
有机化学硕博经验分享 DLC:低温减压蒸馏与升华器的使用
2025年08月11日 13 次浏览须知:① 本文中所有双排管默认接通氩气和油泵,油泵默认配有液氮冷阱。换言之,只有装配完备Schlenk系统的实验室才适用本文所述方法。如果贵实验室开反应时双排管当单排管使,用气球抽放氮/氩气,很难复刻;②文中一些古怪的仪器名是商品名而非俗名,在Tansoole、Taobao、synthware或cnlhglass等网站搜索可直接买到;③ 所有玻璃仪器在烘箱中保存,随用随取;所有接口夹没有裂口,可紧固夹牢;所有两爪夹、十字夹既不滑丝也不锈住。
一、低温减压蒸馏法制备超干溶剂
如果需要干燥的溶剂,既可以购买商品化试剂,也可以用溶剂干燥系统(分子筛吸附)。老办法是自己蒸(高温回流法)。这里门道很多,相关操作每个组有自己的经验,也有很多参考书,我就不再赘述。特别强调,不要用钠干燥含卤溶剂,会发生爆炸;也不要用钠干燥DMF,会剧烈反应变粘稠。DCM等含卤溶剂用氢化钙或五氧化二磷干燥;THF、乙醚和甲苯才能用钠干燥。
本文介绍一种低温减压蒸馏法,适用于所用超干溶剂量小且买不到的情况,比如超干的二苯醚、超干氘代苯等。配件包括19号磨口的具支反应管×2、研钵×1、蒸馏弯头A499100×1、19口锥形接口夹(不锈钢为佳)×2、单调两/三爪(多用)夹×2、欧式/英式(双顶丝)十字夹×2、杜瓦瓶×1、双排管×1、油泵×1、抹布×1、结晶皿(俗称水槽/水浴锅)×1、真空硅脂若干、液氮若干、全新的19口橡胶塞若干。操作如下:
① 将一个带19号磨口的具支反应管和磁子抽放氩气三次。再取金属钠和钾,大致比例1/3,在干燥的研钵中用石油醚冲掉煤油,先后将固体扔进上述反应管,在磁子搅拌下形成钠钾合金。在氩气下向其中转移待干燥液体,搅拌数小时。暂停搅拌,银白色液珠会漂浮在液体表面,灰黑色固体会沉淀;数小时后未见银白色球体消失,表明体系已完全干燥。
② 用两个25 mL带19号磨口的支口反应管,玻璃磨口用蒸馏弯头(欣维尔货号A499100)不需要带类似砂芯抽滤漏斗的支口结构(欣维尔货号A491922)连接,左高右低。注意抹匀真空硅脂(旋转接口使其分布均匀)并用接口夹紧避免漏气。右侧较低的支口接双排管,玻仪预先烘干并再真空抽气下用热风枪吹拂彻底除水。氩气流下拔除较高的左侧管,换上包含待蒸馏液的另一个具支磨口瓶/管(注意转一下接口确保不漏气)。
③ 此时,体系处在氩气环境下,将两侧支口阀门全部关闭,但是双排管阀门处在抽气状态。向杜瓦瓶里加入足以没过左侧管中待蒸馏液体的液氮(-196℃),用抹布包裹杜瓦瓶顶端保温,将待蒸馏液体冻成固体。完全冻结时固体发白而不透明。
图1 低温减压蒸馏提纯氘代叔丁醇 蒸馏已完毕/母液在普通茄形瓶中
④ 打开较低的右侧的支口阀门抽气(把冻在体系内的氩气抽走,同时确保体系处于真空状态);五分钟后,把右侧支口阀门关死,将液氮转移到右侧,为空管降温(注意抹布包裹)。随着左侧液体融化并恢复至室温,纯净的液体会在减压条件下蒸馏而出,在右侧较低处冷却成液滴,汇集在右侧空管里。现象是左侧液体沸腾,右侧内壁出现大量液滴。
如果速度太慢或溶剂沸点高,可以用室温的水浴加热左侧管子,或者用热风枪短暂吹拂(液体少,待蒸干时)。如果体系内含有较多钠钾合金,不建议蒸干。如果体系内有大量灰白色沉淀(金属氧化物),蒸发速度过快可能使固体一并拂入右侧空管,因此有些人会在蒸馏弯头中填上玻璃棉(长而细的玻璃碴)。
二、升华器的使用
有些固体没有荧光、很难显色、分子量小、易吸潮、极性大,只能靠升华提纯。我做过d₉-叔丁醇钾的升华。
我用Titan牌25mL升华器,磨口24/40,玻璃节门2 mm孔径,是市面上最基础的配置(我将插入部分称为升华头,带支口的被插入部分叫升华瓶)。买来后,还要配属24口接口夹×1、单调两/三爪(多用)夹×1、欧式/英式(双顶丝)十字夹×1、长度合适的胶管×2(通冷凝水)、手套箱×1(其内配备称量纸和刮刀等)、油泵×1、胶头×2、洗耳球×1、真空硅脂若干、封口膜若干。
① 待升华物质,应先将拧口瓶转移到手套箱中将未反应完的金属块(例如钾块)移除(金属保存在玻璃样品瓶中),再取出拧口瓶,用配备冷阱的油泵抽干体系内溶剂(没有冷阱直接抽会严重破坏油泵):胶管接双排管氩气端,以较快速度搅拌,稍拧开拧口瓶,迅速抽气并打平,观察气泡暴涨再回落直到消失,往复多次,不要怕麻烦,直到大多数液体消失才可保持抽气状态。
溶剂基本抽干后,瓶内变为粘稠深色固体,继续抽,固体越干越容易刮出;与此同时,将升华器磨口涂匀(注意往复转动)真空硅脂,夹上24口接口夹,从支口抽放氩气三次并保持负压、关闭支口,与装有待升华物质的拧口瓶一起拿进手套箱。
② 在手套箱中拧开升华器,用刮刀将带升华的蜡状固体一点点挖出,转移到升华器里,注意不要蹭到磨口(的硅脂)上导致真空度变差、产物浪费。同时把磁子也转移到升华器中(升华时搅拌固体使受热均匀)。再把升华器组装起来。与拧口瓶一起拿出手套箱。
③ 升华器固定紧实,接上冷凝水(下入上出),支口抽油泵十分钟再关闭支口;油浴升到合适温度(对d₉-叔丁醇钾而言,先升到100℃,再升到120℃,最后维持在140℃),开始加热并搅拌。为避免真空度下降,每隔30分钟可抽油泵1-5分钟(只要冷凝水不断,d₉-叔丁醇钾可以在持续抽油泵下升华而不损失)。
图2 升华法提纯氘代叔丁醇钾 白色固体为升华物 下方灰色固体
④ 等到固体大量凝结在冷却处(开始现象不明显不要急,d₉-叔丁醇钾需要4-6小时),先关闭支口(把手垂直于支口),升华器抬出油面,冷却至室温;再切断冷凝水,拔掉胶管,用洗耳球尽可能吹出残余在升华器中的冷凝水,注意用卫生纸吸走残水避免沿磨口流入污染升华物。升华器两个冷凝水接口加上胶头,缠好封口膜(空间小不好缠,可以拿胶带纸替代),送入手套箱。由于升华器内保持负压,且冷凝水接口被堵住,在小舱里抽放气不会导致磨口弹出。
⑤ 手套箱内准备好干净的刮刀、玻璃样品瓶和瓶盖,把称量纸沿对角线对折两次(成十字形折痕)。升华器小心取出并打开,注意升华物不要沾染磨口处硅脂。下端抵在称量纸中心,用刮刀轻轻刮下固体。
⑥ 称量纸上固体较多时,把刮刀横放在某处,接触固体的一端悬空;将升华头轻轻侧放,避免底部沾染手套箱灰尘;沿一处折痕对折称量纸,再沿着45°角平分线折一次(细到足以插入样品瓶),插入样品瓶中,轻轻地上下抖动,把固体转入瓶内,保存在手套箱中。如需称重,需要提前留好空玻璃瓶(带盖与否自定)的重量。
重复上述操作,直到升华物全部刮除。个人经验,d₉-叔丁醇钾能较结实地粘在升华头上,看着少实际多;叔丁醇钾就比较蓬松,看着多刮下来没多少。注意重新捡起刮刀时,不要本能地抓住悬空一侧(否则造成污染),而要从非悬空一侧握起来。
图3 升华法提纯氘代叔丁醇钾:升华器装置图
⑦ 将升华头重新装入升华瓶,注意不要蹭到磨口处硅脂,旋转磨口保证气密性,加上夹子,取出手套箱,继续升华。直到升华瓶底的灰色固体所剩无几(只剩下碱金属氧化物和盐等)。
在手套箱中刮去最后一批升华物后,升华瓶中剩余物质用水淬灭。升华器洗净,在烘箱内烘干。