在实验过程中,难免需要处理和接触一些危险试剂,而许多安全事故的发生往往与原料选择不当有关。因此,合理选择实验原料显得尤为重要。一般来说,原料的选择应遵循以下原则:经济易得、危险性低、环保友好。优先选用危险性较低的试剂,尽量避免使用易燃、易爆或有毒物质;同时,尽量避免使用强酸、强碱或高污染的原料。
随着科研工作者和化学试剂制造商的不断努力,许多低危险性、更环保的替代试剂已逐渐问世。这些替代试剂在保持与传统试剂相同合成效果的同时,显著降低了操作中的危险性,也更方便安全。本文对几种常见的替代试剂进行整理和总结,为实验安全提供实用参考。
1. 重氮甲烷→TMS重氮甲烷
重氮甲烷是一种黄色气体,具有强烈的刺激性气味,可溶于乙醇和乙醚。在受热、遇火、摩擦或撞击时极易发生爆炸。作为羧酸或醇类化合物的重要甲基化试剂,重氮甲烷虽然用途广泛,但因其易爆、毒性高(具有致癌性)且需现用现制的特点,其使用存在较大安全风险。
三甲基硅基重氮甲烷(TMSCHN₂)在有机化学中应用广泛。由于其制备和储存相对安全,因此在许多情况下可以替代重氮甲烷实现部分功能。然而,其主要缺点是价格较高。与重氮甲烷类似,TMSCHN₂可在温和条件下进行甲酯化反应,对大多数有机官能团无明显影响,非常适用于复杂化合物的合成。多种溶剂均可用于该反应,其中乙醚和甲醇的混合溶剂表现优异,反应产率几乎达到定量水平。此外,TMSCHN₂还可像重氮甲烷一样参与重排反应。例如,与酰氯反应生成多一个碳原子的羧酸衍生物,或与酮反应生成多一碳个原子的同系物。
2. 苯磺酰氯→对甲基苯磺酰氯
苯磺酰氯为无色油状易固化液体或斜方晶系结晶,具有刺激性气味,有毒,刺激皮肤、眼睛和粘膜,有腐蚀性,能引起灼伤。在冷水中稳定,不溶于水,但可溶于乙醇和乙醚。其化学性质活泼,熔点为69—71℃,是重要的有机合成药物中间体,主要用于氨磺氯霉素、氯氨一T、甲砜霉等药物的合成。
对甲苯磺酰氯(TsCl)为白色片状结晶,熔点为 69~71℃,是重要的有机合成药物中间体,其毒性较小并且没有刺鼻的气味,主要用于氨磺氯霉素、氯氨-T、甲砜霉等药物的合成。
3. 二氯化硫→ 双苯磺酰硫醚
二氧化硫是最常见的硫氧化物,其为无色气体,有强烈刺激性气味。其是大气主要污染物之一。加热至40℃以上,部分开始分解。遇水分解析出硫,生成多硫酸和硫酸。其化学性质与一氯化硫和氯气的混合物相似。与过量的三氧化硫反应生成焦硫酰氯(S2O5C12)。火山爆发时会喷出该气体,在许多工业过程中也会产生二氧化硫。
作为硫源的二氯化硫早已在许多合成领域的研究中被广泛应用,但由于其毒性较高,现正逐步退出试剂市场。而其“替代品”双苯磺酰硫醚因具有以下优点,备受关注:
1)可在温和条件下与有机锂等亲核试剂反应,生成具有刚直骨架的噻吩环;
2)能有效替代高毒性且难以处理的二氯化硫;
3)其反应副产物苯亚磺酸易于通过分液和精制去除;
4)为固体形式,便于操作与处理。
4. 三氯氧磷→焦磷酰氯
三氯氧磷亦称“磷酰氯”。化学式POCl3。分子量 153.33。强烈发烟的无色液体。常因溶有氯气或五氯化磷而呈红黄色。有刺鼻臭味。有腐蚀性。刺激皮肤。遇湿气迅速水解,生成磷酸和氯化氢。 相对密度1.67,熔点1.25℃,沸点 105.1℃。属于非医疗用途外的剧毒化合物,应尽量避免频繁使用。
焦磷酰氯暴露在空气中会逐渐发烟,并与水剧烈反应。在低温(-30℃)条件下,控制其与水的反应可生成二氯磷酸(HPO₂Cl₂)。它可溶于三氯化磷、三氯氧磷、亚硫酰氯、苯、其他烃类溶剂、乙醚和硝基苯。
Vilsmeier-Haack反应常用于向亲核性芳香环引入甲酰基,通常需要DMF和三氯氧磷(磷酰氯,POCl₃)。三氯氧磷是一种非医疗用途的剧毒化合物,而焦磷酰氯由于其类似酸酐的分子结构,在反应机理上与POCl₃相似:首先与DMF反应生成活性中间体,随后与芳香环发生反应。焦磷酰氯在常温下为液体,几乎没有烟雾和刺激性气味,因此比POCl₃更易操作。此外,焦磷酰氯还可用于分子内环化反应。
在实验室中进行合成实验优先选择合适安全的反应试剂、低毒溶剂,如果无法避免使用危险试剂一定要注意操作的规范性。
1.眼睛的保护
眼睛是实验过程中最容易受伤害的部位。佩戴防护眼镜可以预防飞溅的液体、颗粒物、碎屑或有毒气体等对眼部的刺激和伤害。且在实验室里禁止戴隐形眼镜。如果眼睛不慎溅上实验药品,一定要采取紧急处理。
2.穿着、服装
在实验室里应穿上正式的工作服。另外,也不应穿拖鞋、凉鞋。
3.仪器和设备
一般情况下,不要盲目启动未知功能的设备或仪器,例如真空吸收泵、旋转蒸发仪、压缩气体钢瓶等,一旦错用都可能导致这些昂贵的仪器的损坏,或者使实验失败,更严重的则会导致事故发生。
在安装实验仪器之前,应检查玻璃磨口是否沾有碎片或碎渣。在加入药品反应之前,一定要检查所用仪器是否正确安装和严密固定。