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Scatola a guanti (Glove Box) e sensori di impurezze

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Glovebox and Impurity Sensors

6.16: Synthesis Of A Ti(III) Metallocene Using Schlenk Line Technique

6.19: The Evans Method

18,563 Views

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09:14 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Tamara M. Powers, Dipartimento di Chimica, Texas A & M University

Il glovebox fornisce un mezzo semplice per gestire solidi e liquidi sensibili all’aria e all’umidità. Il glovebox è quello che sembra: una scatola con guanti attaccati a uno o più lati, che consente all’utente di eseguire manipolazioni all’interno del glovebox in un’atmosfera inerte.

Per le manipolazioni in atmosfere inerti, i chimici possono scegliere tra Schlenk o tecniche ad alto vuoto e un glovebox. Schlenk e in particolare le tecniche ad alto vuoto offrono un più alto grado di controllo dell’atmosfera e sono quindi adatte per reazioni che sono molto sensibili all’aria e all’umidità. Il glovebox, tuttavia, fornisce un maggiore accesso alle manipolazioni in un’atmosfera inerte. La pesatura dei reagenti, le reazioni di filtraggio, la preparazione dei campioni per la spettroscopia e la crescita dei cristalli sono tutti esempi di procedure di routine che vengono eseguite più facilmente in un glovebox rispetto a un collettore Schlenk / vuoto. I progressi nella progettazione del glovebox hanno aumentato le sue prestazioni, come le reazioni di esecuzione a temperature ridotte e la spettroscopia all’interno del glovebox.

Questo video dimostrerà come portare gli oggetti dentro e fuori dal glovebox e come garantire qualitativamente un buon ambiente di lavoro. Le manipolazioni di base all’interno di un glovebox saranno dimostrate attraverso la sintesi del benzofenone di sodio.

Principles

Il glovebox consente la manipolazione di reagenti e reazioni sensibili all’aria e all’umidità in modo simile a quelli eseguiti sul banco. Ciò si ottiene mantenendo un’atmosfera inerte nel glovebox (< 1 ppm di ossigeno e umidità) e l'utente esegue manipolazioni attraverso i guanti sul lato del glovebox. Il gas inerte è tipicamente azoto, anche se l'argon e persino l'elio possono essere utilizzati. Un singolo glovebox ha spazio per un utente o due guanti. Due utenti possono lavorare fianco a fianco in un doppio glovebox, che ha quattro guanti in totale. Ogni glovebox avrà configurazioni e controlli leggermente diversi, a seconda dell'azienda produttrice. I principi qui discussi possono essere applicati alla maggior parte dei glovebox standard.

La Camera Principale:

La camera principale del glovebox è composta da una scatola di metallo (solitamente in acciaio inossidabile) con finestre in policarbonato su uno o più lati della scatola (Figura 1). I guanti butilici sono montati sulle finestre, consentendo la manipolazione all’interno del vano portaoggetti da parte di utenti esterni. La scatola è costruita per essere a tenuta di gas, massimizzando l’integrità dell’atmosfera del gas all’interno della scatola. In genere, viene eseguito a una pressione positiva, quindi i guanti sporgono dalla scatola. Tuttavia, quando si lavora con materiali estremamente tossici o radioattivi, la scatola può essere eseguita a una pressione negativa in modo da ridurre al minimo i rischi di esposizione.

Figura 1. Il glovebox, che mostra la camera principale, i guanti, il pannello di controllo e le grandi /piccole anticamere. I guanti sporgono quando viene eseguito a pressione positiva.

La pressione all’interno del glovebox è generalmente mantenuta tra ~ 3 e 6 mbar al di sopra della pressione atmosferica ed è regolata tramite elettronica (Figura 2). L’utente può avere un controllo aggiuntivo alzando o abbassando la pressione tramite un interruttore a pedale. La pressione viene aumentata facendo fluire più gas nel sistema e diminuita attraverso l’evacuazione dalla pompa per vuoto.

Figura 2. Il pannello di controllo controlla la pressione, la circolazione, lo spurgo, la luce, la rigenerazione e la grande anticamera.

Le scatole moderne sono spesso dotate di feedthrough elettrici e quindi la spettroscopia può essere eseguita nella scatola senza dover portare lo spettrometro nella scatola. I geli e i congelatori consentono rispettivamente reazioni e stoccaggio di sostanze chimiche a temperature ridotte. I collegamenti di gas e vuoto sono anche possibili per l’aggiunta di gas secondari agli esperimenti e la rimozione di solventi dalle reazioni, rispettivamente.

Una fonte di contaminazione proviene dai solventi, dai reagenti e dai materiali introdotti nella scatola. Se i solventi non vengono degassati e asciugati correttamente, possono aggiungere umidità e ossigeno all’atmosfera del glovebox. Inoltre, possono reagire e rovinare il catalizzatore utilizzato per mantenere l’atmosfera inerte. Allo stesso modo, i materiali porosi come la carta devono essere adeguatamente asciugati e lasciati uscire completamente nell’anticamera per ridurre al minimo la contaminazione.

I guanti sono una delle principali fonti di contaminazione. Poiché sono porosi, l’aria fluirà nel vano portaoggetti, anche quando si trovano a una pressione positiva. Il tasso di contaminazione dipenderà sia dal materiale del guanto che dallo spessore; i valori tipici per un singolo glovebox (scatola con due guanti) sono aumenti delle impurità di 59 ppm/h durante l’uso. ¹ Questo ovviamente presuppone che l’atmosfera all’interno della scatola non venga continuamente purificata o sostituita. Poiché gli utenti generano calore e sudore, il tasso di contaminazione può aumentare fino a 500 ppm/h quando la scatola è in uso. Inoltre, i fori nei guanti aumenteranno notevolmente lo scambio di aria con gas inerte all’interno della scatola.

Per mantenere un buon ambiente, è quindi essenziale avere un metodo per mantenere pulita l’atmosfera all’interno della scatola!

Il circolatore, il catalizzatore e lo spurgo:

Per mantenere l’atmosfera inerte, il gas inerte (più comunemente azoto) viene fatto circolare dalla camera principale a un catalizzatore e di nuovo alla camera principale. Il catalizzatore (Figura 3) è composto da setacci molecolari e un catalizzatore contenente rame. I setacci molecolari assorbono acqua e solvente dal gas, mentre il catalizzatore di rame reagisce con l’ossigeno. I due componenti lavorano insieme per mantenere un’atmosfera inerte priva di umidità e ossigeno. I grandi glovebox hanno spesso una ventola al centro della camera per aiutare a far circolare il gas all’interno della camera. Il flusso di gas attraverso il catalizzatore viene effettuato con il circolatore. All’ingresso e all’uscita della camera ci sono filtri, per ridurre al minimo la contaminazione da piccole particelle.

Figura 3. Il contenitore del catalizzatore è collegato alla camera principale da due valvole, che consentono all’atmosfera di circolare attraverso il letto del catalizzatore.

Nel corso del tempo, il catalizzatore del glovebox si disattiva (i setacci diventano saturi di umidità / solvente e / o il catalizzatore di rame diventa inattivo) e deve essere rigenerato per mantenere bassi livelli di umidità e ossigeno. Questo viene fatto rigenerando il catalizzatore riscaldandolo sotto un flusso di idrogeno, stabilizzato dall’azoto (gas di formazione). L’idrogeno serve a rimuovere tutto il solvente e l’acqua dai setacci e a ridurre il catalizzatore di rame, che nel processo rilascia acqua. L’acqua e il solvente rilasciato vengono rimossi tramite una pompa per vuoto.

Il catalizzatore di rame può essere avvelenato da determinati solventi e sostanze chimiche volatili, e quindi è fondamentale ridurre al minimo l’esposizione a queste impurità. Ciò include solventi eterei, ammine (veleno temporaneo), alogeni, alcoli e composti contenenti zolfo (veleni permanenti). La presenza dei setacci molecolari nel catalizzatore riduce notevolmente l’esposizione del catalizzatore di rame a queste sostanze chimiche, ma nel tempo il rame può essere disattivato e l’intero catalizzatore-setacci e rame-deve essere sostituito.

Per ridurre al minimo la contaminazione del catalizzatore con sostanze chimiche indesiderate, la camera principale del glovebox può essere isolata dal catalizzatore (disattivando la circolazione dell’atmosfera attraverso il catalizzatore) quando vengono utilizzate sostanze chimiche. La camera del vano portaoggetti può essere spurgata (in sostanza sostituendo l’atmosfera con una nuova fornitura di gas) prima di riacrezionare la circolazione. Ciò garantisce inoltre che l’atmosfera del glovebox non contenga tracce di solventi, che possono influire sulle reazioni chimiche o apparire negli spettri NMR quando i campioni vengono preparati all’interno del glovebox. La durata dello spurgo dipende da quanta parte dell’atmosfera inerte deve essere sostituita. Ad esempio, dopo ~ 5 volte il volume del vano portaoggetti è stato spostato dal gas fresco, ~ 1% del vecchio gas inerte rimane; questo diminuisce allo 0,1% con 7 volte la variazione di volume. ¹ Il tempo sarà determinato dalla portata del gas inerte nella camera.

L’anticamera:

Le sostanze chimiche e le forniture vengono portate dentro e fuori dal vano portaoggetti tramite l’anticamera (Figura 4). Si tratta di un compartimento sigillato che collega il glovebox all’esterno e può essere evacuato con una pompa per vuoto e riempito con atmosfera inerte. Per ridurre al minimo la contaminazione da aria, gli utenti eseguiranno in genere 3 cicli di spurgo / riempimento, con il tempo di evacuazione a seconda delle dimensioni dell’anticamera e di quali oggetti devono essere portati nel vano portaoggetti. Gli oggetti che hanno una superficie elevata e sono porosi devono essere evacuati per un tempo più lungo, per garantire lo spostamento dell’aria.

Figura 4. Le grandi e piccole anticamere; ognuno ha il proprio manometro e valvola.

In generale, la frazione di aria rimanente nella camera dopo ogni ciclo di pompaggio e riempimento è data dall’equazione 1,¹ dove A_f = frazione di aria rimanente, f è la pressione del vuoto raggiungibile (in atmosfere) e n è il numero di cicli.

A_f = fⁿ (1)

Pertanto, dopo 2 cicli, una pompa in grado di raggiungere 1 torr (1,3 x 10^-3 atm) avrà 1,7 ppm di aria (in gas inerte). Questo numero scende a 2,2 ppb di aria (in gas inerte) dopo 3 cicli.

Il tempo necessario per evacuare la camera dipenderà dal volume della camera e dalla velocità di pompaggio. Questo può essere approssimato dall’equazione 2,¹ dove t è il tempo (min), V è il volume della camera (L), S è la velocità di pompaggio del vuoto (L / min) e P₁ e P₂ sono rispettivamente le pressioni iniziale e finale.

(2)

Mentre le scatole più vecchie hanno valvole manuali per aprire e chiudere l’ingresso del gas vuoto / inerte nelle camere, le scatole moderne fanno uso di controlli elettronici e il processo può anche essere automatizzato.

Sensori e controlli:

Molti glovebox moderni fanno uso di un display elettronico e touchpad per controllare i glovebox (Figura 2). Ad esempio, l’accensione e lo spegnimento del circolatore, lo spurgo, l’apertura e la chiusura delle valvole sull’anticamera, ecc.,Sono facilmente applicati con la semplice pressione di un pulsante. Il display può anche monitorare i livelli di ossigeno e umidità nel glovebox, se sono installati sensori, il che facilita notevolmente la garanzia di un ambiente inerte. Tuttavia, è possibile utilizzare anche sensori chimici. Dietilzinco fumerà nella gamma di ossigeno a basso ppm e forma un residuo bianco in presenza di acqua. Il benzofenone di sodio e il metallocene Ti(III) sintetizzato nel modulo Schlenk Line sono anche indicatori comuni nel glovebox per garantire che l’atmosfera sia priva di umidità e ossigeno. Il benzofenone di sodio può anche essere utilizzato per garantire la rimozione dell’umidità dal solvente. Questo indicatore radicale viola diventa blu quindi incolore in presenza di umidità o ossigeno.

Procedure

1. Portare oggetti nel Glovebox

Assicurarsi che gli articoli da portare siano stati essiccati al forno (se in vetro) e che i contenitori siano aperti.
Controllare il registro delle anticamere per assicurarsi che sia vuoto.
Riempire l’anticamera, manualmente o elettronicamente. Una volta riempito con 1 atm di gas inerte, chiudere la valvola di ingresso per isolare la camera.
Apri l’anticamera verso l’esterno e posiziona gli oggetti nella camera.
Chiudere la camera ed evacuare (manualmente o elettronicamente).
Compila il registro. In genere, gli utenti includono le iniziali, gli elementi e i tempi di ogni ciclo.
Dopo che il quadrante a pressione ha raggiunto la pressione minima, lasciare l’anticamera sotto vuoto dinamico per 5 minuti per una piccola anticamera e 20 minuti per una grande anticamera.
Riempire l’anticamera con gas inerte; in genere, gli utenti si riempiono a ~ 0,75 atm, poiché la valvola di ingresso collega la camera principale all’anticamera.
Evacuare e annotare l’ora.
Ripetere i passaggi 1,8-1,9, in modo che in totale l’anticamera sia stata evacuata 3 volte.
Dopo 3 cicli, riempire l’anticamera con gas inerte e chiudere l’alimentazione del gas dell’inserto.
Apri l’anticamera dall’interno del vano portaoggetti e porta gli oggetti nell’anticamera.
Chiudi la porta dell’anticamera ed evacua la camera. Quando il glovebox è nel suo stato di riposo, le camere devono essere lasciate sotto vuoto dinamico.
Si noti sul registro che la procedura è completa, in modo che gli altri utenti sappiano che l’anticamera è gratuita.

2. Rimozione di oggetti dal Glovebox

Guarda il giornale di bordo per vedere lo stato dell’anticamera. Assicurati che non sia in uso e che l’ultima operazione sia stata quella di portare un oggetto nell’anticamera. Se l’ultima operazione è stata quella di portare fuori un oggetto, riempire/evacuare rapidamente l’anticamera 3x con gas inerte. Questo per garantire che non sia presente aria residua (Equazione 1) quando si apre l’anticamera al vano portaoggetti.
Riempire l’anticamera con gas inerte e chiudere la valvola che collega l’alimentazione di gas inerte alla camera.
Aprire l’anticamera dall’interno del vano portaoggetti.
Caricare gli oggetti nella camera e chiudere la porta.
Dall’esterno del vano portaoggetti, aprire la porta dell’anticamera e rimuovere gli oggetti.
Evacuare la camera.
Si noti che gli elementi sono stati rimossi e l’ora sul giornale di bordo.

3. Garantire un buon ambiente di lavoro

Test dell’ambiente
1. Spegnere il circolatore.
2. Spegnere tutte le ventole nella camera principale del glovebox.
3. Aprire un flacone di soluzione di dietilamzinco in esani (spesso 1,0 M).
4. Ruotare delicatamente la bottiglia per sostituire l’atmosfera del gas nella bottiglia con l’atmosfera nella scatola. Se il fumo emerge dalla bottiglia, questa è un’indicazione che O₂, acqua o un solvente etere è presente nell’atmosfera. Se l’atmosfera è compromessa, è necessario identificare la fonte di impurità indesiderate.
5. Accendere lo spurgo per 5 minuti.
6. Spegnere lo spurgo e accendere il circolatore.
Fare l’indicatore radicale
1. Spegnere il circolatore.
2. Nel glovebox, pesare 5 mg di benzofenone e trasferirlo in un flaconcino di scintillazione da 20 mL.
3. Pesare ~ 500-1.000 mg di sodio e trasferirlo al flaconcino di scintillazione. Chiudere il flaconcino.
4. Aggiungere 20 ml di tetraidrofurano secco (THF) e una barra di agitazione. Chiudere il flaconcino.
5. Accendere lo spurgo per almeno 15 minuti prima di riaccendere il circolatore.
6. Lasciare che la reazione si agiti per 48 ore o fino a quando la soluzione si trasforma in una soluzione viola scuro e inchiostrato. La soluzione dovrebbe andare da incolore a blu a viola, e ci dovrebbe essere eccesso di sodio sul fondo della fiala. Questo dovrebbe dare una soluzione con ~ 1,4 mM di radicale.
Test del solvente con l’indicatore di-radicale
Nota: il radicale appena sintetizzato può essere utilizzato per testare l’O₂ e le impurità dell’acqua nei solventi.
1. Se si testa un solvente etere, spegnere il circolatore. Alcuni gruppi richiedono che il circolatore sia spento prima di aprire qualsiasi sostanza chimica nella scatola.
2. Aggiungere una goccia della soluzione radicale a 10 ml del solvente di prova. I solventi che possono essere testati utilizzando il radicale includono THF, etere etilico, toluene, benzene, esani e pentano. Il radicale reagirà con solventi clorurati, piridina e altri solventi che reagiscono con metalli alcalini.
3. Osservare il colore della soluzione per 1-2 minuti. Un solvente secco manterrà il colore del radicale chetilico indefinitamente. Realisticamente, il campione dovrebbe mantenere il colore per almeno 1-2 minuti. I colori positivi del test sono riportati nella Tabella 1 di seguito.
4. Chiudere tutte le bottiglie di solvente e accendere lo spurgo per almeno 15 minuti. Riaccendere il circolatore.

Tabella 1. Colori di prova positivi per test con solvente con radicali.
Solvente	Colore
Etere etilico	Blu scuro
THF ·	Viola scuro
Benzene/toluene/xileni	Blu scuro/viola
Esani/pentano	Blu scuro

Sostanze sensibili come composti organolitici o organometallici possono reagire violentemente se esposte all’ossigeno o all’acqua dell’aria. Pertanto, è necessario un ambiente di lavoro inerte, che può essere ottenuto utilizzando un glovebox.

Il glovebox è un dispositivo importante utilizzato in molti laboratori, che consente la manipolazione e lo stoccaggio di composti sensibili all’aria e all’umidità.

Inoltre, può essere utilizzato per misurare sostanze sensibili ed effettuare reazioni.

Questo video illustrerà come utilizzare il glovebox e come sintetizzare un indicatore per testare l’ossigeno e l’acqua all’interno di solventi secchi.

In generale, un glovebox è composto da una scatola di metallo con finestre in policarbonato dotate di guanti butilici che consentono la manipolazione all’interno della scatola. Sostanze chimiche e forniture vengono introdotte nel vano portaoggetti tramite le anticamere, mentre i sensori e un pannello di controllo vengono utilizzati per il monitoraggio e le normative.

Inoltre, la funzionalità di un glovebox può essere estesa da attrezzature extra, che vanno dai ganci sottovuoto ai congelatori per la conservazione di sostanze chimiche.

L’atmosfera del glovebox è ottenuta utilizzando gas inerte come l’azoto. La scatola è a tenuta di gas e funziona a pressione positiva, che viene controllata regolando elettronicamente il flusso di gas nel sistema.

L’atmosfera inerte viene fatta circolare attraverso un letto catalizzatore, che si trova sotto il vano portaoggetti.

Il catalizzatore è composto da setacci molecolari e rame, che vengono utilizzati per mantenere un basso livello di ossigeno e umidità. Il rame reagisce con l’ossigeno presente nell’atmosfera, mentre i setacci molecolari assorbono l’acqua. Il catalizzatore deve essere rigenerato regolarmente riscaldandolo sotto un flusso di idrogeno e azoto gassoso per assicurarne l’attività.

Oltre all’umidità e all’ossigeno, vari solventi possono contaminare il catalizzatore. Per evitare ciò, la camera del glovebox è isolata, quando si lavora con sostanze chimiche incompatibili.

Inoltre, la contaminazione può essere introdotta attraverso l’anticamera, che deve essere sottoposta a più cicli di evacuazione e spurgo per rimuovere quanta più aria possibile. La frazione di aria rimanente può essere calcolata usando questa equazione.

Il contenuto di umidità e ossigeno all’interno della scatola o di qualsiasi solvente secco può essere testato utilizzando sensori chimici. Il dietizinco viene utilizzato per testare la contaminazione all’interno della scatola, mentre il benzofenone di sodio viene utilizzato per i solventi.

Ora che hai familiarità con le basi, diamo un’occhiata a come utilizzare il glovebox e testiamo l’ossigeno e l’acqua.

Prima di iniziare a familiarizzare con lo strumento. Per un’istruzione dettagliata sull’uso del glovebox guarda il nostro video nella raccolta di sicurezza del laboratorio. Assicurarsi che i bicchieri da portare siano stati essiccati al forno e che i contenitori vuoti siano aperti.

Controllare il registro delle anticamere per assicurarsi che sia vuoto. Quindi, riempire l’anticamera con gas inerte a 1 atm e chiudere la valvola di ingresso per isolare la camera.

Una volta che la camera è stata spurgata, aprirla dall’esterno e posizionare gli oggetti all’interno della camera. Chiudi la camera ed evacuarla.

Compila il registro includendo iniziali, elementi e tempi di ogni ciclo, mentre la camera sta evacuando. Quando viene raggiunta la pressione minima, lasciare l’anticamera sotto vuoto dinamico tra 5-20 min.

Quindi, utilizzando la valvola di ingresso, spurgare nuovamente l’anticamera, attendere fino al raggiungimento di 1 atm ed evacuare di nuovo. Annotare l’ora e ripetere il ciclo. Infine, riempire la camera con N₂ e chiudere l’alimentazione di gas inerte, al termine del processo di spurgo.

Ora sei pronto per aprire l’anticamera dall’interno del vano portaoggetti per portare gli oggetti. Chiudi la porta dell’anticamera al termine, evacua e compila il registro.

Controllare il giornale di bordo per l’ultimo stato dell’anticamera e che non è in uso. Ripetere il processo di spurgo se l’anticamera è stata utilizzata per far emergere gli oggetti come ultima operazione. Quindi, chiudere la valvola che collega l’alimentazione di gas inerte, una volta riempita l’anticamera.

Apri la porta dall’interno, carica gli oggetti nella camera e chiudi la porta. Quindi aprire la camera dall’esterno e rimuovere gli oggetti. Evacuare la camera e compilare il giornale di bordo.

Ora che hai familiarità con l’uso corretto di un glovebox, esaminiamo come i sensori di impurità possono essere utilizzati per testare l’ossigeno e l’acqua nell’atmosfera del glovebox e vari solventi.

Per testare l’atmosfera del glovebox per i livelli di ossigeno e acqua, spegnere prima il circolatore. Quindi, aprire una bottiglia di soluzione di dietilamzinco in esani all’interno del glovebox.

Ruotare delicatamente la soluzione per sostituire l’atmosfera del gas con l’atmosfera del glovebox all’interno della bottiglia. Qualsiasi fumo emergente e residuo bianco indica ossigeno, acqua o un solvente etere presente nell’atmosfera. Quindi, spurgare il glovebox per 5 minuti, spegnere lo spurgo e riaccendere il circolatore al termine.

Oltre a testare l’atmosfera del glovebox, gli indicatori possono essere utilizzati per testare vari solventi per l’ossigeno e le impurità dell’acqua. Innanzitutto, spegnere il circolatore. Quindi, aprire il flacone del solvente desiderato e trasferire 10 ml in una fiala a scintillazione. Aggiungere una goccia della soluzione di radicale chetilico per testare il solvente e osservare il colore per 1-2 minuti.

Se il solvente è asciutto, manterrà il colore viola del chetil-radicale a tempo indeterminato. Se il colore cambia in blu e poi incolore, allora il solvente ha impurità. Per finire, chiudere tutte le bottiglie di solvente, eliminare il glovebox e riaccendere il circolatore.

Il glovebox è ampiamente utilizzato per gestire materiali sensibili all’aria e all’umidità per effettuare reazioni, analisi spettroscopiche o per conservare composti in condizioni di uscita dell’aria.

Ad esempio, il radicale ketilico, che viene utilizzato per testare i solventi per acqua e ossigeno, viene sintetizzato utilizzando un glovebox. Per effettuare la sintesi iniziare con lo spegnimento del circolatore. Pesare 5 mg di benzofenone in un flaconcino di scintillazione da 20 ml. Quindi, pesare 0,5-1 g di sodio e trasferirlo nella stessa fiala di scintillazione insieme a una barra di agitazione. Aggiungere 20 ml di THF secco e chiudere il flaconcino.

Riaccendere il circolatore, dopo aver spurgato il vano portaoggetti per 15 minuti. Mescolare la reazione per 48 ore o fino a quando il colore cambia da incolore a blu a viola. Una volta raggiunto il viola, il radicale ketilico è pronto per l’uso.

Oltre agli indicatori chimici, il glovebox può essere utilizzato per la sintesi di composti sensibili all’aria, come l’1,2-azaborine.

In questo esempio N-H-B-etil-1,2-azaborina viene sintetizzato a partire da N-TBS-B-Cl-1,2-azaborina utilizzando un glovebox e una linea di Schlenk. Il composto isolato viene quindi utilizzato per preparare un complesso cristallino proteina-ligando con mutanti lisozima purificati e le interazioni di legame proteico vengono studiate utilizzando l’analisi di diffrazione a raggi X.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE al glovebox e ai sensori chimici. Ora dovresti capire come utilizzare un glovebox, come testare la contaminazione da acqua e ossigeno e come sintetizzare composti sensibili all’aria e all’umidità. Grazie per l’attenzione!

Applications and Summary

Il glovebox è uno strumento molto pratico per lavorare e manipolare composti sensibili all’aria e all’umidità. La maggior parte delle manipolazioni che possono essere fatte sul banco, possono essere fatte prontamente in un’atmosfera inerte.

Il glovebox può essere utilizzato per immagazzinare sostanze chimiche, eseguire reazioni ed eseguire analisi spettroscopiche. I glovebox sono completamente personalizzabili, quindi i clienti possono richiedere molti componenti aggiuntivi per soddisfare le loro esigenze. Laboratori diversi avranno linee guida per l’utente di glovebox diverse; pertanto, è molto importante comprendere i requisiti per lavorare in un glovebox prima di eseguire qualsiasi manipolazione.

References

Shriver, M. A. Drezdzon. The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. John Wiley & Sons. USA. (1986).

Transcript

Sensitive substances like organolithium- or organometallic compounds can violently react when exposed to oxygen or water from air. Hence, an inert working environment is required, which can be achieved by using a glovebox.

The glovebox is an important device used in many laboratories, which allows handling and storage of air- and moisture sensitive compounds.

Furthermore, it can be used to measure sensitive substances and carry out reactions.

This video will illustrate how to operate the glovebox, and how to synthesize an indicator to test for oxygen and water within dry solvents.

In general, a glovebox is comprised of a metal box with polycarbonate windows fitted with butyl gloves allowing for manipulation inside the box. Chemicals and supplies are brought into the glovebox via the antechambers, while sensors and a control panel are used for monitoring and regulations.

Furthermore, the functionality of a glovebox can be extended by extra equipment, ranging from vacuum hook ups to freezers for chemical storage.

The glovebox atmosphere is achieved using inert gas such as nitrogen. The box is gas-tight and run at positive pressure, which is controlled by electronically regulating the gas flow into the system.

The inert atmosphere is circulated through a catalyst bed, which is located below the glovebox.

The catalyst is comprised of molecular sieves and copper, which are used to maintain a low level of oxygen and moisture. Copper reacts with oxygen present in the atmosphere, while molecular sieves absorb water. The catalyst has to be regenerated on a regular basis by heating it under a stream of hydrogen and nitrogen gas to assure its activity.

Besides moisture and oxygen, various solvents can contaminate the catalyst. To avoid this, the glovebox chamber is isolated, when working with incompatible chemicals.

Additionally, contamination can be introduced through the antechamber, which must undergo multiple evacuation and purging cycles to remove as much air as possible. The fraction of air remaining can be calculated using this equation.

The content of moisture and oxygen inside the box or any dry solvent can be tested using chemical sensors. Diethylzinc is used to test for contamination inside the box, while sodium benzophenone is used for solvents.

Now that you are familiar with the basics, let’s take a look at how to operate the glovebox and test for oxygen and water.

Before you start familiarize yourself with the instrument. For an in detail instruction of glovebox usage watch our video in the laboratory safety collection. Assure that glassware to be brought in has been oven-dried, and empty containers are open.

Check the antechamber log to make sure it is empty. Then, fill the antechamber with inert gas to 1 atm, and close the inlet valve to isolate the chamber.

Once the chamber is purged, open it from the outside, and place the items inside the chamber. Close the chamber, and evacuate it.

Fill in the log including initials, items, and times of each cycle, while the chamber is evacuating. When minimum pressure is reached, leave the antechamber under dynamic vacuum between 5-20 min.

Then, using the inlet valve purge the antechamber again, wait until 1 atm is reached, and evacuate again. Note the time and repeat the cycle. Lastly, refill the chamber with N2 and close off the inert gas supply, when the purging process is finished.

Now you are ready to open the antechamber from inside the glovebox to bring the items in. Close the antechamber door when finished, evacuate it, and fill out the log.

Check the logbook for the last status of the antechamber and that it is not in use. Repeat the purging process if the antechamber was used to bring out items as the last operation. Then, close the valve connecting the inert gas supply, once antechamber is filled.

Open the door from inside, load the items into the chamber, and close the door. Then open the chamber from outside and remove the items. Evacuate the chamber and fill out the logbook.

Now that you are familiar with the proper usage of a glovebox, let’s examine how impurity sensors can be used to test for oxygen and water in the glovebox atmosphere and various solvents.

To test the glovebox atmosphere for oxygen and water levels, first turn off the circulator. Then, open a bottle of diethylzinc solution in hexanes inside the glovebox.

Gently swirl the solution to replace the gas atmosphere with the glovebox atmosphere inside the bottle. Any emerging smoke and white residue indicates oxygen, water, or an ether solvent present in the atmosphere. Then, purge the glovebox for 5 min, turn off the purge, and turn the circulator back on when finished.

In addition to testing the glovebox atmosphere, indicators can be used to test various solvents for oxygen and water impurities. First, turn off the circulator. Then, open the bottle of the desired solvent and transfer 10 mL into a scintillation vial. Add one drop of the ketyl radical solution to test the solvent and observe the color over 1-2 min.

If the solvent is dry, it will hold the purple color of the ketyl-radical indefinitely. If the color changes to blue and then to colorless, then the solvent has impurities. To finish, close all solvent bottles, purge the glovebox and turn the circulator back on.

The glovebox is widely used to handle air- and moisture sensitive materials to carry out reactions, spectroscopic analysis, or to store compounds under air free conditions.

For example, the ketyl radical, which is used to test solvents for water and oxygen, is synthesized using a glovebox. To carry out the synthesis start with turning off the circulator. Weigh out 5 mg of benzophenone into a 20 mL scintillation vial. Then, weigh out 0.5-1 g of sodium and transfer it to the same scintillation vial together with a stir bar. Add 20 mL of dry THF and cap the vial.

Turn the circulator back on, after purging the glovebox for 15 min. Stir the reaction for 48 h or until the color changes from colorless to blue to purple. Once purple is reached, the ketyl radical is ready to use.

Besides chemical indicators, the glovebox can be used for the synthesis of air sensitive compounds, such as 1,2-azaborines.

In this example N-H-B-ethyl-1,2-azaborine is synthesized starting from N-TBS-B-Cl-1,2-azaborine using a glovebox and a Schlenk line. The isolated compound is then used to prepare a protein-ligand crystal complex with purified lysozyme mutants, and the protein-binding interactions are studied using X-ray diffraction analysis.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the glovebox and chemical sensors. You should now understand how to operate a glovebox, how to test for water and oxygen contamination, and how to synthesize air- and moisture sensitive compounds. Thanks for watching!