有机化学中的封管反应

学术   2025-01-26 08:31   上海  

1、封管反应概述


封管反应是将化学物质封于密闭容器中进行的反应。


最早使用的封管为安瓿瓶(常用的单包装的0.5~0.6mL氘代溶剂使用的就是安瓿瓶包装),但由于其瓶壁很薄,耐压受限,目前使用的一般为商业化的厚壁耐压瓶,其具有聚四氟乙烯螺纹孔,通过密封圈达到密封的目的。


商业化的耐压瓶


不同材质和厚度的耐压瓶承受压力有所不同,如欣维尔生产的P160001耐压管(15#螺纹孔,容量15 mL)最大可承受压力为6 atm,Aldrich的Acepressure tube与ChemGlass公司的封管,设计最高压力可以承受10atm。具体选用时,要根据反应的条件,选择高于反应要求的耐压瓶。


“封管”作为实验的重要手段,可实现常压条件下不易进行的反应,具有简易、方便、节约、省时、绿色、直观等多种优点。


2、封管适用的反应类型

1)反应温度与所用溶剂和反应原料沸点相近,在反应中不产生大量气体的反应。

2)反应物中有气体的溶液,反应需要加热才能进行。


3、常用溶剂的高于1atm的沸点数据

下表列举了一些常见溶剂的正常沸点数据及在2个大气压下的参考沸点数据。


常见溶剂的正常沸点和2atm下的沸点

溶剂

缩写/分子式

正常沸点(1atm/

2atm下参考沸点/

乙醚

Et2O

34.6

56

二氯甲烷

DCM

39.8

61

二硫化碳

CS2

46.2

68

丙酮


56.1

79

甲醇

MeOH

64.5

88

四氢呋喃

THF

66

89

四氯化碳

CCl4

76.8

101

乙酸乙酯

EtOAc

77.1

101

乙醇

EtOH

78.3

102

PhH

80.1

104

乙腈

MeCN

81.6

106

异丙醇

i-PrOH

82.4

107

三乙胺

TEA

89.6

114

二氧六环


101.3

127

甲苯

PhMe

110.6

136

吡啶

Py

115.3

142

乙酸

AcOH

118.1

145

二甲基甲酰胺

DMF

153

182

 

《溶剂手册》(化学工业出版社出版,目前已出第5版)提供了某些溶剂的温度和蒸汽压的关系,可以在溶剂的介绍里查询使用溶剂的更多数据。对于《溶剂手册》上未列出的数据,可以比较上表中沸点接近的溶剂数据作为参考,以判断自己所用的条件是否在安全范围之内。


苯类和卤代烃类化合物对密封圈的溶胀效应比较严重,不建议使用太高的温度。由于我们使用的封管类型不一,建议内压不要超过6atm,这时甲醇在120℃左右,乙醇在130℃左右。


在使用气体的溶液进行封管反应时,由于在高温下气体挥发严重,应当考虑到在该温度下除去溶剂超过沸点产生压力外,还有气体高温下挥发产生的压力。如果使用氨的甲醇溶液进行氨解时,由于在高温下氨挥发严重,当温度为120℃时,压力可能超过10atm。


微波反应器在加热的同时可以测定反应的内部压力,建议对没有把握的反应先用微波反应器在目标温度反应10分钟,了解压力可能达到多少。在反应时一定要控制油浴温度,防止反应过热。划痕和撞击将影响封管的耐压能力,在使用和清洗封管时要小心。


4、正常使用时可能发生的问题

密封圈损坏:密封圈是整个反应器上最容易损坏的部件,如有损坏要及时更换。公司曾经发生的事故:曾经在用氨的乙醇溶液120℃氨解反应时,Acepressure tube的密封圈损坏,反应液冲出。


四氟乙烯盖子把玻璃顶破:公司曾经发生的事故:使用国产的封管,把当时的气温很低,在加热以前把盖子旋得过紧,加热到120℃以后,由于四氟乙烯膨胀得比玻璃快,把封管口上的玻璃胀破,反应液冲出。建议以后不可以使用国产的封管,因其质量未经过权威部门检测。


封管爆炸:公司曾经发生的事故:国产封管,反应正在进行中封管爆炸。经计算实验中可以产生3倍的气体。100℃下,2倍量CH3OH,1倍量CO2。进口封管在公司内也有爆炸先例,所以不要有侥幸心理,要保证安全的前提下进行实验。


5、封管使用时注意事项

密封圈损坏:密封圈是整个反应器上最容易损坏的

1.1、进口封管质量较好,新封管最高可以承受10atm,但使用过多次后,最高承受的压力会下降;而国产封管未经过严格测试,尽可能不再使用,或者在有气体的溶液参与反应,温度不超过溶剂沸点,并且在确保压力不超过2atm时,才可采用;

1.2、在使用气体的溶液进行封管反应时,由于在高温下气体挥发严重,估算压力时除去考虑到在该温度下溶剂超过沸点产生压力外,还有该溶液中气体高温下挥发产生的压力。如果使用氨的甲醇溶液进行氨解时,由于在高温下氨挥发严重,当温度达到120℃时,压力可能已经远远超过10atm;

1.3、必须实现估算到反应可能产生的气体,包括主反应、副反应等可能产生的气体的压力要考虑进去;

1.4、对于反应温度超过溶剂沸点20℃以上的反应,推荐使用高压反应釜;

1.5、对于没有把握的反应,推荐先使用微波反应器进行小试,反应速度快,而且相对安全;

1.6、封管属于压力仪器,严禁碰撞、划痕等可能导致内伤的操作;

1.7、封管的密封圈有两种,一般的褐色的Viton密封圈,耐油和酸;若反应中用到强碱时请使用白色的全氟密封圈;

1.8、盖上塞子时请不要旋转得太紧或太松,绝不可紧到不能再紧的程度,这样反而容易泄漏产生危险甚至封管顶破,松紧适宜即可;

1.9、体系中试剂和溶剂体积严格控制在封管容积的1/3以下,推荐在1/5以下;

1.10、洗涤封管时不要泡在碱缸中,也不要使用超声洗涤,应根据反应情况使用合适的溶剂漂洗干净,可以使用试管刷洗涤,不可使用刮刀;

1.11、封管反应结束时,要将反应降至室温才可打开封管塞子,不能在封管还是高温的状态下打开;

1.12、进行封管反应时必须在正面及可能伤到人的侧面加防护挡板,观察封管反应进行情况时,不要直接观察,要在防护玻璃或挡板后面观察。


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