凍害ポンプ サイクリングで液体の脱気

Organic Chemistry

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Overview

ソース: 博士ニール Branda の研究室-サイモン ・ フレーザー大学

脱ガスは、液体から溶存ガスを除去プロセスを指します。酸素や二酸化炭素などの溶存ガスの存在は敏感な試薬を利用、分光学的測定と干渉または不要なバブル形成を引き起こすことができる化学反応を妨げることができます。

さまざまなテクニックの数は、液体の脱気に使用できます。これらの一部はバブルと凍害ポンプ循環による加熱、超音波攪拌、ガスの化学的除去、不活性ガスに置換を含みます。凍害ポンプ サイクリング小規模が脱ガスの一般的効果的な方法を詳しく紹介します。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 有機化学の必需品 . 凍害ポンプ サイクリングで液体の脱気. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

凍結-融解性ポンプの脱ガス、高真空/不活性ガスの二重マニホールドを使用して減らされた圧力の下で実行されます。プロセスは最初、凍結液体窒素やドライアイス/イソプロパノール スラリーを使用して溶媒を含みます。真空が適用され、上記の凍結溶媒ヘッド スペースを避難しました。フラスコを密封して解凍し、溶媒は、溶存ガス種のリリースを許可します。凍害ポンプ プロセスが通常溶存ガスの割合を減らすに追加の少なくとも 2 つのサイクルで繰り返されます。1, 2

このメソッドは、液体ガスの溶解度の圧力依存性の活用です。ヘンリーの法律(式 1)に対応、溶かしている液体ガス (Caq) の濃度は、ガス (Pガス) 蒸気の分圧に比例する (k) は一定の温度、流量、圧力の下で液体上相直接です。3

Caq = kPガス (式 1)

減少する液中溶存気体の溶解度を引き起こす液体の上のガスの圧力を下げます。したがって、液相平衡を再建、溶存ガスに液体から気泡としてリリースされます。

次の手順で外部冷却と風呂をそれぞれ温暖化として液体窒素とぬるま湯を使用するベンゼンと凍害ポンプ自転車技術が実証されます。この手法を実行するために必要な実験装置は、窒素源と接続された真空二重マニホールド シュレンク管で構成されます。シュレンク管には、適切なガラス製品、Schlenk フラスコなどに接続するため真空対応チューブ造管ライン (図 1) が備わっています。1, 2

Figure 1
図 1。真空・窒素のソース搭載 Schlenk ラインの写真。

Procedure

  1. まず、Schlenk フラスコに必要な溶媒やソリューションを配置し、(図 2 a) 活栓を閉じる。Schlenk フラスコに他のすべての開口部をシールします。注意: フラスコの容積の 50% 以上を使用していないと、ひびや骨折のフラスコを検査します。 折れたりしてあふれフラスコは、プロセス中に破る可能性があります
  2. シュレンク管にフラスコを添付し、閉じたシュレンク管に対応するバルブを維持します。液体窒素やドライアイス スラリーを含むデュワーにフラスコを水没によって液体を完全に固定します。(図 2 b)。注意: 凍結する前に環境が酸素の完全に自由を確保するための窒素ガスで Schlenk フラスコをフラッシュします
  3. 溶媒が固定される、Schlenk フラスコの活栓と真空 (図 2 c) にシュレンク管のバルブを開きます。真空下で、約 10 分間冷却浴内は、フラスコを保ちます。 (図 2 d) 活栓を閉じることによってフラスコを密封します。
  4. それが温水浴を使用して溶けるまで溶媒を解凍します。この手順中に気泡は溶剤 (図 2 e、2 階) から目に見えて進化します。単独でゆっくりと解凍して凍結溶媒を許可し、液体を邪魔しないでください。
  5. 解凍後、溶剤、冷却浴と温水浴を置き換えるし、溶媒を再凍結します。
  6. ソリューション分かれる (図 2 g) としてガスの進化は表示されなくなるまで手順 3-5 を繰り返します。3 つのサイクルの最小溶存ガスの存在の割合を最小限に抑えるため勧めします。
  7. 3 つのサイクルを終えて Schlenk フラスコを使用 (図 2 h) 前に窒素下でシーリングをします。シュレンク管に窒素ガスのバルブを開き、窒素雰囲気中に溶剤を公開するフラスコの活栓を開きます。Schlenk フラスコは、窒素が充填されます、一度最後に、フラスコにバルブを閉じます。
  8. 溶媒が脱との準備ができて使用します。

Figure 2
図 2。無料ポンプ融解手順の写真の詳細を: (a) の手順 1 が、フラスコ; 溶剤(b) 手順 2、凍結ドライアイスで溶媒 (または液体窒素で);(c) ステップ 3、紹介真空;(d) ステップ 4、シールの真空の下でフラスコ(e)、(f)、ステップ 5、溶媒を解凍し、ガスのバブルの進化を観察(g) 手順 7 繰り返し凍結融解過程 (3 サイクルをお勧めします)。(h) ステップ 8、窒素下で溶媒のシールします。

液体の脱気は、有機化学に多くの化学合成技術に不可欠です。脱ガスは、液体から溶存ガスを除去プロセスを指します。脱ガス化学種の酸素と不要な反応を受けやすい場合に重要です。凍結-融解性ポンプのサイクリングは、液体の脱ガスは小規模のために利用する一般的な方法です。テクニックは、シュレンク管または真空/不活性ガス二重マニホールドを使用して減らされた圧力の下で実行されます。このビデオは、実験室で脱気ポンプ凍害を実行するの原則を概説します。

凍結-融解性ポンプで脱気すると、液体にガスの溶解度の圧力依存性の活用が。これはなぜソーダ泡が開かれた、ヘンリーの法則を示す。ヘンリーの法則によると液体に溶解した気体のモル分率は液体の上の蒸気相のガスの分圧に比例。したがって、溶存ガス減少の容解性液体の上のガスの圧力を下げると泡として解放されます。

凍結-融解性ポンプの脱気まず凍結液体窒素やドライアイスのデュワーを使用して溶媒が含まれます。真空は、適用および冷凍溶剤上記ヘッド スペースを避難させた。これは溶存気体の溶解度が低く、液体上ヘッド スペース内の圧力が低下します。

フラスコを封印し、溶媒を解凍すると、ヘッド スペースに溶存ガス種のリリースを有効にします。液体が凍結し、プロセスが必要な回数だけ繰り返されます。

通常は、真空のアプリケーションだけでなく、不活性ガスの導入を行うために、Schlenk ライン セットアップと凍害ポンプ脱ガスを実行します。シュレンク管は、複数ポートを備えたデュアル ガラス マニホールドで構成されています。シュレンク管にこのコレクションのビデオは、この装置についての詳細に入ります。今では凍害ポンプ技術の基本が記載されている、手順は実験室で実証されます。

まずは、清潔で乾燥した Schlenk フラスコを取得します。ひびや骨折は、プロセス中に粉々 にフラスコを引き起こす可能性がありますのフラスコを検査します。

Schlenk フラスコをクランプで固定し、必要な溶媒またはソリューションを追加します。使用しないでください、ボリュームの 50% 以上いくつかの溶剤が、凍結時に拡大したフラスコを破ることができます。活栓を閉じ、任意の開口部が密封されることを確認します。フレキシブル チューブの切れ端でシュレンク管に Schlenk フラスコの側面のアームを接続し、閉じたシュレンク管に対応するバルブを維持します。フラスコを避難する真空ラインに接続されるバルブと同様、フラスコ、活栓を開きます。真空が確立されると、バルブを閉じます。フラスコを埋めるため不活性ガスのラインにバルブを開きます。不活性ガスで満たされたフラスコ ラインし、活栓を閉じます。

液体を凍結する液体窒素を含むデュワー フラスコが水没します。溶媒が固定される、Schlenk フラスコの活栓とフラスコ内で真空をプルするシュレンク管のバルブを開きます。真空下で、約 10 分間液体窒素デュワー内、フラスコを保ちます。

液体窒素デュワーからフラスコを削除します。次に、活栓を閉じることによってシール。

溶媒を完全に溶かすために温水浴でフラスコを浸します。この中に、気泡に見えて溶媒から進化していきます。液体を邪魔しないし、単独で解凍すること。

溶剤は完全に解凍して、液体窒素デュワー、温水浴に置き換えるし、溶媒を再凍結します。

溶媒が固定される、活栓 Schlenk フラスコやシュレンク管フラスコ内で真空をプルするを開きます。10 分後に、フラスコやシュレンク管にコックを閉じて液体窒素デュワーを削除します。暖かい水のお風呂でもう一度ソリューションを解凍します。気泡はもはや溶媒から進化するまで、プロセスを繰り返します。

これらのサイクルの完了後、不活性ガス下で Schlenk フラスコをシールします。シュレンク管に不活性ガス弁を開くし、不活性雰囲気中に溶剤を公開するフラスコの活栓を開きます。

Schlenk フラスコをガスで満ちた、Schlenk フラスコやシュレンク管操作線バルブを閉じます。ソリューションは、現在脱準備ができて使用です。

脱気技術がアプリケーションにとって極めて重要なある特定のガスの存在が有害、または実験を汚染する可能性があります。

有機合成のためのソリューションの脱ガス、Schlenk ライン システムの主要アプリケーションです。この実験では、酸素は反応に有害なカドミウムのセレン化物ナノ結晶は合成しました。まず、分子の前駆体は、準備され、加熱します。混合物は、真空下で脱泡し、フラスコ アルゴンと。アルゴン雰囲気下で反応が完了します。

ユーリー-ミラーの実験は、生命の起源に焦点を当てた先駆的な研究です。実験は、原始大気中の気体だけが存在している必要があります。まず、原始の大気は、海をシミュレートするために水を含んでいる密封された丸底フラスコで再作成されました。それは、雷をシミュレートする電極を装着しました。液体は、アンモニアやメタンなど原始のガスを導入する前のシュレンク管を使用して脱気だった。

ガスを含む閉鎖のフラスコは、システムから削除されました。スパークし、原始スープの中に稲妻をシミュレートするために行った。アミノ酸やその他の小さな有機分子の数が生成されました。

脱気も実施できる場合周囲の空気がソリューションを汚しません真空チャンバーを用いたします。この例ではポリジメチルシロキサンの柱は、事前に準備された金型から成形しました。マイクロ流体デバイスとして知られている、成形装置は、少量の液体を細かく制御に使用されます。これを行うには、PDMS ベースと硬化剤の質量比は 10:1 は精力的に混合しました。ソリューションは、すべてのバブルを削除する真空チャンバー内で脱泡。脱ポリマーだったし、金型に注がれ、オーブンで硬化します。デバイスが、金型から分離し、液体の表面張力の特性を研究するために使用します。

ゼウスの凍結-融解性ポンプを用いた溶剤の脱入門を見てきただけ。今 Schlenk ライン システムでこの手法を使用する方法のよりよい理解が必要です。

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Applications and Summary

溶存ガスの除去は、学界と業界の両方に重要です。機械・機器、様々 な化学反応を保護し、クロマトグラフィー、吸光光度法の正確な測定値を得るのための品質を維持するために必要です。

たとえば空気敏感な試薬を生成または使用する反応、有機金属化合物、チオール化合物、ホスフィン、電子豊富な芳香族化合物よく実験を通してそれらの整合性を維持するために脱ガスのいくつかのレベルが必要です。収穫または空気敏感な反応の結果であっては、溶存ガスを除去する適切な対策が取られていない場合に変更できます。溶存酸素励起状態を急冷法による光化学反応に影響します。例えば、少量の強度とスペクトル分布 (図 3) に影響を与えるソリューションに存在する酸素によって芳香族の三重項状態を急冷することができます。

Figure 3
図 3。ソリューションの蛍光発光スペクトル。テトラセン (16 μ M) 脱ベンゼン (青線)、410 で励起酸素飽和ベンゼン (赤い線) で nm、475 での発光強度 nm は酸素飽和溶液で 14% 減します。

業界では、水は熱交換のための一般的に使用される流体です。金属管、ボイラー システム、ポンプの寿命です実行している水の品質に依存しています。水は酸素と二酸化炭素のさまざまなレベルが含まれています、金属材料への損傷を引き起こすことができます。酸素、酸化剤、二酸化炭素、カルボン酸への変換による腐食。上記へのガスを抜かれた水の配信システムは、機器の耐用年数を延長するに言及しました。

さらに、ガス溶媒中で存在は高速液体クロマトグラフィー (HPLC) 性能と出力の両方の点で実験器具などの負の影響を持つことができます。金属プロペラまたは配布溶剤ポンプ楽器の多くがあります。ガスを溶解している溶媒に接触するとキャビテーションと腐食損傷または金属部品の劣化につながる原因になります。検出器の安定性、溶存ガスの存在によっても影響し、酸素の不十分な除去は、ベースラインのドリフトを引き起こすことができます。

小規模中から規模の液体の脱気ポンプ凍害サイクリング比較的迅速かつ効率的な方法の適切なは。このプロセスは、問題の議論のいくつかを克服するために助けることができる上記溶剤で溶存存在ガスに関連付けられています。

References

  1. Shriver, D. F., Drezdn, M. A. The Manipulation of Air Sensitive Compounds. 2nd ed. Wiley & Sons: New York, NY (1986).
  2. 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).
  3. Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J.  Chemistry and Chemical Reactivity. 8th ed. Brooks/Cole: Belmont, CA. (2012).
  1. まず、Schlenk フラスコに必要な溶媒やソリューションを配置し、(図 2 a) 活栓を閉じる。Schlenk フラスコに他のすべての開口部をシールします。注意: フラスコの容積の 50% 以上を使用していないと、ひびや骨折のフラスコを検査します。 折れたりしてあふれフラスコは、プロセス中に破る可能性があります
  2. シュレンク管にフラスコを添付し、閉じたシュレンク管に対応するバルブを維持します。液体窒素やドライアイス スラリーを含むデュワーにフラスコを水没によって液体を完全に固定します。(図 2 b)。注意: 凍結する前に環境が酸素の完全に自由を確保するための窒素ガスで Schlenk フラスコをフラッシュします
  3. 溶媒が固定される、Schlenk フラスコの活栓と真空 (図 2 c) にシュレンク管のバルブを開きます。真空下で、約 10 分間冷却浴内は、フラスコを保ちます。 (図 2 d) 活栓を閉じることによってフラスコを密封します。
  4. それが温水浴を使用して溶けるまで溶媒を解凍します。この手順中に気泡は溶剤 (図 2 e、2 階) から目に見えて進化します。単独でゆっくりと解凍して凍結溶媒を許可し、液体を邪魔しないでください。
  5. 解凍後、溶剤、冷却浴と温水浴を置き換えるし、溶媒を再凍結します。
  6. ソリューション分かれる (図 2 g) としてガスの進化は表示されなくなるまで手順 3-5 を繰り返します。3 つのサイクルの最小溶存ガスの存在の割合を最小限に抑えるため勧めします。
  7. 3 つのサイクルを終えて Schlenk フラスコを使用 (図 2 h) 前に窒素下でシーリングをします。シュレンク管に窒素ガスのバルブを開き、窒素雰囲気中に溶剤を公開するフラスコの活栓を開きます。Schlenk フラスコは、窒素が充填されます、一度最後に、フラスコにバルブを閉じます。
  8. 溶媒が脱との準備ができて使用します。

Figure 2
図 2。無料ポンプ融解手順の写真の詳細を: (a) の手順 1 が、フラスコ; 溶剤(b) 手順 2、凍結ドライアイスで溶媒 (または液体窒素で);(c) ステップ 3、紹介真空;(d) ステップ 4、シールの真空の下でフラスコ(e)、(f)、ステップ 5、溶媒を解凍し、ガスのバブルの進化を観察(g) 手順 7 繰り返し凍結融解過程 (3 サイクルをお勧めします)。(h) ステップ 8、窒素下で溶媒のシールします。

液体の脱気は、有機化学に多くの化学合成技術に不可欠です。脱ガスは、液体から溶存ガスを除去プロセスを指します。脱ガス化学種の酸素と不要な反応を受けやすい場合に重要です。凍結-融解性ポンプのサイクリングは、液体の脱ガスは小規模のために利用する一般的な方法です。テクニックは、シュレンク管または真空/不活性ガス二重マニホールドを使用して減らされた圧力の下で実行されます。このビデオは、実験室で脱気ポンプ凍害を実行するの原則を概説します。

凍結-融解性ポンプで脱気すると、液体にガスの溶解度の圧力依存性の活用が。これはなぜソーダ泡が開かれた、ヘンリーの法則を示す。ヘンリーの法則によると液体に溶解した気体のモル分率は液体の上の蒸気相のガスの分圧に比例。したがって、溶存ガス減少の容解性液体の上のガスの圧力を下げると泡として解放されます。

凍結-融解性ポンプの脱気まず凍結液体窒素やドライアイスのデュワーを使用して溶媒が含まれます。真空は、適用および冷凍溶剤上記ヘッド スペースを避難させた。これは溶存気体の溶解度が低く、液体上ヘッド スペース内の圧力が低下します。

フラスコを封印し、溶媒を解凍すると、ヘッド スペースに溶存ガス種のリリースを有効にします。液体が凍結し、プロセスが必要な回数だけ繰り返されます。

通常は、真空のアプリケーションだけでなく、不活性ガスの導入を行うために、Schlenk ライン セットアップと凍害ポンプ脱ガスを実行します。シュレンク管は、複数ポートを備えたデュアル ガラス マニホールドで構成されています。シュレンク管にこのコレクションのビデオは、この装置についての詳細に入ります。今では凍害ポンプ技術の基本が記載されている、手順は実験室で実証されます。

まずは、清潔で乾燥した Schlenk フラスコを取得します。ひびや骨折は、プロセス中に粉々 にフラスコを引き起こす可能性がありますのフラスコを検査します。

Schlenk フラスコをクランプで固定し、必要な溶媒またはソリューションを追加します。使用しないでください、ボリュームの 50% 以上いくつかの溶剤が、凍結時に拡大したフラスコを破ることができます。活栓を閉じ、任意の開口部が密封されることを確認します。フレキシブル チューブの切れ端でシュレンク管に Schlenk フラスコの側面のアームを接続し、閉じたシュレンク管に対応するバルブを維持します。フラスコを避難する真空ラインに接続されるバルブと同様、フラスコ、活栓を開きます。真空が確立されると、バルブを閉じます。フラスコを埋めるため不活性ガスのラインにバルブを開きます。不活性ガスで満たされたフラスコ ラインし、活栓を閉じます。

液体を凍結する液体窒素を含むデュワー フラスコが水没します。溶媒が固定される、Schlenk フラスコの活栓とフラスコ内で真空をプルするシュレンク管のバルブを開きます。真空下で、約 10 分間液体窒素デュワー内、フラスコを保ちます。

液体窒素デュワーからフラスコを削除します。次に、活栓を閉じることによってシール。

溶媒を完全に溶かすために温水浴でフラスコを浸します。この中に、気泡に見えて溶媒から進化していきます。液体を邪魔しないし、単独で解凍すること。

溶剤は完全に解凍して、液体窒素デュワー、温水浴に置き換えるし、溶媒を再凍結します。

溶媒が固定される、活栓 Schlenk フラスコやシュレンク管フラスコ内で真空をプルするを開きます。10 分後に、フラスコやシュレンク管にコックを閉じて液体窒素デュワーを削除します。暖かい水のお風呂でもう一度ソリューションを解凍します。気泡はもはや溶媒から進化するまで、プロセスを繰り返します。

これらのサイクルの完了後、不活性ガス下で Schlenk フラスコをシールします。シュレンク管に不活性ガス弁を開くし、不活性雰囲気中に溶剤を公開するフラスコの活栓を開きます。

Schlenk フラスコをガスで満ちた、Schlenk フラスコやシュレンク管操作線バルブを閉じます。ソリューションは、現在脱準備ができて使用です。

脱気技術がアプリケーションにとって極めて重要なある特定のガスの存在が有害、または実験を汚染する可能性があります。

有機合成のためのソリューションの脱ガス、Schlenk ライン システムの主要アプリケーションです。この実験では、酸素は反応に有害なカドミウムのセレン化物ナノ結晶は合成しました。まず、分子の前駆体は、準備され、加熱します。混合物は、真空下で脱泡し、フラスコ アルゴンと。アルゴン雰囲気下で反応が完了します。

ユーリー-ミラーの実験は、生命の起源に焦点を当てた先駆的な研究です。実験は、原始大気中の気体だけが存在している必要があります。まず、原始の大気は、海をシミュレートするために水を含んでいる密封された丸底フラスコで再作成されました。それは、雷をシミュレートする電極を装着しました。液体は、アンモニアやメタンなど原始のガスを導入する前のシュレンク管を使用して脱気だった。

ガスを含む閉鎖のフラスコは、システムから削除されました。スパークし、原始スープの中に稲妻をシミュレートするために行った。アミノ酸やその他の小さな有機分子の数が生成されました。

脱気も実施できる場合周囲の空気がソリューションを汚しません真空チャンバーを用いたします。この例ではポリジメチルシロキサンの柱は、事前に準備された金型から成形しました。マイクロ流体デバイスとして知られている、成形装置は、少量の液体を細かく制御に使用されます。これを行うには、PDMS ベースと硬化剤の質量比は 10:1 は精力的に混合しました。ソリューションは、すべてのバブルを削除する真空チャンバー内で脱泡。脱ポリマーだったし、金型に注がれ、オーブンで硬化します。デバイスが、金型から分離し、液体の表面張力の特性を研究するために使用します。

ゼウスの凍結-融解性ポンプを用いた溶剤の脱入門を見てきただけ。今 Schlenk ライン システムでこの手法を使用する方法のよりよい理解が必要です。

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