实验技巧

危险试剂・取用麻烦的试剂们的方便代替品

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:危ない試薬・面倒な試薬の便利な代替品

翻译:炸鸡 校对:Jiao Jiao

实验室里总避免不了要处理一些危险的试剂。典型的危险试剂如叔丁基锂,由它引起的惨痛的化学安全事故在同行间可谓是“世代流传”。根据海因里希法则,一件严重的安全事故背后就存在29件轻微的安全事故,潜在着300件可能会酿成重大事故的失误,安全事故发生的实验室在出事前,肯定每天在某些角落都会发生一些安全小事故。保障实验室的安全环境,不仅做实验的学生有责任,指导学生的前辈或老师更有责任。安全事故的原因部分是使用者不愿意抛弃旧方法,仍然冒着危险继续使用危险试剂。今天,在研究人员和制造商的不断努力下,市面上已经有很多低危险性(爆炸性、毒性等)的﹑方便的替代试剂,它们有着和“原品”同样的合成效果但危险性低了许多也更加便于操作本文笔者总结了下几种替代试剂。

重氮甲烷→TMS重氮甲烷

首先是较为出名的重氮甲烷的替代试剂三甲基硅烷化重氮甲烷((TMSCHN₂)。重氮甲烷是羧酸或醇类甲基化的重要试剂,但它非常容易爆炸且毒性高(致癌性),且使用前还要提前制备。制备法是用N-甲基-N-亚硝基对甲苯磺酰胺(Diazald)的二乙二醇二甲醚和乙醚溶液与温热的氢氧化钠水溶液反应,然后蒸馏提纯。为了避免高毒性易爆炸的重氮甲烷,低爆炸性与易于处理的TMS重氮甲烷就出世啦!TMS重氮甲烷的反应性与重氮甲烷相当,主要以它的正己烷溶液在市场上销售。甲基化反应结束后加入羧酸直至泡沫消失即可。谨慎起见最好在通风橱里进行反应。由于有机合成里频繁需要对羧酸或醇甲基化,制备重氮甲烷也是很多人的噩梦吧,很多同行抱着“真希望就做这一次,以后再也不做了”的想法。所以TMS重氮甲烷的重要性和便利性就凸显出来了。但TMS重氮甲烷的缺点是价格非常昂贵

三氯氧磷(磷酰氯)→焦磷酰氯(Pyrophosphoryl chloride

Vilsmeier-Haack反应常用作向亲核性的芳香环上导入甲酰基。反应需要用到DMF三氯氧磷(磷酰氯,POCl3,其中三氯氧磷属于非医疗用途外的剧毒化合物,应尽量避免频繁使用。而有着类似功能的草酰氯和氯化亚砜因为反应时会产生有毒气体氯化氢,所以用这两个也比较麻烦。所以,焦磷酰氯就发挥了它的优势了!二磷酸氯的分子结构和酸酐很像,它的反应机理和POCl3类似:先与DMF反应生成活性中间体,活性中间体再与芳香环反应。虽然它在常温状态下是液体的,因为它几乎没有烟雾和刺激性气味,它比POCl3更容易处理。焦磷酰氯还可以用于分子内环化反应。

焦磷酰氯(Diphosphoryl Chloride

四氧化锇→PI氧化锇

在合成12-顺式二元醇上,四氧化锇有着其他试剂不能取代的独一无二的地位。但四氧化锇也是剧毒的且挥发性极强,使用时需要特别小心。实验室一般合成顺式二元醇都是用NMO等再催化剂加上催化计量的四氧化锇,但即便是这样,反应的后处理也会有臭味。针对四氧化锇使用上的难题,东京大学小林修教授等人开发了一种可以代替四氧化锇的新催化剂PI氧化锇。PI氧化锇是负载在Polymer-Incarcerated高分子上的固体催化剂。优点有:反应结束后PI氧化锇能轻易与反应物分离,能重复使用,由于PI氧化锇较四氧化锇挥发性小,所以毒性也低,反应性高且具有很高的立体选择性。与PI氧化锇搭配的再氧化剂推荐K3Fe(CN)6。市面上还有可溶解性更强的PI氧化锇II

PI氧化锇

 溴乙酸乙酯溴乙酸甲酯

这两组的分子式差别不是很大,在反应上有什么差异吗?前者苯磺酰氯溴乙酸乙酯都属于非医疗用途外的剧毒化合物后者作为它们的“替代品”则毒性很小并且没有刺鼻的气味。

二氯化硫双苯磺酰硫醚(Bis(phenylsulfonyl) sulfide

作为硫源的二氯化硫从很早起就频繁出现在许多合成领域的论文上了,但是因为它的毒性,近年来被多家试剂生产商取消贩卖,正逐渐淡出试剂市场。它的“代替品”是双苯磺酰硫醚。双苯磺酰硫醚有如下优点:

  • 能与有机锂等亲核试剂在温和条件下反应生产有刚直骨架的的噻吩环。
  • 能取代高毒性高处理难度的二氯化硫的合成地位
  • 反应副产物苯亚磺酸能轻易通过分液,精制被去除

 

双苯磺酰硫醚的又一优点是它是固体,容易处理。别看它三个硫原子连到一起的奇怪结构,但只要想成是把二氯化硫的离去基团的氯替换成苯磺酰基就很好理解了。

二氧化硫 → DABSO

二氧化硫(SO2)在合成化学里面被用作硫源,但二氧化硫本身为有毒气体,使用时要在通风橱等排气系统内操作。

SO2DABCO组合一起的电荷转移配合物(DABSO),虽然吸湿性强但是是容易处理的固体,可以作为安全的SO2替代品,DABSO也在市面上也有售卖。

一氧化碳三氯苯甲酸(2,4,6-Trichlorophenyl Formate/N-Formylsaccharin

一氧化碳(CO)是一个有用的C1源(羰基C=O源),但因为它的毒性给反应操作带来很大的危险。所以安全无毒,能在反应中生成一氧化碳的“一氧化碳等价物”就应运而生了。

经过科学家的研究表明,某种甲酸衍生物能在弱碱性条件下释放出CO,这样的的甲酸衍生物可以作为有效的“一氧化碳代替物”,在反应中负责向化合物导入羰基。

可以作为“一氧化碳代替物”的甲酸衍生物有:乙酸苯酯、三氯苯甲酸、N-Formylsaccharin,均已上市销售。

溶剂

以下列举了出于毒性和致癌性的考虑,可用的安全低毒性的溶剂。虽然替换溶剂的成本会偏高,但出于实验室的安全性,还是值得一换的。

  • 苯→甲苯、二甲苯
  • 正己烷→正庚烷
  • 1,4-二氧六环→环戊基甲醚(CPME)
  • THF→2-甲基四氢呋喃(2-MeTHF)

 

结束语

有的大学里的实验室的安全制度不如企业的实验室(甚至有的大学实验室不遵守安全规章),明知道某个试剂有危险,但还是遵照以前的老习惯照常使用的事件屡禁不止。在实验室一定要牢记安全第一。实在找不到安全的代替试剂的情况暂且不论,对于可以找到安全的替代品的情况下要尽力避免使用危险试剂,在确保在安全的情况下做实验才能顺利推动实验进行。

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