Grundlagen Vakuum
Destillation unter Schutzgasatmosphäre
Fundiertes Grundlagenwissen zur Schlenk Line ist für jeden Chemiker, der mit luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Substanzen arbeitet, unerlässlich. In diesem Artikel gibt Dr. Andryj Borys, ein renommierter Experte für synthetische Chemie, eine klare und praktische Einführung speziell in die Vakuumanforderungen für Schlenk Line Anwendungen. Er vermittelt wertvolle Tipps zur Auswahl der richtigen Komponenten und zum optimalen Einsatz im Labor. Egal, ob Sie neu im Umgang mit der Schlenk Line sind oder Ihr Setup verfeinern möchten – dieser Leitfaden vermittelt Ihnen das nötige Wissen, um komplexe Reaktionen in kontrollierter Atmosphäre sicher durchzuführen.
- Die Schlenk Line ist eine Kombination aus Geräten und Glasapparaturen, die in vielen Laboren der synthetischen Chemie unverzichtbar sind. Sie ermöglicht die sichere Handhabung von luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Chemikalien.
- Eine Schlenk Line besteht aus einem Vakuum- und einem Inertgasverteiler, die miteinander verbunden sind und unabhängig voneinander über meist gefettete Zweiwege-Kegelhähne aus Glas oder Teflon reguliert werden.
- Durch die schnelle Wechselmöglichkeit zwischen Vakuum und Inertgas ermöglicht die Schlenk Line eine Vielzahl an Prozessen. Diese reichen von der Synthese über die Trennung von Komponenten bis hin zur Aufreinigung.
Arten von Vakuumpumpen
Die Auswahl einer Vakuumpumpe für die Schlenk Line Technik richtet sich nach den Anforderungen der spezifischen Anwendungen sowie der Empfindlichkeit der verwendeten Chemikalien. Mehr erfahren: Vacuum Pump Selection Guide
Beispiel einer Membranpumpe:
PC 3001 VARIO select
Arten von Vakuumpumpen
Membranpumpen
Membranpumpen können ein Endvakuum von bis zu 1 mbar erreichen und bieten den Vorteil, dass sie ölfrei, wartungsarm und chemiebeständig sind, was ihnen eine lange Lebensdauer verleiht. Membranpumpen sind im Allgemeinen nicht für fortgeschrittene Schlenk Line Techniken geeignet, die Hochvakuum erfordern. Sie können jedoch für synthetische und katalytische Verfahren ausreichend sein, in denen luft- und feuchtigkeitsempfindliche Reagenzien oder Katalysatoren verwendet werden und das Endprodukt selbst unter aeroben Bedingungen stabil bleibt.
Membranpumpen können für die zyklische Vorbereitung von Glasapparaturen zum Einsatz an der Schlenk Line verwendet werden, um Luft und Feuchtigkeit zu entfernen, sofern bis zu 5 Zyklen durchgeführt werden. Dies stellt einen Fortschritt gegenüber dem Spülen und Aufreinigen von Glasapparaturen ausschließlich mit einem Inertgaseinlass (über einen Verteiler oder Ballon) dar. Eine besondere Lösung für diesen Anwendungsfall ist VACUU·LAN: ein lokales Vakuumnetzwerk, das es ermöglicht, gleich mehrere Arbeitsplätze über integrierte Vakuumhähne im Abzug an eine zentrale Membranpumpe anzuschließen.
Chemie-HYBRID-Pumpe RC 6
Drehschieberpumpen und HYBRID-Pumpen
Schlenk Lines sind in der Regel mit Drehschieberpumpen ausgestattet, die ein Endvakuum von bis zu 1 x 10-3 mbar erreichen. Diese Pumpen sind kompakt und leistungsstark, allerdings nur begrenzt chemiebeständig und erfordern häufige Ölwechsel und regelmäßigen Einsatz des Gasballasts. Diese Wartungsarbeiten werden oft vernachlässigt, was zu schlechter Leistung und verkürzter Lebensdauer führt.
Eine Alternative sind Hybridpumpen, die eine Drehschieberpumpe mit einer Membranpumpe kombinieren. Diese bieten eine höhere Pumpleistung und eine bessere Beständigkeit gegenüber aggressiven Lösungsmitteln und Dämpfen.
Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10C
Schraubenpumpen
Eine alternative Vakuumpumpe für Schlenk Line Anwendungen ist die Schraubenpumpe VACUU·PURE 10C. Sie bietet ein Endvakuum von 5 x 10-3 mbar, eine Konstruktion ohne Verschleißteile und ist noch dazu 100 % ölfrei, was den Einsatz eines Gasballasts und häufige Ölwechsel überflüssig macht. Die chemische Beständigkeit und die hervorragende Dampfverträglichkeit der Schraubenpumpe erlauben den Betrieb ohne kryogene Kühlfalle für ein breites Anwendungsspektrum, da der integrierte Regenerationsmodus die Trocknung der Pumpe nach der Lösemittelentfernung unter Vakuum ermöglicht. Die einfache Benutzeroberfläche, die übersichtliche Fehlersuche und der minimale Wartungsaufwand der Schraubenpumpe VACUU·PURE 10C machen sie zu einer hervorragenden Langzeitinvestition für routinemäßige und fortschrittliche Schlenk Line Anwendungen.
Öldiffusions- und Turbomolekularpumpen
Hochvakuumleitungen sind eng mit der Schlenk Line verwandt. Diese vermeiden im Allgemeinen die Verwendung von Schläuchen und Gummisepten und setzen stattdessen auf direkte Schliffverbindungen oder fettfreie Kugelgelenkverbindungen in Verbindung mit Vakuum-Transfertechniken zur Handhabung von Flüssigkeiten und Gasen. Der typische Druckbereich für Hochvakuumleitungen liegt bei 10-4 bis 10-7 mbar. Dieser kann nicht mit Drehschieber- oder Schraubenpumpen erreicht werden, da diese durch die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle limitiert sind. Für Hochvakuumanwendungen kommen daher Öldiffusions- oder Turbomolekularpumpen zum Einsatz. Diese benötigen jedoch Membran-, Drehschieber- oder Schraubenpumpen als Vorvakuumpumpen, um den erforderlichen Vordruck zwischen dem unteren mbar-Bereich und 10-3 mbar für einen sicheren und effizienten Betrieb aufzubauen. Besonders geeignet für den Einsatz als Vorpumpe in Kombination mit Turbomolekularpumpen ist die Schraubenpumpe VACUU·PURE 10C, da es sich um eine ölfreie und saubere Technologie handelt.
Schlenk Line mit Vakuumpumpe, Messgeräten und Controller
Einsatz von Vakuum an der Schlenk Line
Sekurieren von Glasgeräten der Schlenk Line
Die wichtigste Anwendung von Vakuum an einer Schlenk Line ist das Sekurieren von Glasgeräten. Dabei handelt es sich um wiederholte Vakuum- und Inertgaszyklen (in der Regel dreimal), um Luft und Feuchtigkeit aus ofengetrockneten Glasapparaturen und/oder Schläuchen zu entfernen, die den Schlenk-Kolben oder eine versiegelte Reagenz-/Lösungsmittelampulle mit der Schlenk Line verbinden.
Ein mit Luft gefüllter 100-ml-Kolben enthält bei Atmosphärendruck (~1.000 mbar) etwa 1 mmol O2, was für viele sauerstoffempfindliche metallorganische oder Hauptgruppenverbindungen schädlich wäre. Durch Evakuieren des Kolbens auf 0,1 mbar wird die O2-Konzentration auf 1 x 10-4 mmol gesenkt. Wenn anschließend Inertgas eingeströmt und der Kolben erneut auf 0,1 mbar evakuiert wird, sinkt die Konzentration auf 1 x 10-8 mmol. Ein dritter Zyklus reduziert die O2-Konzentration weiter auf 1 x 10-12 mmol. Diese ist also um mehrere Zehnerpotenzen niedriger als bei einer einmaligen Evakuierung bis auf 0,001 mbar (1 x 10-3 mbar), dem Endvakuum einer gut gewarteten Drehschieber-Vakuumpumpe. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, mehrere Vakuum-/Inertgas-Zyklen durchzuführen. Außerdem wird deutlich, dass selbst Membranpumpen (mit einem Endvakuum von etwa 1 mbar) effektiv zur Erzeugung von Inertgasbedingungen im Labor eingesetzt werden können.
Verdampfung des Lösungsmittels unter Vakuum
Der Einsatz von Vakuum an einer Schlenk Line ermöglicht die Verdampfung von Lösungsmitteln und anderen flüchtigen Stoffen unter Aufrechterhaltung einer streng inerten Atmosphäre. Im Gegensatz zu Rotationsverdampfern, die in der Regel Membranpumpen mit einem Endvakuum von bis zu 1 mbar verwenden, sind Schlenk Lines in der Regel mit Drehschieberpumpen ausgestattet, deren Endvakuum im Bereich von 10-3 mbar liegt. Dadurch können hochsiedende Lösungsmittel wie Toluol, DMF und DMSO bei Raumtemperatur oder niedrigsiedende Lösungsmittel wie Pentan und Et2O bei niedrigen Temperaturen verdampft werden, was beides bei der Handhabung und Isolierung temperaturempfindlicher Verbindungen notwendig sein kann. Um Siedeverzug und eine Verunreinigung des Vakuumverteilers der Schlenk-Line zu vermeiden, ist starkes Rühren in Verbindung mit einer kontrollierten Evakuierung notwendig.
Ein wichtiger Aspekt bei der Verdampfung von Lösungsmitteln unter Vakuum an der Schlenk Line ist die Verwendung von Kühlfallen. Diese werden in der Regel von einem Dewar mit flüssigem Stickstoff (-196 °C) gekühlt und kondensieren verdampfte Lösungsmittel, flüchtige Flüssigkeiten und einige Gase. Dies trägt zum Schutz der Vakuumpumpe bei, da die Exposition gegenüber aggressiven Chemikalien begrenzt wird. Zudem kann das gesammelte Kondensat in einem geeigneten Abfallbehälter entsorgt werden. Eine externe Lösungsmittelfalle sollte verwendet werden, wenn große Mengen an Lösungsmitteln (>50 ml) verdampft werden, besonders aggressive/korrosive Chemikalien entfernt werden oder wenn flüchtige Stoffe mit relativ hohen Gefrierpunkten (>0 °C) wie Benzol, 1,4-Dioxan und DMSO entfernt werden.
Sicherheitsaspekte
Ein großes Sicherheitsrisiko bei der Verwendung von Kühlfallen mit flüssigem Stickstoff zur Entfernung von Lösungsmitteln unter Vakuum ist die Kondensation von flüssigem Sauerstoff. Dies kann auftreten, wenn Lecks im Vakuumverteiler, den angeschlossenen Schlenkkolben oder Schläuchen auftreten. Es kann zu einer Explosion führen, wenn sich der flüssige Sauerstoff mit in der Falle gesammelten organischen Lösungsmitteln oder Fetten verbindet. Als alternatives Kryogen kann Trockeneis (-78 °C) verwendet werden. Jedoch reicht dies möglicherweise nicht aus, um flüchtige Lösungsmittel und Dämpfe zu kondensieren und abzufangen, was wiederum zu einer Beschädigung der Vakuumpumpe führen kann. Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung der Schraubenpumpe VACUU·PURE 10C, die einen Endvakuumdruck vergleichbar mit Drehschieberpumpen aufweist und in vielen Fällen den Einsatz von Kühlfallen überflüssig macht. Dies reduziert zudem den Einsatz von Flüssigstickstoff oder Trockeneis und senkt damit die Kosten.
Trocknen von Feststoffen unter Vakuum
Mit dem Vakuum (10-2-10-4 mbar) einer Schlenk Line können Feststoffe unter dynamischem Vakuum präzise getrocknet werden. Dieser Prozess ist typischerweise Teil der Isolierung nach dem Verdampfen von Lösungsmitteln oder nach einem Filtrations- und Kristallisations-/Fällungsschritt. Dabei werden Restmengen organischer Lösungsmittel entfernt, die im Feststoff eingeschlossen sind. Solche Feststoffe (vorausgesetzt, sie sind luft- und feuchtigkeitsempfindlich) werden in der Regel isoliert und für die weitere Handhabung und Analyse in einer Glovebox mit inerter Atmosphäre gelagert. Die Trocknung von Feststoffen unter Vakuum wird auch häufig durchgeführt, um Restwasser zu entfernen, z. B. aus Molekularsieben oder Celite (Diatomeenerde oder Kieselgur). Dieser Prozess ist oft mit einer kontinuierlichen Erhitzung auf über 100 °C verbunden. Ein häufiges Versäumnis bei der Trocknung von Feststoffen unter Vakuum ist der Schutz der Vakuumpumpe und des Vakuumverteilers der Schlenk Line vor Siedeverzug oder Dispersion sehr feiner Feststoffe. Um dies zu vermeiden, kann ein externer Abscheider verwendet werden (der anschließend leicht abgetrennt und gereinigt werden kann) oder ein Schlauchadapter mit einer Glasfritte oder Glaswolleinlage zum Einsatz kommen.
Aufreinigen durch Vakuumdestillation und Sublimation
Eine weitere Anwendung von Vakuum an einer Schlenk Line ist die Reinigung von luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Flüssigkeiten und Feststoffen durch Vakuumdestillation oder Sublimation. Dynamische Vakuumdestillationen werden zur Reinigung hochsiedender Flüssigkeiten (>150 °C) eingesetzt, während statische Vakuumdestillationen eine fortschrittliche Methode darstellen, die mit dem „freeze-pump-thaw“-Verfahren kombiniert wird und zur Reinigung niedrig siedender Flüssigkeiten (<150 °C) bei gleichzeitiger Minimierung der Verdampfungsverluste eingesetzt wird. Dynamisches Vakuum kann auch zur Durchführung von Sublimationen verwendet werden, entweder mit einem Kühlfinger-Einsatz oder einer speziell entwickelten Sublimationsapparatur.
Entgasen nach der „freeze-pump-thaw“-Methode
Das Vakuum einer Schlenk Line wird auch häufig zur Durchführung der „freeze-pump-thaw“-Methode verwendet, bei der Flüssigkeiten und Lösungen effektiv entgast werden, so dass sie anschließend unter einer Schutzgasatmosphäre gelagert oder einem reaktiven Gas ausgesetzt werden können. Zudem können Reaktionen unter statischem Vakuum durchgeführt werden, um die Freisetzung eines flüchtigen Nebenprodukts zu begünstigen.
Vakuum-Messgerät VACUU·VIEW extended
Vakuum messen und regeln
Die Möglichkeit, den Vakuumdruck innerhalb einer Schlenk Line genau zu messen und präzise zu regeln, gewährleistet einen sicheren und reproduzierbaren Prozess. Das Vakuum-Messgerät VACUU·VIEW extended eignet sich hervorragend für Anwendungen an der Schlenk Line, da es Werte bis zu 1 x 10-3 mbar misst und dabei kompakt, chemiebeständig und mit einer beleuchteten Digitalanzeige ausgestattet ist. Für eine dauerhafte Befestigung und den täglichen Gebrauch sollten Vakuum-Messgeräte direkt am Vakuumverteiler der Schlenk Line mit einem fettfreien O-Ring oder Kleinflansch (KF) zu Kernschliff-Adapter installiert werden. Bei Schlenk Lines ohne diese Anschlüsse kann ein Schlauchadapter verwendet werden, um den Vakuumdruck regelmäßig zu überprüfen und sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind, z. B. nach Reinigung und Montage. Zudem können Vakuum-Messgeräte verwendet werden, um den Vakuumdruck der Pumpe direkt zu messen. Dies kann bei der Diagnose helfen, ob eine Wartung oder weitere Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich sind.
Vakuum-Controller VACUU·SELECT
Während Vakuumregler bei modernen Rotationsverdampfern mit Membranpumpen üblich sind, wird die Feinvakuumregelung für Schlenk Line Anwendungen oft vernachlässigt. Der Vakuum-Controller VACUU·SELECT ermöglicht die vollständige Regelung von Atmosphärendruck bis hinunter zu 1 x 10-3 mbar und eignet sich damit hervorragend für routinemäßige und fortgeschrittene Schlenk Line Techniken. Insbesondere für Destillationen und Sublimationen ermöglicht der VACUU·SELECT, dass diese Prozesse bei spezifischen Vakuumdrücken durchgeführt werden, so dass sie kontrolliert und reproduzierbar sind. Die grafische Benutzeroberfläche erlaubt zudem eine einfache Anpassung und den Zugriff auf vordefinierte Programme für typische Anwendungen.
