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無水無氧的化學藝術

一般的化學反應都是在有氧的環境下進行的,但是對於那些怕水、怕氧的化合物,應該如何處理呢?
 
 
 
空氣中氧氣含量占了五分之一,而且是生物生存所必需的。氧氣使動物的新陳代謝得以順利進行,使一些化學氧化反應得以完成。因為氧氣的存在,使得這個世界充滿生氣、生生不息。但是並非所有的生物、所有的化學反應都喜歡氧。比如有些厭氧性細菌,就需要在沒有氧氣的環境下才能生長與繁殖,有些化學反應也需要在無氧的狀況下才能順利進行,這是因為氧氣的反應活性很強,會把許多物質氧化掉。

同樣地,空氣中也充滿了水汽。雖然濕潤的環境使得大部分的生物感到舒適,但是許多物質或生物卻也因為容易與水進行反應而產生質變。因此,化學家為了不讓氧氣和水氣干擾反應的進行,就設計出各式各樣的儀器及設備來幫助研究。其中最被廣泛使用於無水無氧化學反應的,應屬真空系統及氮氣手套箱。

真空系統

真空系統是用在實驗室中對空氣或水氣敏感的反應上,主要包含真空系統主體、真空活塞、溶劑捕捉瓶、真空幫浦、以及氮氣或氦氣鋼瓶。

真空系統主體包含兩個部分,一個是真空管,另一個是氮氣管。這兩部分會連接到一個具有三向閥構造的真空活塞上,轉動這個真空活塞就可決定所連接的反應瓶是在真空狀態還是充滿氮氣。真空活塞具有玻璃磨砂口,使用時磨砂口間須塗上防漏的真空潤滑劑或凡士林以提高真空度。反應瓶在真空的環境下,可以把反應時所使用的有機溶劑抽乾,通常抽離的溶劑會被溶劑捕捉瓶保留住,主要是利用液態氮把溶劑冷凝下來,因此溶劑捕捉瓶一般都放在充滿液態氮的杜耳瓶中。

為了維持整個系統的真空度,各部分的連接要十分用心。除了上述的三向閥真空活塞外,有時也會使用其他的連接頭。如真空系統主體和溶劑捕捉瓶的連接,是透過一組球型與帽型的結合,這種方式的結合使得系統的組裝更為便利。另外除了利用玻璃磨砂口組合的設計外,也有使用橡膠套環以及鐵氟龍製成的活塞,這些設計常出現在不同的真空系統中。

氮氣手套箱

對於空氣或水氣敏感的化學藥品,無法在空氣中處理時,就必須利用手套箱。手套箱的結構除了可以放置及秤量藥品的空間外,還包含大小前置箱、觸媒槽、真空幫浦、橡膠手套等。

大小前置箱的功能主要是把藥品或玻璃器材送入手套箱內。操作程序通常如下:首先把要送入的器材放到前置箱中,然後抽真空,待壓力表讀數達一定真空度後充入氮氣,如此反覆數次,空氣中的氧氣就幾乎可以確定已除去。然後再把器材送入手套箱內,取好藥品後再經由前置箱把器材取出。不同的藥品器材可選擇合適的前置箱,通常都以小前置箱為主,因為大前置箱抽真空所需的時間較長,而且也較浪費氮氣。

觸媒槽內主要是填充銅觸媒以及分子篩。表面積相當大的銅觸媒可以達到吸附氧氣的功能,以確保手套箱內維持無氧的環境,分子篩則具有移除水分子的功效。銅觸媒使用一段時間後,會因吸附大量氧氣而形成氧化銅,這時必須進行再生的動作,一般的方法是通入氫氣把銅觸媒還原。

聚合反應觸媒的合成

高分子聚合物無疑是近代史上最重要的發明之一,日常生活中的食衣住行,莫不和高分子聚合物息息相關。從塑膠袋、膠膜到汽車、電腦,處處都可見到高分子聚合物的蹤跡。高分子聚合物是由小分子的單體,經由聚合反應變成大分子量的高分子聚合物。小分子單體在一些情形下可自己聚合而成為高分子,然而為有效控制高分子的分子量大小、分子量分布、以及高分子的幾何結構,各種觸媒也因應而生。

在這裡特別介紹一種金屬觸媒-茂金屬(Metallocene),自1980年代發展以來,它已被應用於製造PE(聚乙烯)或PP(聚丙烯)等泛用塑膠與特用或工業塑膠。茂金屬觸媒的主要優點是具有較高的立體選擇性,也能精確地控制高分子材料的分子量分布,以及共聚合物的組成分布型態,因此可賦予更好的物性、加工性,並滿足更多功能性的產品需求。也因此以茂金屬觸媒製備出來的高分子材料,其種類與應用正日益廣泛。

茂金屬的結構是在兩個平行的環戊二烯配位基中間以π鍵鍵結一個金屬離子,通常簡寫成Cp2MX2,例如中心金屬是鋯(Zr)的觸媒,可以是(C5H5)2ZrCl2。茂金屬觸媒在空氣中並不穩定,因此合成這類觸媒需要使用真空系統或其他鈍氣環境。

以(C5H5)2ZrCl2為例,首先須合成對空氣非常敏感的環戊二烯鋰化合物。合成方法是在無水氧環境的玻璃瓶中放入環戊二烯(C5H6),冷卻後再以針筒抽取極易燃的正丁基鋰溶液,慢慢加到玻璃瓶中。反應完成後,可得到環戊二烯鋰。接著同樣在無水氧環境中把ZrCl4與適當溶劑混合,再把環戊二烯鋰徐徐加入,經反應、純化與再結晶步驟,就可得到觸媒前驅物。

由上述過程可了解,這一系列的操作必須包含許多抽氣、換氮氣、又抽氣、又灌氮氣的連串重複動作,以確保環境的穩定與合成的方便。正因如此,真空系統的設計和使用是非常具有研究與實用價值的。

真空系統及氮氣手套箱的應用使化學反應進入了一種新境界,而現今最熱門的晶圓製造技術所使用的真空系統及無氧環境,也是利用相同的原理。因此不論你喜歡那一領域的科學,只要能夠了解儀器設備的基本構造及原理,必能一理通、百理通。
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