硅藻土是一种硅质岩石为主要成分的助滤剂。有机合成实验室里经常出现它的身影,很多地方都需要用到它。它主要用于过滤钯碳一类的金属(异相催化剂),以及去除在分液时产生的乳浊液。
硅藻土是什么
硅藻土是亿万年前硅藻遗骸形成的生物成因硅质 沉积岩,被誉为“孕育生命的海底草原” 。这种藻类的特点是被硅酸(二氧化硅,SiO2)的外壳包裹。尸体中的有机物分解后,只留下硅酸,硅酸渐渐积累而成硅藻土。图上可以看到硅藻有无数个细孔。将这些不溶性粒子攒聚在一起就能达到只允许液体透过的效果,广泛地被用作助滤剂。硅藻土里硅藻种类超过了200种。硅藻土中也包含其他的非硅藻类残留物。
形成过程:
硅藻的生长: 硅藻是一种微观藻类,生长在海洋、湖泊和河流等水生环境中。 二氧化硅提取: 硅藻从水中提取二氧化硅,并用它来构建复杂且多孔的细胞壁,称为硅藻壳。 死亡与积累: 当硅藻死亡时,它们的硅藻壳会沉入水体底部,随着时间的推移不断积累。硅藻土材料的堆积可形成层或沉积物。 合并: 数百万年来,积累的硅藻材料经历压实和固结,形成硅藻岩。 矿业: 硅藻土矿床通常从采石场或矿坑中开采,然后对材料进行加工以获得所需的产品,该产品通常是细粉末。
为什么硅藻土是优秀的助滤剂
硅藻土有别于其他传统的三维多孔材料,硅藻土 拥有独特的纳米至微米尺度的高重复性三维多孔结 构,轻质、优异的机械强度,高比表面积、热稳定性和极 低的密度等特性,作为一种廉价易得的生物硅矿物广 泛应用于工业、农业、能源、建材、环境。
硅藻土作为古老单细胞硅藻的数百万年生物遗骸 的产物,延续了硅藻壳体的天然纳米结构。硅藻土的 微孔结构具备有序性,如图 1所示,其外观形貌有圆盘 状、直链状、羽状、针状等,每一种硅藻都有其独特的表 面特征 。表面具有各种特定的特征,例如尖刺、孔、 脊和刺 。硅藻土的孔径从微米到纳米尺度,小孔孔 径为 20~50nm,大孔孔径为 100~300nm,孔隙率高 达 90%。目前已知存在 2×105 种硅藻,构成了 105 ~ 106种三维硅藻土壳体 。
硅藻土在过滤液体,去除杂质后回收澄清的液体的整个过程在很多产业里发挥着重要的作用。
当用无数个有过滤功能的硅藻来过滤液体时,这无数个硅藻就相当于无数个带有微小气孔的形状各异的粒子,这些粒子集中在滤面上形成一道紧密的且对液体抵抗力弱的“膜”,当液体通过时,液体中的固态小颗粒被完美地捕捉,这样澄清的液体就得到了。并且“膜”还有防污染功能,长时间的连续过滤不成问题。
但是有一定孔径滤纸被用来过滤时,会与细微固体发生摩擦。硅藻土凭借其独特的性质,使澄清的滤液更快地流出。在合成中常见的钯催化反应,铑催化,雷尼镍等反应后处理就常常用硅藻土过滤。
在有机合成中除了过滤之外还别有用处
负载在硅藻土上的碳酸银(I)被称为Fetizon试剂,Fetizon试剂可作为温和的氧化剂,容易购买。
氟化钾-硅藻土被用作温和的异相碱性催化剂,用于烷基化、亲核芳香族取代、迈克尔加成、磷酰胺合成和有机锡废物清除。1979年,Ando和Yamawaki首次报道了负载在硅藻土上的氟化钾催化碳和杂原子的烷基化。使用KF-硅藻土进行烷基化的一个例子是苯胺的单烯丙基化。传统法合成二级烯丙基苯胺为了防止生成叔胺,需要过量的苯胺和较长的反应时间。
在乙腈回流的条件下,KF-cellite(1.25当量)的存在下,加入与亲电试剂(见下文)相比仅轻微过量的苯胺(1.20当量),即能在短时间内(2-8小时)收获单烯丙基化的产物,分离收率为67-93%(下图)。
当然,硅藻土不仅在化学合成中应用,在生物医药,工业上面应用也是十分广泛,而且随着不断的研究,有更多的使用场景和科研用途也被发现,比如用于药物的递送,止血材料,酶催化的载体等等。
另外,和很多细小粉末物类似,硅藻土在使用的过程中要特别注意防护,不要被吸入。