Guantera y sensores de impureza

Fuente: Tamara M. Powers, Departamento de química, Texas A & M University

La guantera ofrece un medio sencillo para manejar líquidos y sólidos sensibles al aire y humedad. La guantera es lo que parece: una caja con guantes conectados a uno o más lados, que permite al usuario realizar manipulaciones dentro de la guantera bajo atmósfera inerte.

Para manipulaciones bajo Atmósferas inertes, químicos pueden elegir entre Schlenk o técnicas de alto vacío y una guantera. Schlenk técnicas particularmente alto vacío ofrecen un mayor grado de control de la atmósfera y por lo tanto son convenientes para las reacciones que son muy sensibles al aire y humedad. La guantera, sin embargo, proporciona un mayor acceso para la manipulación en una atmósfera inerte. Peso de reactivos, filtrado de reacciones, preparación de muestras para espectroscopia y crecimiento de cristales son ejemplos de procedimientos de rutina que se realizan más fácilmente en una guantera frente a un colector de vacío Schlenk. Los avances en el diseño de guantera han aumentado su rendimiento como correr reacciones a temperaturas reducidas y espectroscopia en la guantera.

Este video demostrará cómo traer artículos dentro y fuera de la guantera y cualitativamente para un buen ambiente laboral. Manipulaciones básicas dentro de una guantera se demostrará a través de la síntesis de benzofenona de sodio.

La guantera permite para manipulación de aire y humedad-sensibles a reactivos y reacciones de una manera similar como los realizados en el Banco. Esto se logra manteniendo una atmósfera inerte en la guantera (< 1 ppm oxígeno y humedad) y el usuario realizar manipulaciones a través de guantes en el lado de la guantera. El gas inerte es típicamente nitrógeno, aunque se pueden utilizar argón y helio incluso. Una guantera solo tiene espacio para un usuario o dos guantes. Dos usuarios pueden trabajar lado a lado en una guantera doble, que tiene cuatro guantes en total. Cada guantera tendrá ligeramente diferentes configuraciones y controles, dependiendo de la compañía de fabricación. Los principios discutidos en este documento pueden aplicarse a la mayoría de las guanteras.

La cámara principal:

La cámara principal de la guantera está compuesto por una caja de metal (generalmente acero) con ventanas de policarbonato en uno o más lados de la caja (figura 1). Guantes de butilo equipadas para las ventanas, permitiendo para la manipulación dentro de la guantera por usuarios externos. La caja se construye para ser estanca a los gases, maximizar la integridad de la atmósfera del gas dentro de la caja. Normalmente, se ejecuta con una presión positiva, para que los guantes se peguen fuera de la caja. Sin embargo, cuando se trabaja con materiales extremadamente tóxicos o radiactivos, la caja se puede trabajar a una presión negativa en cuanto a minimizar los riesgos de exposición.

Figura 1. La guantera, que muestra la cámara principal, los guantes, el panel de control y las antecámaras de grande/pequeño. Los guantes se sobresalen cuando se ejecuta con presión positiva.

La presión interior es guantera se mantiene generalmente entre ~ 3 y 6 mbar sobre la presión atmosférica y está regulado vía electrónica (figura 2). El usuario puede tener un control adicional levantando o bajando la presión a través de un pedal. La presión es aumentada por las corrientes más gas en el sistema y disminuyó a través de la evacuación de la bomba de vacío.

Figura 2. El panel de control controla la presión, circulación, depuración, luz, regeneración y la antecámara gran.

Cuadros modernos se caben a menudo con pasantes eléctricos, y tan espectroscopia se puede ejecutar en el cuadro sin tener que llevar el espectrómetro en la caja. Coldwells y congeladores permiten reacciones y almacenamiento de productos químicos a temperaturas reducidas, respectivamente. Conexiones de gas y vacío son también posibles para la adición de gases secundarios a la experimentación y la extracción de solventes de reacciones, respectivamente.

Una fuente de contaminación proviene de los disolventes, reactivos y materiales en la caja. Si solventes no debidamente desgasificados y secados, luego pueden agregar humedad y oxígeno a la atmósfera de la guantera. Además, puede reaccionar con y arruinar el catalizador utilizado para mantener la atmósfera inerte. Asimismo, materiales porosos como el papel correctamente secados y permitió a los outgas completamente en la antecámara para minimizar la contaminación.

Los guantes son una importante fuente de contaminación. Por ser porosos, aire fluirá en la guantera, cuando con una presión positiva. El índice de contaminación dependerá del material del guante y el espesor; los valores típicos para una sola guantera (caja con dos guantes) son aumento de impurezas por 59 ppm por hora cuando está en uso. ¹ esto por supuesto asume que el ambiente dentro de la caja no está siendo continuamente purificado o reemplazado. Porque los usuarios generan calor y el sudor, la tasa de contaminación puede aumentar a 500 ppm por hora cuando la caja está en uso. Por otra parte, los agujeros en los guantes aumentará mucho el intercambio de aire con gas inerte dentro de la caja.

Para mantener un buen ambiente, por lo tanto es esencial disponer de un método de limpiar la atmósfera dentro de la caja!

El circulador, catalizador y purga:

Para mantener la atmósfera inerte, el gas inerte (nitrógeno comúnmente) se distribuye desde la cámara principal catalizador y volver a la cámara principal. El catalizador (figura 3) se compone de tamiz molecular y un catalizador que contiene cobre. Los tamices moleculares adsorben agua y el solvente del gas, mientras que el cobre catalizador reacciona con el oxígeno. Los dos componentes trabajan juntos para mantener una atmósfera inerte libre de humedad y oxígeno. Fabricaron grandes a menudo tiene un ventilador en el centro de la cámara para ayudar a circular el gas dentro de la cámara. Flujo de gas a través del catalizador se realiza con el circulador. En la entrada y salida de la cámara son los filtros, para minimizar la contaminación por partículas pequeñas.

Figura 3. El contenedor de catalizador está conectado a la cámara principal por dos válvulas, que permite la atmósfera circule a través de la cama del catalizador.

Con el tiempo, se convierte en desactivar el catalizador de la guantera (los tamices saturarse con humedad o disolvente, o el cobre catalizador pasa a estar inactivo) y necesita ser regenerado para mantener niveles bajos o humedad y oxígeno. Esto se hace mediante la regeneración del catalizador por calentamiento bajo una corriente de hidrógeno, estabilizado por nitrógeno (formando gas). El hidrógeno sirve para quitar todos los solventes y agua de los tamices y para reducir el cobre catalizador, que en el proceso libera agua. El agua y el solvente liberado se eliminan a través de una bomba de vacío.

El catalizador de cobre puede ser envenenado por ciertos disolventes y productos químicos volátiles, y por lo tanto es fundamental para minimizar la exposición a estas impurezas. Esto incluye aminas (veneno temporal), solventes de éter, alcoholes, halógenos y azufre-conteniendo compuestos (venenos permanentes). La presencia de los tamices moleculares en el catalizador reduce la exposición del catalizador de cobre a estos químicos, pero con el tiempo, el cobre puede ser desactivado, y la cama de catalizador entero-tamices y cobre-debe reemplazarse.

Para minimizar la contaminación del catalizador con sustancias químicas indeseables, el compartimiento de la guantera principal puede ser aislado del catalizador (apagando la circulación de la atmósfera a través del catalizador) cuando se utilizan productos químicos. El compartimiento de la guantera puede purgarse (en esencia cambiar el ambiente con un suministro fresco de gas) antes de activar la circulación. Esto también asegura que la atmósfera de la guantera no contiene solventes de rastro, que pueden afectar las reacciones químicas, o que aparecen en los espectros de RMN cuando las muestras son preparadas dentro de la guantera.La duración de la purga depende de la cantidad de atmósfera inerte tiene que ser reemplazado. Por ejemplo, después de ~ 5 x el volumen de la guantera ha sido desplazado por el gas fresco, ~ 1% del antigua gas inerte permanece; Esto disminuye a 0,1% con 7 x el cambio de volumen. ¹ el tiempo determinará el caudal del gas inerte en la cámara.

La antecámara:

Productos químicos e insumos son traídos dentro y fuera de la guantera por la antecámara (figura 4). Se trata de un compartimento cerrado que conecta la guantera hacia el exterior y puede ser evacuado con una bomba de vacío y re-lleno de atmósfera inerte. Para minimizar la contaminación por el aire, los usuarios normalmente ejecutan 3 ciclos de llenado/purga, con el tiempo de evacuación dependiendo del tamaño de la antecámara y que elementos se van a traer en la guantera. Elementos que tienen una elevada área superficial y poroso deben ser evacuados por más tiempo, para garantizar el desplazamiento de aire.

Figura 4. Las grandes y pequeñas antecámaras; cada uno tiene su propio medidor de presión y válvula.

En general, la fracción de aire que queda en la cámara después de cada ciclo de bombeo y llenado viene dada por la ecuación 1,¹ donde una_f = fracción de aire restantes, f es la presión del vacío alcanzable (en atmósferas), y n es el número de ciclos.

A_f = fⁿ (1)

Así, después de 2 ciclos, una bomba que puede alcanzar 1 torr (1.3 x 10^-3 atm) tendrá aire de 1,7 ppm (gas inerte). Este número se reduce a 2,2 ppb aire (gas inerte) después de 3 ciclos.

El tiempo que tarda en evacuar la cámara dependerá el volumen y velocidad de bombeo. Esto puede ser aproximado por la ecuación 2,¹ donde t es el tiempo (min), V es volumen de la cámara (L), S es la velocidad de bombeo del vacío (L/min), y P₁ y P₂ son las presiones iniciales y finales, respectivamente.

(2)

Mientras más cajas tiene válvulas manuales para abrir y cerrar la entrada de gas inerte/vacío a las cámaras, cajas modernas hacen uso de controles electrónicos, e incluso se puede automatizar el proceso.

Sensores y controles:

Muchas guanteras modernos hacen uso de una pantalla electrónica y touchpad para controlar las guanteras ()figura 2). Por ejemplo, el circulador encendiendo y apagando, purga, apertura y cierre de válvulas en la antecámara, etc., se aplican fácilmente con sólo presionar un botón. La pantalla también puede supervisar los niveles de oxígeno y la humedad en la guantera, si se instalan sensores, que facilita asegurar un ambiente inerte. Sin embargo, sensores químicos pueden ser utilizados además. Diethylzinc se fuma en el rango de ppm bajo de oxígeno y forma un residuo blanco en presencia de agua. Benzofenona de sodio y el metaloceno Ti(III) sintetizadas en el módulo de la línea de Schlenk son también indicadores comunes en la guantera para que el ambiente esté libre de humedad y oxígeno. Benzofenona de sodio también puede utilizarse para eliminar la humedad de solvente. Esta púrpura indicador radical entonces azul incoloro en presencia de oxígeno o humedad.

1. traer objetos en la guantera

1. Asegúrese de que los artículos que trajo han sido secados al horno (si cristalería), y que los envases estén abiertos.
2. Compruebe el registro de la antecámara para asegurarse de que está vacía.
3. Llene la antecámara, manual o electrónicamente. Una vez lleno con 1 atm de gas inerte, cerrar la válvula de entrada para aislar la cámara.
4. Abra la antecámara al exterior y colocar los elementos en la cámara.
5. Cerrar la cámara y evacuar (manual o electrónicamente).
6. Rellenar el registro. Por lo general, los usuarios son sus iniciales, elementos y tiempos de cada ciclo.
7. Después de que la presión alcance la presión mínima, dejar la antecámara bajo vacío dinámico de 5 min para una pequeña antecámara y 20 min para una gran antecámara.
8. Rellenar la antecámara con gas inerte; por lo general, los usuarios lo rellene hasta ~ 0,75 atm, como la válvula de entrada conecta la cámara principal a la antecámara.
9. Evacuar y tenga en cuenta el tiempo.
10. Repita los pasos 1.8-1.9, por lo en total que la antecámara ha sido evacuado 3 x.
11. Después de 3 ciclos, la antecámara se llenan de gas inerte y cerrar el suministro de gas de relleno.
12. Abra la antecámara desde dentro de la guantera y poner los elementos en la antecámara.
13. Cierre la puerta de la antecámara y evacuar la cámara. Cuando la guantera está en su estado de reposo, se deben dejar las cámaras de vacío dinámico.
14. Nota sobre el registro de que el procedimiento sea completo, para que otros usuarios sepan que la antecámara está libre.

2. eliminación de elementos de la guantera

1. Mira el diario para ver el estado de la antecámara. Asegúrese de que no esté en uso, y que la última operación fue poner un elemento en la antecámara. Si la última operación fue a traer un artículo hacia fuera, rápidamente llenado/evacuar la antecámara 3 x con gas inerte. Esto es para asegurar no aire residual está presente (ecuación 1) cuando se abre la antecámara a la guantera.
2. La antecámara se llenan de gas inerte y cerrar la válvula de conexión del suministro de gas inerte a la cámara.
3. Abra la antecámara desde el interior de la guantera.
4. Los elementos de la carga en la cámara y cierre la puerta.
5. Desde el exterior de la guantera, abra la puerta de la antecámara y quitar los elementos.
6. Evacuar la sala.
7. Nota que los elementos fueron retirados y la hora en el diario.

3. garantizar un buen ambiente de trabajo

1. El entorno de prueba
   1. Apague la bomba de circulación.
   2. Apague los ventiladores en el compartimiento de la guantera principal.
   3. Abrir una botella de solución diethylzinc en hexanes (con frecuencia 1,0 M).
   4. Agitar suavemente la botella para reemplazar la atmósfera del gas en la botella con el ambiente en el cuadro. Si el humo sale de la botella, esto es una indicación que el O₂, agua o un solvente éter está presente en la atmósfera. Si la atmósfera está comprometida, debe identificarse la fuente de las impurezas no deseadas.
   5. Encienda la purga por 5 minutos.
   6. Girar a la purgación apagado y el circulador en.
2. Que el indicador de radical
   1. Apague la bomba de circulación.
   2. En la guantera, pesar 5 mg de benzofenona y transferir esto a un vial de centelleo de 20 mL.
   3. Pesar ~ 500-1.000 mg de sodio y esto de transferencia al vial de centelleo. Tapa el frasco.
   4. Añadir 20 mL de tetrahidrofurano seco (THF) y una barra de agitación. Tapa el frasco.
   5. Encienda la purga durante al menos 15 min antes de encender la bomba de circulación.
   6. Que la reacción de revolver durante 48 h o hasta que la solución se convierte en una solución de color púrpura oscurezca, manchada. La solución debe ir del incoloro al azul púrpura, y allí debe ser sodio sobrante en la parte inferior del frasco. Esto debería dar una solución con ~ 1,4 mM radical.
3. Pruebas de disolventes con el indicador di-radical
   Nota: El radical recién sintetizado puede utilizarse para comprobar las impurezas de agua y₂ O en solventes.
   1. Si pruebas un solvente éter, apague la bomba de circulación. Algunos grupos requieren que el circulador está apagado antes de abrir cualquier producto químico en la caja.
   2. Añadir una gota de la solución radical a 10 mL del solvente de prueba. Solventes que se pueden probar usando al radical incluyen THF, éter dietílico, tolueno, benceno, hexanes y pentano. El radical reacciona con solventes clorados, piridina y otros solventes que reaccionan con los metales del álcali.
   3. Observar el color de la solución sobre 1-2 minutos. Un solvente seco tendrá el color del ketyl radical indefinidamente. Siendo realistas, la muestra debe contener el color durante al menos 1-2 min prueba positiva de colores se dan en la tabla 1 siguiente.
   4. Cierre todas las botellas de disolvente y vuelva a encender la purga por lo menos 15 min vuelta el circulador.

La guantera es una herramienta muy práctica para trabajar con y la manipulación de compuestos sensibles al aire y humedad. Más manipulación que puede hacerse en el Banco, se puede hacer fácilmente en una atmósfera inerte.

La guantera puede utilizarse para almacenar productos químicos, llevar a cabo reacciones y ejecutar análisis espectroscópico. Guanteras son completamente personalizables, por lo que los clientes pueden pedir muchos complementos para satisfacer sus necesidades. Diferentes laboratorios tendrá guantera diferentes recomendaciones para el usuario; por lo tanto, es muy importante entender los requisitos para trabajar en una guantera antes de realizar cualquier manipulación.

1. Shriver, M. A. Drezdzon. The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. John Wiley & Sons. USA. (1986).