氯化氢的甲醇溶液是有机合成中广泛使用的试剂,可用于脱保护基(如Boc,叔丁基,SEM,MOM等), 胺的成盐纯化、羧酸酯化等。
其制备方法一般是通过原位生成干燥的HCl,制备使用通常用以下手段:
直接从试剂公司采购,虽然盐酸是管制的,但是氯化氢的有机溶液并不管制,原因大概是因为浓度不高,涉毒成本大。
将干燥的气态氯化氢低温通入干燥的甲醇中(工厂的主流操作)
将酰氯滴加至甲醇,此时体系除了甲醇溶剂之外,还有酰氯和甲醇反应生成的酯(实验室常用的手段,除了甲醇外还可能配合其他醇使用,用于醇解反应,如下示例:)
其他类似的还有,如将三甲基氯硅烷(TMSCl)添加到甲醇中等
因为实验室或工厂制备所得的甲醇-氯化氢试液基本上是现配现用,所以虽然这是个常用试液,但关于久置氯化氢-甲醇的试液潜在危险一直没有引起化学工作者的注意。
2020年,德国 Oril Industrie 研究人员在美国化学会Org. Process Res. Dev. 上发表了一篇研究文章
文章描述了一起盐酸/甲醇溶液引起的实验室安全事件,并对相关机制进行了探索,旨在引起有机合成人员对此类试剂的重视。
在中间体1到2和3到4的过程中,因为涉及到成盐的步骤,为了纯化需要,遵循原子经济原则,Oril Industrie研究人员计划先拿到盐酸盐产物,然后再处理(这种处理方法快分享吐了,还不太懂的,建议翻翻我们之前的分享,如)。
因为中间体盐酸盐水溶性的倾向,体系必然要避免水的参与,所以研究人员最终选用了4 M HCl-MeOH溶液。
Oril Industrie的实验室和中试工厂多年来一直采用鼓泡法制备 HCl-MeOH溶液,即在甲醇中鼓泡气态HCl(规模分别为1升和100升)。然后在鼓泡结束时使用酚酞作为指示剂和氢氧化钠水溶液测定氯化氢的精确滴定。
之前一直没有出过问题,但当某次实验, 4个月前制备,在室温存放约占1L瓶子1/2的HCl-MeOH溶液 被研究人员打开后,意外发生了!
打开瓶子时研究人员就听到了嘶嘶声,并注意到溶液里有小气泡产生。这一现象可能不足为奇,所以没有引起实验员过多的警惕。但当实验员用吸管接触到液体表面时,溶液突然从瓶中大量喷出。幸运的是,由于使用了个人防护设备,没有造成人员受伤,仅发生了通风橱内泄漏的情况。
这次事件促使Oril Industrie对事故根本原因展开调查。
氯化氢和甲醇的反应据报道的已知有下列几条:
1、产生相应的氯化物
2、生产一种重要化工中间体甲基氯的最佳工艺(参考: ICIS Chemical Business Americas , 2007, Methyl Chloride , 271, 50)
3、由甲醇溶液制备胺盐酸盐的过程中会产生氯甲烷,是一种制药行业广泛关注的基因毒素杂质(参考: Org. Process Res. Dev. 2009, 13, 786– 791)。
为了彻底搞明白相关机制,研究人员通过在MeOH中鼓入气态氯化氢分别制备了浓度为2.05mol/L,3.10mol/L,4.10 mol/L的盐酸甲醇溶液。控制温度变量和时间变量,每组各包含三个试样。
第一组的9个试样在20–25°C下存储,
第二组的9个试样在0–5°C下存储。
分别保存1、2和3个月后,小心地打开每个试样,并滴定浓度。
通过观察瓶内液体脱气(degassing,开盖时的嘶嘶声)和鼓泡(bubbling,开盖后的产生的气泡)来衡量盐酸甲醇的稳定程度。
结果表明,HCl-MeOH溶液的行为与其浓度、保存期限和储存温度有关。
新鲜制备的溶液被认为是安全处理的,作者强烈建议在0–5°C下储存,因为打开塞子后的溶液表现温和。但是,处理储存在20–25°C,特别是4 mol/L的溶液时,必须采取适当的预防措施(图中标红色)。在那种情况下,可以随时观察到大量的脱气和大量的气泡。使用2 mol/L和3 mol/L的溶液可以稍微降低风险,但在储存1个月后会发生大量的意外脱气(下图)。
同时,作者对每种溶液的HCl浓度进行了定量,结果与上述观察到的行为可以相佐证。储存在20–25°C时,浓度会在1个月后大幅下降,然后在2和3个月后略有下降。而当溶液在0–5°C下储存时,这种现象会减弱。
图、在不同条件下,甲醇中的HCl浓度随时间变化。
然后,在室温下保存3个月后,对装有4 mol/L HCl-MeOH 溶液的试样进行定性质谱分析。检测到的主要成分是氯甲烷,还有一些二甲醚。没有观察到气态HCl。同时,根据观察到反应生成的水(通过Karl Fisher分析法测量为8%w/w)。
最后,研究人员买了一些市售的5-10%w/w HCl-MeOH溶液检测,同样检出来了甲基氯和水的存在。
并且溶液中的氯甲烷含量在1个月内增加,之后的几个月降低,研究人员怀疑可能是因为氯甲烷(B.P. -23.7°C)沸点低蒸发导致的 ,储存1个月后,水含量明显增加,然后趋于稳定。
图、存储在20°C的5-10%w/w的氯化氢甲醇溶液随时间监测MeCl含量。
至于一早提到的为什么在移液过程中发生喷发?作者倾向于认为,4 mol/L HCl-MeOH溶液在室温下存放几个月后,封闭体系内生成的副产物的平衡处于不稳定状态。当移液器撞击溶液表面时,由于过饱和,溶解在甲醇中的氯甲烷突然释放,导致喷射。
后来,Oril Industrie的研究人员用相同的方法,对HCl-EtOH溶液也进行了相关测定,结果令人欣喜。就安全性而言,即使在室温下 4M 的HCl-EtOH溶液也未观察到脱气或鼓泡。
随着时间的推移,作者还监测了不同浓度下试样中HCl浓度的变化,结果显示:
对于2 mol/L的溶液,在20-25℃下观察到轻微的降低,对于浓度更高的溶液,这种降低更为明显。储存3个月后,仅损失约20%的HCl,而在甲醇中损失约60%。
当溶液在0–5°C下储存时,HCl-EtOH溶液摩尔浓度非常稳定,几乎没有损失。
其他
久置的试液使用前一定要长点心,主要考虑四点:
是否会形成不稳定化合物(如过氧)
是否会吸水(如大部分酸性试剂,)
是否会氧化变质(如还原性物质,活性高的物质钯等)
有效成分的浓度是否会挥发减少
另外在实验室一定要做好防护;特别是头部的防护:
前面一些说给新人听,最后一句说给所有人,包括菜籽自己!
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