实验室操作技巧Schlenk line

实验室操作技巧：空气敏感化合物【转自wiley中国】

第一部分

有机金属化学中碰到的许多化合物都是对湿气/氧气敏感的。同样的，一些有机合成中需要用到易挥发或易自燃的物品。当一种化合物易与水、O2、N2或者CO2反应时，它被归类为空气敏感的。空气敏感化合物必须与空气隔绝，在封闭的环境中操作。通常情况下，我们使用氮（N2）或氩（Ar）进行隔绝保护。这样做就需要用到一个可调节流量大小的供气设备来配备适当纯度的保护气。由于Ar比N2更昂贵，通常我们都是用N2，除非所研究的化合物会与N2反应。

表1一些在氧气或湿气下易氧化、分解和爆炸的化合物示例

真空/惰性气体多歧管系统，俗称Schlenk line（Schlenk lines），是隔离和处理空气敏感物品的理想选择。它设计简单，只要接上特制玻璃器皿，你可以得到一个好用又灵活的、能

承载多种实验装置的系统。因此，在空气敏感化合物的处理和操作过程中通常会使用Schlenk line。

虽然Schlenk line概念上很简单，但它复杂的管路和外接的玻璃器皿总是让初学者望而生畏。因此我们将在本文介绍Schlenk line的基础知识，并在后续的文章中着眼于各种反应类型可能的实验设置以及空气敏感化合物的分离和分析。

基本的设计和器具

Schlenk line的设计，不同的线、不同的实验室均不一样，但它一般有以下几个关键的共通点（如图1和图2所示）：

l 双排管

l 惰性气体进口

l 惰性气体出口（通过鼓泡器）

l 真空泵

l 一个或多个溶剂冷阱

l 控制进气和真空的阀门

l 连接设备到线上的管路

如图1所示，双排管是Schlenk line的主体。两个平行的玻璃导管，一个通惰性气体，另一个内部真空。装有阀门以控制惰性气体和真空之间的转换。一条Schlenkline通常有4-6个阀门接口以让多个反应同时进行。

图1：真空/惰性气歧管系统的基本结构图

High Vacuum Line 与 Schlenk Line的区别

Schlenk line一般适用于在溶液中进行的反应，因为它们很适合插管和逆流技术，而涉及测量或冷凝气体的操作通常在High vacuum line中进行。

Schlenk line在几个小细节上与High vacuum line有所不同。High vacuum line，顾名思义，相对于Schlenk line有更好的真空度。这是由于High vacuum line使用扩散泵代替或补充通常用于Schlenk line上的机械泵。Schlenk line采用可伸缩的橡胶管或塑料管将实验器具连接到线上，而High vacuum line使用连接结点能获得更好的密封性和真空度。惰性气体歧管

气体歧管通过柔性橡胶管或塑料管（图2中的A）连接惰性气体来路和出口。惰性气体（通常为N2和Ar）可以直接进入歧管，也可以先经过干燥或脱氧列。使用的惰性气体一般由

压缩气瓶或内部液氮罐（针对N2）供给。由于Ar比N2贵，氮通常是优选的气体，除非所研究的化合物与氮反应。

气体经由水银或油鼓泡器排出（如图2所示）。鼓泡器的作用是压力释放和监视气体流动。鼓泡器的气体应排向通风柜背面或接近通风柜排气口，尤其是使用水银鼓泡器时。水银鼓泡器能提供一个更高的气体压力因为相对来说水银比油更重。当管路上的容器用惰性气体填充时（见第2章）这是很有必要的，因为它能减少空气对管路的污染。不过，因为水银有毒，水银鼓泡器用得越来越少了。

图2：完整的Schlenk line结构图

真空歧管和冷阱

真空歧管的一端封闭（通常用塞子），另一端与真空泵相连。运用一个可移除的塞子，而不是一个永久密封端，有助于对于管路内部的清洁。在歧管和真空泵之间有一个冷阱（如图2所示）。冷阱防止挥发性或腐蚀性溶剂蒸发进入泵而侵蚀泵油。这种分包对泵有害而且会缩短泵的使用寿命，降低工作效率，甚至导致它们停止工作。根据歧管的设计，冷阱通过阀门

（图2，F）与真空管路隔离，通过冷阱和真空泵之间的阀（图2，G）与外部大气相通。当你完成对管路的使用时，可以打开阀门让真空歧管重新充气。

冷阱浸泡于装有液氮的杜瓦瓶中。液氮冷却冷阱，并将从Schlenk line排出的蒸汽和气体冷凝。可以使用丙酮/干冰混合物代替液氮。Schlenk line的正常运作至少需要一个冷阱。如果你打算在Schlenk line上蒸发溶剂，建议用两个冷阱。有的Schlenk line留有空间能让两个冷阱串联，但如果你所使用的没有，第二个冷阱可以接在舒伦克瓶和Schlenk line 之间的软管上。Schlenk line使用完后，将冷阱移除并让溶剂解冻，再处理溶剂和清理冷阱（具体见下方：关闭Schlenk line的正确步骤）。

惰性气体到真空歧管的切换

有些Schlenk line在每个接口或工作单元都有两个阀门接口以控制实验装置接入惰性气体或者真空歧管，这样便可单独控制各管路的气体供给和真空度。这些阀门一般由一个杨氏横置式或Teflon活塞形成的密封件组成。

其它的Schlenk line采用毛玻璃栓、双斜阀门（图2，B-E和图3）控制接入惰性气或者真空歧管。这些阀门避免了气体管和真空管同时打开，从而防止惰性气体直接进入真空泵。毛玻璃栓必须涂脂以确保密封同时使它们更容易转动（见下图）。

图3 真空/惰性气歧管和双斜阀门位置的侧视图a)真空 b)惰性气体c)关闭

将玻璃器皿接入Schlenk line

在空气敏感化学实验中使用的玻璃器皿和标准件类似，但多出一个带有阀门的侧支管以便接入Schlenk line。两颈或三颈圆底烧瓶可以通过转接器添加上。舒伦克瓶中有一个集成的侧支管在一定尺寸范围内可调。

图4中给出了几类常用的玻璃器皿。

图4 在空气敏感化学中常用的玻璃器皿。不同组合阀门、管和毛玻璃接头的尺寸不同

玻璃器皿通过可伸缩的橡胶或塑料导管（常用特富龙或Portex聚乙烯管）与Schlenk line 相连。导管至少得有3毫米的壁厚以防止在真空下萎缩，并且长度足够长，可以通到通风