无水无氧操作技术

许多金属或过渡金属有机化合物具有很高的反应活性，遇水或氧能发生剧烈反应，甚至燃烧或爆炸。然而它们往往又具有特殊的使用价值，如用作特殊的反应试剂或选择性催化剂。对这类化合物的制备和处理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已显得越来越重要。

1.7.1　试剂和溶剂的处理

在空气中能与氧或水气作用迅速发生明显变化的物质，称为敏感化合物。在有敏感化合物参与的反应中，所使用的试剂或溶剂必须事先经过脱水和脱氧处理。根据化合物的敏感性不同，脱水和脱氧的方法及严格程度应有所不同。

为了保证试剂有充分的干燥度，可在使用前1～2 d向其中加入活性分子筛。分子筛的活化程序为:先于320℃加热3 h，然后再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，然后再放入烘箱中于320℃加热干燥12 h。

图1－10　固定使用的溶剂蒸馏系统

要除去溶剂中的氧气，方法是可在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。已驱赶净氧气之后，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，一边即可用注射器抽取溶剂使用。对于用粉状干燥剂干燥的溶剂，可在氮气气氛下将其从干燥剂中蒸馏出来，并在氮气气氛保护下贮存备用。

对于那些会受极微量的氧和水影响的反应，可采用如下方法来处理溶剂:处理装置为特制的溶剂蒸馏系统(见图1－10)，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1 L四氢呋喃中，加入约25 g二苯酮和6 g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钠，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下的痕量水气。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难以蒸馏，可将其取下，重新换一个烘干的烧瓶即可。由于溶剂的种类较多，且性能不同，处理方法也不尽相同，处理前应仔细查阅有关资料。

1.7.2　惰性气体的脱水和脱氧处理

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。对于特别敏感的化合物，使用前还需进一步脱除其中的极少量的水分和氧。

1．惰性气体的脱水

从气体中除去水分的方法有:①将气体低温冷却，使水的分压降低而冷凝;②将气体压缩，使水的分压升高而凝结;③利用干燥剂。实验室常用的是第三种方法。将气流通过装有适当干燥剂的柱子就可将气体中的水分脱除。

实验室中常用的干燥剂有五氧化二磷、高氯酸镁、4A或5A分子筛及细孔硅胶等。五氧化二磷的干燥效果很好，但它迅速吸水后在表面形成一层磷酸粘膜，从而使吸水速度急剧下降。高氯酸镁在多数情况下是一种优良的干燥剂，它能与水形成一定的水合物，吸水容量大，并可在真空和250℃下再生。分子筛是实验室中最常用的干燥剂，它脱水快，容量大，并可做成适当的形状。分子筛的再生只要在真空下或干燥气流中加热即可。细孔硅胶用于干燥气体，其干燥效能及吸水量也较好，可于300℃再生。

2．惰性气体的脱氧

脱氧方法有干法和湿法两种。湿法虽然脱氧的速度较快，但气流中夹带水汽较多，干法脱氧更简便些。干法脱氧一般是使惰性气体通过装有活性金属或金属氧化物的柱子。铜是最常用的金属。在脱氧柱中装入BTS触媒——一种活性很高的小丸状载体铜，使用前将其置于氮气流中加热至120～140℃，再逐渐以氢取代氮，从而将其还原。还原时的最高柱温不应超过200℃，否则还原性的铜将会发生熔结。每千克BTS触媒在室温下能除去4 L氧，在150℃时，其脱氧能力增至6倍，因此常将该触媒在加热情况下使用。

按下述方法将铜制备在载体上也能获得明显的脱氧效果。将250 g二水合氯化铜溶于2 L水中，加入250 g高岭土，激烈搅拌，再于60℃下加入200 g氢氧化钠溶在500 mL水中制得溶液，让混合物沉降10 min，倾去上层液体，用10 L水洗涤所得固体，经150～180℃干燥后装入柱内，在大约200℃下以氢气流还原，得到的产物可直接用于脱氧反应，其操作温度亦为200℃。脱氧柱下端除连有进气管外，还应装一旋塞，以便排除脱氧剂再生时所产生的水。同时在脱氧柱之后，应连接干燥柱装置，以除去气流中的水分。

氧化锰或载体氧化锰在实验室中使用也较多，这种脱氧剂的使用和再生都比较方便。

1.7.3　反应装置及操作

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气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气。反应可以在普通的磨口仪器中进行，但要增加一些附件，如惰性气源、一只或数只罩有隔膜的进出口、水银鼓泡器或油鼓泡器、注射针头等。

玻璃仪器要预先干燥，也可在装配后于氮气流下干燥。使用惰性气源时可取一根橡皮管，一端接上一支注射针头，另一端通过减压阀与氮气钢瓶相连，必要时可在氮气源间加接除水除氧系统。鼓泡器连接在普通仪器与大气相通的一端。鼓泡器的作用是在系统与大气之间形成密封，同时又作为一个释放压力的安全阀，使装置维持在静态时的氮气正压力下工作，防止倒吸。

仪器装配好后，将通氮气的针头穿入进口隔膜，使氮气经过装置再从鼓泡器放出。待彻底驱除空气后，将针头拔出，再插入鼓泡器上端的氮气进口处隔膜，使系统保持在氮气正压力下进行加料操作和反应。

另一类常用的简便反应装置为施兰克管(Schlenck tube，图1－11)及提供真空和惰性气源的系统(图1－12)。

图1－11　施兰克管

施兰克管带有一支有旋塞的侧管，通过侧管可以抽真空或充氮气，上端为标准磨口，可罩上隔膜，也可与普通磨口仪器组合，这样就可以进行多种涉及敏感化合物的操作。图1－12为抽真空和通氮气两个系统的组合。它们通过三通旋塞和橡皮管连接到反应装置中。真空系统与冷阱和真空泵相连，氮气管经纯化系统与鼓泡器和氮气钢瓶相连。若要排除装置中的空气，先抽真空，再将三通旋塞转向充氮气，反复抽气和充氮气，经过三个循环，即可得到满意的效果。在维持反应期间，只需将支管旋塞转向氮气一方即可使反应在氮气正压力保护下进行。如果反应不互相干扰，根据三通旋塞设置的多少，可以同时进行几套反应。

图1－12　提供真空和氮气的系统

1.7.4　产物处理

反应完成后，如果反应不是敏感化合物，按常规方法离析产物，如果是敏感化合物，且为中间体，可在惰性气体保护下进行下一步反应。对于需要离析的敏感化合物，它们的离析原理和普通化合物并无多大区别，只是在操作过程中避免与空气和水气接触，为此就需要一些特殊的仪器配件和设备。下面仅举几例说明设备的改进及操作要点。

1．简单蒸馏

整套装置类似于减压蒸馏装置，只是在克氏蒸馏头上端插入一带旋塞的接头供加料用。采用磁力搅拌，尾接管的支管与图1－12的橡皮管相连，通过反复抽真空充氮气，使氮气充满整个系统。在维持氮气正压力下，打开克氏蒸馏头上端旋塞，用注射器注入待蒸馏液体后关闭旋塞，即可进行正常的蒸馏操作。蒸馏结束后，迅速取下接收系统，罩上橡胶隔膜，用长针头的注射器将各个组分逐一吸出，以供贮存、使用或分析。

2．重结晶

敏感化合物的重结晶可以利用普通装置，为了便于在氮气保护下进行化合物转移，常以二口瓶代替圆底烧瓶，回流冷凝管上端罩以橡胶隔膜，磁力搅拌代替沸石。将注射针头插人隔膜并与图1－12的系统相连，反复抽真空和充氮气，然后迅速打开另一瓶口的隔膜，加入待重结晶试样，再罩上隔膜，用注射器加入溶剂，即可进行正常的重结晶操作。

结晶产品的过滤也需要在氮气保护下进行，如图1－13所示，装置的上口可接其他仪器组合。它由浸入液体内的干燥的粗孔气体分布管组成，分布管又通过软管与接收瓶相连，借助氮气的压力将滤液压入接收瓶中，加入溶剂洗涤固体，再压滤。若要使固体干燥，在适当温度下加热烧瓶并抽除溶剂即可。这种过滤系统的优点是可以在加热的情况下过滤，特别适用于滤液冷却时容易析出固体的情况，而且处理量较大。

固体和液体的贮存容器，要能保持其内部的惰性气体氛围，在容器口要罩上适当的橡胶隔膜，以便取样和充氮气。由于很多溶剂的蒸气能使橡胶隔膜变性而导致漏气，如果另用一张隔膜倒扣在已经刺穿过的隔膜上，则更加安全可靠。

图1－13　利用气体分布管进行过滤

3．产品的检测

(1)熔点的测定测定敏感化合物的熔点，可在充满惰气的密封的毛细管中进行。自制一支两端带翻口的小玻璃管，并在两端分别扣上隔膜。先将未装样品的毛细管的开口端通过预先穿孔的隔膜插入玻璃管，将玻璃管的另一端通过插入到隔膜中的注射针头连接到抽真空和充氮气的系统上。以便交替进行抽真空充氮气，使玻璃管和毛细管充满氮气。拔去针头，将玻璃管和毛细管移入氮气操作箱中，取出毛细管，装好试样后再插入隔膜。从操作箱中取出，再连接到前系统上将毛细管抽真空，在接近试样的部位用小火将毛细管密封，再按常法测定熔点。

(2)核磁共振谱的测定由于核磁共振管的开口端可用小隔膜加以密封，要测定敏感化合物的核磁共振谱，可用长针管将已经密封的试样管用惰性气体彻底冲洗，再移入氮气操作箱中注入配制的试样溶液，罩上隔膜，即可以进行图谱测试。

尽管检测方法种类较多，所用的仪器也各不相同，但只要严格把握氮气保护这一关键，实验者可根据不同需要灵活掌握，在常规检验的基础上，自行设计或改进测试条件，其他的检测方法同样可以方便地应用于敏感化合物的检测。