實驗室基本操作與雜質和安全

【導讀】 實驗室基本操作就是我們做單元反應該注意到的一些操作細節問題，需要我們實驗人員在長期的試驗實踐工作中學會觀察和總結，并養成良好的實驗習慣，在工作中可以得到事半功倍的效果。

實驗室基本操作就是我們做單元反應該注意到的一些操作細節問題，需要我們實驗人員在長期的試驗實踐工作中學會觀察和總結，并養成良好的實驗習慣，在工作中可以得到事半功倍的效果。因為這些基本操作不但會影響我們的試驗結果，對試驗得出錯誤的結論，甚至會誤導我們的路線選擇和試驗方案的確定，更甚者會對實驗人員和現場生產人員的人身安全造成危害。

基本操作粗糙，還會對產品質量的控制產生不良的影響，生成不必要的雜質。（雜質包括有關物質、有機殘留、金屬雜質等。有關物質一般包括各種原料、中間體、副產物和各種降解產物等。）在工作過程中把良好的實驗習慣和應該做到的一些慣性思維固化成我們的基本操作，并實施開發的小試工藝，形成產品的SOP，得到質量優良的產品，應該是大家都希望實現的吧。

今天咱們要分享的不只涉及到基本操作問題，咱們把從試驗的原料的確認到烘料的整個操作程序可能遇到的一些問題跟大家做一個探討和分享。

原料


1.起始原料
隨著API國內申報和國際申報的統一，就涉及到非簡單分子結構的原料的合成路線的提供，還需要建立相應的質量標準來控制該起始原料的質量。
對我們實驗工作的影響：
A.對雜質研究工作的影響
根據客戶提供的工藝，可以大致推斷該原料中可能含有的合成該原料的原料、中間體、溶劑、可能生成的副產物和后續反應中可能繼續產生的雜質。
B.質量標準的建立
通過我們的試驗可以相應地建立該原料的質量標準，并反饋給客戶以便達到我們的要求。
如果客戶達不到我們的要求，我們可以更換客戶或者調整我們的工藝。


2.原料質量
普通試劑：溶劑、商業化的小分子試劑。
這個應該是我們需要經常關心的問題，會影響反應的收率和產品的質量。
A.原料的水分
許多的反應是非水的反應，需要避免水分的帶入；水分的帶入會影響反應的酸堿性質。一些親水的試劑比如四氫呋喃，在放置的過程中水分會提高。
B.原料的酸度
二氯甲烷在放置的過程中會發生分解產生鹽酸氣。
C.原料的氧化（涉及到反應的安全）
醚類化合物乙醚。在空氣中容易氧化成過氧化物，這個過氧化物在蒸餾的過程中，超溫時容易發生爆炸，所以蒸餾過程需要注意，避免使用電熱套，如果采用水浴蒸餾風險就小很多。


3.原料的處理
酸堿洗滌：
對于不溶于水的溶劑，采用這樣的方法（包括：這樣溶劑的回收），可以除去該溶劑中含有的酸、堿及其以溶于水的其它雜質，*后用常規的干燥方法干燥后蒸餾即可。
脫水干燥：
A.普通的脫水劑干燥
用干燥劑如無水硫酸鈉、無水硫酸鎂、氯化鈣、氧化鈣、五氧化二磷等。要注意這些干燥劑的適用范圍，一個是酸堿性質，另一個是適用的環境溫度，比如，無水硫酸鈉和無水硫酸鎂。
B.和水反應脫水
一般用金屬鈉、鉀、氫化鈉、金屬硼氫化物等。重新蒸餾：可以通過重新蒸餾解決液體原料純度問題。
減壓干燥：
對于水分不合格的固體原料采用的方法，以達到限度。
精制：主要是針對固體試劑的純度不合格。
注意：有時候工業品的質量要優于放置時間太久的瓶裝試劑。


4.溶劑的選擇
主要涉及雜質問題中的有機殘留，需要在保證收率和質量的情況下，盡量采用允許的殘留值大的有機溶劑。溶劑的分類：一類溶劑的避免使用，無法避免時，要有替代實驗證明。


5.試劑的選擇
基因毒性問題現在是API出口越來越關注的問題，這個今后可能要涉及相關的試劑的選擇，甚至會涉及到工藝路線的選擇。

投料


1.投料的順序
一個反應涉及的物料通常情況下是反應試劑和溶劑（特殊情況下有催化劑、助溶劑或者反應物既是試劑又是溶劑）。
這就有一個問題：
是先加反應物還是先加溶劑，是先加固體試劑還是先加液體試劑。

一般情況下：
先加溶劑應該是萬無一失的辦法，這樣不會出現把反應物先加在一起，反應無法控制的問題。對于某些反應例如氧化反應，不這樣做溫和的情況下會產生一定量的過氧化雜質，劇烈情況下反應失控發生爆沸充料甚至爆炸，舉例：反應物料中如果有固體的情況，應該先加固體攪拌溶清后再加液體試劑。這樣加的好處是一般會在均相條件下反應，而且現場加固體物料可以避免沉積到反應罐底的現象。

到底要怎么樣投料呢？
個人認為應該是這樣的（考慮到現場的實際情況）：在反應容器內先加入一定量的溶劑，加入一種物料后，攪拌加熱下（如果可以加熱的話）溶清，少許溶劑洗滌漏斗；加入另一反應物料（如果另一物料不能直接加入，則用部分溶劑溶解后滴加），少許溶劑洗滌盛裝該反應物的容器。


2.投料配比
包括反應物和溶劑的配比、反應物之間的配比。
*理想的情況是較少的溶劑，反應物的配比是1:1，這樣可以減少除去溶劑帶來的麻煩，反應完成后通過后處理來除去某一反應物的操作也可以省略。但是通常都會涉及到以下兩個問題。

涉及到反應物和溶劑的投料配比：
有些文獻溶劑量用得特別的大，實際上溶劑用得越多，降低了反應物的濃度，在溫度一定的情況下降低了正反應的反應速度，會造成雜質的增多。
總的來說，要根據實際情況合理調整溶劑的投量，對于反應放熱比較劇烈、反應物溶解度小、反應物濃度太大容易生成副產物等就利于增大溶劑的量。

反應物之間的投料配比：
一般來說是便宜的原料多投，但，并不是價格便宜的物料就一定多投，而是要根據反應的機理來確定哪一個原料應該多投。當然，價格貴的多投的原料需要考慮回收套用。


3.投料方式

固體試劑有采用分次投料的，也有把試劑一次加入到反應液中的。如果沒有對投料的方式做比較理性的分析，往往會造成某些反應的局部濃度過大，反應過于劇烈，生成不不要的雜質。特別是在較低的溫度下的反應，一般采用一種原料先投入反應釜溶清冷卻后，滴加另一種液體原料或者固體原料的溶液，可以控制反應速度，避免局部反應熱問題。

反應過程的控制


1.反應溫度、反應時間
實際上反應溫度和反應時間大多數情況下是兩個關聯因數。
正、副反應跟溫度有*的關聯。副反應生成雜質。
根據現在申報的要求，這兩個參數一般都會歸于關鍵工藝參數。在8號資料中一般都要求體現。

反應溫度的控制
一般原則是在保證收率和質量的情況下，盡量提高反應溫度以縮短反應時間。當然在室溫的條件下，也可以在較短的時間反應完全的反應，則沒有必要升溫反應繼續縮短反應時間。實際操作中，還要綜合考慮工藝時間，適宜倒班。

A.溫度的顯示或者測定
注意溫度計的校正。
各種溫度計的比較：
棒式溫度計、玻套溫度計、具塞溫度計（專用于蒸餾溫度的檢測）等。

B.加熱：
加熱的方式：
接觸加熱：直接接觸火源或者電熱絲等。
有介質的加熱：以液體溶劑為介質的水浴加熱，比如，水浴鍋、油浴鍋等；以空氣為介質的電熱帽加熱。

需要避免的加熱操作方式
把反應瓶直接放到電熱套內加熱，實際變成了接觸加熱，雖然反應瓶內的溫度還在我們控制的范圍內，但是，反應瓶直接接觸的部分已經嚴重超溫，生成了高溫條件下才能生成的雜質；
濾瓶直接放置在電熱套內加熱，會因為受熱不均，造成反應瓶的破裂。

正常的加熱操作
電熱套加熱時，反應瓶應該懸空不接觸加熱套底部，加熱不能太猛；對于溫度不太高的盡量用水浴加熱，水浴溫度比較穩定，有利于對參數的考察。

回流的高度
目前，比較多的文獻提到回流，但是同樣的回流操作，不同的人得到的實驗結果是不一樣的。主要是因為回流的高度不一樣，實際上不同的回流高度的回流溫度和加熱的劇烈程度是不同的，回流高度越高，回流的溫度就越高，需要的熱量也越大，就存在反應過熱的風險。
通常的回流高度應該不超過回流冷凝管的三分之一。

C.冷卻
根據能夠冷卻到的溫度由高到低分為常水冷卻、冰水冷卻、冰鹽冷卻、干冰冷卻、液氮冷卻或者（液氮的有機溶劑冷卻）等。
不管是反應或是精制析晶冷卻的時候都要對冷卻的速度有一個控制，比如從一個較高的溫度冷卻到一個較低的溫度，一般不要直接用冰鹽浴冷卻，原因如下：
冷卻速度太快，反應瓶容易炸裂（不管是實驗室的反應瓶或是現場的反應釜都會存在這個問題）；較低的溫度下保溫反應如果溫度升高了用冰鹽水去冷卻，雖然，反應瓶內部溫度沒有低于反應物料析出來的溫度，但物料依然有析出來的可能，這主要是局部溫度過低的現象造成的；精制過程中的保溫析晶也會同樣涉及這個問題。

D.反應溫度的考察
反應產物受熱力學和動力學控制：比如順反異構。
不同的反應溫度有可能生成不同產物：比如氧化反應。

E.反應時間的考察
反應終點
反應時間的考察的必要性，一定溫度下反應時間決定反應的完成程度（反應終點的確定），從而提高勞動效率，減少能耗。
反應時間的確定和中間體或者成品的質量標準的關系。決定于相應產品的質量控制，*終決定于成品的質量。


2.反應過程中隔絕空氣操作及有毒有害氣體吸收
A.隔絕空氣操作（同時，也可以隔絕水汽）
通氮氣或者氬氣保護。操作過程是抽真空，通惰性氣體置換。
B.有毒有害氣體的吸收
硼烷、鹽酸氣體。吸收塔，簡易吸收塔的制作；*的吸收塔。
C.有時這兩種操作需要同時進行
三氯化磷、三氯氧磷、二氯亞砜氯代反應等。


3.反應過程控制的方式
TLC、HPLC、GC或者文獻。根據工作實踐，TLC有較大的缺陷不準確，有時候有5%（HPLC）都不會顯示斑點，不利于中間體質量標準的建立，也不利于雜質的控制。

后處理


1.蒸餾
減壓蒸餾、常壓蒸餾
常壓蒸餾可用于低沸點物料的回收，如果，要提高溶劑的回收率可用低溫循環水來解決。
注意
高真空蒸餾：主要用于高沸點物料的蒸餾，要用到的比較特殊的設備是機械泵、真空接收器、具塞溫度計等。如果采用尾接鼓泡需要注意調節鼓泡的量。
工業上經常采用短程蒸餾，用于蒸餾高沸點的物料，是一套高真空泵、油浴加熱循環系統和兩個相短程連接的反應釜組成的系統。


2.萃取及分層
萃取和分層通常情況下是一個連接在一起的操作，一般在攪拌下進行兩相的萃取，在分液漏斗中進行分層。

萃取需要注意的是：
攪拌的轉速要足夠高，時間要足夠長，使兩相充分混勻，使溶質在兩相間的分配盡快達到平衡。直接在分液漏斗中進行振搖萃取的操作是不可取的，這樣做的萃取效率太低。同樣的溶劑量多次萃取高于一次萃取的效果，這個可以通過溶質的分配系數計算得出結論。同時需要提到的是試驗中較少用到有連續萃取裝置，可以用于萃取在萃取相中分配系數小的物料。

分層的基本技巧：
兩相間一定要有密度差別，密度差別越小越不利于分層。為了增大兩相間的密度差別，當水層是下層時可以添加食鹽增大水層的密度；或者增大有機溶劑的用量來擴大兩相間密度差別。當兩相分層不清楚時，可以適當的振搖分液漏斗促進分層。當有大量的泡沫產生，可以適當的添加消泡劑（比如，丙酮、乙醇等），但以不發生反應為前提。還有值得注意的是用有機溶劑萃取含有機溶劑的水相時，是有可能把水相中的有機溶劑一起萃取出來的，有機層的體積會增大較多，后處理的時候要注意解決。


3.酸堿處理和pH值的控制
許多反應在反應完成后的后處理中，需要進行酸堿處理用以除去未反應完全的帶有酸堿性質的原料和反應過程中產生的帶酸堿性質的雜質。當然也可以通過對pH值的控制來除去酸堿強度不一樣的物質，這個是一定要注意的，并不是簡單的進行強酸強堿處理。
中間體和成品的制備需要成鹽時，一個是要對pH值進行控制，對于非水溶劑中成鹽則需要用非水pH計控制，但目前國內的非水pH計的準確度都有待提高；另一個就是在溶劑量、轉速一定的情況下成鹽時的滴加速度也需要控制，這個關系到鹽的粒度和雜質的去除。


4.過濾
用于脫色過濾活性炭、重結晶濾去機械雜質、濾得反應產生的中間體或者成品等。對于乳化的分層操作，過濾也可以用于破乳，只是這個操作一般用得比較少�，F場的操作形式表現為壓濾(氮氣、空氣壓濾)和過濾（需要保溫時可以保溫過濾桶）。
過濾成品的時候，可以在布氏漏斗上加蓋一層濾紙或者培養皿以避免空氣中的灰塵或者其它機械雜質污染樣品。
熱濾時盡量控制抽氣量或者真空度，避免大量的溶劑揮發帶走熱量物料立即析出，堵塞布氏漏斗。


5.洗滌
料的洗滌也應該遵循少量多次的原則，用以增加洗滌的效果。
其中打漿洗滌是一個不錯的操作。對于洗滌用的揮發性溶劑，過濾時通過性要好，否則溶劑揮發會在物料表明留下有色的痕跡。
好的洗滌效果可以除去物料顆粒間歇的雜質改善物料的外觀。

精制


1.精制的方式
溶解狀況下的重結晶、非溶解下的回流重結晶、酸堿精制等。。。
溶解狀況下的重結晶是成品精制的通用操作，有時候為了控制中間體的質量也會用到。
非溶解狀態下的回流重結晶實驗中用到的幾率較小，但是這是一個比較有用的操作，對于在各種溶劑中溶解度較小的產品可以采用這個操作除去產品中的雜質。比較典型的例子是格列美脲粗品在丙酮中回流的精制；還有就是順反異構體在同一溶劑中溶解度的不同，回流狀態下除去溶解度大的異構體。
酸堿精制可以用在中間體和成品的純化操作上，在成鹽的過程中控制好成鹽的溫度、速度等操作也是可以有效除去不能成鹽的雜質或者溶解度有差別的雜質。


2.精制的控制要點
考察產品在各種溶劑和同一溶劑不同溫度下溶解度曲線，可以為精制提供依據（相似相容原理）。
如果在同一溶劑體系中不能兼顧除去極性相差較大的雜質，可以采用兩種不同極性的溶劑體系分段除去這些雜質。

保溫析晶的運用優勢：
一是可以保證晶型的均一性，和標準圖譜更加一致；
二是更加有利于除去雜質，特別是極性相差不大的雜質也有效，因為，保溫析晶時，析晶的速度較慢，雜質不易進入產品的晶格中；
三是晶粒的大小也更加均一。

結晶顆粒大小的控制：
溶液的濃度、攪拌速度、降溫速度的控制。

烘料


1.烘料溫度的考察
對熱不穩定的成品藥和中間體都需要對烘料溫度進行考察，考察的方法就是在不同溫度下烘料前后的有關物質的變化情況。


2.烘料方式
根據烘料的壓力的不同分為常壓鼓風烘料、減壓烘料。
對于在空氣中不穩定容易氧化的物料一般都要求進行減壓干燥。

安全

實際上上面講的的基本操作也是安全操作的基礎。實驗室安全總的說來要求實驗人員要膽大心細，熟悉水、電、氣、物料的基本性質，公司也應該配備一些基本的安全設施和裝備以及常用藥品等。。。
1.試劑的擺放；
2.有毒有害氣體、試劑的處理；
3.電器知識；
4.具體實驗操作的風險
（1）蒸餾過程中的充料
攪拌要有足夠的轉速、加熱的溫度不要太高。
（2）氧化反應的控制
（3）氫化還原
氮氣置換、氫氣置換操作，Raney-Ni自燃。
（4）抽濾濾瓶的內爆
真空度和抽氣量的控制
（5）實驗室燙傷的防護
對于溫度高的反應不要裸手拿捏反應瓶。
（6）烘料的風險
這是一個比較大的風險，大部分實驗室的燃燒、爆炸基本上都是這個原因。許多物料都含有有機溶劑，烘料的時候一定要注意風門一定是打開的狀態，否則有機溶劑在加熱的狀態下形成的氣體不能順利排出。

5.防護設施和實驗裝備
（1）消防實施
滅火器、沙土。
（2）實驗裝備
通風櫥、盡量杜絕明火加熱的加熱裝置、對眼的防護——護目鏡、對呼吸道的防護——口罩、防毒面具。
（3）急救藥品
緊急情況下，需要的清洗眼睛、面部、過敏所需要的藥品或者洗液。