大家應該有泡過咖啡的經驗吧!當我們要泡一杯咖啡時,杯子裡面哪一種成分最多呢?是咖啡粉?奶精?還是糖?我想答案都不是這三個,因為杯子裡面最多成分的,是「水」!講得專業一點,水在泡咖啡的過程裡就稱為「溶劑(solvent)」,而咖啡粉、奶精、糖這些東西就稱為「溶質(solute)」,當這兩者混合均勻之後所生成的褐色液體,我們就稱為咖啡「溶液(solution)」。
換句話說,有了水的存在,才可以讓所有的成分以完美的比例混合在一起而成就一杯香醇濃郁的咖啡。這樣的應用在有機合成的世界裡也是處處可見,為了讓反應能順利進行,絕大多數時候都得添加溶劑到反應中,使所有溶質溶解,也因為有溶劑在扮演著 “媒人” 的角色,因而讓反應得以順利進行。
圖1. 將奶精添加入咖啡中,而形成一杯香醇可口的「咖啡溶液」。(圖片來源:http://159.226.149.45/mayuanye/images/coffee026.jpg)
在有機化學的領域中,有許許多多的溶劑可供科學家們選擇與使用。不過若想將所有的溶劑歸類,那麼簡單且大致來說可以分成兩類:一類是「質子溶劑(protic solvent)」,另一類則是「非質子溶劑(aprotic solvent)」。眼花了嗎?呵呵~當然您不需要像板主一樣知道這麼多的專有名詞,因為這樣就太無聊了!
不過,對於大多數 “精密” 的有機反應來說,水氣的存在可是一大殺手!如果在反應過程中有水氣存在,除了會讓反應產生一些無法預期的結果外(雖然有時這樣的結果並不是不好,但大多數的時候只會讓人疲於奔命),更重要的是會讓反應做不出來,甚至發生燃燒或爆炸的危險!因此這時候我們就必須要利用一些手段將溶劑中的水分加以除去!
板主今天要介紹的,就是將一種有機化學中常用的溶劑 ─ 四氫呋喃(tetrahydrofuran,簡稱 THF)─ 利用鈉金屬來乾燥的過程。當然,受面上有販售一些「現成的」乾燥溶劑,可以直接買來使用。不過對於一些需要高技巧性的實驗時,這類的市售溶劑還是遠不及當下製備出來的新鮮無水溶劑啊!以下就為大家介紹一下怎麼將四氫呋喃乾燥的過程:
--
※ 警告:這是一個具有危險性的實驗,請在師長或學長姐的陪同下進行,以免發生意外!
--
首先讓我們來看看今天實驗的器具主角吧,板主拍的不好的地方還請多多見諒囉!由於實驗室抽風櫃的日光燈光線偏綠,所以照片看起來會比較綠!:
圖2. THF 溶劑乾燥裝置全圖。(大圖片)
鏘鏘鏘~就是上面這一個龐然大物!它由幾個部分所構成,名稱我都標在圖片中囉!大家可以參考一下!讓我們細部的看一些放大照:
圖3. 圓底燒瓶近照
上圖 3 是最下面那個「圓底燒瓶」的近照,它在待會兒會裝入待乾燥蒸餾的 THF,所以很重要!
圖4. 承接瓶與多量取用頭放大圖
上圖 4 是「承接瓶」的下端,他有一個綠色的閥,可以用來控制流體出口的方向,如果需要大用量時,只要旋轉這裡,就可以從旁邊黃色扣環處取用新鮮的 THF!
圖5. 承接瓶與少量取用頭放大圖
上一張照片(圖 5)則是承接瓶的上端近照。紅色閥上端有一個乳白色的橡皮套,如果我們需要的是比較少量的 THF,那麼只從這邊取用就行了。
圖6. 第一位主角:市售無水 THF 包裝,左:拆封前,右:拆封後
上圖 6 登場的是我們今天需要乾燥蒸餾的主角 - 四氫呋喃(THF)- 的包裝。左邊鋁箔真空包裝的是尚未開封的包裝,右邊則是開封後的 THF。板主用的是 ACROS 公司所販售的 THF。
圖7. 第二位主角:用來除去 THF 中所含水分的鈉金屬之包裝(圖右)
上圖 7 則是我們今天要用來乾燥 THF 的鈉金屬包裝(右邊深色罐子)。板主用的是日本島久藥品公司販售的鈉金屬。
圖8. 07 第三位主角:顯色劑 - Benzophenone(二苯甲酮)
這個罐子上面寫的二苯甲酮(Benzophenone)則是稍後會使用到的「顯色指示劑」。可以讓我們判斷 THF 裡面是不是無水囉!一樣,板主用的是 ACROS 公司販售的商品。
圖9. 鈉金屬塊(Sodium metal)
現在登場的就是鈉金屬!咦?看不出來嗎?就是罐子前面那一塊一塊像 "豆腐" 的東西啦!不過這可是危險動作!因為鈉金屬相當的活潑,因此是不可以在空氣中放這麼久的,不過板主為了拍照,還是給它「撩下去」了!
圖10. 處理鈉金屬時會用到的所有器具。A:承裝有鈉塊與正己烷的燒杯;B:夾鈉塊的鎳子;C:用來桿鈉塊的玻璃試管;D:鋁箔紙;E:小刀;F:用來滴加矽油的滴管。
上面這張圖則是待會用來處理鈉金屬的所有器具。包含 A:裝著正己烷(n-hexane)的小燒杯,發現了嗎?裡面有放一顆鈉金屬塊囉。因為正己烷是一種低極性的碳氫類溶劑,因此可以讓鈉塊不受空氣的氧化。B:鎳子。C:用來桿鈉的試管。D:鋁箔片。E:用來切鈉塊的刀子。F:用來滴加煤油的滴管。
圖11. 切割鈉金屬
接著將鈉塊用刀子進行切割,看起來好像軟軟的,但其實還蠻花力氣的!而且為了不讓鈉塊 “跑掉”,鑷子必須用另一隻手緊握。
切割完鈉塊之後,下一個步驟就是要利用玻璃試管進行「軋壓」的動作了!不過在軋壓之前大家一定都聽過鈉金屬是一種很活潑的金屬,因此截面在切割的瞬間可以看到金屬光澤,但在空氣中很快就會被氧化變成灰灰的氧化鈉(就像圖 8 擺在瓶子前面一塊一塊的鈉塊外表)。為了要拍攝這一瞬間的畫面,可犧牲了好多的鈉呀!不過...因為氧化的速度實在是太快了,所以僅能抓到一張「勉強」可以接受的照片。不知道大家看不看得出來鈉塊的最上面有一層灰灰的氧化層?下面才是比較帶有金屬光澤感的新鮮切面勒?
圖12. 切割鈉金屬的瞬間,可見到金屬光澤面。(大圖片)
上圖 12 這就是刀子與鈉塊分開的瞬間唷!
看到這邊應該很難想像待會這麼一大塊的鈉會變成薄薄的一片吧?呵呵~
在下一集裡,板主將從軋壓鈉塊開始,繼續逐步的為大家介紹如何將含有水分的四氫呋喃變成藍黑色的無水四氫呋喃。
特別感謝:
Yu-Ting, Tsai 學妹的大力幫忙!
相關連結:
1. 科學,就是醬:有機實驗動手做 - 四氫呋喃(THF)的除水操作(下)
2. Wiki 百科:Solution,溶液(英文版)
3. Wiki 百科:Solution,溶液(中文版)
4. Wiki 百科:二苯甲酮(Benzophenone)
5. ACROS 公司