无水无氧操作

有些反应试剂，尤其是一些金属和过渡金属有机化合物，具有很高的反应活性，遇水或空气中的氧气能发生剧烈反应，甚至燃烧或爆炸。然而它们在有机合成中往往又具有十分重要的应用，可以用作特殊的反应试剂或选择性催化剂。对于这类化合物的制备、处理和应用，所使用的试剂或溶剂必须事先经过脱水和脱氧处理，即必须采取无水无氧操作技术。这种操作技术在合成工业尤其是在科学研究领域是非常重要的。

1.惰性气体的脱水和脱氧处理

敏感化合物的化学反应和普通化合物的化学反应并无本质的区别，不同之处在于敏感化合物在空气中受氧和水汽作用会迅速发生明显变化，导致反应产物复杂化，甚至得不到预期的产物。因此，其反应装置的特点是尽可能完全除去反应系统中的氧和水汽。在实际操作中，敏感化合物的反应装置在充分干燥后，主要是用干燥惰性气体排走装置中的氧气和微量水汽。常用的惰性气体有氮气、氩气和氦气。由于氮气价廉易得，且绝大多数试剂在其中能保持稳定，是最常用的。氩气和氦气的纯度高，且化学稳定性好，它们对敏感化合物的保护作用比氮气更强。

根据不同需要，使用前有时还需进一步脱除惰性气体中的极少量的水分和氧。无水无氧操作线（Schlenk line）就是一套惰性气体的净化及操作系统。通过这套系统，可以将无水无氧惰性气体导入反应系统，从而使反应在无水无氧环境中进行，如图2-10所示。

（1）无水无氧操作线（Schlenk line）的组成。Schlenk线（图2-10）主要由除氧柱、干燥柱、Na-K合金管、截油瓶、双排管、真空计等部分组成。惰性气体（氮气或氩气）在一定压力下由鼓泡器导入安全管，经干燥柱初步除水，再进入除氧柱以除去氧，然后进入第二根干燥柱以吸收除氧柱中生成的微量水，继而通过Na-K合金管以除去残余微量水和氧，最后经过截油瓶进入双排管（惰性气体分配管）。

在干燥柱中，常填充脱水能力强并可再生的干燥剂，如5A分子筛；除氧柱中一般也选用可再生的除氧剂，如银分子筛。

（2）无水无氧操作线（Schlenk line）的操作。在使用无水无氧操作线之前，要事先对干燥柱和除氧柱进行活化。若选用5A分子筛作干燥剂，则在长为60cm、内径为3cm的玻璃柱中，装入5A分子筛。从柱的上端插入量程为400℃的温度计，柱外绕上500W电热丝，其外再罩上长为60cm、内径为6cm的玻璃套管。柱的下端连三通，分别与真空泵及惰性气体相接。在1.33kPa（10mmHg^[1]）、320℃～350℃的条件下对分子筛柱活化10 h。然后旋转三通，导入惰性气体，停止加热，自然冷却至室温，关上旋塞，并接入系统。

图2-10　无水无氧操作线

若选用银分子筛来除氧，则在长为60cm、内径为3cm的玻璃柱内装入银分子筛，柱的上端插入量程为400℃的温度计，柱外绕上300W的电热丝，其外再罩上长为60cm、内径为6cm的外管。活化时，从柱下端侧管通入氢气，尾气从柱上端侧管通至室外。加热至90℃～110℃，活化10h左右，活化过程中生成的少量水可以通过柱下端的导管放出。当银分子筛变黑后，停止加热，继续通氢气，自然冷却至室温，关上各旋塞，并接入系统。Na-K合金管上端长为50cm，内径为2cm，下端长为15cm，内径为5cm。上端侧管连三通，并分别与真空泵和惰性气体相接。先抽真空并用电吹风或煤气灯烘烤后，自然冷却至室温，再充惰性气体，抽换气三次。在充惰性气体条件下，从上口加入切碎的钠（15g）和钾（45g），并用适量的石蜡油加以覆盖。然后加热下端，使钠、钾熔融，冷却后即成钠-钾合金。插入已抽换气的内管，关上旋塞，并接入系统。将上述柱子处理后串联起来就可以进行除水除氧操作。

将要求除水除氧的仪器通过带旋塞的导管，与无水无氧操作线上的双排管相连，以便抽换气。在该仪器的支口处要接上液封管以便放空。同时保持仪器内惰性气体为正压，使空气不能入内。关闭支口处的液封管，旋转双排管的双斜旋塞使体系与真空管相连。抽真空，用电吹风或煤气灯烘烤待处理系统各部分，以除去系统内的空气及内壁附着的潮气。烘烤完毕，待仪器冷却后，打开惰性气体阀，旋转双排管上的双斜三通，使待处理系统与惰性气体管路相通。像这样重复处理3次，即抽换气完毕。在惰性气流下可以进行各种操作，如图2-11所示。

2.试剂和溶剂的处理

在有敏感化合物参与或生成的反应中，根据化合物的敏感性不同，对试剂和溶剂要进行不同程度的脱水和脱氧处理。

图2-11　惰性气流下的各种操作装置

为了保证试剂有充分的干燥度，可在使用前1～2天向其中加入活性分子筛。分子筛的活化程序为：先于320℃加热3h，然后置于真空干燥器内冷却，再向干燥器内通入氮气，使干燥器内压力达大气压。分子筛的再生方法比较简单：将它放在烧瓶中加热，同时用水泵抽气，以除尽残余溶剂，再放入烘箱中于320℃加热干燥12h。要除去溶剂中的氧气，方法是将盖在瓶口上的橡胶隔膜上插入一支长注射针头，向溶剂中鼓入纯净的氮气或氩气，另插入一支短注射针头至液面上，使驱赶的气体放出。驱赶净氧气之后，即可拔出针头待用。在需要使用溶剂时，可通过瓶口上的橡胶隔膜，一边注入氮气，一边用注射器抽取溶剂使用。

对于那些会受极微量的氧和水影响的反应，可采用如图2-12所示装置来处理溶剂。

处理装置为特制的溶剂蒸馏系统，将仪器洗净烘干并装配好后，使纯净的氮气由旋塞A进入，经旋塞B、D和E放出，彻底冲洗出空气后，关闭旋塞A，改由F处通入细微量氮气，经鼓泡器放出，使整个系统保持在常规的静态氮气压力下。暂时移开旋塞A，将经预先初步干燥过的溶剂加入蒸馏瓶中，再加入适量的干燥剂。如在1L四氢呋喃中，加入约25g二苯酮和6g金属钠丝（或片，以增大接触面）。装上旋塞A后，将溶剂加热回流。当溶剂中的水分和氧气被除尽后，金属钠便将二苯酮还原成四苯基频哪醇，从而出现持久的蓝紫色。继续回流片刻，以除去从接收器和冷凝器表面所带来的痕量水汽。关闭旋塞B，让接收器慢慢积聚溶剂至一定量，用注射器从旋塞C抽出溶剂。最好用一根细的不锈钢空心针管（两端有针头）穿过旋塞C上的胶塞和旋塞孔插入接收器底，另一端插入贮存器，贮存器的胶塞上插一根放空针头。关闭旋塞E后，随着系统内氮气压力的增加，溶剂即被压入贮存器中。如继续加入上述溶剂处理，应检查蒸馏瓶中是否有足够的活性干燥剂。若回流后不出现蓝紫色，应酌情补加二苯酮和金属钠丝。蒸馏结束后，关掉热源和冷水，关闭系统中各旋塞及氮气，使该系统在无水无氧状态下封闭，供下次实验使用。如蒸馏烧瓶中高沸点物过多，从而难以蒸馏，则可将其取下，重新换一个烘干的烧瓶即可。

图2-12　溶剂处理装置

3.试剂及溶剂的转移

（1）液体的转移。液体的常规转移是使用注射器或两头连有针头的软管。注射器或软管的针头可以插入反应器或容器的翻口橡胶塞。针头可以刺穿橡胶塞，针头拔出后，橡胶塞又可以恢复密封。液体物料的转移装置如图2-13所示。

图2-13　液体物料的转移装置

图2-14　固体物料的转移装置

（2）固体的转移。反应中的固体原料可以在装置中充氮气之前，就放到反应瓶中。如果需要在反应过程中加入固体物料，可以用如图2-14所示的装置。

4.换气技术

（1）仪器装置换气。最常用的方法有两种：第一种是反复进行抽空与充惰气操作，这种操作可以代替高真空技术；第二种方法是以惰气吹扫装置中的空气，如图2-15所示。惰气流由1号入口进入装置并从矿物油鼓泡器排出，使装置中的空气被排代。在反应期间和反应结束后反应混合物的冷却过程中，让缓慢气流由2号入口进入并从矿物油鼓泡器排出，以防空气返回装置。这种装置与操作能使反应混合物与惰性气体中杂质的接触降到最低程度。

（2）惰气清洗注射器。将注射器接在气流很大的管子上或接在惰性管线的特殊封塞上，将注射针插入惰性气源吸气，然后离开，将吸入的惰性气体排出，反复操作两三次即可。如有特别需要，可将注射器先在120℃的烘箱中烘干，再用惰气清洗。

图2-15　装有搅拌、滴液、回流装置的换气装置