Schlenk ライン溶剤伝
41,345 Views
概要
ソース: 新春チウとタイラー j. モーリン、博士イアン ・ トンクスの研究所-ミネソタ大学ツインシティ
Schlenk ラインと高真空ラインは両方不活性ガス (通常 N2または Ar) のわずかな重圧の下または真空下で反応を実行することによって反応から水分と酸素を除外する使用されます。真空搬送と乾燥剤 (またはその他の不揮発性エージェント) からメソッドとして別溶剤 (他の揮発性の試薬) 開発されている無料の空気の環境を維持しながら反応または貯蔵容器を調剤します。熱のような蒸留、真空搬送分離溶剤蒸発して別の受信容器; それらを凝縮ただし、真空の転送は、Schlenk と部屋の温度または下、低温蒸留、沸点が低いため高真空ラインのマニホールドの低圧を利用します。この手法は、空気と水分を含まない溶剤のコレクションの熱蒸留により安全な代替を提供できます。カールフィッシャー滴定法による質的 Na/Ph2CO 液を滴定法等により1H NMR 分光法真空搬送後収集した溶剤の水分量的テストできます。
原則
両方水分や酸素からの解放は、精製の溶剤が材料のアプリケーションを小さな分子合成から、化学のさまざまな分野で必要です。1-3たとえば、ブチル リチウム、有機合成やアニオン重合の開始剤として広く使われて、いるは、水反応性と実際試薬濃度溶媒中の微量の水分に大きく影響します。同様に、多くの無機・有機金属化合物、特に低原子価または配位不飽和金属反応性が高い水と酸素が多いし、乾燥および脱酸素溶媒に加えてエアコン無料操作を使用する必要があります。4採用、Schlenk ラインや高真空ラインにより、空気や水分に敏感なそのような化合物の適切な操作のため、真空搬送、厳密脱溶剤乾燥の 1 つの方法。
シュレンク管および対応するガラス製品は合成し、organosodium と有機リチウム化合物と同様、根本的な triphenylmethyl を操作するためのツールとしての化学者ヴィルヘルム ・ ヨハン ・ シュレンク管操作によって開発当初されました。4 Schlenk ラインは合成化学で広く採用されている、いくつかの市販の設計があります。シュレンク管は通常ツイン ガラス マニホールド 4-6 バルブ付きポートと様々 な反応装置をポートからゴムの肉厚チューブ トップ (真空、不活性ガスの 1 つに 1 つ) で構成されています。5, 6最も一般的に、吸気バルブ、油を塗った地面のガラスまたは PTFE 活栓不活性ガス ・真空、肉厚のゴムチューブはブチルゴムまたはタイゴン ブランド チューブ間のシームレスな移行を可能にします。一般的に、無料の空気品質 (ガス放出および/またはガス透過率) とメンテナンスの容易さでトレードオフがあるとき品質の異なるさまざまなタイプの弁の構造やチューブ型、さまざまなアプリケーションの間を選択する必要になります。
真空マニホールドは、真空ポンプに接続されます。低温トラップ (多くの場合液体窒素、77 K、またはドライアイス/アセトン スラリー, 195 K) は溶剤やその他の有害物質が真空ポンプに入るを防ぐために真空マニホールドとポンプの間に位置します。8多くの研究グループは、溶媒を除去し、ポンプ保護のため 2 番目のトラップの最初のトラップを使用する前記 2 トラップ デザインを採用します。一般的にこのデザインは、日常的な操作中に真空ポンプのための優れた保護を提供します。不活性のマニホールドは、水分・酸素のスクラバーに通すこと、大気圧より若干ライン圧を保つために、オイルを出された不活性ガスの圧力規制ソース (N2または Ar) に接続されます。
高真空ラインから成っている同じツイン マニホールドの設計が、マニホールドと真空ポンプの間に拡散ポンプを使用して (10-7 torr) に有意に高い真空を生成します。拡散ポンプは、重質油や蒸気は、ポンプの喉の下の分子を指揮しての高速ジェットを生成する水銀還流によって動作します。 さらに、高真空ラインは肉厚のゴム製管の使用を見合わせ、主にガラスのガラス接続を使用して、接続機器、システムにガス拡散を最小限に抑えられます。Schlenk ラインを定量ガス凝縮または非常に空気に敏感な反応のため高真空ラインに使用されるカニューレ転送、対向流メソッド、または分別蒸留を必要とする操作に使用する一般に、ただし、ほとんどのアプリケーション ユーザーの個人の好みに応じていずれか使用できます。
転送真空は、空気のない環境を維持しながら容器の容器から溶剤を転送するための一般的な手法です。この手法は一般的な乾燥剤; から溶剤を分離するための方法としてエアコン無料反応の有機溶剤を乾燥/浄化しながらしかし、それは一般的にキャプチャまたは混合物内の任意の揮発性化合物の分離に適用することができます。一般的な意味では、真空の転送は低温蒸留でおり標準熱蒸留と同じ物理的な原則の下で動作します。伝統的な蒸留の彼らの主な利点は、彼らがない加熱、溶剤を形成過酸化物や可燃性ガスを使用するときに火災や爆発のリスクを大幅に削減します。だけの電球-電球真空転送はここで表示されますより精巧な設定で連続低温虚飾経由で複数のコンポーネントを分離することです。
3 主な要因の指示 1 つでレート (および実用性) ことができます転送揮発成分を真空低温: (1) 揮発性の蒸気圧 (より優れている);(2) 真空の質 (が小さいほど良い-したがって、高真空ラインは、Schlenk ラインより優先されます)。(3) と蒸留経路の長さ/径 (短い長さ、幅径が良い)。真空搬送効率を最大にするために溶剤がまず脱気しなくては凍害ポンプ技術を使用して、真空へ転送高真空ラインまたはガラスのガラス接続のみでシュレンク管に接続されている特殊な U 字型橋管を通して収納。この手法を高沸点溶剤トルエンなどジオキサンの転送のため比較的容易に許可できます。
手順
特定の化学反応は、水と酸素の自由保たれなければなりません。シュレンク管は空気に湿気敏感な試薬の安全な取り扱いで使用されるデュアル マニホールドです。
装置は、ヴィルヘルム ・ シュレンク管操作によって 1920 年代に発明されました。彼のデザインの重要なコンポーネントは、Schlenk フラスコです。バルブ、どこ真空または不活性ガスに適用できるシステム、必要に応じてしています。首を開くを他の装置と接続したまたは、隔壁で密閉することができ、試薬は、空気の導入せず追加できます。
試薬は、装置に導入されている、一度は、無酸素と水環境で操作できます。
このビデオは、シュレンク管の基本的な操作手順を強調表示し、溶剤真空振込研究室で原則を紹介し。
シュレンク管は管状のガラス装置、真空を提供するために使用する 1 行と別ラインの不活性ガスをお届けするために使用します。一緒に、システムは、デュアルのマニホールドと呼ばれます。デュアル マニホールドには、様々 な反応装置につながる太いゴムチューブ 4 ~ 6 バルブ付きポートがあります。不活性ガスのマニホールドは、圧力調整された不活性ガス源に接続されます。それは、大気をやや上回るライン圧を保つために、オイルをベントです。オイルのバブラーを行うと、周囲の空気ラインの汚染防止、マニホールドを入力できなくなります。
真空マニホールドは、真空ポンプに接続されます。多くの場合液体窒素やドライアイス スラリーで冷却、低温トラップは入力し、真空ポンプを損傷しないように、揮発性成分を凝縮するために真空マニホールドとポンプの間に位置します。
Schlenk ライン システムは、さまざまな手法や溶剤の真空搬送などの反応に使用できます。これは容器から容器に空気無料環境を維持しながら溶剤の移転を伴います。
今 Schlenk ライン操作の原理を理解することができます空気と酸素フリー溶剤の転送を参照してください。
まず、マニホールドのすべての作業のポートが閉じられていると、すべての関節は正しく高真空用グリースが塗られることを確認します。
真空ラインに溶剤トラップを接続し、真空ポンプを回すことによってそれらを封印します。
真空封止デュアー溶剤トラップ周りを置き、極低温ポンプを保護するために液体窒素で埋めます。
規制の不活性ガスの流れを有効にし、バブラーを見て調整します。Schlenk フラスコなどの必要な装置を標準的なテーパー ガラス又は厚いゴム製管を使用して吸気ポートに接続します。
真空反応ポートを最初に開くと、完全にフラスコを避難してフラスコのヘッド スペースを消去します。真空ポートを閉じてゆっくりと不活性ガスに反応ポートを開くし、バブラーが再びバブルだすまで待ちます。不活性ガス反応ポートを閉じて、さらに 2 回繰り返します。
次のステップは、溶媒のポットを準備することです。敏感な反応に水と酸素フリー溶剤を生成する使用されます。この手順は、一般的なベンゾフェノン ナトリウム セットアップを使用します。
まず、不活性雰囲気下のグローブ ボックスにガラス製品および試薬を配置します。金属ナトリウムの約一立方センチメートルを測定し、小さな断片に切断します。共同標準テーパー ネックと 500 mL の丸底フラスコに作品を配置します。ベンゾフェノンの 1.25 グラムの重量を量るし、ナトリウムを丸底フラスコに入れます。大型の攪拌棒を追加します。
頑丈な高真空用グリースの最低量の油を塗ったされている 180 ° 24/40 アダプターを使用してフラスコを密封してください。セキュリティで保護された接続を確保するため接合部にケック クリップを配置します。
フラスコをグローブ ボックスから外し、Schlenk ラインを使用してフラスコのヘッド スペースを避難させます。180 ° アダプターのシールを外し、フラスコを真空下で中線から。
溶媒のポットの上部に漏斗を添付し、必要な溶媒を約 300 mL で漏斗を入力します。長い針を使用してそれをドガ部分に溶剤をバブルの窒素、窒素線に接続されています。
窒素バブリングを維持しながらゆっくりと溶媒のポットに溶剤を導入する 180 ° アダプターを開きます。目標到達プロセスで溶媒のレベルに近づく、アダプター、アダプターを終了して、目標到達プロセスを削除します。
いくつかの時間のためには、鍋をかき混ぜます。ソリューションは、根本的なナトリウム ベンゾフェノン ケチルなどの形成を示すディープ パープルになります。ラジカルの形成は、溶剤が乾燥して脱酸素であることを示します。ポットは、ディープ パープルをオンしない、ドガのソリューションを実行します。このコレクションの「脱ガスと液体凍結-融解性ポンプ サイクリング」で詳細に説明されているように凍害ポンプ技術を使用します。
乾燥炉でストラウス フラスコ、真空搬送の U 字型の橋を受信 500 mL を乾燥させます。ストラウス フラスコは 2 首丸底フラスコです。一首は、プラグ弁の接続を許可するスレッドです。
真空グリースは、すべての関節を軽くコート、真空ラインに U 字型のブリッジを取り付けます。U 字橋にストラウスのフラスコと溶媒のポットを接続します。必ずケック クリップを使ってその場で重いシステムをセキュリティで保護してください。システムを避難し、前述のように溶媒をドガします。
真空を閉じますトップ U 橋バルブを閉じます。システム [ストラウス弁を開と静的真空と溶剤ポット 180 ° アダプターを閉じてください。ラボ ジャックを使用する受信側のストラウス フラスコを冷却するのに-78 度アセトン/ドライ氷スラリーを引き上げます。
溶媒の鍋をかき混ぜ始めるし、180 ° アダプターのコックを開き、ゆっくりと。液体は U ジョイントに急速に沸騰しないので活栓をゆっくりと有効にすることを確認します。溶剤は、受信側のフラスコ内で凝縮開始されます。溶剤のポットは、転送中にフリーズした場合ストラウス フラスコ バルブを閉じ、続行する前に部屋の温度を暖かく溶媒のポットを許可します。
溶媒の転送が非常に遅い場合、ドガの凍結-融解性ポンプを使用して再度システム。
溶媒の鍋はほぼ乾燥しているまで、または必要な溶媒量が収集されるまで待ちます。受信のフラスコと溶媒のポットの活栓を閉じる。密閉されたフラスコをシステムから削除されることができます。
システムをシャット ダウンするには、最初すべての吸気ポートを閉じるし、不活性ガスの流れをオフにします。
次に、溶剤のトラップと、デュアーを削除します。液体酸素になるかもしれないと、青い液体がトラップである場合は、細心の注意を取る。適切なアクションの安全プロトコルを参照してください。
Schlenk ライン システムは、空気敏感な反応有機化学の広い範囲で使用されます。
量子ドットは、単一分子蛍光イメージングのために広く使用されます。この例では、シュレンク管を用いた不活性雰囲気下で量子ドットを合成しました。小さなカドミウム セレン化量子ドット コアを不活性ガス、真空条件下で合成した最初。蛍光物性、ナノ粒子のサイズによって決定されます。
セレンは、コアの合成を完了するカドミウム ソリューションに迅速注入されました。水銀および生体適合性ポリマー コーティング、その蛍光の収率を増加させるし、修飾されました。ドットの蛍光期間までの伝統的な染料または蛋白質を超えています。
処理、揮発性と空気の高感度ガス分析の挑戦は通常シュレンク管を使って安全に実行することができます。この例では、揮発性ガスは、Schlenk ラインを使用して、ロック可能な試験管に移されました。
試験管は、ガスを凝縮、試験管でそれらをトラップするために、液体窒素を使用して冷却しました。含まれていたガスは、試験管ロックとカスタムの接続システムを使用して質量分析計に、移った。
ゼウスの入門 Schlenk ライン システムを見てきただけ。今運用 Schlenk ライン、乾燥、溶剤を浄化し、真空搬送を実施する方法を理解する必要があります。
見てくれてありがとう!
結果
真空搬送中です (図 2) とナ/Ph2CO 滴定滴定を行った後の写真を撮影した (図 3)。
この方法で収集された溶剤はケチル滴定によってテストされています。図 3は、ケチル テストの一般的な可能な結果を示します。紫の色に (a) を示します < 10 ppm H2溶媒; O青と無色ソリューションはさらに水敏感なアプリケーションで使用する前に浄化が必要湿潤溶媒を示します。
図 1。ガラス ケチルなど鍋し、ストラウス フラスコに真空の転送を実行するために必要です。(a) 溶剤をケチル鍋に追加するための漏斗(b) 500 mL 丸底フラスコ;(c) 180°アダプター(d) 500 mL ストラウスのフラスコ;(e) 真空搬送橋。
図 2。真空搬送のセットアップ: (a) 高真空ライン、(b) 転送橋、(c) 180°アダプター、(d) 受信ストラウス フラスコ (e) 冷却槽と溶媒の鍋。
図 3。ケチル溶液の滴定後溶剤を収集します。(a) 紫を示します < 10 ppm H2O、青 (b) と (c) 無色は更に精製を必要としながら。
参考文献
- Shriver, D. F., Drezdn, M. A. The Manipulation of Air Sensitive Compounds. 2nd ed.; Wiley & Sons: New York, (1986).
- Girolami, G. S., Rauchfuss, T. B., & Angelici, R. B. Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry: A Laboratory Manual. 3rd ed.; University Science Books: Sausalito, CA, (1999).
- Szafran, Z., Pike, R. M., & Singh, M. M. Microscale Inorganic Chemistry. Wiley & Sons: New York, (1991).
- Tidwell, T. T. Angew. Chem. Int. Ed. 40 331-337. (2001).
- Chandra, T. University of Wisconsin Madison Chemistry. Safe Chemical Manipulations Using a Schlenk Line. https://www.chem.wisc.edu/content/schlenk-line-techniques (2015).
- Toreki, R. Interactive Learning Paradigms Incorporated. The Glassware Gallery: Schlenk Lines and Vacuum Lines. http://www.ilpi.com/inorganic/glassware/vacline.html (2015).
- Ogryzlo, E. A. Why Liquid Oxygen is Blue. J. Chem. Educ. 42, 647-648 (1965).
- Armarego, W. L. F., Perrin, D. D. Purification of Laboratory Chemicals. 4th ed.; Butterworth-Heinemann: Woburn, (1997).
- Williams, D. B. G., Lawton, M. Drying of Organic Solvents: Quantitative Evaluation of the Efficiency of Several Desiccants. J. Org. Chem. 75 8351-8354 (2010).
- Schwartz, A.M. Chem. Eng. News. 56 (24), 88. (1978).
筆記録
Certain chemical reactions must be kept free of water and oxygen. A Schlenk line is a dual manifold used in the safe handling of air- and moisture-sensitive reagents.
The apparatus was invented in the 1920s by Wilhelm Schlenk. A key component of his design is the Schlenk flask. It has a stopcock, where vacuum or inert gas can be applied to the system, as needed. The neck opening can be interfaced with another apparatus, or sealed with a septum, and reagents can be added without the introduction of air.
Once the reagents have been introduced to the apparatus, they can be manipulated in an oxygen- and water-free environment.
This video will highlight the basic operation procedures for a Schlenk line, and then demonstrate the principle in the laboratory via the vacuum transfer of solvents.
A Schlenk line is a tubular glass apparatus, with one line used to deliver a vacuum, and another line used to deliver inert gas. Together, the system is called a dual manifold. The dual manifold has four to six valved ports, with thick rubber tubing leading to various reaction apparatuses. The inert gas manifold is connected to a pressure regulated inert gas source. It is vented through an oil bubbler to keep the line pressure slightly above atmospheric. The oil bubbler also prevents ambient air from entering the manifold, preventing contamination of the line.
The vacuum manifold is connected to a vacuum pump. A cryogenic trap, often cooled with liquid nitrogen or a dry-ice slurry, is located between the vacuum manifold and the pump in order to condense volatile components, thus preventing them from entering and damaging the vacuum pump.
A Schlenk line system can be used for many techniques and reactions, such as the vacuum transfer of solvents. This involves the transfer of solvents from vessel to vessel, while maintaining an air free environment.
Now that you understand the principles of Schlenk line operation, lets see a transfer of air- and oxygen-free solvent.
To begin, make sure that all working ports on the manifold are closed, and that all joints are properly coated with high vacuum grease.
Attach the solvent traps to the vacuum line, and seal them by turning on the vacuum pump.
Place vacuum-sealed Dewars around the solvent trap, and fill with liquid nitrogen to cryogenically protect the pump.
Turn on the regulated inert gas flow, and adjust by watching the bubbler. Connect the desired apparatus, such as a Schlenk flask, to the manifold port using thick rubber tubing or standard taper glassware.
Clear the headspace in the flask by first opening the reaction port to vacuum and fully evacuating the flask. Close the port to vacuum, and then slowly open the reaction port to inert gas and wait until the bubbler begins to bubble again. Close the reaction port to inert gas, and repeat the process two more times.
The next step is to prepare a solvent pot. This is used to produce water- and oxygen-free solvent for sensitive reactions. This procedure uses the common benzophenone-sodium setup.
To begin, place the glassware and reagents into a glovebox under inert atmosphere. Measure approximately one cubic centimeter of sodium metal, and cut it into smaller pieces. Place the pieces into a 500-mL round-bottomed flask with a standard taper neck joint. Weigh 1.25 g of benzophenone and place it into the round-bottomed flask with the sodium. Add a heavy-duty stir-bar.
Seal the flask using a 180° 24/40 adaptor that has been greased with a minimal amount of heavy-duty high vacuum grease. Place a Keck clip over the joint to ensure a secure connection.
Remove the flask from the glovebox, and evacuate the flask headspace using the Schlenk line. Seal the 180° adaptor, and remove the flask from the line while under vacuum.
Attach a funnel to the top of the solvent pot and fill the funnel with roughly 300 mL of the desired solvent. Using a long needle attached to a nitrogen line, bubble nitrogen through the solvent to partially degas it.
While maintaining the nitrogen bubbling, slowly open the 180° adaptor to introduce solvent into the solvent pot. When the solvent level in the funnel approaches the adaptor, close the adaptor and remove the funnel.
Stir the pot for several hours. The solution will turn deep purple indicating the formation of the sodium benzophenone ketyl radical. The formation of the radical signifies that the solvent is dry and oxygen-free. If the pot does not turn deep purple, degas the solution. Use the freeze-pump-thaw technique, as described in detail in this collection’s “Degassing Liquids with Freeze-Pump-Thaw Cycling.”
Dry a 500 mL receiving Straus flask and a U-shaped vacuum transfer bridge in a drying oven. A Straus flask is a two-neck round bottom flask. One neck is threaded to allow for the connection of a plug valve.
Coat all joints lightly with vacuum grease, and attach the U-shaped bridge to the vacuum line. Connect the Straus flask and solvent pot to the U-shaped bridge. Be sure to secure the heavy system in place using Keck clips. Evacuate the system and degas the solvent as described earlier.
Close the top U-bridge valve to close the vacuum. The system should be under static vacuum with the Straus valve open and the solvent pot 180° adapter closed. Use a lab jack to raise a -78 degree acetone/dry ice slurry to cool the receiving Straus flask.
Begin stirring the solvent pot, and then slowly open the stopcock of the 180° adaptor. Be sure to turn the stopcock slowly so the liquid will not rapidly boil into the U joint. Solvent will begin condensing in the receiving flask. If the solvent pot freezes during transfer, close the Straus flask valve and allow the solvent pot to warm to room temperature before continuing.
If solvent transfer is extremely slow, degas the system again using freeze-pump-thaw.
Wait until the solvent pot is almost dry, or until the desired amount of solvent has been collected. Close the stopcock on the receiving flask, and on the solvent pot. The sealed flask can now be removed from the system.
To shut down the system, first close off all manifold ports, and turn off the inert gas flow.
Next, remove the solvent trap and the Dewars. Take extreme caution if any blue liquid is present in the trap, as it could possibly be liquid oxygen. Consult safety protocols for appropriate action.
Schlenk line systems are used in a wide range of air sensitive reactions in organic chemistry.
Quantum dots are widely used for single-molecule fluorescence imaging. In this example, quantum dots were synthesized under an inert atmosphere using a Schlenk line. Small cadmium selenide quantum dot cores were first synthesized under inert gas and vacuum conditions. Their fluorescent properties are dictated by the size of the nanoparticle.
The selenium was swiftly injected into the cadmium solution to complete the synthesis of the cores. They were then functionalized with mercury and biocompatible polymer coatings, increasing their fluorescent yield. The fluorescence duration of the dots far exceeded that of traditional dyes or proteins.
The handling and analysis of volatile and air sensitive gases is typically challenging, but can be safely executed with the use of a Schlenk line. In this example, volatile gases were transferred to a lockable test tube, using a Schlenk line.
The test tube was cooled using liquid nitrogen, in order to condense the gases and trap them in the test tube. The contained gases were then transferred to a mass spectrometer using the locked test tube, and a custom connection system.
You’ve just watched JoVE’s introduction to the Schlenk line system. You should now understand how to operate a Schlenk line, dry and purify solvents, and conduct a vacuum transfer.
Thanks for watching!