Interested Article - Работа в инертной атмосфере

Работа в инертной атмосфере — общее название ряда приёмов и методов, используемых в химических лабораториях для работы с веществами, чувствительными к действию воздуха. Работа в инертной атмосфере предотвращает деструкцию веществ компонентами воздуха , чаще всего водой и кислородом ; реже — углекислым газом и азотом . Общими свойствами всех приёмов работы в инертной атмосфере являются удаление воздуха из реакционного пространства при помощи вакуума, а также использование инертных газов, таких как аргон или азот .

Наиболее распространёнными приёмами работы в инертной атмосфере являются использование главбоксов и . В обоих случаях вся стеклянная посуда (чаще всего ) должны быть тщательно высушены перед использованием. Для удаления адсорбированной воды иногда используют пламя газовой горелки. Чаще всего для высушивания посуды пользуются приёмом, получившим название удаление-перезаполнение ( purge-and-refill ). Посуда помещается под вакуум (для удаления атмосферных газов и следов воды) а затем заполняется сухим инертным газом. Этот цикл повторяется несколько раз. Одним из отличий в использовании главбоксов и линий Шленка является способ применения удаления-перезаполнения . При использовании главбоксов посуда и оборудование высушиваются в так называемом шлюзе — специальном пространстве, соединённом как с внутренней частью главбокса, так и с внешней средой. При использовании же линии Шленка операция удаление-перезаполнение применяется только ко внутренней части посуды и оборудования, в котором будет проводиться химическая реакция.

Главбокс

Наиболее простым приёмом работы в инертной атмосфере является использование . При работе в главбоксе возможно использование практически всего арсенала лабораторных методов и приёмов. Главными недостатками являются высокая стоимость самого главбокса, а также ряд неудобств, возникающих при работе в толстых перчатках с тонкими и хрупкими приборами.

При работе в главбоксе может быть использовано стандартное лабораторное оборудование. Поскольку главбокс обладает закрытой циркулирующей атмосферой, при работе с ним нужно соблюдать некоторые дополнительные меры предосторожности. Так, например, существует возможность перекрёстного загрязнения образцов внутри главбокса в случае, когда он совместно используется несколькими химиками для одновременной работы с легколетучими реагентами разных типов.

Существует два основных способа применения главбокса в препаративной химии. В более консервативном методе он используется исключительно для взвешивания и открытых манипуляций с чувствительными реагентами. Сами химические реакции проводятся вне главбокса с использованием техники Шленка. Таким образом, главбокс используется только в наиболее ненадежных с точки зрения сохранения герметичности стадиях эксперимента. В более либеральном методе, главбокс используется для всех стадий эксперимента, включая операции с растворителями, непосредственное проведение реакции , обработку и выделение продуктов, а также подготовку образцов для анализа.

Некоторые реагенты и растворители нежелательно использовать непосредственно в главбоксе, хотя в конечном итоге это зависит от задач и стиля работы научной группы. Внутренняя атмосфера прибора подвергается постоянной деоксигенации с использованием медного катализатора . Поэтому некоторые летучие реагенты , такие как галогениды, а также вещества с сильной координирующей способностью, такие как фосфины и тиолы , могут вызывать необратимое отравление медного катализатора . Для проведения экспериментов с такими веществами гораздо предпочтительнее использовать технику Шленка.

Проведение реакции с фосфинами и тиолами в принципе возможно, хотя при этом медный катализатор будет нуждаться в более частой замене. Последний вариант более приемлем с точки зрения воздействия на окружающую среду.

Линия Шленка

Использование линии Шленка даёт возможность исследователю проводить многие эксперименты в атмосфере инертного газа. Основные особенности метода:

противоточное введение, при котором стабильный на воздухе реагент добавляется в реакционную ёмкость против тока инертного газа.
использование шприцов и резиновых пробок для добавления жидкостей и растворов .
для транспортировки растворов чувствительных веществ из одного сосуда в другой применяется специальная техника, в которой используется резиновые пробки, и иглы, соединённые длинной трубкой (катетером). Жидкость перетекает из одного сосуда в другой под действием вакуума или давления инертного газа.

Использование катетера для переливания тетрагидрофурана из правой колбы в левую

Различные части приборов соединяются между собой при помощи герметичных шлифов. Использование специального стеклянного оборудования, такого как и , даёт исследователю возможность использовать многие стандартные методы обработки реакционных смесей и очистки продуктов реакции.

Очистка газов и растворителей

Коммерчески доступные очищенные инертные газы ( аргон и азот ) используются в лабораторной практике без дополнительной обработки. Однако, перед использованием в манипуляциях с водо- и воздухочувствительными реагентами газы должны быть подвергнуты дополнительной очистке и осушению. Так, пропусканием инертного газа сквозь прогреваемую колонку с медным катализатором, газ может быть очищен от следов кислорода за счёт связывания последнего в виде оксида меди. Следы воды могут быть удалены путём продувания газа сквозь колонку, заполненную осушителем, таким как пентаоксид фосфора или молекулярные сита.

Важным аспектом работы в инертной атмосфере является использование чистых сухих растворителей , не содержащих кислорода . Некоторые коммерчески доступные растворители удовлетворяют этим требованиям. Ёмкости с такими растворителями содержат соответствующую маркировку. Их можно помещать непосредственно в главбокс и использовать без дополнительной очистки. При использовании коммерчески доступных сухих растворителей в опытах с линией Шленка, желательно провести дополнительную дегазацию и осушку.

Дегазация

Существуют два общих метода дегазации растворителя.

Первый, характеризуемый последовательностью действий охлаждение-откачка-нагревание ( freeze-pump-thaw ) заключается в следующем. Растворитель охлаждается жидким азотом, после чего ёмкость, содержащая его, вакуумируется. Далее сосуд отделяется от вакуумной линии (как правило перекрыванием специального крана на трубке Шленка) и помещается в тёплую воду для оттаивания. При этом выделяются пузырьки воздуха, захваченные при кристаллизации растворителя . После полного оттаивания сосуд продувается инертным газом.

Второй метод осушки заключается в перемешивании растворителя и обработке его ультразвуком. При этом ёмкость с растворителем вакуумируется. Первыми выделяются пузырьки растворённых газов. Как только растворитель начинает испаряться, сосуд заполняют инертным газом. Операцию повторяют трижды.

Осушка

Обычно растворители осушаются перегонкой над подходящим осушающим агентом в инертной атмосфере.

Важным осушающим реагентом для такого рода перегонок является тандем натрий-бензофенон. Помимо высокой скорости осушки, его использование даёт возможность визуально контролировать прохождение процесса. Изменение окраски от грязно-жёлтой, через зелёную в интенсивную голубую, обусловленную кетильным анион-радикалом, является индикатором отсутствия в растворе воды и следов кислорода.

Однако, поскольку такие перегонки являются пожароопасными, их всё чаще заменяют более безопасными способами осушки. В частности, распространено фильтрование дегазированного растворителя сквозь колонку, заполненную активированным алюминием .

Альтернативные способы

Оба метода проведения реакции в инертной атмосфере требуют наличия специального, подчас дорогостоящего оборудования. В случаях, когда отсутствие кислорода в реакционной атмосфере не является строгим условием, возможно применение других методов и приёмов. Например, для получения реактивов Гриньяра , которые гидролизуются водой, достаточно изолировать реакционную атмосферу от внешней среды трубкой, заполненной хлоридом кальция («хлоркальциевая трубка»).

Иногда используется осушка in situ , например, с помощью молекулярных сит или азеотропной отгонки воды из реакционной смеси.

Примечания

Duward F. Shriver and M. A. Drezdzon «The Manipulation of Air-Sensitive Compounds» 1986, J. Wiley and Sons: New York. ISBN 0-471-86773-X .
Brown, H. C. «Organic Syntheses via Boranes» John Wiley & Sons, Inc. New York: 1975. ISBN 0-471-11280-1 .
(неопр.) . University of Houston . (недоступная ссылка)
Nathan L. Bauld. (неопр.) . University of Texas (2001). Дата обращения: 5 апреля 2009. 29 марта 2012 года.
W. L. F. Armarego and C. Chai. Purification of laboratory chemicals (неопр.) . — Oxford: (англ.) ( , 2003. — ISBN 0750675713 .
Pangborn, A. B.; Giardello, M. A.; Grubbs, R. H.; Rosen, R. K. and Timmers, F. J. Safe and Convenient Procedure for Solvent Purification (англ.) // (англ.) ( : journal. — 1996. — Vol. 15 , no. 5 . — P. 1518—1520 . — doi : .