这一革命性的系统大大降低了实验室被烧毁的可能性

在实验室里你最害怕什么?虽然我点燃的氢气球,白磷和镁/高氯酸盐熔断器比大多数都多,只是的想法实验室里的火让我充满了边缘恐惧。但自这门学科诞生以来,火灾一直是化学家们面临的严峻现实。许多合成是在液体燃料中进行的,通常是在沸点下进行的。为了合成它,我们的溶剂必须是无水的。传统意义上,这意味着一排溶剂蒸馏器,在“美好的过去”,在一个空闲的长凳上排成一排:两升溶剂,碱金属或金属氢化物,全部由一个水冷凝器覆盖。用那句陈腐的话来说,有什么可能出错呢?

但这些剧照只是开始。实验室角落里的钠压机被用来把几米长的细金属线挤压进存放于长凳下橱柜里的温彻斯特杯里。然后是废弃的旧蒸馏罐,一小时又一小时地将酒精缓缓倒入一团棕色的粘稠物中,其中加入了喷发的银色金属块……这一切至今仍让我不寒而栗。

实验室里有一组剧照,剧照的出现让大家都很紧张

我们不用再担心这个问题可以追溯到美国的一个工业研究实验室。20世纪80年代出现了一类基于茂金属框架的聚合催化剂。这些受限制的“活”催化剂不仅具有很高的活性,而且分子量分布也很窄,这使得它们具有更多的可调性质。在密歇根州米德兰的陶氏化学中心研究站,化学家詹姆斯·史蒂文斯(James Stevens)成立了一个科学家小组,对它们进行进一步调查。其中包括弗朗西斯·“弗兰克”·蒂默斯(Francis Timmers),他在家乡威斯康星州的一所小型学院做了五年的学者。与陶氏其他大型聚合物生产系统不同,史蒂文斯和他的团队开发的系统在碳氢化合物溶液中作业,而不是气体或泥浆。他们准备和筛选的数百种候选催化剂的极端路易斯酸要求对水分进行细致的注意。因此,实验室里有一组静物,这些静物的出现使小组成员十分紧张。

蒂默斯和他的同事罗布·罗森突然想到,在生产规模上,溶剂从来不是通过蒸馏干燥的,而是使用氧化铝或分子筛之类的干燥剂。因此,他们在手套箱中建立了相当于一个装满氧化铝的色谱柱,将商业级溶剂倒入其中,并测试了他们的催化剂。果然,溶剂干得像骨头一样。

蒂默斯和罗森最喜欢摆弄Swage的连接和阀门,他们决定扩大规模。钱不是问题。他们用氧化铝珠填充圆柱形钢塔(用玻璃棉固定),并使用以铜为基础的Q5催化剂的钢塔来去除氧气。与此同时,他们在SwageLok的产品目录上乱加乱加,增加了米德兰技术车间生产的定制部件,这样溶剂就可以完全在惰性气体中处理。然后,他们将奥尔德里奇的一些深蓝色干溶剂罐连接起来,用氮气加压。出来的溶剂是第一个质量和团队松了一口气,因为旧蒸馏器被永久拆除。

这张图片展示了一项专利的烧瓶

资料来源:美国专利和商标局,4,976,927/Daniel A Strauss, John F Babashak

Daniel Straus专利的特氟龙溶剂瓶(右)

大约在1995年,鲍勃·格拉布,美国催化领域的领先专家之一,来自加州理工学院(Caltech),来到米德兰做了一个演讲,并会见了史蒂文斯的团队。当格拉布斯听到这个系统时,他的祈祷得到了回应。多年来,他一直给家里打电话,确保孩子们的安全,给实验室打电话,确保学生们的安全。回到加州理工学院后,他让团队中的迈克·贾代罗(Mike Giardello)建造了一个类似的钻机并进行测试。为了使它与旧的溶剂蒸馏器完全兼容,他们增加了一个标准B24锥.学生们用一个斯特劳斯烧瓶从系统中提取溶剂。斯特劳斯烧瓶是一种装有聚四氟乙烯活塞的收集和储存烧瓶,由格拉布斯以前的学生丹尼尔·斯特劳斯设计。1后来,斯特劳斯把烧瓶的图纸交给康提斯·格拉斯(Kontes Glass),后者付给他版税,以此来补充他作为初级学者时获得的微薄启动资金。

那篇描述这种新系统的文章引起了很大的轰动。2尽管有些人怀疑像氧化铝这样枯燥的材料是否能起到更令人兴奋的碱金属的作用,但一系列广为人知的大型实验室火灾——使用风险评估矩阵的人将其规模称为灾难性的火灾——导致了人们的迅速采用。一些研究使用费歇尔滴定法确定了溶剂的干燥度。由于成本太高,一些人不敢采用该系统,伯克利的鲍勃·伯格曼和PJ阿莱莫简化了程序,去掉了脱氧柱,认为只需向溶剂中喷射惰性气体来取代氧气。

陶氏化学和加州理工都没有从这个想法中得到一分钱。现在有几家公司在进行商业销售。在我们部门被亲切地称为“ASS”的东西为我们节省了更多的伤害、时间,比我们实验室里几乎所有的创新都要多,除此之外,还可以节省大量的水电。正如Bob Grubbs向我指出的那样,这是一种罕见的情况,更安全的方法实际上比它所取代的方法更方便。

致谢

我非常感谢罗勃·罗森和鲍勃·格拉布的回忆。Bill Evans, Bob Bergman和PJ Alaimo都和我分享了他们的想法。