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必备技能丨关于叠氮化物一定要记住的知识点!

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所有的惨剧背后,都是对安全红线的侥幸与漠视。安全实验、生产不容丝毫侥幸,再完备的制度如果缺乏执行者的敬畏之心,也只是一纸空文。 ——题记 一、叠氮化物概述

众所周知叠氮化物属于高能化合物,动不动就会爆炸,但实际生产生活中叠氮化物的应用非常广泛,以叠氮化钠为例,可用作防腐剂、诱变剂、杀菌剂与检测实验试剂;有机叠氮化物可参与多种有机化学反应,是叠氮-炔环加成 “点击反应” 的核心原料。

对于有机合成长期从业者来讲,使用叠氮化物几乎无法避免。

二、危险性说明

操作叠氮化物务必高度谨慎。无机叠氮化物与有机叠氮化物均对热、冲击敏感,仅需极少外部能量就会发生爆炸性分解。

对人体而言,少量叠氮化钠暴露即可引发中毒症状:呼吸急促、烦躁不安、头晕乏力、头痛、恶心呕吐、心跳加速、眼白发红、流涕、咳嗽;皮肤接触会造成灼伤、水疱。 三、操作禁忌

  1. ①叠氮化钠反应体系严禁使用二氯甲烷、氯仿等卤代溶剂,二者会分别生成具有爆炸风险的二叠氮甲烷、三叠氮甲烷;

  2. ②禁止通过旋转蒸发、蒸馏浓缩含叠氮化物的反应混合液;

  3. ③称量、转移叠氮化物时禁止使用金属药勺,如果没有牛角勺,推荐用一次性吸管剪一个;


  4. ps:对于北化工女研究生使用叠氮化物受伤,菜籽也表示很痛惜,我和大家关注的点一样:研一, 自愿留校,凌晨,擅自闯入实验室……读过研究生的大概都懂。


  5. ④有机叠氮化物切勿接触磨口玻璃接头,极易引发爆炸分解(菜籽早些年炸过)。

四、 有机叠氮化物稳定性判定标准

每种待使用有机叠氮化物均需单独评估,以下为通用管控准则:

1. 碳、氧、氮原子比例判定公式

判定标准:

(碳原子数+氧原子数)÷ 氮原子数 ≥ 3

  • 壬基叠氮, 碳氮比等于3, 可纯品分离储存,上限 20g;

  • 比值介于1~3之间:可合成并分离提纯,但必须低温储存,溶液浓度不超过1 M,纯品储存上限5克;

  • 比值小于1:绝对不可分离提纯;仅能作为反应瞬时中间体使用,且该叠氮物必须是反应限制试剂,体系内总投料量不得超过 1 克。

2. 六原子判定法则

每个高能官能团(叠氮、重氮、硝基等)需搭配至少 6 个碳原子(或同等尺寸原子)骨架进行稀释,配套完善安全措施后方可相对安全操作。

3. 结构稳定性差异

整体而言,烯基、芳基、羰基取代叠氮化物稳定性远低于脂肪族叠氮化物,风险更高。

五、个人防护与实验操作规范

  1. ①需为本实验撰写标准操作规程,交由课题负责人审核,全面评估实验流程与试剂存在的各类风险;评估后可酌情豁免部分防护要求。

  2. ②若计划放大实验规模、增加实验室叠氮化物储存总量,必须事先征得课题负责人同意。

  3. ③正式使用叠氮化物前,开展空白预实验,提前排查安全隐患。

  4. ④必须全程穿戴个人防护装备:实验服、安全护目镜、耐化学腐蚀手套。

  5. ⑤所有操作在通风橱内完成,橱门尽量下调,操作位置前方放置防爆挡板;若无防爆挡板,则必须佩戴防护面屏。

  6. ⑥通风橱内清空无关试剂与设备;所有盛放试剂容器清晰贴标,通风橱外张贴标识,提示正在开展叠氮化物相关实验。

  7. ⑦严禁单人开展叠氮化物相关实验。

六、实验及后处理原则

①多余的NaN3 或HN3 以及带有叠氮基的产物在溶液里通常表现温和,即使加温回流都很安全,但是当浓缩至干或接近干的状况下,就会发生猛烈爆炸。所以不能直接浓缩反应液,如果反应需要加温回流,注意冷凝水不能断流,以防溶剂挥发至干而引起爆炸。

②后处理萃取时,如果产物不忌碱,体系PH≥9 为好,在这样的环境体系中,多余的叠氮钠容易用水洗干净。如果PH 小于9 或偏酸,多余的NaN3 就变成水难洗掉的、爆炸性更强的HN3。

③带有叠氮基(-N3)的化合物遇热也有强大爆炸性,需要特别对待后处理的萃取液(菜籽曾实测实验室精馏含叠氮化钠的产品也会炸)。带有叠氮基的分子通常只是中间体,很少作为最终产物。

④. 浓缩含叠氮化钠反应液至干或接近干的状况下发生猛烈爆炸,已经有多起教训。有经验指标可供参考:

有机过氧化物,如果过氧比值超过5%(氧原子量16 与分子量M的商≥5%),就有爆炸危险性,不能与金属接触,也不能受热,更不能用明火烘干,比值越高危险性越大;而有机叠氮化合物的叠氮比值超过5%(氮原子量14与分子量M的商≥5%),也有爆炸危险性,既不能与金属接触,也不能受热,更不能用明火烘干。

这就产生一个安全处理原则:带有叠氮基的产物不要旋蒸,更不能蒸干。所以萃取溶剂最好是下一步反应所用的溶剂,这样我们可以避免旋干操作,从而避免旋干时存在的爆炸危险。

⑤处理反应后的后处理水溶液,先要用足够量的水,至少500 倍于过量叠氮钠的水进行稀释,之后才能在玻璃棒的不断搅拌下,用次氯酸钠水溶液处理,按照多余1 克的NaN3 约需10 毫升饱和 NaClO 溶液的比例处理。

有人表示曾经一天投了11锅加热到140度的反应,每锅17.6g叠氮钠, DMF做溶剂。投料和处理过程是这样的:

先准备一个五升的塑料桶,里面放置一升水,加入氢氧化钠,使pH大于13,把天平放在通风厨里,带上口罩,护目镜,手上戴双层手套(内层PE手套,外层丁腈手套),用牛角勺,利用减重法称取所需重量,称完后,牛角勺在1升水中洗干净,把手套放置在五升桶里。反应结束后,把萃取的水相连同清洗瓶子的水,手套等放置在五升桶里,外加两升水,缓慢加入氢氧化钠颗粒,使pH大于13,这个过程升温明显,等温度降到室温后,缓慢多次倒入过量次氯酸钠,这个过程始终保持pH大于13,过程中会出现大量放热。静置过夜,第二天倒入专门的废液桶。
七、储存要求
  1. 合成制得的叠氮化物需低温存放,远离热源、光照、高压与撞击冲击。尽量单独存放。

  2. 严禁共存物料:二硫化碳、溴、硫酸二甲酯、硝酸、重金属及其盐类。重金属叠氮盐对热、冲击极度敏感,属于烈性爆炸物。

  3. 隔绝水与强酸,二者接触叠氮化物会生成剧毒、易挥发且可爆炸的叠氮酸。

八、废弃物处置

含叠氮化物废弃物需单独存放于专用废液 / 固废收集容器,不得与其他废物混装。

参考文献:

[1] Bräse, S., Gil, C., Knepper, K., Zimmermann, V. “Organic Azides: An Exploding Diversity of a Unique Class of Compounds,” Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 5188-5240.

[2] University of California Santa Barbara. “Laboratory Safety Fact Sheet : Synthesizing, Purifying, and Handling Organic Azides”

[3] Kolb, H.C., Finn, M.G., Sharpless, K.B. “Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions,” Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 2004-2021.

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