Boîte à gants et capteurs d'impuretés

Source : Tamara M. Powers, département de chimie, Texas A & M University

La boîte à gants offre un moyen simple de gérer des liquides et des solides de l’air - et sensibles à l’humidité. La boîte à gants est ce que cela ressemble : une boîte à gants attachés à un ou plusieurs côtés, ce qui permet à l’utilisateur d’effectuer des manipulations dans la boîte à gants sous atmosphère inerte.

Pour les manipulations sous atmosphère inerte, chimistes peuvent choisir entre Schlenk ou techniques de vide élevé et une boîte à gants. Schlenk vide élevé particulièrement techniques offrent un degré plus élevé de contrôle de l’atmosphère et conviennent donc aux réactions qui sont très sensibles au air et l’humidité. La boîte à gants, cependant, fournit un meilleur accès pour les manipulations en atmosphère inerte. Peser les réactifs, le filtrage des réactions, préparation d’échantillons pour la spectroscopie et croissance de cristaux sont autant d’exemples de procédures de routine effectuées plus facilement dans une boîte à gants contre une variété de Schlenk/vide. Avancements dans la conception de la boîte à gants ont augmenté ses performances, telles que l’exécution des réactions à des températures réduites et la spectroscopie dans la boîte à gants.

Cette vidéo démontrera comment apporter des éléments dans et hors de la boîte à gants et comment assurer qualitativement un bon environnement de travail. Manipulations de base dans une boîte à gants se traduira par l’intermédiaire de la synthèse de la benzophénone sodique.

La boîte à gants permet pour la manipulation d’air - et sensibles à l’humidité réactifs et réactions de la même manière que celles effectuées sur la paillasse. Ce résultat est obtenu en maintenant une atmosphère inerte dans la boîte à gants (< 1ppm oxygène et l’humidité) et l’utilisateur d’effectuer des manipulations via des gants sur le côté de la boîte à gants. Gaz inerte est généralement l’azote, bien que l’argon et l’hélium même peuvent être utilisés. Une seule boîte à gants peut accueillir un seul utilisateur, ou deux gants. Deux utilisateurs peuvent travailler côte-à-côte dans une boîte à gants double, qui a quatre gants au total. Chaque boîte à gants auront légèrement différentes configurations et contrôles, selon la société de fabrication. Les principes discutés ci-après peuvent être appliqués à la plupart des boîtes à gants.

La chambre principale :

La chambre principale de la boîte à gants est composée d’une boîte en métal (habituellement en acier inoxydable) avec des vitres en polycarbonate sur un ou plusieurs côtés de la boîte (Figure 1). Gants butyl sont montés sur les fenêtres, permettant la manipulation à l’intérieur de la boîte à gants par les utilisateurs externes. La boîte est construite pour être étanche aux gaz, maximiser l’intégrité de l’atmosphère de gaz à partir de la boîte. En général, il est exécuté à une pression positive, donc les gants de rester hors de la boîte. Cependant, lorsque vous travaillez avec les matériaux extrêmement toxiques ou radioactifs, la boîte peut être exécutée à une pression négative de manière à minimiser les risques d’exposition.

Figure 1. La boîte à gants, montrant la chambre principale, les gants, le panneau de commande et les antichambres grande/petite. Les gants ressortent lorsqu’il est exécuté à pression positive.

La pression à l’intérieur est la boîte à gants est généralement maintenue entre ~ 3 et 6 mbar pression atmosphérique et est régulée par électronique (Figure 2). L’utilisateur peut avoir un contrôle supplémentaire en élevant ou en abaissant la pression via un commutateur au pied. La pression est augmentée par couler plus de gaz dans le système et diminuée par l’évacuation de la pompe à vide.

Figure 2. Le panneau de contrôle de la pression, circulation, purge, la lumière, la régénération et l’antichambre du grand.

Les boîtes modernes sont souvent équipés de traversées électriques, et donc spectroscopie peut être exécutée dans la zone sans avoir à apporter le spectromètre dans la boîte. Coldwells et congélateurs permettent de réactions et de stockage de produits chimiques à température réduite, respectivement. Raccordements de gaz et de vide sont également possibles pour l’ajout de gaz secondaires à l’expérimentation et l’élimination des solvants par des réactions, respectivement.

Une source de contamination est des solvants, réactifs et du matériel dans la boîte. Si les solvants ne sont pas correctement dégazées et séchées, puis ils peuvent ajouter l’humidité et l’oxygène dans l’atmosphère de la boîte à gants. En outre, ils peuvent réagir avec et ruiner le catalyseur utilisé pour maintenir l’atmosphère inerte. De même, les matériaux poreux comme le papier doivent être correctement séchées et autorisés à outgas entièrement dans l’antichambre pour minimiser la contamination.

Les gants sont une source majeure de contamination. Parce qu’ils sont poreux, air s’écoule dans la boîte à gants, même lorsque, à une pression positive. Le taux de contamination dépendra aussi bien le matériau des gants et l’épaisseur ; valeurs typiques pour une simple boîte à gants (boîtier avec deux gants) sont : augmentation des impuretés par 59 ppm/h lorsque vous l’utilisez. ¹ cela suppose bien sûr que l’atmosphère à partir de la boîte n’est pas en permanence être purifiés ou remplacés. Parce que les utilisateurs génèrent la chaleur et la sueur, le taux de contamination peut augmenter à 500 ppm/h lorsque la boîte est en cours d’utilisation. En outre, trous dans les gants permettra d’accroître considérablement l’échange d’air avec un gaz inerte dans la boîte.

Pour maintenir une bonne ambiance, il est donc essentiel de disposer d’une méthode pour nettoyer l’atmosphère au sein de la boîte !

Le circulateur, catalyseur et purge :

Pour maintenir l’atmosphère inerte, gaz inerte (azote, plus couramment) circule depuis la chambre principale d’un catalyseur, puis revient à la chambre principale. Le catalyseur (Figure 3) est composé de tamis moléculaires et d’un catalyseur contenant du cuivre. Les tamis moléculaires absorber l’eau et solvant du gaz, tandis que le catalyseur de cuivre réagit avec l’oxygène. Les deux composantes travaillent ensemble pour maintenir une atmosphère inerte qui est exempte d’humidité et d’oxygène. Grandes boîtes à gants ont souvent un ventilateur dans le milieu de la chambre afin de faire circuler le gaz dans la chambre. Flux de gaz à travers le catalyseur se fait avec le circulateur. À l’entrée et la sortie de la chambre sont des filtres, pour minimiser la contamination par l’intermédiaire de petites particules.

Figure 3. Le conteneur de catalyseur est relié à la chambre principale par deux soupapes, qui permet à l’atmosphère de circuler à travers le lit de catalyseur.

Au fil du temps, le catalyseur de la boîte à gants devient désactivé (les tamis devient saturés d’humidité/solvant, ou le catalyseur de cuivre devienne inactif) et doit être régénéré pour maintenir des niveaux bas ou l’humidité et l’oxygène. Ceci est fait en régénérant le catalyseur en le chauffant sous un courant d’hydrogène, stabilisée par l’azote (formant le gaz). L’hydrogène sert à retirer les tamis de tout solvant et eau et à réduire le catalyseur de cuivre, qui, dans le processus libère de l’eau. L’eau et solvant libéré sont supprimés via une pompe à vide.

Le catalyseur de cuivre peut être empoisonné par certains solvants et produits chimiques volatils, et donc il est essentiel de minimiser l’exposition à ces impuretés. Cela inclut des amines (poison temporaire), halogènes, alcools, solvants éther, et composés contenant du soufre (poisons permanents). La présence des tamis moléculaires dans le catalyseur réduit considérablement l’exposition à ces produits chimiques du catalyseur en cuivre, mais au fil du temps, le cuivre peut devenir désactivé, et le catalyseur ensemble lit-tamis et cuivre-doit être remplacé.

Pour minimiser la contamination du catalyseur par produits chimiques indésirables, la chambre de la boîte à gants principale peut être isolée dans le catalyseur (en désactivant la circulation de l’atmosphère par le catalyseur) quand produits chimiques sont utilisés. La chambre de la boîte à gants peut être purgée (en essence remplaçant l’atmosphère avec un approvisionnement en gaz frais) avant d’activer la circulation. Cela garantit également que l’atmosphère de la boîte à gants ne contient-elle pas de solvants trace, ce qui peuvent influer de réactions chimiques ou apparaissent dans les spectres RMN lorsque les échantillons sont préparés à l’intérieur de la boîte à gants.La longueur de la purge dépend de quel point de l’atmosphère inerte doit être remplacé. Par exemple, après ~ 5 fois le volume de la boîte à gants a été déplacé par les gaz frais, ~ 1 % du gaz inerte vieille demeure ; Cela diminue de 0,1 % avec 7 x le changement de volume. ¹ le temps sera déterminé par le débit du gaz inerte dans la chambre.

L’antichambre :

Produits chimiques et fournitures sont portés dans et hors de la boîte à gants via l’antichambre (Figure 4). Il s’agit d’un compartiment étanche qui se connecte à la boîte à gants à l’extérieur et peut être évacué avec une pompe à vide et re-rempli d’atmosphère inerte. Pour minimiser la contamination par voie aérienne, les utilisateurs seront déroulera généralement 3 cycles de vidange/remplissage, avec le temps d’évacuation selon la taille de l’antichambre et quels sont les éléments à être introduits dans la boîte à gants. Les éléments qui ont une surface importante et sont poreux doivent être évacués pendant une longue période, afin d’assurer le déplacement d’air.

Figure 4. Les antichambres des grandes et petites ; ils ont chacun leur propre manomètre et valve.

En général, la fraction de l’air restant dans la chambre après chaque cycle de pompage et de remplissage est donnée par l’équation 1,¹ , où une_f = fraction d’air restante, f est la pression de vide accessible (en atmosphères) et n est le nombre de cycles.

Une_f = fⁿ (1)

Ainsi, après 2 cycles, une pompe qui peut atteindre 1 torr (1,3 x 10^-3 atm) aura air 1,7 ppm (en gaz inerte). Ce chiffre tombe à 2,2 ppb air (dans un gaz inerte) après 3 cycles.

Le temps que nécessaire pour évacuer la chambre dépendra du volume de la chambre et la vitesse de pompage. Cela peut être approchée par l’équation 2,¹ , où t est le temps (min), V est le volume de la chambre (L), S est la vitesse de pompage du vide (L/min), et P₁ et P₂ sont les pressions initiales et finales, respectivement.

(2)

Tout en boîtes anciennes ont des vannes manuelles pour ouvrir et fermer l’entrée de gaz vide/inerte dans les chambres, les boîtes modernes à faire utiliser des commandes électroniques, et le processus peut même être automatisé.

Capteurs et commandes :

Nombreux mini-environnements modernes font utiliser d’un affichage électronique et le pavé tactile pour contrôler les boîtes à gants ()Figure 2). Par exemple, tourner le circulateur sur et en dehors, purge, ouvrant et fermant les vannes sur l’antichambre, etc., sont facilement appliqués avec la simple pression d’un bouton. L’affichage peut également surveiller les niveaux d’oxygène et l’humidité dans la boîte à gants, si les capteurs sont installés, qui facilite grandement à garantir un environnement inerte. Toutefois, des capteurs chimiques peuvent être utilisés. Diéthylzinc fume dans la gamme basse ppm d’oxygène et forme un résidu blanc en présence d’eau. Benzophénone de sodium et le TI métallocène synthétisé dans le module de Schlenk ligne sont aussi des indicateurs communs dans la boîte à gants pour s’assurer que l’atmosphère est exempt d’humidité et d’oxygène. Benzophénone sodium permet également d’assurer l’élimination de l’humidité du solvant. Cette pourpre radical indicateur vire au bleu puis incolore en présence d’humidité ou de l’oxygène.

1. mettre les éléments dans la boîte à gants

1. Assurez-vous que les éléments soient amenés ont été séché au four (si verrerie), et que les conteneurs sont ouverts.
2. Consultez le journal de l’antichambre pour s’assurer qu’elle est vide.
3. Remplir l’antichambre, manuellement ou électroniquement. Une fois rempli avec 1 atm de gaz inerte, fermer le robinet d’arrivé d’isoler la chambre.
4. Ouvrez l’antichambre à l’extérieur et placer les articles dans la chambre.
5. Fermer la chambre et évacuer (manuellement ou électroniquement).
6. Remplir le journal. En règle générale, les utilisateurs comprennent leurs initiales, des éléments et moments de chaque cycle.
7. Après que le cadran de pression atteint la pression minimale, laissez l’antichambre sous vide dynamique pour 5 min pour une petite antichambre et 20 min pour une grande antichambre.
8. Recharge l’antichambre avec un gaz inerte ; en général, les utilisateurs seront remblai à ~ 0,75 atm, comme la soupape d’admission connecte la chambre principale à l’antichambre.
9. Évacuer et notez l’heure.
10. Répétez les étapes 1,8-1,9, alors qu’au total que l’antichambre a été évacué 3 x.
11. Après 3 cycles, remplissez l’antichambre avec un gaz inerte et fermer l’alimentation en gaz insert.
12. Ouvrez l’antichambre de l’intérieur de la boîte à gants et apporter les éléments dans l’antichambre.
13. Fermer la porte de l’antichambre et évacuer la chambre. Lorsque la boîte à gants est dans son état de repos, les chambres doivent être laissées sous vide dynamique.
14. Note sur le journal que la procédure est terminée, alors que les autres utilisateurs savent que l’antichambre est libre.

2. suppression d’éléments dans la boîte à gants

1. Regarder le journal de bord pour connaître l’état de l’antichambre. N’oubliez pas qu’il n’est pas en cours d’utilisation, et que la dernière opération était d’apporter un élément dans l’antichambre. Si la dernière opération était d’apporter un élément hors, rapidement remplir/évacuer l’antichambre 3 x avec un gaz inerte. Il s’agit d’assurer aucun air résiduel n’est présent (équation 1) lors de l’ouverture de l’antichambre de la boîte à gants.
2. Remplir l’antichambre avec un gaz inerte et fermer la vanne de raccordement de l’alimentation de gaz inerte à la chambre.
3. Ouvrir l’antichambre de l’intérieur de la boîte à gants.
4. Chargez les éléments dans la chambre et fermer la porte.
5. De l’extérieur de la boîte à gants, ouvrir la porte de l’antichambre et supprimer des éléments.
6. Évacuer la chambre.
7. Note que les éléments ont été supprimés et le temps sur le journal de bord.

3. assurer un bon environnement de travail

1. L’environnement de test
   1. Couper le circulateur.
   2. Éteignez les ventilateurs dans la chambre principale de boîte à gants.
   3. Ouvrir une bouteille de solution de diéthylzinc dans hexanes (fréquemment 1,0 M).
   4. Doucement agiter la bouteille pour remplacer l’atmosphère de gaz dans la bouteille avec l’atmosphère dans la zone. Si la fumée se dégage de la bouteille, c’est une indication que l’O₂, l’eau ou un solvant éther est présent dans l’atmosphère. Si l’atmosphère est compromise, la source des impuretés indésirables doit être identifiée.
   5. Allumez la purge pendant 5 min.
   6. Tournez la purge au large et le circulateur sur.
2. Rendant l’indicateur radical
   1. Couper le circulateur.
   2. Dans la boîte à gants, peser 5 mg de benzophénone et cela transférer dans un flacon de 20 mL à scintillation.
   3. Peser, ~ 500-1 000 mg de sodium et cela transférer dans le flacon de scintillation. Boucher le flacon.
   4. Ajouter 20 mL de sec tétrahydrofurane (THF) et une barre de remuer. Boucher le flacon.
   5. Allumez la purge pendant au moins 15 minutes avant de mettre le circulateur.
   6. Laissez la réaction remuer pendant 48 h, ou jusqu'à ce que la solution se transforme en une solution de violette foncée, noir d’encre. La solution devrait passer d’incolore au bleu au violet et il devrait être excès de sodium au fond du flacon. Cela devrait donner une solution avec ~ 1,4 mM radical.
3. Tests de solvant avec l’indicateur de di-radical
   Remarque : Le radical nouvellement synthétisé peut être utilisé pour tester des impuretés de l’eau et les₂ O dans des solvants.
   1. Si test un solvant éther, éteignez le circulateur. Certains groupes exigent que le circulateur est éteint avant d’ouvrir n’importe quel produit chimique dans la zone.
   2. Ajouter une goutte de la solution radicale à 10 mL du solvant test. Les solvants qui peuvent être testés à l’aide du radical incluent THF, l’éther, toluène, benzène, hexanes et le pentane. Le radical réagira avec des solvants chlorés, la pyridine et autres solvants qui réagissent avec les métaux alcalins.
   3. Observer la couleur de la solution pendant 1 à 2 min. Un solvant sec tiendra la couleur de la cétyle radical indéfiniment. En réalité, l’échantillon doit maintenir la couleur pendant au moins 1-2 min. des tests positifs couleurs sont donnés dans le tableau 1 ci-dessous.
   4. Fermez toutes les bouteilles de solvants et rallumer la purge pendant au moins 15 min. tourner le circulateur.

Table 1. Couleurs de test positif pour tests de solvants avec radical.
Solvant	Couleur
Éther diéthylique	Bleu foncé
THF	Violet foncé
Benzène/Toluène/xylènes	Bleu foncé/violet
Hexanes/pentane	Bleu foncé

La boîte à gants est un outil très pratique pour travailler avec et de manipuler des composés de l’air - et sensibles à l’humidité. La plupart des manipulations qui peut se faire sur la table de travail, peut être fait facilement en atmosphère inerte.

La boîte à gants peut servir à stocker des produits chimiques, réaliser des réactions et exécuter les analyses spectroscopiques. Boîtes à gants sont entièrement personnalisables, ainsi les clients peuvent demander de nombreux Add-ons pour répondre à leurs besoins. Différents laboratoires auront la boîte à gants différentes directives d’utilisateur ; par conséquent, il est très important de comprendre les exigences pour travailler dans une boîte à gants avant d’effectuer les manipulations.