2.5: Дегазация жидкостей с циклом замораживания-насоса-размораживания

1. Сначала поместите нужный растворитель или раствор в колбу Schlenk и закройте запорный кран (рисунок 2a). Закройте все остальные отверстия на колбе Schlenk. Внимание: не используйте более 50% объема колбы и осмотрите колбу на наличие трещин или переломов. Переполненная или сломанная колба может разбиться во время процесса.
2. Подсоедините колбу к тросу Schlenk и держите соответствующий клапан на тросе Schlenk закрытым. Полностью заморозьте жидкость, погрузив колбу в сосуд Дьюара, содержащий жидкий азот или суспензию для сухого льда. (Рисунок 2b). Внимание: перед замораживанием промойте колбу Schlenk газообразным азотом, чтобы убедиться, что в окружающей среде полностью нет кислорода.
3. Когда растворитель замерзнет, откройте запорный кран на колбе Schlenk и клапан на линии Schlenk для вакуумирования (Рисунок 2c). Подержите колбу под вакуумом и внутри охлаждающей ванны около 10 мин. Закройте колбу, закрыв запорный кран (Рисунок 2d).
4. Разморозьте растворитель, пока он не растает, используя теплую водяную баню. Во время этой процедуры из растворителя заметно выделяются пузырьки газа (рис. 2e, 2f). Дайте замерзшему растворителю медленно оттаять и не тревожьте жидкость.
5. Как только растворитель оттает, замените тепловую водяную баню на охлаждающую и повторно заморозьте растворитель.
6. Повторяйте шаги 3–5 до тех пор, пока не перестанете видеть выделение газа по мере оттаивания раствора (рисунок 2g). Рекомендуется минимум три цикла, чтобы свести к минимуму процент присутствующего растворенного газа.
7. После завершения трех циклов колбу Schlenk перед использованием следует запечатать под азотом (Рисунок 2h). Откройте клапан газообразного азота на линии Schlenk и откройте запорный кран колбы, чтобы подвергнуть растворитель воздействию атмосферы азота. Как только колба Schlenk будет заполнена азотом, окончательно закройте клапан колбы.
8. Теперь растворитель дегазирован и готов к использованию.

Рисунок 2. Подробные фотографии этапов свободного откачки-размораживания: (a) шаг 1, поместите растворитель в колбу; b) этап 2: замораживание растворителя в сухом льду (или в качестве альтернативы с жидким азотом); (c) Шаг 3, введение вакуума; d) шаг 4: запечатать колбу под вакуумом; e), f), этап 5, размораживание растворителя и наблюдение за выделением пузырьков газа; (g) Шаг 7: Повторить процесс замораживания, размораживания (рекомендуется три цикла); (h) Шаг 8: Запечатайте растворитель под азотом.

Дегазация жидкостей является обязательным условием для многих методов химического синтеза в органической химии. Дегазация — это процесс, при котором растворенные газы удаляются из жидкости. Дегазация важна в тех случаях, когда химические вещества подвержены нежелательным реакциям с кислородом. Циклическое замораживание-насос-размораживание является распространенным методом, используемым для мелкомасштабной дегазации жидкостей. Этот метод выполняется при пониженном давлении с использованием линии Шленка или двойного коллектора вакуума/инертного газа. В этом видео будут изложены принципы выполнения замораживания-насоса-размораживания в лаборатории.

При замораживании-насосе-размораживании используется зависимость растворимости газа в жидкости от давления. Вот почему газировка пузырится при открытии, что указывает на закон Генри. Согласно закону Генри, молярная доля растворенного в жидкости газа прямо пропорциональна парциальному давлению газа в паровой фазе над жидкостью. Таким образом, при понижении давления газа над жидкостью растворимость растворенного газа уменьшается, а затем высвобождается в виде пузырьков.

Дегазация методом замораживания-насоса-размораживания включает в себя сначала замораживание растворителя с помощью сосуда Дьюара жидкого азота или сухого льда. Затем создается вакуум, и пространство над замерзшим растворителем удаляется. Это снижает давление в свободном пространстве над жидкостью, тем самым снижая растворимость растворенного газа.

Затем колба запечатывается, а растворитель размораживается, что позволяет высвобождать растворенные газообразные вещества в свободное пространство. Затем жидкость снова замораживается, и процесс повторяется столько раз, сколько необходимо.

Дегазация методом замораживания-насоса-размораживания обычно выполняется с помощью установки линии Schlenk, так как она включает в себя применение вакуума, а также введение инертного газа. Линия Schlenk состоит из двойного стеклянного коллектора с несколькими портами. В этом видео из этой коллекции о линейке Schlenk будет более подробно рассмотрено об этом аппарате. Теперь, когда основы техники «замораживание-насос-размораживание» описаны, процедура будет продемонстрирована в лаборатории.

Во-первых, приобретите чистую сухую колбу Шленка. Осмотрите колбу на наличие трещин или переломов, которые могут привести к ее разрушению во время процесса.

Закрепите колбу Schlenk зажимом и добавьте нужный растворитель или раствор. Не используйте более 50% объема, так как некоторые растворители расширяются при замерзании, что может привести к разрушению колбы. Закройте запорный кран и убедитесь, что все отверстия закрыты. Подсоедините боковой рычаг колбы Schlenk к линии Schlenk с помощью гибкой трубки и держите соответствующий клапан на линии Schlenk закрытым. Откройте запорный кран на колбе, а также клапан, подключенный к вакуумной линии для опорожнения колбы. Как только вакуум установится, закройте клапан. Откройте вентиль на линию инертного газа, чтобы наполнить колбу. После заполнения инертным газом закройте запорные краны на колбе, а затем на линии.

Погрузите колбу в сосуд Дьюара, содержащий жидкий азот, чтобы заморозить жидкость. Когда растворитель замерзнет, откройте запорный кран на колбе Schlenk, а также клапан на линии Schlenk, чтобы создать вакуум в колбе. Подержите колбу под вакуумом и внутри жидкого азота Дьюара около 10 минут.

Извлеките колбу из жидкого азота Дьюара. Далее уплотните, закрыв запорный кран.

Погрузите колбу в теплую водяную баню для того, чтобы растворитель полностью растаял. Во время этой процедуры из растворителя будут заметно выделяться пузырьки газа. Не тревожьте жидкость, и дайте растворителю оттаять самостоятельно.

Как только растворитель полностью оттает, замените теплую водяную баню на жидкий азот Дьюара и снова заморозьте растворитель.

Когда растворитель замерзнет, откройте запорный кран на колбе Schlenk и на линии Schlenk, чтобы создать вакуум в колбе. Через 10 минут закройте запорный кран на колбе и шленке линии, затем удалите жидкий азот Дьюара. Снова разморозьте раствор на теплой водяной бане. Повторяйте процесс до тех пор, пока пузырьки газа не перестанут выделяться из растворителя.

После завершения этих циклов укупорьте колбу Schlenk под инертным газом. Для этого откройте клапан для инертного газа на линии Schlenk, а затем откройте запорный кран колбы, чтобы подвергнуть растворитель воздействию инертной атмосферы.

Когда колба Schlenk заполнится газом, закройте колбу Schlenk и клапаны трубопровода Schlenk. Теперь раствор дегазирован и готов к использованию.

Методы дегазации жизненно важны для тех областей применения, где присутствие определенных газов либо опасно, либо может привести к загрязнению эксперимента.

Дегазация растворов для органического синтеза является ключевым применением линейной системы Schlenk. В этом эксперименте были синтезированы нанокристаллы селенида кадмия, где кислород губителен для реакции. Сначала были подготовлены и нагреты молекулярные предшественники. Смесь дегазировали под вакуумом, а затем колбу промывали аргоном. Затем реакция была завершена в атмосфере аргона.

Эксперимент Миллера-Юри является новаторским исследованием, посвященным происхождению жизни. Эксперимент требует, чтобы присутствовали только газы в первичной атмосфере. Во-первых, первичная атмосфера была воссоздана в герметичной круглодонной колбе с водой, чтобы смоделировать океаны. Он был оснащен электродами, имитирующими молнию. Жидкость дегазировалась с помощью линии Шленка, прежде чем были введены первичные газы, такие как аммиак и метан.

Закрытая колба, содержащая газы, удалялась из системы. Затем проводилось искрообразование, чтобы имитировать молнию в первичном бульоне. Был получен ряд аминокислот и других малых органических молекул.

Дегазация также может проводиться с помощью вакуумной камеры в тех случаях, когда окружающий воздух не будет загрязнять раствор. В данном примере столбы из полидиметилсилоксана были отлиты из заранее подготовленной формы. Формованные аппараты, известные как микрофлюидные устройства, используются для тонкого контроля небольших объемов жидкости. Для этого массовое соотношение основания PDMS и отвердителя 10:1 энергично перемешивали. Затем раствор дегазировали в вакуумной камере для удаления всех пузырьков. Затем дегазированный полимер заливали по форме и отверждали в печи. Затем устройства отделялись от формы и использовались для изучения свойств поверхностного натяжения жидкостей.

Вы только что посмотрели введение JoVE в дегазацию растворителей с помощью метода замораживания-насоса-размораживания. Теперь вы должны лучше понять, как использовать эту технику в линейной системе Schlenk.

Спасибо за просмотр!