تقنية خالية من الهواء

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة

تشير تقنيات التعامل مع المواد الخالية من الهواء إلى مجموعة من الإجراءات في مختبر الكيمياء لمعالجة المركبات الحساسة للهواء . تمنع هذه التقنيات تفاعل هذه المركبات مع مكونات الهواء ، وعادةً ما يكون الماء والأكسجين ، ونادرًا ما يكون ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين . ومن السمات المشتركة لهذه التقنيات استخدام فراغ دقيق ( 10⁻³ تور ) أو فراغ عالٍ (10⁻³ تور - 10⁻⁶ تور ) لإزالة الهواء، واستخدام غاز خامل : يُفضل استخدام الأرجون ، ولكن غالبًا ما يُستخدم النيتروجين .

أكثر نوعين شيوعًا من تقنيات العزل الهوائي هما استخدام صندوق القفازات وخط شلينك ، مع أن بعض التطبيقات الدقيقة تستخدم خط تفريغ عالي. في كلتا الطريقتين، تُجفف الأواني الزجاجية (غالبًا أنابيب شلينك ) مسبقًا في أفران قبل الاستخدام. وقد تُجفف باللهب لإزالة الماء الممتص. قبل دخولها في جو خامل، تُجفف الأوعية مرة أخرى بعملية التطهير وإعادة التعبئة - حيث يُعرَّض الوعاء لتفريغ لإزالة الغازات والماء، ثم يُعاد ملؤه بغاز خامل. تُكرر هذه الدورة عادةً ثلاث مرات أو يُطبق التفريغ لفترة طويلة. أحد الاختلافات بين استخدام صندوق القفازات وخط شلينك هو مكان تطبيق دورة التطهير وإعادة التعبئة . عند استخدام صندوق القفازات، تُطبق عملية التطهير وإعادة التعبئة على غرفة معادلة ضغط متصلة بصندوق القفازات، تُسمى عادةً "المنفذ" أو "غرفة الانتظار". في المقابل، عند استخدام خط شلينك، يتم تطبيق عملية التنظيف وإعادة التعبئة مباشرة على وعاء التفاعل من خلال خرطوم أو وصلة زجاجية مصقولة متصلة بالمجمع. [ 1 ]

صندوق القفازات

صندوق قفازات عادي، يظهر فيه قفازان للتلاعب، مع وجود غرفة معادلة الضغط على اليمين.

أبسط أنواع تقنيات إزالة الهواء هي استخدام صندوق القفازات . وتعتمد "حقيبة القفازات" على الفكرة نفسها، لكنها عادةً ما تكون بديلاً أقل كفاءة لصعوبة تفريغها من الهواء، وضعف إحكام إغلاقها. توجد طرق مبتكرة للوصول إلى الأشياء التي لا يمكن الوصول إليها بالقفازات، مثل استخدام الملاقط والخيوط. أما أبرز عيوب استخدام صندوق القفازات فهي تكلفته، ومحدودية حرية الحركة أثناء ارتدائه.

في صندوق القفازات، يمكن في كثير من الأحيان إعداد معدات المختبر التقليدية واستخدامها، على الرغم من ضرورة ارتداء القفازات عند التعامل معها. وبفضل توفيره بيئة مغلقة مع إعادة تدوير الغاز الخامل، لا يتطلب صندوق القفازات سوى القليل من الاحتياطات الأخرى. كما يُعدّ التلوث المتبادل للعينات نتيجةً لضعف التقنية مشكلةً، لا سيما عند استخدام صندوق القفازات من قِبل عاملين يستخدمون كواشف مختلفة، وخاصةً الكواشف المتطايرة .

تطورت طريقتان لاستخدام صناديق القفازات في الكيمياء التركيبية . في الطريقة الأكثر تحفظًا، تُستخدم فقط لتخزين ووزن ونقل الكواشف الحساسة للهواء . تُجرى التفاعلات بعد ذلك باستخدام تقنيات شلينك. وبالتالي، تُستخدم صناديق القفازات فقط في المراحل الأكثر حساسية للهواء في التجربة. أما في الاستخدام الأكثر شمولًا، فتُستخدم صناديق القفازات في جميع العمليات التركيبية، بما في ذلك التفاعلات في المذيبات، والمعالجة، وإعداد العينات للتحليل الطيفي.

لا تُعدّ جميع الكواشف والمذيبات مناسبة للاستخدام داخل صندوق القفازات، على الرغم من اختلاف الممارسات المتبعة بين المختبرات. عادةً ما تُزال الأكسجين من جوّ الصندوق باستمرار باستخدام محفز نحاسي. قد تُشكّل بعض المواد الكيميائية المتطايرة، مثل المركبات الهالوجينية، وخاصةً المركبات ذات التنسيق القوي كالفوسفينات والثيولات ، مشكلةً لأنها تُسمّم المحفز النحاسي بشكلٍ لا رجعة فيه. لهذا السبب، يختار العديد من الباحثين التعامل مع هذه المركبات باستخدام تقنيات شلينك. في الاستخدام الأكثر شيوعًا لصناديق القفازات، من المقبول أن يحتاج المحفز النحاسي إلى استبدالٍ أكثر تكرارًا، ولكن يُعتبر هذا التكلفة ثمنًا مقبولًا مقابل كفاءة إجراء عملية التخليق بأكملها داخل بيئة محمية.

خط شلينك

خط شلينك بأربعة منافذ.

أما التقنية الرئيسية الأخرى لتحضير ومعالجة المركبات الحساسة للهواء فتعتمد على استخدام خط شلينك. وتشمل التقنيات الرئيسية ما يلي:

  • الإضافات ذات التدفق المعاكس، حيث تتم إضافة الكواشف المستقرة في الهواء إلى وعاء التفاعل في مواجهة تدفق الغاز الخامل.
  • استخدام المحاقن والحواجز المطاطية (السدادات التي تعيد الإغلاق بعد الثقب) لنقل السوائل والمحاليل [ 2 ]
  • نقل القنية ، حيث يتم نقل السوائل أو محاليل الكواشف الحساسة للهواء بين أوعية مختلفة مسدودة بحواجز باستخدام أنبوب طويل رفيع يُعرف بالقنية. ويتم تحقيق تدفق السائل عن طريق الفراغ أو ضغط الغاز الخامل. [ 3 ]
    تُستخدم قنية لنقل مادة THF من القارورة الموجودة على اليمين إلى القارورة الموجودة على اليسار.

تُوصَّل الأواني الزجاجية عادةً بوصلات زجاجية مصقولة محكمة الإغلاق ومُشحَّمة . ويمكن استخدام أنابيب زجاجية منحنية ذات وصلات زجاجية مصقولة لضبط وضعية الأوعية المختلفة. ويمكن إجراء عمليات الترشيح باستخدام معدات مُخصصة.

التحضيرات المصاحبة

يُعدّ الغاز الخامل النقي المتوفر تجاريًا (الأرجون أو النيتروجين) كافيًا لمعظم الأغراض. مع ذلك، تتطلب بعض التطبيقات إزالة الماء والأكسجين بشكل إضافي. يمكن تحقيق هذه التنقية الإضافية بتمرير خط الغاز الخامل عبر عمود نحاسي مُسخّن، حيث يُحوّل الأكسجين إلى أكسيد النحاس. أما الماء، فيُزال بتمرير الغاز عبر عمود من مادة مجففة مثل خامس أكسيد الفوسفور أو المناخل الجزيئية.

المذيبات الخالية من الهواء والماء ضرورية أيضاً. إذا توفرت مذيبات عالية النقاوة في أوعية وينشستر مُفرغة من الهواء ومملوءة بالنيتروجين ، فيمكن إدخالها مباشرةً إلى صندوق القفازات. لاستخدامها مع تقنية شلينك، يمكن سكبها بسرعة في قوارير شلينك المملوءة بمناخل جزيئية، ثم إزالة الغازات منها . في أغلب الأحيان، يُضخ المذيب مباشرةً من جهاز التقطير أو عمود تنقية المذيبات.

إزالة الغازات

هناك طريقتان شائعتان لإزالة الغازات. الأولى تُعرف باسم التجميد والضخ والإذابة - حيث يتم تجميد المذيب تحت النيتروجين السائل ، ثم يتم تطبيق فراغ. بعد ذلك، يتم إغلاق الصنبور وإذابة المذيب في الماء الدافئ، مما يسمح لفقاعات الغاز المحتبسة بالخروج. [ 4 ]

الإجراء الثاني هو ببساطة تعريض المذيب لتفريغ الهواء. يُفيد التحريك أو التقليب الميكانيكي باستخدام جهاز الموجات فوق الصوتية . تتصاعد الغازات المذابة أولاً؛ وبمجرد أن يبدأ المذيب بالتبخر، والذي يُلاحظ من خلال تكثف البخار على جدران الدورق، يُعاد ملء الدورق بغاز خامل. يُكرر كلا الإجراءين ثلاث مرات.

تجفيف

بعد التسخين الارتجاعي مع الصوديوم والبنزوفينون لإزالة الأكسجين والماء، يتم تقطير التولوين تحت غاز خامل في قارورة استقبال.

تُعدّ المذيبات مصدراً رئيسياً للتلوث في التفاعلات الكيميائية. ورغم أن تقنيات التجفيف التقليدية تتضمن التقطير باستخدام مواد مجففة قوية ، إلا أن المناخل الجزيئية تتفوق عليها بكثير. [ 5 ]

تجفيف التولوين
عامل تجفيفمدة التجفيفمحتوى الماء
غير معالج0 ساعة225 جزء في المليون
صوديوم/بنزوفينون48 ساعة31 جزء في المليون
مناخل جزيئية 3 أنغستروم24 ساعة0.9 جزء في المليون

إضافةً إلى عدم كفاءته، يتفاعل الصوديوم كمجفف (عند درجة حرارة أقل من درجة انصهاره ) ببطء مع كميات ضئيلة من الماء. مع ذلك، عندما يكون المجفف قابلاً للذوبان، تتسارع عملية التجفيف، وإن كانت لا تزال أقل كفاءة من المناخل الجزيئية. يُستخدم البنزوفينون غالبًا لإنتاج عامل تجفيف قابل للذوبان. ومن مزايا هذا الاستخدام اللون الأزرق الداكن لأنيون جذر الكيتيل . بالتالي، يمكن استخدام الصوديوم/البنزوفينون كمؤشر على خلو ظروف التقطير من الهواء والرطوبة. [ 6 ] [ 7 ]

تُشكل أجهزة التقطير خطراً للحريق، ويجري استبدالها بشكل متزايد بأنظمة تجفيف المذيبات البديلة. ومن الأنظمة الشائعة أنظمة ترشيح المذيبات منزوعة الأكسجين عبر أعمدة مملوءة بالألومينا المنشطة . [ 8 ]

يمكن تجفيف المواد الصلبة عن طريق تخزينها فوق عامل تجفيف مثل خامس أكسيد الفوسفور ( P2 O5 ) أوجل السيليكا، التخزين في فرن تجفيف / فرن تجفيف بالتفريغ، التسخين تحت فراغ عالي أو فيمسدس تجفيف، أو لإزالة كميات ضئيلة من الماء، ببساطة تخزين المادة الصلبة في صندوق قفازات ذي جو جاف.

البدائل

تتطلب كلتا التقنيتين معدات باهظة الثمن وقد تستغرقان وقتًا طويلاً. في حال عدم اشتراط بيئة خالية من الهواء، يمكن استخدام تقنيات أخرى. على سبيل المثال، يمكن استخدام كمية زائدة من كاشف يتفاعل مع الماء/الأكسجين. تعمل هذه الكمية الزائدة على "تجفيف" التفاعل من خلال تفاعلها مع الماء (في المذيب مثلاً). مع ذلك، لا تُناسب هذه الطريقة إلا إذا كانت الشوائب الناتجة عن هذا التفاعل غير ضارة بالمنتج المطلوب أو يمكن إزالتها بسهولة. عادةً، لا تكون التفاعلات التي تستخدم هذه الكمية الزائدة فعالة إلا عند إجرائها على نطاق واسع نسبيًا بحيث يكون هذا التفاعل الجانبي ضئيلاً مقارنةً بتفاعل المنتج المطلوب. على سبيل المثال، عند تحضير كواشف غرينيارد ، يُستخدم المغنيسيوم (أرخص الكواشف) غالبًا بكمية زائدة، حيث يتفاعل لإزالة آثار الماء، إما بالتفاعل المباشر مع الماء لإنتاج هيدروكسيد المغنيسيوم ، أو عبر التكوين الموضعي لكاشف غرينيارد الذي يتفاعل بدوره مع الماء (مثل: R-Mg-X + H₂O → HO-Mg-X + RH). وللحفاظ على بيئة "جافة" نتيجةً لذلك، يكفي عادةً توصيل أنبوب حماية مملوء بكلوريد الكالسيوم بمكثف الارتداد لإبطاء دخول الرطوبة إلى التفاعل بمرور الوقت، أو توصيل خط غاز خامل .

ويمكن أيضًا تحقيق التجفيف باستخدام مواد مجففة في الموقع مثل المناخل الجزيئية ، أو باستخدام تقنيات التقطير الأيزوتروبي على سبيل المثال باستخدام جهاز دين-ستارك .

الكشف عن الأكسجين والماء

يمكن استخدام عدد من الكواشف للكشف عن الأكسجين والماء و/أو تدميرهما . غالبًا ما تُستخدم الجذور ذات الألوان الداكنة لأنها تتلاشى عند تفاعلها مع الماء والأكسجين. أحد هذه الكواشف هو بنزوفينون كيتيل ، والذي يُنتج بسهولة من خلال هذا التفاعل.

Na + Ph 2 CO → Na + Ph 2 CO •−

يُعطي هذا الكيتيل ذو اللون الأرجواني الداكن نواتج عديمة اللون بسرعة عند أكسدته أو تحلله مائيًا [ 9 ] [ 10 ]. ويُحضّر كاشف آخر في الموقع بمعالجة ثنائي كلوريد التيتانوسين بالزنك. هذا المحلول المحتوي على التيتانيوم (III) ذو اللون الأزرق المخضر شديد الحساسية للأكسجين. تُفيد هذه المحاليل في اختبار خمول الجو داخل صندوق القفازات. [ 11 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ دوارد ف. شرايفر وإم. أ. دريزدزون، "معالجة المركبات الحساسة للهواء"، 1986، جون وايلي وأولاده: نيويورك. ISBN 0-471-86773-X.
  2. ↑ يوهانسن، مارتن ب.؛ كوندروب، ينس س.؛ هينج، موغنس؛ ليندهارت، أندرس ت. (13 يونيو 2018). "تحسين السلامة أثناء نقل مركب ثالثي بوتيل الليثيوم القابل للاشتعال التلقائي من قوارير ذات أغطية واقية". بحوث وتطوير العمليات العضوية . 22 (7): 903-905 . doi : 10.1021/acs.oprd.8b00151 . S2CID 103573742 . 
  3. ↑ براون، إتش سي. "التخليق العضوي عبر البوران". جون وايلي وأولاده، نيويورك: 1975. ISBN 0-471-11280-1.
  4. ↑ "إزالة الغازات من السوائل عن طريق التجميد والضخ والذوبان" (ملف PDF) . جامعة واشنطن .
  5. ↑ ويليامز، دي بي جي، لوتون، إم، "تجفيف المذيبات العضوية: تقييم كمي لكفاءة العديد من المجففات"، مجلة الكيمياء العضوية 2010، المجلد 75، 8351. doi : 10.1021/jo101589h
  6. ↑ ناثان ل. بولد (2001). "الوحدة 6: الجذور الأنيونية" . جامعة تكساس .
  7. ↑ WLF Armarego؛ C. Chai (2003). تنقية المواد الكيميائية المختبرية . أكسفورد: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-7571-3.
  8. ↑ بانجبورن، أ.ب.؛ جيارديلو، م.أ.؛ جروبس، ر.هـ.؛ روزن، ر.ك.؛ تيمرز، ف.ج. (1996). "إجراء آمن ومريح لتنقية المذيبات". المركبات العضوية الفلزية . 15 (5): 1518-20 . doi : 10.1021/om9503712 .
  9. ↑ أرماريجو، دبليو إل إف؛ تشاي، سي. (2003). تنقية المواد الكيميائية المختبرية . أكسفورد: باتروورث-هاينمان. ISBN 978-0-7506-7571-0.
  10. ↑ هاروود، إل إم؛ مودي، سي جيه؛ بيرسي، جيه إم (1999). الكيمياء العضوية التجريبية: المعيارية والميكروسكوبية . أكسفورد: بلاكويل ساينس. ISBN 978-0-632-04819-9.
  11. ↑ سيكوتوفسكي، دينيس ج.؛ ستوكي، جالين د. (1976). "اختبار بسيط للأكسجين يُستخدم في الصناديق الجافة التي تحتوي على جو من بخار المذيب". مجلة التعليم الكيميائي . 53 (2): 110. Bibcode : 1976JChEd..53..110S . doi : 10.1021/ed053p110 .