内容提要:

一、双排管、油泵及附属设备的安装要点

二、抽油泵的注意事项

三、油泵和双排管的维护

四、重结晶/养单晶的注意事项

五、抽滤

正文部分:

一、双排管、油泵及附属设备的安装要点

油泵建议配备液氮+杜瓦瓶+冷阱。否则溶剂抽入真空泵油,轻则影响真空度,重则油泵锈蚀。冷阱的上弯头接双排管(一端封口侧),侧支口接油泵,这样抽出的溶剂第一时间接触底部最冷的部分而凝结,对油泵的保护效果最佳。

双排管的阀门把手一端钝,另一端尖,钝头指示气体流向,即抽气时钝头朝上,送氩气时钝头朝下。双排管中,两头均开口的玻管是通惰性气体的,一端接氩气源,另一端接三通;三通另接U型鼓泡器和气球。气球扎双层,建议内外颜色不同(例如外冷色内暖色),方便区分。外层气球爆裂后尽快换新一组气球。冬天7-10天一换,夏天一周换2-3次。

二、抽油泵的注意事项

其一,抽油泵的目的是用高真空环境去除旋蒸无法除尽的有机溶剂(以及水),从而在核磁分析中将杂峰干扰降至最低

其二,理论上说进口的油泵(Welch或Edward)性能比进口的好很多,100 mg以下的样品抽30分钟就能打核磁。但实操中,国产泵、老化泵居多,所以建议抽1个小时,而且同时抽油泵的瓶子不要超过三个(确保高真空度)。一些溶剂,特别是< 20 mg的样品,石油醚峰高很正常(溶剂残余参见后续章节)。

其三,低沸点物质不能抽油泵。一般地,碳数超过8的物质,除非是烃类物质,油泵就很难抽走。碳数超过10的化合物,基本抽不走了。比如苯甲酰甲酸甲酯有九个碳,3-丁烯-1-炔-1-基苯有十个碳,但前者抽不掉,后者就能抽掉。注意,即使是高沸点的液体试剂,因为会溶解空气,所以刚抽油泵时也会冒气泡。

其四,并不是所有固体都可以随便抽油泵,比如碘、叔丁醇等易升华的固体就不能抽;干法上样或固体粉末抽油泵时,溶剂挥发会形成大量空洞,伴随流沙效果,蒸汽顶走固体造成损失、污染双排管。故应在抽头处塞棉花。

其五,新瓶子要抽油泵,而双排管上已有正在抽气的瓶子时,建议将正在抽气的阀门打平再接新瓶子抽气,2-3秒后再恢复钝头朝上。因为新瓶子抽气时真空度瞬间下降,如阀门不打平可能导致较重的瓶子脱落或棉花团冲入硅胶。

其六,大量(100 mg以上)的粘稠液体抽油泵时容易物料飞溅。因此抽气前瓶子横放,保证液体在内壁摊平;迅速抽气并打平,继续转动瓶子把油摊平;重复上述操作,直到不再出现大股气泡,可平躺着长期抽气。抽气期间不时晃动、拍打瓶身,不要形成过厚的油层,直到气泡不再随晃动产生。可继续用热风枪调低档,短时间地吹拂瓶身,手感受到瓶身发热即关停,能再逼出一部分溶剂。禁止用热风枪长时间吹瓶子,热风枪出风最高可达500℃,产物可能会坏掉!

如果确实有抽不掉的高沸点物质,宁可用油浴加热瓶子。我做Corey-Chaykovsky反应时,体系引入丁二酸二乙酯。油浴加热100 ℃,瓶子浸入其中,可见白雾升腾至抽头弯口处。拔下抽头,洗掉高沸点液体,再抽+加热,白雾又升起。如此往复直到再无白雾出现。打核磁发现产物部分坏掉,重新过柱得纯品。

其七,如果大量油状物可抽成泡沫,操作同上。区别在于当泡沫涌起接近瓶口时立即钝头朝下,用(氩)气流把泡沫打下去;反复数次直到泡沫升腾后不再扩张。泡沫的多孔结构会吸附溶剂,因此抽油泵期间要不时调钝头朝下,用(氩)气流把溶剂吹走。有些泡沫受热后坍缩成油,甚至澄清的蜡状干片,可以刮成固体粉末。

其八,如果用5 mL玻璃样品瓶重结晶,固体需要抽干才能打核磁。建议买一个24口的抽头和24口的25 mL圆底瓶,内垫一片折好的卫生纸减震。样品瓶中母液吸走后,瓶盖拧好再略微松开,放进24口的25 mL圆底瓶中抽油泵,目视可见固体变干或脱落、飞溅落回,说明真空度上去了。

三、油泵和双排管的维护

定期检查泵油是否澄清透明且油面位于上下限之间(油泵侧面观察窗)。如果有浑浊、黑棕色、或油少,需要换油。注意使用原厂真空油。每天早上开泵前先确认处于通空气位,泵工作半小时后调至真空位(让泵油中的低沸点物质挥发出去);每晚撤泵时先调至通空气位再关电源。

双排管不用时阀门打平,使气路密闭。建议每学期清洗一次,主要清洗抽气气路中粘连的固体残渣、残留的真空硅脂,但死角太多很难靠洗瓶搞干净。个人方法:不要急着拆开、取下双排管,向抽气侧加入DCM,浸没抽气气路,每个支口加胶头并钝头朝上,DCM流入胶头后反复挤压,液流反复冲洗,死角立刻洗净。

四、重结晶/养单晶的注意事项

其一,重结晶和养单晶的原理一致,区别在于:① 规模不同。重结晶规模可大到20 mmol以上,小到 20 mg,但长单晶越小越好,否则容易形成多晶结构;② 纯度要求不同。重结晶本身就是纯化手段,所以体系中有其他杂质也可接受;长单晶必须用纯的物质,否则包夹杂质影响测试;③ 速度不同。重结晶可以慢到过夜乃至24小时才成,长单晶往往要几天,几个小时就成的放大看往往不是晶体(结晶性能特别好的物质除外);④ 对晶型要求不同:重结晶的目的是纯化固体物质,所以纯化出来的固体是粉末、颗粒还是晶体都无所谓。单晶为的是长出来送XRD测试,所以只要单晶。

其二,重结晶和长单晶都需要良溶剂和不良溶剂。良溶剂主要是EA和DCM,不良溶剂主要是PE。少数时候DCM也可以充当不良溶剂:比如我做过一种锍盐,重结晶时甲醇作良溶剂,氯仿(DCM代替)作不良溶剂。对我而言,重结晶只用PE与EA/DCM搭配,PE/DCM最多。我也遇见过小极性物质在热风枪吹拂下溶解于PE,冷却后析出白色固体的情况。如果母液持续澄清而无固体出现,考虑良溶剂太多,或时间不够长。如果母液析出油滴,可能是挥发太快,适当增加EA比例并等待更长时间。如果还是不行,考虑过短柱后再长一次(色素或大极性物质滤除后结晶会容易)。我长单晶则用PE+DCM,夏天加少许EA。我也用过环己烷和THF的搭配长成过晶体。注意,甲醇和乙腈不与石油醚混溶,别乱搭配。

其四,如果重结晶不能速战速决,量大的可以敞口静置一会儿,量小的可以胶塞+针头、铝箔戳洞+皮筋封口、卫生纸+皮筋封口三选一(样品瓶更好,见后)。瓶子静置于稳定、阴凉处耐心等待。养单晶也可以参照,但考虑到单晶一般量小,所以用5 mL 样品瓶长最方便、最省空间:尽可能少的良溶剂溶解,加不良溶剂至约1/4高,拧紧瓶盖再稍微旋开,静置。

其五,重结晶不仅可以去除粗品中的大多数杂质,也可以除去几乎所有溶剂峰(尤其是石油醚)。但重结晶所得固体(乃至单晶)打核磁有可能仍然带一点溶剂峰(晶胞包裹溶剂分子),没关系;对于阻旋异构体和非对映异构体,重结晶纯化效果就会打折扣。真空硅脂比较棘手,重结晶不一定能除掉。

其六,对于大量固体重结晶,有一个方法:尽可能少(或略多)的DCM溶解粗品,再加入尽可能多的PE,送去旋蒸;真空度、水温适当,不可过高;不久固体会自行析出。如果不析出或析出不多,加适量PE超声震荡,固体暴增。原理是,良溶剂DCM沸点低于不良溶剂PE,旋蒸时不良溶剂比例增加且溶剂挥发导致温度降低,有利于重结晶。我用它纯化过10 mmol的端炔环丙烷。从原理来看,少量固体重结晶也能用这招,但我没试过。

其七,重要、急迫的样品如需长单晶,应同时尝试多种溶剂搭配乃至不同温度(在冰箱冷藏室放一个)。

其八,XRD测试时,只选出众多晶体中的一个,故有一定概率挑出杂质乃至核磁没观察到的副产物。所以必须保证样品足够纯,特别是产物中有两种异构体时,必须反复重结晶提纯,打核磁确认再长单晶。单晶结果出来后,必须与核磁纯谱对照。如果对不上,必须及时与导师或测试方沟通。

其九,一般地,有溴、碘等重原子或氰基等的分子结晶性能更好,更容易长出晶体/用重结晶纯化。然而实际情况千变万化,不尝试不能下定论。我遇见过:氰基在炔基一侧顺利结晶,在噻吩环上就很难;邻位的氯能重结晶,对位的溴反而难;硝基在原料上是固体,反应后分子量不变反而是油等情况。

其十,宏观目视观察不能说明晶体的质量,必须用显微镜观察。一大块澄清透明的晶体往往不是单晶,看起来像粉末的玩意儿不一定不含单晶。放大后有清晰棱角的柱形、条形、钻石型、方形和棱锥形才是真单晶。

注:XRD送样单填写因各所学校规定不同而各异,不再赘述。但XRD测试很贵,一次800-1000元。除非财大气粗,否则测之前给导师说声为好。

五、抽滤

其一,抽滤节省时间,除了要清洗抽滤漏斗的砂芯,全是优点。常见的筒形抽滤漏斗全名是“具磨口砂芯的布氏漏斗”砂芯选G3或G2,下口选19号磨砂口,大小选60 mL。再小点的有30mL,再大的有150 mL的,其他尺寸不实用。

其二,抽滤前检查砂芯是否干净,是否含水。干湿与否一眼可见,有些带颜色的砂芯,可以用酒精+DCM分别冲洗,看洗液颜色是否变深。然后用洗耳球对准下侧尖口吹气,砂芯即干净。

其三,抽滤时,不可长时间抽隔膜泵,否则一来溶剂挥发腐蚀隔膜,折损寿命,二来溶剂还未下流就挥发,导致产物沾染漏斗下口乃至抽气软管。

其四,为避免砂芯被污染、堵塞,抽滤时可以垫硅胶也可以垫硅藻土。对于大极性物质,抽滤建议垫硅藻土(硅藻土使用参见第十一章),几乎零吸附;重铬酸吡啶盐的氧化反应,垫硅胶比垫硅藻土效果更好,只要洗液用得适量,金属盐几乎不会被冲下。

其五,抽滤时需要对滤饼进行冲洗。一般要拔掉胶管,加入适量洗剂,刮刀/搅棒搅拌,再接上胶管抽走洗液。注意,洗液对滤饼的溶解度不能太好,否则白抽。建议少许DCM和较多PE。如需要洗掉滤饼中的水,改为少许丙酮/乙醇和较多PE。

其六,抽滤结束后,先拔管子再关泵,避免倒吸。