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有机反应中的隐形杀手:如何有效除氧?

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对于许多有机反应而言,氧的存在比微量水的存在的危害性更大。如果一个反应没有按预想结果发生,那么必须要确认一下体系中的氧是否已经除净,包括溶剂中溶解的氧气。对于某些特定的反应而言,溶剂除氧是非常必要的,这些反应通常包括:

1、超过溶剂沸点长时间加热的反应 这些反应通常是强回流状态,部分在密封管中进行,尤其是对于分子内的反应而言, 如果反应期间颜色变黄或者变棕通常认为是由于氧的存在 。高温的反应对氧十分敏感,甚至于在打开反应对样品进行TLC取样时带入的氧气也有可能破坏反应。

2、有机金属催化的反应 对于许多有机金属反应而言,需要提供一个无氧的环境(有时甚至需要无氮的环境)。对于使用某些敏感的催化剂而言,进行10次冻干-抽泵-解冻的循环并不少见。

3、自由基反应以及光化学反应 光化学反应中最常见的就是自由基物种,通常是在光催化下单电子转移产生,自由基物种往往能够与氧气发生反应,显而易见必须除氧。光反应菜籽实验室内经常做,但是新人很难重复老人的收率,氧气便是问题所在。

4、反应底物中含有硫醇、硫醚、磷氢、富含电子的芳香族化合物等时 加热溶剂通常会导致这类底物发生氧化反应,如二苯基膦氢,如果不在手套箱中,即使0℃也会有部分氧化成二苯基氧膦。

以下介绍4种常用溶剂除溶解氧的方法

1. 简单抽空换氮

这是最简单使用最普遍但脱气效果最差的一种方法,适用于粗略的大批量溶剂脱气。操作也非常简单,只需要在溶剂瓶口加上一个三通,用循环水泵来回抽空换氮(氩)三次就可。

普遍只适合一般反应,氧气去除不彻底,影响保护效果。

2. 鼓气(purging)

这种方法比简单的抽空换氮稍好。 顾名思义,该方法是在实验过程中在溶剂中持续鼓入惰性气体(氮气或氩气)。

惰性气一般通过一根干净的长针管通入溶剂。针管接在一个适配器或者尾部截断的空针筒上,这样便可配上Schlenk line的伸缩性橡胶或塑料导管。针管穿过橡胶塞插入装有溶剂的容器中,针头必须伸至溶剂底部。另外还要插入一根短的针管用以压力释放。

注意,气体流速不能太快以免溶剂过多蒸发。一般2-3个气泡每秒就足够了,而对于低沸点溶剂可以适当减缓。在使用这种方法的时候,需要注意的是要注意防止溶剂的挥发以及溶剂内水的浓缩。

3. 微真空环境 超声脱气

这个方法比鼓泡法效果好,适用于为高效液相色谱(HLPC)和一些快速反应提供脱气溶剂。它过程包括 在微真空环境 (如室内真空)下溶剂的声波降解和惰性气氛再填充。这个过程须重复5-10次,每次溶剂的声波降解时间约为1分钟。

4. 冰冻-抽气-解冻法

这是效果最好的脱气方法。昨天推文涉及園头反应的部分还有读者提到。 它适用于小体积的溶剂(通常用于标准大小反应烧瓶的溶剂), 包括冰冻、抽真空和解冻三个过程 。将密封的Schlenk管中或者厚壁的密封试管浸入液氮中。当溶剂完全冷却后,打开活塞,对于对于瓶内抽真空2-3min(反应瓶依然浸入在液氮中)。关闭反应瓶,解冻直至溶剂完全融化。重复该过程,通常三次。最后一次过程中将体系内充满惰性气体。在Schlenk瓶中去除氧气的溶剂通常能保存1-2天。

使用冰冻-抽气-解冻法进行脱气的具体操作步骤:

1) 将需要脱气的溶剂放入Schlenk管/瓶或厚壁的烧瓶(能承受真空)中,可加搅拌子。

2) 把Schlenk管/瓶连在Schlenk line上,确保开关H是关着的,即瓶子是密封的。

3) 打开双斜阀门B将导管与真空管连通,但烧瓶仍对之是关闭的。

4) 把烧瓶置于液氮杜瓦瓶中直至所有溶剂完全冰冻。

5) 把阀门H打开抽真空2-3分钟。

6) 关闭阀门H将容器与真空管隔离。

7) 将烧瓶从液氮中移出让溶剂解冻。在搅拌板上温水加热可以加速这个过程。真空下的解冻可以让所有溶解在溶剂中的气体逸出到烧瓶顶部空间。

8) 溶剂解冻完后重复步骤4-7。这个冰冻-抽气-解冻循环要重复三次。

9) 第三次循环后再通过Schlenk line填充入惰性气氛。之前提过的,缓慢打开阀门B和H接通惰性气管以免让外部大气抽入Schlenkline。

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