有机化合物的合成。化合物本身是合成的反应2当量的钠烯 (卫生部) 与 TiCl4在无水, 无氧呋喃。二氯化茂也用于生产 Petasis 试剂, 这是一种有用的试剂, 用于将酯类转化为乙烯基醚。
另一种茂二氯试剂称为 Tebbe 试剂, 用于将各种羰基官能团转化为烯烃, 或也称为 methylenation。
你刚才看了朱庇特的介绍使用 Schlenk 线技术合成一种钛 (III) 茂金属。您现在应该了解如何执行除气和套管转移, 以及它的一些应用。谢谢收看!
在步骤4中添加乙腈后, 溶液应将颜色从橙色、绿色改为蓝色 (图 4)。未能获得蓝色表示系统中有泄漏。在步骤6中, 用注射器加入乙腈, 如果保持厌氧条件, 应不会产生颜色变化。如果存在氧气, 溶液就会从蓝色、绿色变成橙色。
图 4。三色阶段在合成钛 (III) 茂金属化合物3。
在这里, 我们展示了标准的 Schlenk 线技术合成敏钛 (III) 茂金属络合物。溶剂通过气泡 N2通过 Schlenk 烧瓶中的液体脱。我们还演示了如何建立在厌氧条件下对 Schlenk 线和转移溶剂厌氧的套管转移和注射器的反应。
无机化学家使用 Schlenk 线技术合成和敏化合物。在合成高活性材料中使用的溶剂可以用 Schlenk 线来制备。空气敏感的反应也可以设置和使用 Schlenk 线工作。Schlenk 线技术是一种强大的无操作方法, 用于合成、纯化 (即蒸馏、升华、结晶)、催化和气体反应。在下一模块中, 我们将演示如何使用手套进行无合成。虽然某些无操作在手套中更容易执行, 但在某些情况下, 当一个人不能使用手套时, 必须依赖 Schlenk 线技术 (如加热反应)。一些茂金属配合物 (通常具有两个茂环阴离子的化合物 (Cp, C 5H5–)) 具有催化性能。例如, 茂是一种用于烯烃置换的催化剂。
本文所合成的钛 (III) 茂金属可用于 Schlenk 线或手套箱中作为大气测试。氧化钛 (III) 茂金属由 O2在 Schlenk 线或在手套箱子将导致颜色变动并且提供视觉指示大气包含 o2。
Chemists frequently encounter air-sensitive chemical reagents and reactions, and thus have to apply special techniques when working with them.
The slightest trace of air in a chemical reaction would likely result in unwanted side products. To avoid this, first traces of oxygen are removed by purging equipment and reagents.
Then, in order to maintain an oxygen-free atmosphere, reagents are handled in a glovebox, or transferred from one closed system to another by cannulation using a Schlenk line.
This video will illustrate a procedure for purging oxygen from a reaction mixture and maintaining an air-free atmosphere in the synthesis of a Ti(III) metallocene. This will be followed by a few examples demonstrating the application of this technique.
Inorganic chemical reactions, such as the conversion of titanocene dichloride to its dimeric form and the final Ti(III) metallocene, are highly sensitive to oxygen, and therefore must be carried out in air-free conditions.
To start, in a fume hood equipped with a Schlenk line, also known as a double manifold, weigh Cp2(Ti4+)Cl2 and zinc dust into a 200 mL Schlenk flask equipped with a stir bar, labeled as “A”. Seal the flask with a greased glass stopper and secure with a rubber band. Attach Tygon tubing from the Schlenk line to flask sidearm.
Open the stopcock to vacuum and evacuate for 5 min, then close the stopcock to the flask, switch to N2, and make at least five rapid 180 ° turns before slowly opening to fill the flask with N2.
In a separate Schlenk flask labeled “B”, measure 15 mL of acetonitrile and seal with a rubber septum. Attach Tygon tubing from the Schlenk line to the flask sidearm, then evacuate the tubing for 5 min. Refill the tubing with N2.
Attach a long needle to a second Tygon tube on the Schlenk line, and purge with N2 for several minutes. Insert the purged needle into the Schlenk flask containing acetonitrile, followed by the venting needle. Bubble N2 into the solvent for 15 min, then open the flask stopcock to N2 and remove the needles.
With Schlenk flask A under N2, remove the glass stopper and replace it with a rubber septum. With the two Schlenk flasks open to N2, insert one end of the cannula into the donor flask, above the level of the solvent, and determine whether N2 is flowing through the other end. Then insert the other end of the cannula into the receiving flask containing the reagents, close the receiving flask’s stopcock, and attach a venting needle.
Lower the cannula into the solvent, and allow all of the acetonitrile to drip or slowly flow along the sides of the receiving flask. Once the addition is complete, reopen the receiving flask stopcock to N2, and remove the cannula and venting needle.
After the solvent is added, vigorously stir the reaction mixture of acetonitrile, zinc dust, and Cp2(Ti4+)Cl2 until it turns blue, indicating formation of Ti(III) metallocene complex.
If the reaction mixture remains green after 15 min, keep the stopcock open to positive N2 pressure, remove the septum and add 1-2 equivalents of zinc dust. If the mixture is still green or has turned yellow, it is likely that oxygen has entered the system, which results in further oxidation to the Ti(IV) metallocene complex.
Now you know how to use a cannula transfer, but in case this is not possible, the solvent can be added via a syringe. First, make sure both the receiving and donor flasks are open to N2.
Insert the needle fitted to a 12 mL syringe into either flask and pull only N2 into it. Remove the needle and eject the N2 into the hood.
Once the needle and syringe are purged, insert the needle into the donor flask and pull up the desired volume of solvent. Then, raise the needle slightly, bend it to an arch and pull up 1 mL of N2. Keep the needle arched and syringe pointing up and remove it from the donor flask.
Insert the arched needle into the receiving flask. Slowly add the solvent, and remove the syringe needle from receiving flask when finished.
Now that we have discussed a procedure for an air-free synthesis, let’s look at a few applications.
Cadmium selenide quantum dots are semiconductor nanocrystals composed of a cadmium selenide core and a ligand shell. These multicomponent structures are capable of manipulating electrons at the nanoscale.
The synthesis of these nanocrystals requires precise reaction conditions, especially an oxygen-free atmosphere.
Titanocene dichloride, the reagent used in this video, is an organotitanium compound commonly used in organic and organometallic synthesis. The compound itself is synthesized by reacting 2 equivalents of sodium cyclopentadiene (NaCp) with TiCl4 in anhydrous, oxygen-free THF. Titanocene dichloride is also used for the production of the Petasis reagent, which is a useful reagent applied in the conversion of esters to vinyl ethers.
Another titanocene dichloride reagent, called the Tebbe reagent, is applied to convert various carbonyl functional groups to alkenes, or also known as methylenation.
You’ve just watched JoVE’s introduction to Synthesis of a Ti(III) metallocene using the Schlenk Line Technique. You should now understand how to perform degassing as well as cannula transfer, and some of its applications. Thanks for watching!
Related Videos
Inorganic Chemistry
31.5K 浏览
Inorganic Chemistry
18.6K 浏览
Inorganic Chemistry
54.3K 浏览
Inorganic Chemistry
67.9K 浏览
Inorganic Chemistry
103.8K 浏览
Inorganic Chemistry
25.3K 浏览
Inorganic Chemistry
21.9K 浏览
Inorganic Chemistry
38.7K 浏览
Inorganic Chemistry
79.0K 浏览
Inorganic Chemistry
44.9K 浏览
Inorganic Chemistry
35.1K 浏览
Inorganic Chemistry
15.3K 浏览
Inorganic Chemistry
15.6K 浏览
Inorganic Chemistry
51.4K 浏览
Inorganic Chemistry
16.7K 浏览