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    实验室基本操作与杂质和安全

    2017-12-06 09:14:57

    【导读】 实验室基本操作就是我们做单元反应该注意到的一些操作细节问题,需要我们实验人员在长期的试验实践工作中学会观察和总结,并养成良好的实验习惯,在工作中可以得到事半功倍的效果。

    实验室基本操作就是我们做单元反应该注意到的一些操作细节问题,需要我们实验人员在长期的试验实践工作中学会观察和总结,并养成良好的实验习惯,在工作中可以得到事半功倍的效果。因为这些基本操作不但会影响我们的试验结果,对试验得出错误的结论,甚至会误导我们的路线选择和试验方案的确定,更甚者会对实验人员和现场生产人员的人身安全造成危害。

    基本操作粗糙,还会对产品质量的控制产生不良的影响,生成不必要的杂质。(杂质包括有关物质、有机残留、金属杂质等。有关物质一般包括各种原料、中间体、副产物和各种降解产物等。)在工作过程中把良好的实验习惯和应该做到的一些惯性思维固化成我们的基本操作,并实施开发的小试工艺,形成产品的SOP,得到质量优良的产品,应该是大家都希望实现的吧。

    今天咱们要分享的不只涉及到基本操作问题,咱们把从试验的原料的确认到烘料的整个操作程序可能遇到的一些问题跟大家做一个探讨和分享。

    原料


    1.起始原料
    随着API国内申报和国际申报的统一,就涉及到非简单分子结构的原料的合成路线的提供,还需要建立相应的质量标准来控制该起始原料的质量。
    对我们实验工作的影响:
    A.对杂质研究工作的影响
    根据客户提供的工艺,可以大致推断该原料中可能含有的合成该原料的原料、中间体、溶剂、可能生成的副产物和后续反应中可能继续产生的杂质。
    B.质量标准的建立
    通过我们的试验可以相应地建立该原料的质量标准,并反馈给客户以便达到我们的要求。
    如果客户达不到我们的要求,我们可以更换客户或者调整我们的工艺。


    2.原料质量
    普通试剂:溶剂、商业化的小分子试剂。
    这个应该是我们需要经常关心的问题,会影响反应的收率和产品的质量。
    A.原料的水分
    许多的反应是非水的反应,需要避免水分的带入;水分的带入会影响反应的酸碱性质。一些亲水的试剂比如四氢呋喃,在放置的过程中水分会提高。
    B.原料的酸度
    二氯甲烷在放置的过程中会发生分解产生盐酸气。
    C.原料的氧化(涉及到反应的安全)
    醚类化合物乙醚。在空气中容易氧化成过氧化物,这个过氧化物在蒸馏的过程中,超温时容易发生爆炸,所以蒸馏过程需要注意,避免使用电热套,如果采用水浴蒸馏风险就小很多。


    3.原料的处理
    酸碱洗涤:
    对于不溶于水的溶剂,采用这样的方法(包括:这样溶剂的回收),可以除去该溶剂中含有的酸、碱及其以溶于水的其它杂质,最后用常规的干燥方法干燥后蒸馏即可。
    脱水干燥:
    A.普通的脱水剂干燥
    用干燥剂如无水硫酸钠、无水硫酸镁、氯化钙、氧化钙、五氧化二磷等。要注意这些干燥剂的适用范围,一个是酸碱性质,另一个是适用的环境温度,比如,无水硫酸钠和无水硫酸镁。
    B.和水反应脱水
    一般用金属钠、钾、氢化钠、金属硼氢化物等。重新蒸馏:可以通过重新蒸馏解决液体原料纯度问题。
    减压干燥:
    对于水分不合格的固体原料采用的方法,以达到限度。
    精制:主要是针对固体试剂的纯度不合格。
    注意:有时候工业品的质量要优于放置时间太久的瓶装试剂。


    4.溶剂的选择
    主要涉及杂质问题中的有机残留,需要在保证收率和质量的情况下,尽量采用允许的残留值大的有机溶剂。溶剂的分类:一类溶剂的避免使用,无法避免时,要有替代实验证明。


    5.试剂的选择
    基因毒性问题现在是API出口越来越关注的问题,这个今后可能要涉及相关的试剂的选择,甚至会涉及到工艺路线的选择。

    投料


    1.投料的顺序
    一个反应涉及的物料通常情况下是反应试剂和溶剂(特殊情况下有催化剂、助溶剂或者反应物既是试剂又是溶剂)。
    这就有一个问题:
    是先加反应物还是先加溶剂,是先加固体试剂还是先加液体试剂。

    一般情况下:
    先加溶剂应该是万无一失的办法,这样不会出现把反应物先加在一起,反应无法控制的问题。对于某些反应例如氧化反应,不这样做温和的情况下会产生一定量的过氧化杂质,剧烈情况下反应失控发生爆沸充料甚至爆炸,举例:反应物料中如果有固体的情况,应该先加固体搅拌溶清后再加液体试剂。这样加的好处是一般会在均相条件下反应,而且现场加固体物料可以避免沉积到反应罐底的现象。

    到底要怎么样投料呢?
    个人认为应该是这样的(考虑到现场的实际情况):在反应容器内先加入一定量的溶剂,加入一种物料后,搅拌加热下(如果可以加热的话)溶清,少许溶剂洗涤漏斗;加入另一反应物料(如果另一物料不能直接加入,则用部分溶剂溶解后滴加),少许溶剂洗涤盛装该反应物的容器。


    2.投料配比
    包括反应物和溶剂的配比、反应物之间的配比。
    最理想的情况是较少的溶剂,反应物的配比是1:1,这样可以减少除去溶剂带来的麻烦,反应完成后通过后处理来除去某一反应物的操作也可以省略。但是通常都会涉及到以下两个问题。

    涉及到反应物和溶剂的投料配比:
    有些文献溶剂量用得特别的大,实际上溶剂用得越多,降低了反应物的浓度,在温度一定的情况下降低了正反应的反应速度,会造成杂质的增多。
    总的来说,要根据实际情况合理调整溶剂的投量,对于反应放热比较剧烈、反应物溶解度小、反应物浓度太大容易生成副产物等就利于增大溶剂的量。

    反应物之间的投料配比:
    一般来说是便宜的原料多投,但,并不是价格便宜的物料就一定多投,而是要根据反应的机理来确定哪一个原料应该多投。当然,价格贵的多投的原料需要考虑回收套用。


    3.投料方式

    固体试剂有采用分次投料的,也有把试剂一次加入到反应液中的。如果没有对投料的方式做比较理性的分析,往往会造成某些反应的局部浓度过大,反应过于剧烈,生成不不要的杂质。特别是在较低的温度下的反应,一般采用一种原料先投入反应釜溶清冷却后,滴加另一种液体原料或者固体原料的溶液,可以控制反应速度,避免局部反应热问题。

    反应过程的控制


    1.反应温度、反应时间
    实际上反应温度和反应时间大多数情况下是两个关联因数。
    正、副反应跟温度有极大的关联。副反应生成杂质。
    根据现在申报的要求,这两个参数一般都会归于关键工艺参数。在8号资料中一般都要求体现。

    反应温度的控制
    一般原则是在保证收率和质量的情况下,尽量提高反应温度以缩短反应时间。当然在室温的条件下,也可以在较短的时间反应完全的反应,则没有必要升温反应继续缩短反应时间。实际操作中,还要综合考虑工艺时间,适宜倒班。

    A.温度的显示或者测定
    注意温度计的校正。
    各种温度计的比较:
    棒式温度计、玻套温度计、具塞温度计(专用于蒸馏温度的检测)等。

    B.加热:
    加热的方式:
    接触加热:直接接触火源或者电热丝等。
    有介质的加热:以液体溶剂为介质的水浴加热,比如,水浴锅、油浴锅等;以空气为介质的电热帽加热。

    需要避免的加热操作方式
    把反应瓶直接放到电热套内加热,实际变成了接触加热,虽然反应瓶内的温度还在我们控制的范围内,但是,反应瓶直接接触的部分已经严重超温,生成了高温条件下才能生成的杂质;
    滤瓶直接放置在电热套内加热,会因为受热不均,造成反应瓶的破裂。

    正常的加热操作
    电热套加热时,反应瓶应该悬空不接触加热套底部,加热不能太猛;对于温度不太高的尽量用水浴加热,水浴温度比较稳定,有利于对参数的考察。

    回流的高度
    目前,比较多的文献提到回流,但是同样的回流操作,不同的人得到的实验结果是不一样的。主要是因为回流的高度不一样,实际上不同的回流高度的回流温度和加热的剧烈程度是不同的,回流高度越高,回流的温度就越高,需要的热量也越大,就存在反应过热的风险。
    通常的回流高度应该不超过回流冷凝管的三分之一。

    C.冷却
    根据能够冷却到的温度由高到低分为常水冷却、冰水冷却、冰盐冷却、干冰冷却、液氮冷却或者(液氮的有机溶剂冷却)等。
    不管是反应或是精制析晶冷却的时候都要对冷却的速度有一个控制,比如从一个较高的温度冷却到一个较低的温度,一般不要直接用冰盐浴冷却,原因如下:
    冷却速度太快,反应瓶容易炸裂(不管是实验室的反应瓶或是现场的反应釜都会存在这个问题);较低的温度下保温反应如果温度升高了用冰盐水去冷却,虽然,反应瓶内部温度没有低于反应物料析出来的温度,但物料依然有析出来的可能,这主要是局部温度过低的现象造成的;精制过程中的保温析晶也会同样涉及这个问题。

    D.反应温度的考察
    反应产物受热力学和动力学控制:比如顺反异构。
    不同的反应温度有可能生成不同产物:比如氧化反应。

    E.反应时间的考察
    反应终点
    反应时间的考察的必要性,一定温度下反应时间决定反应的完成程度(反应终点的确定),从而提高劳动效率,减少能耗。
    反应时间的确定和中间体或者成品的质量标准的关系。决定于相应产品的质量控制,最终决定于成品的质量。


    2.反应过程中隔绝空气操作及有毒有害气体吸收
    A.隔绝空气操作(同时,也可以隔绝水汽)
    通氮气或者氩气保护。操作过程是抽真空,通惰性气体置换。
    B.有毒有害气体的吸收
    硼烷、盐酸气体。吸收塔,简易吸收塔的制作;专业的吸收塔。
    C.有时这两种操作需要同时进行
    三氯化磷、三氯氧磷、二氯亚砜氯代反应等。


    3.反应过程控制的方式
    TLC、HPLC、GC或者文献。根据工作实践,TLC有较大的缺陷不准确,有时候有5%(HPLC)都不会显示斑点,不利于中间体质量标准的建立,也不利于杂质的控制。

    后处理


    1.蒸馏
    减压蒸馏、常压蒸馏
    常压蒸馏可用于低沸点物料的回收,如果,要提高溶剂的回收率可用低温循环水来解决。
    注意
    高真空蒸馏:主要用于高沸点物料的蒸馏,要用到的比较特殊的设备是机械泵、真空接收器、具塞温度计等。如果采用尾接鼓泡需要注意调节鼓泡的量。
    工业上经常采用短程蒸馏,用于蒸馏高沸点的物料,是一套高真空泵、油浴加热循环系统和两个相短程连接的反应釜组成的系统。


    2.萃取及分层
    萃取和分层通常情况下是一个连接在一起的操作,一般在搅拌下进行两相的萃取,在分液漏斗中进行分层。

    萃取需要注意的是:
    搅拌的转速要足够高,时间要足够长,使两相充分混匀,使溶质在两相间的分配尽快达到平衡。直接在分液漏斗中进行振摇萃取的操作是不可取的,这样做的萃取效率太低。同样的溶剂量多次萃取高于一次萃取的效果,这个可以通过溶质的分配系数计算得出结论。同时需要提到的是试验中较少用到有连续萃取装置,可以用于萃取在萃取相中分配系数小的物料。

    分层的基本技巧:
    两相间一定要有密度差别,密度差别越小越不利于分层。为了增大两相间的密度差别,当水层是下层时可以添加食盐增大水层的密度;或者增大有机溶剂的用量来扩大两相间密度差别。当两相分层不清楚时,可以适当的振摇分液漏斗促进分层。当有大量的泡沫产生,可以适当的添加消泡剂(比如,丙酮、乙醇等),但以不发生反应为前提。还有值得注意的是用有机溶剂萃取含有机溶剂的水相时,是有可能把水相中的有机溶剂一起萃取出来的,有机层的体积会增大较多,后处理的时候要注意解决。


    3.酸碱处理和pH值的控制
    许多反应在反应完成后的后处理中,需要进行酸碱处理用以除去未反应完全的带有酸碱性质的原料和反应过程中产生的带酸碱性质的杂质。当然也可以通过对pH值的控制来除去酸碱强度不一样的物质,这个是一定要注意的,并不是简单的进行强酸强碱处理。
    中间体和成品的制备需要成盐时,一个是要对pH值进行控制,对于非水溶剂中成盐则需要用非水pH计控制,但目前国内的非水pH计的准确度都有待提高;另一个就是在溶剂量、转速一定的情况下成盐时的滴加速度也需要控制,这个关系到盐的粒度和杂质的去除。


    4.过滤
    用于脱色过滤活性炭、重结晶滤去机械杂质、滤得反应产生的中间体或者成品等。对于乳化的分层操作,过滤也可以用于破乳,只是这个操作一般用得比较少。现场的操作形式表现为压滤(氮气、空气压滤)和过滤(需要保温时可以保温过滤桶)。
    过滤成品的时候,可以在布氏漏斗上加盖一层滤纸或者培养皿以避免空气中的灰尘或者其它机械杂质污染样品。
    热滤时尽量控制抽气量或者真空度,避免大量的溶剂挥发带走热量物料立即析出,堵塞布氏漏斗。


    5.洗涤
    料的洗涤也应该遵循少量多次的原则,用以增加洗涤的效果。
    其中打浆洗涤是一个不错的操作。对于洗涤用的挥发性溶剂,过滤时通过性要好,否则溶剂挥发会在物料表明留下有色的痕迹。
    好的洗涤效果可以除去物料颗粒间歇的杂质改善物料的外观。

    精制


    1.精制的方式
    溶解状况下的重结晶、非溶解下的回流重结晶、酸碱精制等。。。
    溶解状况下的重结晶是成品精制的通用操作,有时候为了控制中间体的质量也会用到。
    非溶解状态下的回流重结晶实验中用到的几率较小,但是这是一个比较有用的操作,对于在各种溶剂中溶解度较小的产品可以采用这个操作除去产品中的杂质。比较典型的例子是格列美脲粗品在丙酮中回流的精制;还有就是顺反异构体在同一溶剂中溶解度的不同,回流状态下除去溶解度大的异构体。
    酸碱精制可以用在中间体和成品的纯化操作上,在成盐的过程中控制好成盐的温度、速度等操作也是可以有效除去不能成盐的杂质或者溶解度有差别的杂质。


    2.精制的控制要点
    考察产品在各种溶剂和同一溶剂不同温度下溶解度曲线,可以为精制提供依据(相似相容原理)。
    如果在同一溶剂体系中不能兼顾除去极性相差较大的杂质,可以采用两种不同极性的溶剂体系分段除去这些杂质。

    保温析晶的运用优势:
    一是可以保证晶型的均一性,和标准图谱更加一致;
    二是更加有利于除去杂质,特别是极性相差不大的杂质也有效,因为,保温析晶时,析晶的速度较慢,杂质不易进入产品的晶格中;
    三是晶粒的大小也更加均一。

    结晶颗粒大小的控制:
    溶液的浓度、搅拌速度、降温速度的控制。

    烘料


    1.烘料温度的考察
    对热不稳定的成品药和中间体都需要对烘料温度进行考察,考察的方法就是在不同温度下烘料前后的有关物质的变化情况。


    2.烘料方式
    根据烘料的压力的不同分为常压鼓风烘料、减压烘料。
    对于在空气中不稳定容易氧化的物料一般都要求进行减压干燥。

    安全

    实际上上面讲的的基本操作也是安全操作的基础。实验室安全总的说来要求实验人员要胆大心细,熟悉水、电、气、物料的基本性质,公司也应该配备一些基本的安全设施和装备以及常用药品等。。。
    1.试剂的摆放;
    2.有毒有害气体、试剂的处理;
    3.电器知识;
    4.具体实验操作的风险
    (1)蒸馏过程中的充料
    搅拌要有足够的转速、加热的温度不要太高。
    (2)氧化反应的控制
    (3)氢化还原
    氮气置换、氢气置换操作,Raney-Ni自燃。
    (4)抽滤滤瓶的内爆
    真空度和抽气量的控制
    (5)实验室烫伤的防护
    对于温度高的反应不要裸手拿捏反应瓶。
    (6)烘料的风险
    这是一个比较大的风险,大部分实验室的燃烧、爆炸基本上都是这个原因。许多物料都含有有机溶剂,烘料的时候一定要注意风门一定是打开的状态,否则有机溶剂在加热的状态下形成的气体不能顺利排出。

    5.防护设施和实验装备
    (1)消防实施
    灭火器、沙土。
    (2)实验装备
    通风橱、尽量杜绝明火加热的加热装置、对眼的防护——护目镜、对呼吸道的防护——口罩、防毒面具。
    (3)急救药品
    紧急情况下,需要的清洗眼睛、面部、过敏所需要的药品或者洗液。

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