Manuseio de substânicas químicas sensíveis ao ar e à água usando uma linha de Schlenk

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

JoVE Science Education
Lab Safety

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Lab Safety

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

6.1: Proper Waste Disposal

6.7: Proper Operation of Vacuum Based Equipment

21,910 Views

•

07:05 min

•

July 14, 2017

Overview

Robert M Rioux, Ajay Sathe, Zhifeng Chen, Universidade Estadual da Pensilvânia, University Park, PA

O uso de reagentes sensíveis à oxidação ou umidade requer o uso de técnicas livres de ar. Uma linha Schlenk é um aparelho de vidro usado rotineiramente para realizar manipulações livres de ar e umidade em um laboratório químico¹. A linha Schlenk é amplamente utilizada por muitos químicos, pois permite que eles conduzam reações sensíveis ao ar ou à água, mesmo sem a despesa e restrição de um porta-luvas. A linha Schlenk pode ser configurada para atmosfera de gás inerte, como nitrogênio e argônio, ou expor os vidros ao vácuo. Outra forma de alcançar um ambiente livre de ar e umidade envolve o uso de um porta-luvas. A grande diferença entre uma linha Schlenk e uma caixa de luvas é que o expurgo e a recarga se aplicam diretamente aos vasos de reação, enquanto o expurgo e a recarga se aplicam à câmara de ar em vez do porta-luvas. Além disso, em um porta-luvas, equipamentos de laboratório convencionais podem ser montados com um grande espaço inerte, porém as luvas devem ser usadas para lidar com o experimento e o porta-luvas em si também é caro.

Principles

Uma linha Schlenk consiste em dois tubos de vidro conectados usando várias portas. Um dos tubos está conectado a uma fonte de vácuo, e o outro está conectado a um gás inerte (tipicamente nitrogênio, mas outros gases inertes podem ser usados). As portas que ligam os dois tubos são equipadas com válvulas de duas vias que permitem a seleção da atmosfera de vácuo ou gás inerte na saída do porto. Uma vedação líquida é usada no final do tubo de gás inerte, para manter a atmosfera inerte em caso de backflow enquanto reabastece vidros evacuados.

Procedure

1. Procedimento geral para a realização de uma reação sob uma atmosfera inerte

Evacuando os vidros
1. Inicie a bomba de vácuo e encha o frasco de de guerra no qual a armadilha da linha schlenk está imersa com nitrogênio líquido.
2. Use vidros secos ou secos para garantir que não haja umidade residual nas paredes do vidro.
3. Sele o frasco usando adaptadores de vidro moído ou septa de borracha. É altamente recomendável que a graxa de vácuo seja usada para evitar a apreensão das juntas de vidro moídas.
4. Conecte o vidro selado à linha Schlenk usando um adaptador/conexão apropriado.
5. Gire a válvula bidirecional para abrir a linha para aspirar.
6. Evacuar o sistema e deixar o frasco esfriar à temperatura ambiente
Purgando com gás inerte
1. Certifique-se de que a linha de gás inerte está aberta e o fluxo suficiente é visto através do borbulhador. Um fluxo típico para operação da linha schlenk é de cerca de uma bolha por segundo. O fluxo deve ser aumentado enquanto inicialmente limpa o sistema após a evacuação.
2. Uma vez que o frasco tenha esfriado à temperatura ambiente, gire a válvula bidirecional lentamente para abrir a linha para gás inerte, tomando cuidado para que algum gás ainda consiga alcançar o bolhar. Tenha cuidado para não mudar para gás inerte muito rapidamente, pois isso pode levar ao selante líquido do borbulhante para fluir de volta para a linha schlenk.
3. Uma vez que o fluxo de gás inerte tenha estabilizado de volta ao seu estado original (como observado no bolha), mude a válvula bidirecional de volta ao vácuo e repita o procedimento acima mais duas vezes.
Adicionando reagentes
1. Uma vez que o frasco tenha sido evacuado e preenchido com gás inerte um total de três vezes, ele agora está pronto para uso no manuseio de reagentes sensíveis ao ar/umidade. O fluxo de gás inerte pode ser reajustado para uma bolha por segundo para economizar o consumo de gás inerte.
2. Os reagentes são normalmente adicionados a partir de uma garrafa selada de septo ou de uma estação de distribuição de solventes.
3. Use uma cânula seca no forno ou agulhas para transferir reagentes sensíveis ao ar para o frasco. Certifique-se de que o frasco está sob uma atmosfera inerte, e não sob vácuo, pois a adição de produtos químicos a um frasco sob vácuo pode danificar a fonte de vácuo.
Saciando a reação
1. Uma vez que a reação esteja completa, sacie cuidadosamente a reação usando um reagente apropriado.
2. A etapa de saciamento regularmente resulta na geração de gases, certifique-se de que a válvula bidirecional esteja aberta ao gás inerte para que não haja acúmulo de pressão no vidro.

2. Design básico e configuração da linha Schlenk.

O design das linhas Schlenk varia de laboratório para laboratório, mas as principais características são as mesmas. A Figura 1 mostra uma configuração esquemática da linha Schlenk com características-chave apontadas.

Figura 1. Esquema montado de uma linha Schlenk.
O coletor duplo consiste em dois tubos de vidro paralelos, que formam o corpo principal da linha Schlenk. Um coletor de gás é conectado ao suprimento de gás inerte e um coletor de vácuo é conectado à linha de vácuo, que permite alternar entre gás inerte e vácuo, afinando as torneiras. O gás sai do coletor através de um bolha de óleo visível, a fim de monitorar o fluxo do gás. O coletor de vácuo é fechado em uma extremidade e a outra extremidade está conectada a uma armadilha fria e a uma bomba de vácuo. A armadilha fria é usada para evitar que solventes voláteis ou corrosivos prejudiquem a bomba.

3. Preocupações de segurança com a linha Schlenk.

Oxigênio líquido.
O oxigênio líquido pode se acumular se um vapor constante de ar entrar na linha de vácuo com a armadilha fria. Isso pode ser indicado por um líquido azul claro na armadilha, já que o oxigênio líquido é azul claro. O oxigênio líquido é perigoso devido à sua reação violenta com solventes orgânicos, incluindo a graxa de vácuo e a alta pressão gerada uma vez que a vaporização ocorre neste espaço confinado. Lembre-se de nunca abrir a linha de vácuo para arejar quando a armadilha fria estiver no lugar.
Explosão.
1. Gases pressurizados podem se tornar perigosos, por isso certifique-se de que o sistema está aberto com o gás inerte fluindo. Explosões podem ocorrer se a pressão for acumulada no caso de um sistema fechado.
2. Reações violentas: Se a reação ficar fora de controle, um grande volume de gás pode ser gerado rapidamente e pode causar uma explosão. Esteja ciente da reação antes de operar na linha Schlenk.
3. Aquecimento de um sistema fechado: Em um sistema fechado, o aumento da temperatura aumentará também a pressão. Esteja ciente de qualquer reação com propriedades térmicas e certifique-se de que a linha está aberta e há um borbulhador para alívio de pressão.
Implosão.
Rachaduras no vidro causarão quebras sob vácuo. Repare ou substitua os vidros rachados.

Uma linha Schlenk é um equipamento de laboratório que permite o manuseio seguro de produtos químicos sensíveis ao ar e à água.

Uma linha Schlenk requer vácuo, gás inerte e temperaturas criogênicas. Deve ser operado com cuidado para evitar falhas nos equipamentos e, assim, liberação de produtos químicos perigosos. Este vídeo discute os perigos potenciais associados à linha Schlenk e as precauções necessárias para seu uso seguro. Para obter mais informações sobre a operação e aplicações da linha Schlenk, assista ao vídeo da JoVE sobre “Schlenk Lines Transfer of Solvent”.

Começamos examinando brevemente os componentes de uma linha Schlenk. Uma linha Schlenk consiste em um par de tubos de vidro juntos chamados de “duplo coletor”. Um tubo se conecta a uma bomba de vácuo, e o outro a uma fonte de gás inerte. Um frasco schlenk, ou outro aparelho, conecta-se ao coletor duplo através de uma válvula bidirecional que permite acesso à linha de vácuo ou à linha de gás inerte, mas nunca simultaneamente.

Vamos examinar a linha de vácuo com mais detalhes. A linha de vácuo é selada em uma extremidade. A outra extremidade se conecta a uma armadilha fria, que por sua vez está conectada à bomba de vácuo. Um frasco schlenk exposto a esta linha será evacuado, e os gases enviados para a armadilha fria, um recipiente de vidro submerso em nitrogênio líquido. Congela orgânicos voláteis, protegendo a bomba contra danos, e o usuário da exposição. Os perigos potenciais da linha de vácuo incluem o vidro implodindo sob vácuo, e os riscos de segurança associados ao nitrogênio líquido.

Em seguida, voltamos para a linha de gás inerte. O gás inerte, geralmente nitrogênio ou argônio, é regulado por uma válvula e muitas vezes passa por um dessecante antes de entrar na linha Schlenk. Um frasco schlenk exposto a esta linha será preenchido com o gás inerte. O excesso de gás então deixa o sistema através de um bolha de óleo mineral, para evitar que o ar entre na linha de gás inerte. Os perigos potenciais desta linha incluem a explosão de vidro devido à sobre pressurização, e a exposição da linha de gás inerte ao vácuo.

É importante realizar verificações regulares de segurança durante a configuração do aparelho.

A linha Schlenk é montada dentro de um capô de fumaça e operada com a faixa abaixada, para proteger o usuário de exposição inadvertida. Um escudo de explosão pode ser usado adicionalmente, ao manusear reagentes muito sensíveis. Use óculos de segurança ou um escudo facial, um jaleco à prova de chamas e luvas criogênicas quando trabalhar com nitrogênio líquido.

Verifique se há lágrimas ou outros defeitos antes de conectar o coletor duplo à bomba de vácuo e à linha de gás inerte. Certifique-se de que há óleo suficiente no borbulhador de óleo.

A linha Schlenk contém válvulas de verificação para evitar o fluxo de ar no sistema, e válvulas de alívio de pressão no coletor duplo e na armadilha fria. Os conectores usam grampos de vidro selados com grampos U e anéis O herméticos. Certifique-se de que essas válvulas e conectores não estejam danificados. Aplique graxa a vácuo no vidro na interface entre superfícies.

Seque o frasco de Schlenk e outros vidros por forno ou secagem de chamas. Verifique os vidros e o coletor duplo para rachaduras. O vidro rachado pode implodir sob vácuo, expondo os reagentes à atmosfera e ferindo o usuário. Sele o frasco schlenk cuidadosamente com um septo de borracha ou um adaptador de vidro moído antes de conectá-lo à linha.

Agora que vimos as precauções preliminares, vamos recorrer a preocupações de segurança enquanto operamos a linha Schlenk.

Um perigo potencial é a formação de oxigênio líquido na armadilha fria. Oxigênio líquido é extremamente explosivo. Para evitar sua formação, inicie a bomba de vácuo e evacue a linha de vácuo antes de submergir a armadilha fria no nitrogênio líquido Dewar. Nunca permita que a armadilha fria entre em contato com nitrogênio líquido a menos que a bomba de vácuo esteja funcionando, e nunca abra a linha de vácuo para arejar enquanto o Dewar estiver no lugar.

O oxigênio líquido também pode se formar se o ar entrar inadvertidamente na armadilha fria durante o experimento. Verifique a armadilha fria para obter um líquido azul claro. Se detectado, sacie a reação e peça ajuda, mas mantenha o aparelho sob vácuo e nitrogênio líquido. Só é seguro parar o vácuo e remover o Dewar assim que o oxigênio líquido vaporizar na bomba.

Ao trabalhar com a linha de gás inerte, verifique regularmente o fornecimento de gás inerte e a taxa de fluxo usando o bolha de gás inerte. A taxa de fluxo deve ser de cerca de uma bolha por segundo quando o frasco de Schlenk está aberto para a linha, e ligeiramente maior de outra forma. Borbulhando deve ser visível no bolha de óleo o tempo todo. Se não forem vistas bolhas, feche a fonte de gás inerte para evitar que a linha seja excessivamente pressurizado.

Se o gás inerte entrar em contato com o vácuo, ele se despressurizará, fazendo com que a válvula de verificação feche ou o óleo mineral volte para a linha inerte, seguido pelo ar. Se isso ocorrer, desligue a bomba e feche todas as válvulas.

Ao purgar a linha Schlenk ou um frasco schlenk, gire a válvula muito lentamente. Isso evita que os vidros quebrem devido a rápidas mudanças de pressão. Antes que os reagentes sejam adicionados, exponha o frasco de Schlenk à linha inerte lentamente, para evitar a despressurização da linha inerte.

Antes de retirar um reagente sensível ao ar ou à água, purigue a seringa e a agulha e a garrafa de reagente selada em septo na linha de gás inerte. Retire o reagente da garrafa, certificando-se de sacar demais e, em seguida, mergulhar no volume correto. Adicione lentamente o reagente ao frasco de Schlenk e coloque a ponta da agulha em um béquer de agente de saciamento, se necessário.

Depois que a reação estiver completa e saciada, remova o nitrogênio líquido Dewar. Em seguida, desligue a bomba.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à operação segura da linha Schlenk. Agora você deve estar familiarizado com seu design, seu procedimento operacional e precauções de segurança. Obrigado por assistir!

Applications and Summary

A linha Schlenk é um sistema extremamente útil, permitindo a manipulação de reagentes sensíveis ao ar e/ou à água sem a despesa e restrição de um porta-luvas. É mais seguramente utilizado dentro de um capô de fumaça de trabalho. Deve-se tomar cuidado para evitar o acúmulo de pressão na linha schlenk, garantindo a ventilação adequada através de um bolha de gás.

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!

Tags

Valor vazio emissão