实验技巧

无水无氧柱色谱

概要

在当代有机合成实验室中,Schlenk技术已经成为处理一系列对于空气以及湿气较为敏感的金属有机试剂时,应用最为广泛的实验操作[1]。通常,实验操作中,最为常见的情况是反应所采用的金属有机试剂或反应过程中产生的某些活性中间体对于空气与湿气十分敏感,而最终获得的有机产物却十分稳定,对于空气与湿气并不敏感。这种情况下,在反应结束,经过淬灭操作之后,便能够按照常规的实验操作,进行相应的后处理与分离纯化,而无需继续采用Schlenk操作。然而,如果实验过程中,所采用的试剂及最终获得的相应目标产物对于空气与湿气均极为敏感,此时,在整个反应过程与后处理以及纯化操作中,则全部需要维持无水无氧的环境,即全程采用Schlenk操作[2]-[4]。而且,在多数情况下,反应完成后,目标产物能够较为容易地与杂质及副产物分离 (例如杂质为沉淀,目标产物可溶或杂质及副产物可溶,目标产物为沉淀),此时,仅通过无水无氧条件下的过滤与重结晶操作,便可以顺利完成目标产物的分离纯化。然而,目标产物与杂质以及副产物在各类有机溶剂中均具有良好的溶解性时,就需要通过无水无氧条件下的柱色谱操作 (Fig. 1A与Fig. 1B),完成目标产物的分离纯化[5]。之前,本网站对此已有初步介绍 (相关链接:致所有日夜奋战在实验室的年轻化学工作者 —日本博后(有机化学)真实的一天)。这里,Chem-Station小编将对无水无氧条件下的柱色谱分离纯化操作进行更为详细的介绍。

Fig. 1 column chromatography under inert atomosphere

实验装置介绍

为严格防止在实验操作过程中空气与湿气进入装置,造成目标产物变质,无水无氧条件下的色谱柱采用一体化设计 (Fig 2 B),即接液球与柱体之间不采用常规的磨口或Rodaviss连接[6] (Fig 2 A, left),而是直接融合在一起 (这里,小编顺便提一下,同样有商品化的接液球与柱体直接融合在一起的常规色谱柱, Fig 2 A, right)。

Fig. 2 general column (A) and column under inert atmosphere (B)

实验操作步骤

1.装填吸附剂

由于湿法装填时,在加入溶剂的过程中极易使空气与湿气进入柱内,因此,在无水无氧条件下的柱色谱中,吸附剂 (通常采用硅胶,如果目标产物在硅胶中吸附较强或不稳定时,就需要选用氧化铝) 的填充,应选择干法装填。首先,采用常规柱色谱分离时,干法装填吸附剂的方法,根据分离的要求,装入合适粒度及适宜质量的吸附剂 (注意:由于硅胶与氧化铝极易吸水,因此,建议通过烘箱烘烤后,再通过真空干燥或冷冻干燥 (lyophilization)的方式,彻底去除其吸附的水分)。同时,不断敲打柱体,使吸附剂装填紧实且平整。之后,在吸附剂表面覆盖适量石英砂。接下来,将接液球上方开口处采用橡胶翻口塞密封,并将色谱柱上方接液球处的侧端活塞连接至双排管 (double manifold),将与之对应连接的双排管活塞1 (Fig. 3)置于惰气 (由于氮气能够与部分金属有机产物发生反应,这里小编建议采用氩气代替氮气进行相关操作)充入状态。色谱柱下方磨口处根据目标产物分离量的不同,可以连接相应的Schlenk管或Schlenk瓶,并将其对应连接至双排管活塞2 (Fig. 3)。

Fig. 3 load and elute the adsorbent

接下来,通过最为关键的抽真空-惰气置换操作 (重复三次),彻底排除装置内的空气,使整个装置内充满惰气。这里,需要特别注意的是:在抽真空-惰气置换的整个操作过程中,色谱柱接液球上方的侧端活塞必须将与之对应连接的双排管活塞1置于充入惰气的位置,而下方的Schlenk管侧端活塞必须将与对应之连接的双排管活塞2置于抽真空状态,不可以接反。如果接反,即将双排管活塞2置于充入惰气的位置,则在抽真空-惰气置换过程中,会造成惰气气流将色谱柱内装填紧实的吸附剂与石英砂吹散。

2.润洗色谱柱

在抽真空-惰气置换完成后,接下来就需要通过注射器或不锈钢插管(cannular)加入事先通过液氮冷冻-解冻-抽真空的方法 (thawing-freezing-pump method)脱气处理的无水溶剂。使硅胶柱通过溶剂充分润湿 (Fig. 3)。注意:这一步操作时,务必开启接液球的侧端活塞以及与之对应连接的双排管活塞1 (处于惰气充入状态),同时略微开启色谱柱下方Schlenk管Schlenk的侧端活塞以及与之对应连接的双排管活塞2 (维持真空状态),以确保溶剂能够将柱内的吸附剂充分润湿。需要特别注意:Schlenk管或Schlenk瓶的侧端活塞以及双排管活塞2只需要略微开启 (不可以完全开启,否则会使大量液体迅速充满Schlenk管或Schlenk瓶,进而造成溶剂浪费),

3.上样

柱内的吸附剂通过脱气的干燥溶剂充分润湿后,即可进行上样操作。上样时,通过事先进行惰气置换的注射器吸取相应粗产物的溶液,或通过不锈钢插管直接将相应粗产物的溶液转移至色谱柱内。同时,加入脱气的无水溶剂,充分洗涤装有粗产物的Schlenk管或Schlenk瓶,使粗产物充分转移至色谱柱内。注意:转移过程中溶剂切勿加入过多,以防止样品层扩散,影响分离效果。同时,这一步操作中需要开启接液球的侧端活塞以及与之对应的双排管活塞1 (处于惰气充入状态),色谱柱下方Schlenk管Schlenk的侧端活塞以及与之对应连接的双排管活塞2 (维持真空状态)需要同时略微开启,以便样品顺利进入吸附剂层。

4.收集产物

上样完成后,即可加入事先进行脱气处理过的无水洗脱剂,进行分离与产物收集操作 (Fig. 4)。

Fig. 4 run the column

操作时,开启色谱柱上方的侧端活塞以及对应连接的双排管活塞1 (处于惰气充入状态)。略微开启下方的Schlenk管或Schlenk瓶的侧端活塞以及与之对应连接的双排管活塞2 (不可以完全开启,否则会使大量液体迅速充满Schlenk管Schlenk瓶,进而迅速爆沸,Schlenk管Schlenk瓶内迅速逸出,造成大量产物浪费)。还需要特别注意的是Schlenk管或Schlenk瓶内收集的液体体积务必不要超过管内或瓶内容积的二分之一,以防止在后续减压除去溶剂时,管内或瓶内收集的液体经侧端活塞抽出,造成产物浪费,影响产率。在Schenk管或Schlenk瓶内的液体体积达到二分之一时,需要更换新的Schlenk管或Schlenk瓶,继续收集产物 (Fig. 5)。

Fig. 5 change the Schlenk tube or Schlenk flask

更换Schlenk管Schlenk的时,应按如下步骤操作 (Fig. 5):将与色谱柱上方侧端活塞对应连接的双排管活塞1以及色谱柱中部液体流出的活塞3关闭。之后,再将下方Schlenk管或Schlenk瓶侧端活塞对应连接的双排管活塞2转换至充惰气状态,并在开大惰气后,缓慢地将Schlenk管或Schlenk瓶取下,并迅速盖好橡胶翻口塞。接下来,更换新的事先经热喷枪干燥过的Schlenk管或Schlenk瓶。连接之后,通过Schlenk管或Schlenk瓶侧端活塞以及对应连接的双排管活塞2就行抽真空-惰气置换操作三次,充分排除管内或瓶的内空气后,再打开色谱柱中部的活塞3与接液球侧端活塞对应连接的双排管活塞1,继续就行产物收集。重复上述操作,直至产物收集完毕

5.获得产品

在开大惰气后,缓慢地将Schlenk管或Schlenk瓶取下,采用翻口塞密封后,在翻口塞上方的插入注射针,继续充入惰气,并通过Schlenk管或Schlenk瓶的侧端活塞与双排管活塞连接,同时,连接液氮冷阱,转换至抽真空状态后,通过惰气流及减压条件,充分除去溶剂 (Fig. 6)。最后,将所得目标产物转移至氩气手套箱内,在手套箱内小心转移至离心管或样品瓶内保存。

Fig. 6 remove the solvent under reduced pressure

基本文献

[1] T. T. Tidwell, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 331. doi: 10.1002/1521-3773(20010119)40:2<331::aid-anie331>3.0.co;2-e.

[2] シュレンクチューブ・テクニック(日本語), 田中 正人 原著と監修, 株式会社スギヤマゲン, 2018.

[3] Schlenk Tube Technique (英語), 田中 正人, 株式会社スギヤマゲン, 2018.

[4] D. F. Shriver 著、竹内敬人, 三国均, 友田修司共訳, 不安定化合物操作法,廣川書店,1972.

[5] K. A. M. Kremer, P. Helquist, Organometallics 1984, 3, 1743. doi: 10.1021/om00089a025.

[6] J. Leonard, B. Lygo, G. Procter, Advanced Practical Organic Chemistry, Third Edition, CRC Press, 2013.

实验室分离实例

手性单磷杂二茂铁 (chiral monophosphaferrocene)的合成与分离[1]

手性phosphacymantrene的合成与分离[1]

手性phosphino-phosphaferrocene的合成与分离[2]

(S)-1-phenylcymantro[b]phosphole的合成与分离[3]

(R)-(-)-1,1′-(3-methyl-2-buten-1,4-diyl)-2-diphenylphosphinoferrocene的合成与分离[4]

bis[η5-2,5-di((-)-menthyl)-1-phosphacyclopentadienyl]-ruthenium的合成与分离[5]

参考文献

[1] M. Ogasawara, K. Yoshida, T. Hayashi, Organometallics 2001, 20, 1014. doi: 10.1021/om000952d.

[2] M. Ogasawara, K. Yoshida, T. Hayashi, Organometallics 2001, 20, 3913. doi: 10.1021/om010440e.

[3] H. Hu, W.Wu, T. Takahashi, K. Yoshida, M. Ogasawara, Eur. J. Inorg. Chem, 2017, 325. doi: 10.1002/ejic.201600875.

[4] M. Ogasawara, S. Arae, S. Watanabe, K. Nakajima, T.Takahashi, ACS Catal. 2016, 6, 1308. doi: 10.1021/acscatal.5b02692.

[5] M. Ogasawara, T. Nagano, K. Yoshida, T. Hayashi, Organometallics 2002, 21, 3062. doi: 10.1021/om020189i.

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