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Die Entgasung von Flüssigkeiten ist für viele chemische Synthesetechniken in der organischen Chemie unerlässlich. Unter Entgasung versteht man den Prozess, bei dem gelöste Gase aus einer Flüssigkeit entfernt werden. Die Entgasung ist wichtig in Fällen, in denen chemische Spezies anfällig für unerwünschte Reaktionen mit Sauerstoff sind. Der Gefrier-Pumpe-Tau-Kreislauf ist eine gängige Methode, die für die Entgasung von Flüssigkeiten in kleinem Maßstab verwendet wird. Die Technik wird unter reduziertem Druck unter Verwendung einer Schlenk-Leitung oder eines Vakuum-/Inertgas-Doppelverteilers durchgeführt. In diesem Video werden die Prinzipien der Durchführung der Frost-Pumpen-Tau-Entgasung im Labor erläutert.
Die Entgasung mit der Gefrierpumpe-Auftauung nutzt die Druckabhängigkeit der Löslichkeit des Gases in einer Flüssigkeit. Aus diesem Grund sprudelt Soda beim Öffnen, was auf das Heinrichsche Gesetz hinweist. Nach dem Henryschen Gesetz ist der Molenbruch eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases direkt proportional zum Partialdruck des Gases in der Dampfphase über der Flüssigkeit. Durch die Absenkung des Drucks des Gases über der Flüssigkeit nimmt die Löslichkeit des gelösten Gases ab und wird dann in Form von Blasen freigesetzt.
Beim Gefrieren-Pumpen-Auftauen wird zunächst das Lösungsmittel mit einem Dewar aus flüssigem Stickstoff oder Trockeneis eingefroren. Anschließend wird ein Vakuum angelegt und der Kopfraum über dem gefrorenen Lösungsmittel evakuiert. Dadurch wird der Druck im Kopfraum über der Flüssigkeit verringert und damit die Löslichkeit des gelösten Gases verringert.
Anschließend wird der Kolben verschlossen und das Lösungsmittel aufgetaut, wodurch gelöste gasförmige Spezies in den Kopfraum freigesetzt werden können. Die Flüssigkeit wird dann wieder eingefroren und der Vorgang so oft wie nötig wiederholt.
Die Entgasung mit der Gefrierpumpe-Tau-Pumpe wird in der Regel mit einer Schlenk-Leitung durchgeführt, da dabei sowohl ein Vakuum als auch das Einbringen von Inertgas erforderlich ist. Eine Schlenk-Linie besteht aus einem doppelten Glasverteiler mit mehreren Anschlüssen. Das Video dieser Kollektion über die Schlenk-Linie wird näher auf dieses Gerät eingehen. Nachdem nun die Grundlagen der Gefrier-Pumpe-Auftau-Technik beschrieben wurden, wird das Verfahren im Labor demonstriert.
Besorgen Sie sich zunächst einen sauberen, trockenen Schlenk-Kolben. Untersuchen Sie den Kolben auf Risse oder Brüche, die dazu führen können, dass der Kolben während des Prozesses zerbricht.
Befestigen Sie den Schlenk-Kolben mit einer Klemme und fügen Sie das gewünschte Lösungsmittel oder die gewünschte Lösung hinzu. Verwenden Sie nicht mehr als 50 % des Volumens, da sich einige Lösungsmittel beim Einfrieren ausdehnen und den Kolben zerbrechen könnten. Schließen Sie den Absperrhahn und stellen Sie sicher, dass alle Öffnungen verschlossen sind. Verbinden Sie den Seitenarm des Schlenk-Kolbens mit einem Stück flexiblem Schlauch mit der Schlenk-Leitung und halten Sie das entsprechende Ventil an der Schlenk-Leitung geschlossen. Öffnen Sie den Absperrhahn am Kolben sowie das an die Vakuumleitung angeschlossene Ventil, um den Kolben zu evakuieren. Sobald das Vakuum hergestellt ist, schließen Sie das Ventil. Öffnen Sie das Ventil zur Inertgasleitung, um den Kolben zu füllen. Nach dem Befüllen mit Inertgas werden die Absperrhähne am Kolben und dann an der Leitung geschlossen.
Der Kolben wird in einen Dewar mit flüssigem Stickstoff getaucht, um die Flüssigkeit einzufrieren. Wenn das Lösungsmittel gefroren ist, öffnen Sie den Absperrhahn am Schlenk-Kolben und das Ventil an der Schlenk-Leitung, um ein Vakuum im Kolben zu ziehen. Halten Sie den Kolben etwa 10 Minuten lang unter Vakuum und im Flüssigstickstoff-Dewar.
Den Kolben aus dem Flüssigstickstoff-Dewar nehmen. Verschließen Sie anschließend, indem Sie den Absperrhahn schließen.
Tauchen Sie den Kolben in ein warmes Wasserbad, um das Lösungsmittel vollständig zu schmelzen. Während dieses Vorgangs bilden sich sichtbar Gasblasen aus dem Lösungsmittel. Stören Sie die Flüssigkeit nicht und lassen Sie das Lösungsmittel von selbst auftauen.
Sobald das Lösungsmittel vollständig aufgetaut ist, ersetzen Sie das warme Wasserbad durch den flüssigen Stickstoff Dewar und frieren Sie das Lösungsmittel wieder ein.
Wenn das Lösungsmittel gefroren ist, öffnen Sie den Absperrhahn am Schlenk-Kolben und an der Schlenk-Leitung, um ein Vakuum in den Kolben zu ziehen. Nach 10 min wird der Absperrhahn am Kolben und an der Schlenk-Leitung geschlossen, dann wird der flüssige Stickstoff Dewar entfernt. Tauen Sie die Lösung erneut in einem warmen Wasserbad auf. Wiederholen Sie den Vorgang, bis sich keine Gasblasen mehr aus dem Lösungsmittel entwickeln.
Nach Beendigung dieser Zyklen wird der Schlenk-Kolben unter Schutzgas verschlossen. Öffnen Sie dazu das Ventil für das Inertgas in der Schlenk-Leitung und öffnen Sie dann den Absperrhahn des Kolbens, um das Lösungsmittel einer inerten Atmosphäre auszusetzen.
Wenn der Schlenk-Kolben mit Gas gefüllt ist, schließen Sie den Schlenk-Kolben und die Schlenk-Leitungsventile. Die Lösung ist nun entgast und gebrauchsfertig.
Entgasungstechniken sind von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, bei denen das Vorhandensein bestimmter Gase entweder gefährlich ist oder ein Experiment verunreinigen kann.
Die Entgasung von Lösungen für die organische Synthese ist eine Schlüsselanwendung eines Schlenk-Liniensystems. In diesem Experiment wurden Cadmiumselenid-Nanokristalle synthetisiert, bei denen Sauerstoff für die Reaktion schädlich ist. Zunächst wurden molekulare Vorläufer aufbereitet und erhitzt. Das Gemisch wurde unter Vakuum entgast und dann der Kolben mit Argon gespült. Die Reaktion wurde dann unter Argonatmosphäre abgeschlossen.
Das Miller-Urey-Experiment ist eine bahnbrechende Studie, die sich auf die Ursprünge des Lebens konzentriert. Das Experiment setzt voraus, dass nur Gase in einer Uratmosphäre vorhanden sind. Zunächst wurde die Uratmosphäre in einem versiegelten Rundkolben mit Wasser nachgebildet, um die Ozeane zu simulieren. Er wurde mit Elektroden ausgestattet, die Blitze simulieren. Die Flüssigkeit wurde mit einer Schlenk-Leitung entgast, bevor Urgase wie Ammoniak und Methan eingebracht wurden.
Der geschlossene Kolben mit den Gasen wurde aus dem System entfernt. Anschließend wurde Funken gezündet, um Blitze in der Ursuppe zu simulieren. Es wurden eine Reihe von Aminosäuren und anderen kleinen organischen Molekülen erzeugt.
Die Entgasung kann auch mit einer Vakuumkammer durchgeführt werden, wenn die Umgebungsluft die Lösung nicht verunreinigt. In diesem Beispiel wurden Polydimethylsiloxan-Säulen aus einer zuvor vorbereiteten Form geformt. Die geformten Apparaturen, die als mikrofluidische Geräte bekannt sind, werden verwendet, um kleine Flüssigkeitsmengen fein zu steuern. Dazu wurde ein Massenverhältnis von 10:1 aus PDMS-Base und Härter kräftig gemischt. Anschließend wurde die Lösung in einer Vakuumkammer entgast, um alle Blasen zu entfernen. Das entgaste Polymer wurde dann über die Form gegossen und in einem Ofen ausgehärtet. Die Geräte wurden dann von der Form getrennt und zur Untersuchung der Oberflächenspannungseigenschaften von Flüssigkeiten verwendet.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Entgasung von Lösungsmitteln mit der Freeze-Pump-Tau-Technik gesehen. Sie sollten nun ein besseres Verständnis dafür haben, wie Sie diese Technik in einem Schlenk-Liniensystem anwenden können.
Danke fürs Zuschauen!
