编者按:本系列自开始以来,获得众多读者朋友们的喜爱,笔者深感荣幸。笔者尽一切可能让推送内容严谨、全面,但限于个人能力,仍有缺憾。有些话当时没想到更好的表达,或限于文章篇幅和主旨不得不忍痛割爱,这一次就当复习课,一起分享给大家。

内容摘要:

一、重复文献反应要多思考

二、选择反应瓶和磁子

三、转化率和产率

四、试剂的称量

五、保留有效数字

六、其他容易忽视的细节

正文部分:

一、重复文献反应要多思考

不要随手查到一篇文献就照搬照抄,要多找几种方法,反复对比:每种方法有什么优缺点,彼此间做了哪些改动,为什么有这种改动?每一种试剂发挥什么作用?敲定具体实验操作时,更要结合实验室的具体条件:这个操作细节的目的是什么,不这么做会有什么后果,能不能用其他简易方法、试剂等替代?这种思考是很有价值的,既可以提高判断力,也可以积累很多知识和经验,日积月累,三五年下来,你会有很大的进步。

多提一嘴,有机化学的知识零碎而少逻辑,因此想要学通、学会,只靠课本的抽象知识是不现实的,需要与具象的实操结合。不理解的知识,包括反应机理,都可以在实操中掌握。换言之,有机化学不是学出来的,而是在实验室里干出来的。读博士需要5-7年,随着亲手开、处理等各种(基本)有机反应,在组会上或与师长私聊中增长见识,对有机反应的“感觉”就会愈发强烈、有效。

二、选择反应瓶和磁子

① 选择反应用的玻璃仪器时,反应的物料量一般在1/3左右,若高达1/2则可能有危险,尤其是非均相反应、回流反应和释放气体的反应,物料多可能会冲料。使用LAH或DMP的反应时,宁可选个大点的瓶子,为淬灭留够空间。

② 无水无氧反应常用25 mL的Schlenk管,一般是拧口瓶(溶剂存储瓶)或支口管(支口反应管)。低温或室温反应,溶剂最多可以加到6 mL,再多搅拌不匀;加热回流反应,溶剂最多到3 mL。拧口瓶清洗要注意清除瓶底的钯黑(小块卫生纸蘸DCM用刮刀顶住蹭),支口管还要注意支口处不能有真空硅脂残留,需要像清洗双排管一样,用胶头和DCM反复挤压、冲刷。

③ 建议玻璃仪器(特别是Schlenk管/瓶)自洗自用,不要公用、值日生洗,因为组里水平最差、做事最粗心的人,决定了所用玻璃仪器的质量。储存玻璃瓶子的地方,至少要在底部铺上泡沫纸,也不可存放太多,否则推拉抽屉、箱盒时,日积月累相互碰撞会导致底部、边缘的玻仪破损。带支口的玻仪,轻拿轻放,支口不可长期受力,其最好的储存地就是烘箱,持续烘干,随用随取。

④ 使用25 mL的反应管时(例如Schlenk反应)一般搭配直径7 mm,长15 mm的A形磁子(A形即纺锤形)。磁子一般晾干保存,也有人习惯用EA浸泡,取出后等几秒钟挥干再用。无论如何,如果是非常精细的关键反应、控制实验等,不可用颜色变黑、棕色的磁子。我习惯于保留几个外表大致干净的磁子用来开关键反应,偶联反应等有专门的旧的深色磁子。

⑤ 原则上说一切回流反应都可以用封管反应替代。但对于规模较大的回流反应,宁可加上回流管搅过夜,绝不用拧口瓶长期加热:前者是恒压体系,后者是加压体系,危险系数太高。对于甲苯、二氧六环等高沸点溶剂的回流反应(弱回流),回流管甚至不需要流动的冷凝水,静态的水就可以起到冷凝作用。如果用低沸点溶剂开强回流反应,冷凝管有时需要冷却的乙醇(低温冷却液循环泵或制冷恒温器)。

三、转化率和产率

转化率衡量原料消耗程度,产率衡量目标产物的收率,所以转化率≥产率。转化率高≠产率高,因为除了生成目标产物还可能生成副产物。如果反应物的转化率为100%,但完全没拿到预期的目标产物(TLC混乱或副产物居多),则反应产率为0%。

上文的描述再一次验证了有机化学的研究特点:用实验验证或修正先入为主的预期。没有预设的“想法”,化学研究是无从做起的

特别地,如果原料不反应,记作N.R.(No Reaction);如果反应没有观察到目标产物(转化率高但TLC乱或副产物为主)则记作N.D.(Not Detected);如果有目标产物但产率很低(< 5%)则记作trace;反应TLC或NMR混乱则记作messy

四、试剂的称量

称试剂之前必须留意分析天平是否端正、稳定,周围有无潮气、灰尘、静电,有无微风、震动干扰反复波动。先排除不利因素,再来称量。一旦天平数字反复跳动或持续下跌,或者轻微挪动一下称量纸,数字就清零或变负,投料量怎么可能准确?10 mmol的反应用普通秤称也无所谓,少100 mg也就0.2 mmol,0.1 mmol的反应需要1.5 mg昂贵的催化剂/配体,你少称1 mg试试?纸托动一下0.8 mg,再动一下 3.1 mg,请问你加了多少?

① 如果天平数字反复波动却找不到原因(特别是秋冬季节天气转凉时易发),可能是静电所致。解决方法:把丁腈/塑料手套脱掉,手掌在整卷卫生纸(的侧面)上拍打数次洗干汗液,迅速抓两下瓶子(最好手掌包住,别太久否则易粘油脂),再放回去称,立竿见影。

② 南方地区湿度大,称量纸可能吸潮,不仅重量增加,特别是可能粘连细小固体;用来称瓶子的橡胶托如果老得掉渣,一定及时更换,不然每次用都掉几块,去皮就白去了;软木烧瓶拖也容易吸潮,梅雨季节前后重量差别可达5-10 g。

③ 天平要小心使用,别总是等着值日生清扫,自己用脏了就赶紧拿卫生纸擦掉液珠或粉末,不及时清理导致天平生锈,可能增大误差。侧面的塑料把手用久了容易断,别总是使劲关开风挡玻璃。

④ 碳酸铯、氢氧化钠/钾、六氟锑酸银、TBAF·3H₂O和FeCl₃·6H₂O等都是常见的易吸潮药品,称量要快,其中六氟锑酸银尽可能在手套箱里取用。醋酸钯等细粉末则容易产生静电。称毕加料时看一眼纸上固体是否消失,如果有粘连(无论是静电还是吸潮),用刮刀推一推。不要光反复抽送、扭动纸槽,效果一般是把固体抹得更均匀。

⑤ 对于碘等圆球状固体(碳酸钾和氢氧化钠也有圆球形),用小烧杯称更合适。对于18-冠-6、叔丁醇、Boc₂O等低熔点固体,除了快点称,水浴熔化成液体称体积也可以。对于氯化碘等冰箱里是易升华固体,拿出来是易挥发液体的有毒玩意,必须用封管或加塞瓶称。

⑥ 称量时瓶子里不能加磁子,磁力会造成干扰。无论称什么东西,放置在尽可能靠近中心的位置。称得准、易转移是唯一标准,要学会解放思想。例如正常称量不方便,就换个思路用差减法;多数时候把反应瓶放秤上,有时可以把药品瓶乃至注射器放秤上;用5 mL的玻璃样品瓶称量有时比称量纸更方便等。

⑦ 分析天平称量极限一般是220 g。Schlenk操作所用的支口反应管/瓶,称量去皮时不要加支口的玻璃旋塞,否则容易超重;拧口反应管在秤上去皮的极限是25 mL的,再大就超重,注意橡胶托上小下大让管插入固定,否则顶端稍一晃,秤示数剧烈波动。

⑧ 中号称量纸(75×75 mm)最为常用,100×100 mm用的比较少。其他型号更少见。笔者的怪招是,将称量纸沿对角线对折形成等腰直角三角形,剪刀大致沿着与斜边平行的中位线剪下直角,将所得的六边形的两翼向对角线对折,便可得到一个削掉“耳朵”的纸槽,好处是称好固体后可以轻易地插入瓶口,而不是导致固体堆积、洒落。

⑨ 称量纸剪好、折好后,先去皮,再拿起来并放回去,如果示数仍然为零,说明天平稳定。称好后,把固体倒入反应瓶(不要清零),再把纸槽放回去,如果示数为零,说明固体转移干净。

⑩ 分析天平的精确到四位小数(xxx.xxxx g),最后一位是虚数,所以1 mg(0.0010 g)以下没法称,称了也不准。考虑到实操中所用天平大多年事已高、疾病缠身,个人经验是3 mg及以下的误差也不小(1/3-1/2的质量不准),5 mg及以上称起来比较准(静电和误差的影响都比较小)。如果重复文献反应需要称取< 5 mg的固体,要么在手套箱里称取(静电几乎是唯一的干扰项),要么考虑改条件(多加点催化剂),要么配成溶液加料。

五、保留有效数字

整理Supporting Information时,原料和产率的质量(mg)、物质的量(mmol)必然涉及有效数字的问题。虽然相当一些课题组并不在意,但我还是愿意提醒:

① 如果原料/产物的质量是四位有效数字(101.3 mg),那么物质的量也保留四位有效数字(0.2840 mmol或1.353 mmol)。

② 如果原料/产物的质量是三位有效数字(96.8 mg或1.25 g),那么物质的量也保留三位有效数字(0.284 mmol或1.35 mmol)。

严格说来,某些文献作者为保持数据观感一致而一律保留小数点后三位的行为是不正确的。

六、其他容易忽视的细节

① 如果涉及质子酸的反应,一般选择DCM等卤代烷溶剂,不要选择醚类溶剂,特别是THF、二氧六环等。否则会形成胶状粘稠固体,放出大量热。

② THF和乙醚等会与正丁基锂反应,所以市售的正丁基锂都是稀释在己烷中的。正丁基锂的醚溶剂,久置会变坏。如果量大或在室温下则会剧烈放热。值得注意的是,使用正丁基锂的反应常用THF为溶剂,所以很容易麻痹大意。

③ 四氢呋喃并不能与水以任意比例互溶,如果THF够多,分液漏斗中两者会分层。甲醇和乙腈都不溶于石油醚。

④ 如果需要(补)加料或点板,必须等到反应冷却到室温再开盖,尤其是封管反应和加热中的无水无氧体系。否则一旦冲料,无法挽回。点板时还要注意关掉搅拌,避免磁子撞断毛细管。

⑤ 制备酰氯时会释放大量氯化氢,又要无水无氧,封管肯定不行,搭建尾气吸收装置又比较麻烦。我的怪招是,封管旋塞拧开一点,反应瓶内气氛通过支口、胶管和双排管与气球连起来。缺点是氯化氢会使橡胶脆化,连接玻璃部件的胶管可能会开裂而漏气(最开始看不出来,几天过后就明显了),但在此之前气球会先爆。反应开完注意更换氯化氢接触过的胶管和气球。

⑥ 有些批次的溶剂不纯,导致产物的核磁中引入莫名其妙的鬼峰,而且只有浓缩之后才能看出端倪。此前提过,石油醚有汽油味或杀虫剂味,浓缩后瓶内壁出现白雾。EA有可能引入1.25和0.88附近的杂峰,甚至奇怪的d峰;反应液或溶剂接触橡胶塞,也会溶解胶塞,引入高场杂质。抽不掉。处置方法先前提到的参考高沸点杂质处理法(PE冲淋)。

⑦ 钯/碳氢化反应一般靠玻璃的三通+软管接通氢气球,而不是靠针头接氢气球(反应规模特别小的除外)。可以考虑一边搅拌一边缓慢抽气,减少钯/碳被抽散而飞溅。

⑧ Schlenk音译为“希林克”。无水无氧操被称为Schlenk操作,无水无氧体系被称为Schlenk体系,用于无水无氧反应的玻璃仪器被称为Schlenk瓶/管。搭建无水无氧反应的各种仪器设备统称为Schlenk系统。