Manipolazione di sostanze chimiche sensibili all'aria e all'acqua tramite l'impiego di una linea Schlenk

Handling Air- and Water-Sensitive Chemicals Using a Schlenk Line

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Handling Air- and Water-Sensitive Chemicals Using a Schlenk Line

6.1: Proper Personal Protective Equipment

6.13: Proper Operation of Vacuum Based Equipment

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07:05 min

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April 30, 2023

Overview

Robert M Rioux, Ajay Sathe, Zhifeng Chen, Pennsylvania State University, University Park, PA

L’uso di reagenti sensibili all’ossidazione o all’umidità richiede l’uso di tecniche prive di aria. Una linea Schlenk è un apparecchio di vetro utilizzato abitualmente per eseguire manipolazioni prive di aria e umidità in un laboratorio chimico¹. La linea Schlenk è ampiamente utilizzata da molti chimici poiché consente loro di condurre reazioni sensibili all’aria o all’acqua anche senza la spesa e la restrizione di un vano portaoggetti. La linea Schlenk può essere configurata per inerte atmosfera gassosa come Azoto e Argon o esporre la vetreria al vuoto. Un altro modo per ottenere un ambiente privo di aria e umidità prevede l’uso di un glovebox. La principale differenza tra una linea Schlenk e un vano portaoggetti è che lo spurgo e la ricarica si applicano direttamente ai recipienti di reazione, mentre lo spurgo e la ricarica si applicano all’airlock anziché al glovebox. Inoltre, in un glovebox, le apparecchiature di laboratorio convenzionali possono essere allestite con un ampio spazio inerte, tuttavia i guanti devono essere utilizzati per gestire l’esperimento e anche il glovebox stesso è costoso.

Principles

Una linea Schlenk è costituita da due tubi di vetro collegati tramite diverse porte. Uno dei tubi è collegato a una fonte di vuoto e l’altro è collegato a un gas inerte (tipicamente azoto, ma possono essere utilizzati altri gas inerti). Le porte che collegano i due tubi sono dotate di valvole bidirezionali che consentono di selezionare l’atmosfera di gas vuoto o inerte all’uscita della porta. Una guarnizione liquida viene utilizzata all’estremità del tubo del gas inerte, per mantenere l’atmosfera inerte in caso di riflusso durante il riempimento di vetreria evacuata.

Procedure

1. Procedura generale per effettuare una reazione in atmosfera inerte

Evacuazione della vetreria
1. Avviare la pompa per vuoto e riempire il pallone dewar in cui è immersa la trappola della linea schlenk con azoto liquido.
2. Utilizzare bicchieri essiccati al forno o essiccati a fiamma per garantire che non vi sia umidità residua adsorbita sulle pareti della vetreria.
3. Sigillare il pallone utilizzando adattatori in vetro sradicato o setti di gomma. Si consiglia vivamente di utilizzare grasso sottovuoto per evitare il sequestro dei giunti in vetro sradicato.
4. Collegare la vetreria sigillata alla linea Schlenk utilizzando un adattatore/collegamento appropriato.
5. Ruotare la valvola bidirezionale per aprire la linea al vuoto.
6. Evacuare il sistema e lasciare raffreddare il pallone a temperatura ambiente
Spurgo con gas inerte
1. Assicurarsi che la linea del gas inerte sia aperta e che il flusso sufficiente sia visto attraverso il gorgogliatore. Un flusso tipico per il funzionamento della linea schlenk è di circa una bolla al secondo. Il flusso dovrebbe essere aumentato durante lo spurgo iniziale del sistema dopo l’evacuazione.
2. Una volta che il pallone si è raffreddato a temperatura ambiente, ruotare lentamente la valvola bidirezionale per aprire la linea al gas inerte, facendo attenzione che qualche gas riesca ancora a raggiungere il gorgogliatore. Prestare attenzione a non passare al gas inerte troppo rapidamente, in quanto ciò può portare al sigillante liquido dal gorgogliatore a fluire di nuovo nella linea schlenk.
3. Una volta che il flusso di gas inerte si è stabilizzato al suo stato originale (come osservato sul gorgogliatore), riportare la valvola bidirezionale al vuoto e ripetere la procedura di cui sopra altre due volte.
Aggiunta di reagenti
1. Una volta che il pallone è stato evacuato e riempito con gas inerte per un totale di tre volte, è ora pronto per l’uso nella manipolazione di reagenti sensibili all’aria / umidità. Il flusso di gas inerte può essere riadattato a una bolla al secondo per risparmiare il consumo di gas inerte.
2. I reagenti vengono tipicamente aggiunti da una bottiglia sigillata al setto o da una stazione di erogazione del solvente.
3. Utilizzare una cannula o aghi essiccati al forno per trasferire i reagenti sensibili all’aria nel pallone. Assicurarsi che il pallone sia in atmosfera inerte e non sotto vuoto poiché l’aggiunta di sostanze chimiche a un pallone sotto vuoto può danneggiare la fonte del vuoto.
Spegnimento della reazione
1. Una volta completata la reazione, spegnere attentamente la reazione usando un reagente appropriato.
2. La fase di tempra provoca regolarmente la generazione di gas, assicurarsi che la valvola bidirezionale sia aperta al gas inerte in modo che non vi sia accumulo di pressione nella vetreria.

2. Progettazione di base e allestimento della linea Schlenk.

Il design delle linee Schlenk varia da laboratorio a laboratorio, ma le caratteristiche principali sono le stesse. La Figura 1 mostra un set up schematico della linea di Schlenk con le caratteristiche chiave evidenziate.

Figura 1. Configurazione schematica di una linea di Schlenk.
Il doppio collettore è costituito da due tubi di vetro paralleli, che formano il corpo principale della linea Schlenk. Un collettore di gas è collegato all’alimentazione del gas inerte e un collettore di vuoto è collegato alla linea del vuoto, che consente di passare dal gas inerte al vuoto regolando i rubinetti. Il gas esce dal collettore attraverso un gorgogliatore d’olio visibile per monitorare il flusso del gas. Il collettore per vuoto è chiuso a un’estremità e l’altra estremità è collegata a una trappola fredda e a una pompa per vuoto. La trappola fredda viene utilizzata per evitare che solventi volatili o corrosivi danneggino la pompa.

3. Problemi di sicurezza con la linea Schlenk.

Ossigeno liquido.
L’ossigeno liquido può accumularsi se un vapore d’aria costante entra nella linea del vuoto con la trappola fredda. Questo può essere indicato da un liquido azzurro nella trappola, poiché l’ossigeno liquido è azzurro. L’ossigeno liquido è pericoloso a causa della sua violenta reazione con solventi organici, tra cui il grasso sottovuoto e l’alta pressione generata una volta che la vaporizzazione avviene in questo spazio ristretto. Ricordarsi di non aprire mai la linea del vuoto all’aria quando la trappola fredda è in posizione.
Esplosione.
1. I gas pressurizzati possono diventare pericolosi, quindi assicurati che il sistema sia aperto con il flusso di gas inerte. Le esplosioni possono verificarsi se la pressione è accumulata nel caso di un sistema chiuso.
2. Reazioni violente: se la reazione sfugge al controllo, un grande volume di gas potrebbe essere generato rapidamente e potrebbe causare un’esplosione. Essere consapevoli della reazione prima di operare nella linea Schlenk.
3. Riscaldamento di un sistema chiuso: in un sistema chiuso, l’aumento della temperatura aumenterà anche la pressione. Essere consapevoli di eventuali reazioni con proprietà termiche e assicurarsi che la linea sia aperta e che ci sia un gorgogliatore per lo scarico della pressione.
Implosione.
Le crepe nella vetreria causeranno rotture sotto vuoto. Riparare o sostituire la vetreria incrinata.

Una linea Schlenk è un’apparecchiatura di laboratorio che consente la manipolazione sicura di sostanze chimiche sensibili all’aria e all’acqua.

Una linea Schlenk richiede un vuoto, gas inerte e temperature criogeniche. Deve essere utilizzato con cura per prevenire guasti alle apparecchiature e quindi il rilascio di sostanze chimiche pericolose. Questo video discute i potenziali pericoli associati alla linea Schlenk e le precauzioni necessarie per il suo uso sicuro. Per ulteriori informazioni sul funzionamento e le applicazioni della linea Schlenk, si prega di guardare il video di JoVE su “Schlenk Lines Transfer of Solvent”.

Iniziamo esaminando brevemente i componenti di una linea schlenk. Una linea Schlenk è costituita da una coppia di tubi di vetro chiamati insieme chiamati “collettori doppi”. Un tubo si collega a una pompa per vuoto e l’altro a una fonte di gas inerte. Un pallone Schlenk, o altro apparecchio, si collega al doppio collettore tramite una valvola bidirezionale che consente l’accesso alla linea del vuoto o alla linea del gas inerte, ma mai entrambi contemporaneamente.

Esaminiamo la linea del vuoto in modo più dettagliato. La linea del vuoto è sigillata a un’estremità. L’altra estremità si collega a una trappola fredda, che è a sua volta collegata alla pompa per vuoto. Un pallone Schlenk esposto a questa linea sarà evacuato e i gas inviati alla trappola fredda, un contenitore di vetro immerso nell’azoto liquido. Congela le sostanze organiche volatili, proteggendo la pompa dai danni e l’utente dall’esposizione. I potenziali pericoli della linea del vuoto includono l’implodere del vetro sotto vuoto e i rischi per la sicurezza associati all’azoto liquido.

Successivamente, ci rivolgiamo alla linea del gas inerte. Il gas inerte, solitamente azoto o argon, è regolato da una valvola e spesso passa attraverso un essiccante prima di entrare nella linea Schlenk. Un pallone Schlenk esposto a questa linea sarà riempito con il gas inerte. Il gas in eccesso lascia quindi il sistema tramite un gorgogliatore di olio minerale, per impedire all’aria di entrare nella linea del gas inerte. I potenziali pericoli di questa linea includono l’esplosione del vetro a causa della sovrapressurizzazione e l’esposizione della linea del gas inerte al vuoto.

È importante eseguire controlli di sicurezza regolari durante la configurazione dell’apparecchio.

La linea Schlenk è montata all’interno di una cappa aspirante e azionata con l’anta ribassata, per proteggere l’utente dall’esposizione involontaria. Uno scudo anti-esplosione può essere utilizzato in aggiunta, quando si maneggiano reagenti molto sensibili. Indossare occhiali di sicurezza o una visiera, un cappotto da laboratorio ignifugo e guanti criogenici quando si lavora con azoto liquido.

Controllare la pressione del tubo per verificare la disponibilità di strappi o altri difetti prima di collegare il doppio collettore alla pompa per vuoto e alla linea del gas inerte. Assicurarsi che ci sia abbastanza olio nel gorgogliatore d’olio.

La linea Schlenk contiene valvole di ritegno per impedire il riflusso dell’aria nel sistema e valvole limitatrici di pressione sul doppio collettore e sulla trappola fredda. I connettori utilizzano morsetti in vetro sigillati con morsetti a U e O-ring ermetici. Assicurarsi che queste valvole e connettori non siano danneggiati. Applicare grasso sottovuoto alla vetreria all’interfaccia tra le superfici.

Asciugare il matraccio Schlenk e gli altri oggetti di vetro mediante essiccazione a forno o a fiamma. Controllare la vetreria e il doppio collettore per le crepe. Il vetro incrinato può implodere sotto vuoto, esponendo i reagenti all’atmosfera e ferendo l’utente. Sigillare accuratamente il pallone Schlenk con un setto di gomma o un adattatore di vetro sradicato prima di collegarlo alla linea.

Ora che abbiamo visto le precauzioni preliminari, passiamo ai problemi di sicurezza durante il funzionamento della linea Schlenk.

Un potenziale pericolo è la formazione di ossigeno liquido nella trappola fredda. L’ossigeno liquido è estremamente esplosivo. Per evitare la sua formazione, avviare la pompa per vuoto ed evacuare la linea del vuoto prima di immergere la trappola fredda nell’azoto liquido Dewar. Non lasciare mai che la trappola fredda contatti l’azoto liquido a meno che la pompa per vuoto non sia in funzione e non aprire mai la linea del vuoto all’aria mentre il Dewar è in posizione.

L’ossigeno liquido può anche formarsi se l’aria entra inavvertitamente nella trappola fredda durante l’esperimento. Controllare la trappola fredda per un liquido azzurro. Se rilevato, spegnere la reazione e chiamare assistenza, ma mantenere l’apparecchio sotto vuoto e azoto liquido. È sicuro fermare il vuoto e rimuovere il Dewar solo una volta che l’ossigeno liquido vaporizza nella pompa.

Quando si lavora con la linea del gas inerte, controllare regolarmente l’alimentazione del gas inerte e la portata utilizzando il gorgogliatore di gas inerte. La portata dovrebbe essere di circa una bolla al secondo quando il pallone Schlenk è aperto alla linea, e leggermente maggiore altrimenti. La gorgogliatura dovrebbe essere visibile al gorgogliatore d’olio in ogni momento. Se non si vedono bolle, chiudere la fonte di gas inerte per evitare che la linea si sovrapressurizzi.

Se il gas inerte entra in contatto con il vuoto, si depressurizza, causando la chiusura della valvola di ritegno o il riflusso dell’olio minerale nella linea inerte, seguito dall’aria. In questo caso, spegnere la pompa e chiudere tutte le valvole.

Quando si spurga la linea Schlenk o un pallone Schlenk, ruotare la valvola molto lentamente. Ciò impedisce che la vetreria si rompa a causa di rapidi cambiamenti di pressione. Prima di aggiungere i reagenti, esporre lentamente il pallone Schlenk alla linea inerte, per evitare la depressurizzazione della linea inerte.

Prima di prelevare un reagente sensibile all’aria o all’acqua, eliminare la siringa e l’ago e il flacone del reagente sigillato con setto nella linea del gas inerte. Prelevare il reagente dal flacone, assicurandosi di sovrasegnare e quindi immergere al volume corretto. Aggiungere lentamente il reagente al matraccio Schlenk e, se necessario, porre la punta dell’ago in un becher di agente estinguante.

Dopo che la reazione è completa e spenta, rimuovere l’azoto liquido Dewar. Quindi spegnere la pompa.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE al funzionamento sicuro della linea Schlenk. Ora dovresti avere familiarità con il suo design, la sua procedura operativa e le precauzioni di sicurezza. Grazie per l’attenzione!

Applications and Summary

La linea Schlenk è un sistema estremamente utile, che consente la manipolazione di reagenti sensibili all’aria e/o all’acqua senza la spesa e la restrizione di un vano portaoggetti. Viene utilizzato in modo più sicuro all’interno di una cappa aspirante funzionante. Bisogna fare attenzione a prevenire l’accumulo di pressione nella linea schlenk garantendo una corretta ventilazione attraverso un gorgogliatore di gas.

References

Shriver, D. F.; Drezdzon, M. A. The Manipulations of Air-Sensitive Compounds, 2nd ed.; Wiley: New York, 1986.
Tips and Tricks for the Lab: Air-Sensitive Techniques, Sarah Millar, 2013, ChemistryViews at http://www.chemistryviews.org/details/education/3728881/Tips_and_Tricks_for_the_Lab_Air-Sensitive_Techniques_1.html

Transcript

A Schlenk line is a piece of laboratory equipment that allows for the safe handling of air- and water-sensitive chemicals.

A Schlenk line requires a vacuum, inert gas, and cryogenic temperatures. It must be operated with care to prevent equipment failure and thus release of hazardous chemicals. This video discusses the potential hazards associated with the Schlenk line, and precautions necessary for its safe use. For more information about the operation and applications of the Schlenk line, please watch JoVE’s video on “Schlenk Lines Transfer of Solvent.”

We begin by briefly examining the components of a Schlenk line. A Schlenk line consists of a pair of glass tubes together called a “dual manifold.” One tube connects to a vacuum pump, and the other to a source of inert gas. A Schlenk flask, or other apparatus, connects to the dual manifold via a two-way valve that permits access to either the vacuum line or the inert gas line, but never both simultaneously.

Let’s examine the vacuum line in greater detail. The vacuum line is sealed at one end. The other end connects to a cold trap, which is in turn connected to the vacuum pump. A Schlenk flask exposed to this line will be evacuated, and the gases sent to the cold trap, a glass container submerged in liquid nitrogen. It freezes volatile organics, protecting the pump from damage, and the user from exposure. Potential dangers of the vacuum line include glass imploding under vacuum, and the safety hazards associated with liquid nitrogen.

Next, we turn to the inert gas line. The inert gas, usually nitrogen or argon, is regulated by a valve and often passes through a desiccant before entering the Schlenk line. A Schlenk flask exposed to this line will be filled with the inert gas. The excess gas then leaves the system via a mineral oil bubbler, to prevent air from entering the inert gas line. Potential hazards of this line include glass exploding due to over pressurization, and the exposure of the inert gas line to the vacuum.

It is important to perform regular safety checks while setting up the apparatus.

The Schlenk line is mounted inside a fume hood and operated with the sash lowered, to protect the user from inadvertent exposure. A blast shield may be used additionally, when handling very sensitive reagents. Wear safety goggles or a face shield, a flame-proof lab coat, and cryogenic gloves when working with liquid nitrogen.

Check the tubing for tears or other defects before connecting the dual manifold to the vacuum pump and the inert gas line. Ensure there is sufficient oil in the oil bubbler.

The Schlenk line contains check valves to prevent backflow of air into the system, and pressure relief valves on the dual manifold and the cold trap. The connectors use glass clamps sealed with U-clamps and airtight O-rings. Ensure these valves and connectors are not damaged. Apply vacuum grease to the glassware at the interface between surfaces.

Dry the Schlenk flask and other glassware by oven- or flame-drying. Check the glassware and the dual manifold for cracks. Cracked glass can implode under vacuum, exposing the reagents to the atmosphere and injuring the user. Seal the Schlenk flask carefully with a rubber septum or a ground glass adapter before connecting it to the line.

Now that we’ve seen the preliminary precautions, let’s turn to safety concerns while operating the Schlenk line.

One potential hazard is the formation of liquid oxygen in the cold trap. Liquid oxygen is extremely explosive. To prevent its formation, start the vacuum pump and evacuate the vacuum line before submerging the cold trap in the liquid nitrogen Dewar. Never allow the cold trap to contact liquid nitrogen unless the vacuum pump is running, and never open the vacuum line to air while the Dewar is in place.

Liquid oxygen can also form if air inadvertently enters the cold trap during the experiment. Check the cold trap for a light blue liquid. If detected, quench the reaction and call for assistance, but keep the apparatus under vacuum and liquid nitrogen. It is only safe to stop the vacuum and remove the Dewar once the liquid oxygen vaporizes into the pump.

When working with the inert gas line, regularly check the inert gas supply and the flow rate using the inert gas bubbler. The flow rate should be about one bubble per second when the Schlenk flask is open to the line, and slightly greater otherwise. Bubbling should be visible at the oil bubbler at all times. If no bubbles are seen, close the inert gas source to prevent the line from over-pressurizing.

If the inert gas contacts the vacuum, it will depressurize, causing the check valve to close or mineral oil to backflow into the inert line, followed by air. If this occurs, switch off the pump and close all valves.

When purging the Schlenk line or a Schlenk flask, turn the valve very slowly. This prevents glassware from cracking due to rapid pressure changes. Before the reagents are added, expose the Schlenk flask to the inert line slowly, to prevent depressurization of the inert line.

Before withdrawing an air- or water-sensitive reagent, purge syringe and needle and the septum-sealed reagent bottle in the inert gas line. Withdraw the reagent from the bottle, making sure to overdraw and then plunge to the correct volume. Slowly add the reagent to the Schlenk flask and place the needle tip in a beaker of quenching agent if necessary.

After the reaction is complete and quenched, remove the liquid nitrogen Dewar. Then switch off the pump.

You’ve just watched JoVE’s introduction to safe Schlenk line operation. You should now be familiar with its design, its operating procedure, and safety precautions. Thanks for watching!

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Valore vuoto Problema