化学初学者——如何开始一个反应

先进行文献调研

完美情况：你找到了一种在与你的体系极为相似的体系上生效的方法，且你分子中的所有官能团都能与该反应条件兼容。该方法由一个权威研究团队详细阐述，且被其他研究者频繁引用。

噩梦情况：理论表明该实验会成功。然而，你找到的唯一先例要么是（a）用另一种语言写成的（b）来自1927年（c）没有实验解释，要么是（d）由一个无人知晓的团队发表，且从未被引用。

一步步来：

1. 进行数据库检索，查看该反应在类似你的体系中是否已有过研究。留意有多少位不同的作者报道了相似的化学反应。
2. 查看一些描述该转化过程的论文，并记录以下内容
   • 已报道的实例数量
   • 该化学反应的适用范围有多广
   • 该操作的执行难度
   • 试剂是否容易获取且价格低廉
   • 实验描述的详细程度
   • 论文的作者及其发表的期刊
3. 如果可能的话，找一篇描述该反应的综述文章，并阅读其相关化学研究的适用范围与局限性
4. 一定要找到并阅读首次普及该转化方法的原始论文
5. 选择一个要遵循的实验步骤，同时考虑所有相关因素
6. 复印或打印整篇期刊文章，而不是只复印你需要的几页。

规则与策略

完美情况：你的反应物可商购获得。所需试剂价格低廉，且你在实验室中已经有充足的用量。你能准确知道反应所需的时间。你清楚合适的反应规模（更理想的是，该规模仅需0.2-1.0克反应物）。你无需在反应完成前离开实验室。产物性质稳定，可无限期储存。

噩梦情况：晚上9点。你的玻璃器皿全都不干净。你无法决定该在什么规模下进行实验，而且你也没有任何试剂。

分步操作：

（通常提前几天）

1. 确定你的反应规模。以下因素会影响你的决定。
   • 你之前做过这个反应吗？在什么规模下做的？
   • 反应物有多珍贵？
   • 你还需要将该反应物用于其他实验吗？
   • 试剂有多贵？
   • 你打算如何处理该产物？
2. 计算反应物和试剂的用量。
3. 找到或订购所需化学品，并确认是否需要额外的纯化步骤。
4. 预测该反应的准备、进行和后处理需要多长时间。
5. 规划好开始实验的时间，确保你能全程跟进并监控实验直至：
   • 反应已完全进行且你已完成后处理，或者
   • 它在恒温下搅拌了一小时，且反应进度不足25%。

如果你不确定，那可以尝试按照经验法则来进行：

• 当你对某个反应还不熟悉时，若反应物无限量限制，1毫摩尔通常是一个不错的起始用量。如果反应物较为珍贵，可将其分成三到四份；若你对小剂量操作得心应手，10毫克通常是最实用的选择。
• 如果你之前已经进行过该反应，可选择开展更大规模的反应。最好将规模扩大至不超过之前实验的3-4倍，以防反应效率开始下降。
• 如果你需要大量的该化合物产品、有类似操作的经验，或者（例如基于文献）对成功有把握，那么你可以从1克甚至5克反应物开始。

实验准备

完美情况：你的计算不会出错，无需特殊设备，拥有干净干燥的玻璃器皿，且不需要纯化反应物、试剂或溶剂。

噩梦情况：你需要称量四种不同的试剂：一种在空气中会变得液态的吸湿性固体、0.05毫克的催化剂、一种会堵塞注射器且必须在使用前立即蒸馏的液体，以及你珍贵的对热和酸敏感的反应物。该反应必须在-30摄氏度的氩气环境下，使用复杂的玻璃装置进行，且需要三个烧瓶通过套管依次滴加。

分步操作：

1. 找到一个干净干燥的烧瓶、一根磁力搅拌子、一个隔垫以及该实验步骤所需的其他所有仪器。计算溶液的总体积（毫升），并选用容量至少为该体积两倍的烧瓶。
2. 如果该反应对水分或空气敏感，需将烧瓶烘干或用火焰干燥，并准备在惰性气氛下进行实验。
3. 如有必要，对你的试剂和溶剂进行纯化处理。
4. 如有需要，准备合适规格的注射器和针头。
5. 将反应物称量到反应瓶中、称量纸上或单独的烧瓶中（对于将在溶剂中添加的试剂，尖底烧瓶很实用）。查阅实验步骤以明确具体要求。目前切勿混合任何物质，且敏感试剂需在即将使用前才进行称量。

反应

完美情况：反应物组合简单且反应顺利。该反应为均相反应，易于搅拌。你可以通过薄层色谱法（TLC）或气相色谱法（GC）定期分析来追踪反应进程，并且可以持续监控反应直至完成。所有原料均被消耗，单一新产物顺利生成（即“点到点”转化）。

噩梦情况：反应需要数小时才能完成；然而，产物不稳定，在反应条件下会缓慢分解。无法通过薄层色谱（TLC）监测反应进程。

分步操作：

1. 在小瓶中保存每种反应物的少量样品，用于薄层色谱对比。核磁共振样品效果很好，或者在溶剂中放置约一毫克样品即可。
2. 严格按照文献中的步骤操作。正确执行至关重要——更多信息见下方精选主题。
3. 加料一完成，就对反应进行薄层色谱分析。与你的反应物样品进行共点样。
4. 在笔记本中记录所有观察结果和时间。
5. 定期用薄层色谱（TLC）或气相色谱（GC）监测反应。合适的监测间隔取决于反应速率（例如每10分钟、每30分钟或每小时）。始终与反应物共点样。
6. 反应完成前不要离开，否则可能会产生后果。。
7. 当其中一种反应物被消耗完时，立即淬灭反应。

通用注意事项

• 注意。许多实验失败的案例都是因疏忽大意，或是在反应进行时离开实验室所造成的后果。
• 做好准备。当你开始实验时，时钟就开始计时了。务必提前做好一切准备。
• 定期监测。许多学生没有足够密切地跟踪自己的实验进程。
• 如果反应停滞，有时加入更多试剂以确保完全转化是个好主意。不过，不建议在首次操作时这样做。
• 如果没有发生反应，尝试提高温度。
• 如果产物的分解速度似乎快于生成速度，可考虑在反应物完全消耗之前终止反应。这或许是实现产率最大化的最佳方式。

搅拌

如果反应过程中停止搅拌，一切都将无法预料。在整个实验过程中持续搅拌至关重要。如果反应体系为非均相体系，必须剧烈搅拌以确保充分混合。

搅拌子

• 圆柱形：细长型搅拌棒非常适合锥形瓶，但在圆底烧瓶中可能会不规则旋转。短圆柱形搅拌棒有时可放入圆底烧瓶中，且旋转顺畅。
• 足球：适配圆底烧瓶的棒状部件。通常适用于25毫升及以上规格的烧瓶。
• 微型搅拌子：体积极小的圆柱形搅拌棒，适用于10毫升或更小的烧瓶、小瓶或试管。

顶置搅拌

当磁力搅拌子完全无法完成搅拌工作时，就需要进行机械搅拌。通常会使用顶置式搅拌装置。可能需要使用顶置式搅拌的情况包括：高粘度溶液、大规模反应，或是在非均相反应中，当磁力搅拌子陷入粘稠、糊状或其他不溶性物质中的时候。

如果你在搅拌时遇到问题，可以尝试以下方法：

• 将烧瓶底部移得更靠近磁力搅拌器。
• 使用更大的磁力搅拌子。
• 使用更大或功率更强的磁力搅拌器（并非所有磁力搅拌器都性能相同）。
• 如果你的磁力搅拌子不慎卡住，可拿起烧瓶并摇晃，直至搅拌子松开；也可用移液管或刮刀将其撬出。这类反应需要持续监控。若遇到此类问题，你可以考虑使用机械搅拌装置。
• 如果你的反应液体积很大，磁力搅拌棒可能无法高效搅拌。如果使用机械搅拌装置，效果可能会更好。

温度控制

合成有机实验在-90摄氏度至200摄氏度的温度范围内进行。了解如何实现并维持反应所需的正确温度至关重要，尤其是在长时间的实验过程中。应使用低温酒精温度计监测温度。

低温冷却浴

• 低温冷却器：如果有条件使用，低温冷却器可长时间将反应维持在设定温度（通常为-40至20摄氏度）。
• 冰/盐浴：-15至-5摄氏度
• 干冰/乙腈：-40摄氏度
• 干冰/丙酮：-78摄氏度
• 液氮/二氯甲烷：-92度

高温反应

• 带内部温度控制的加热板/油浴装置
• 溶剂回流：温度将为溶剂的沸点
• 油浴：矿物油在约150摄氏度时会聚合；对于更高温度，改用硅油或带沙子的加热套（见下文）。
• 充满沙子的加热套由调压器控制。沙子比油更干净，而且容易达到高温。将温度计插入沙子中，然后调节调压器进行实验，直至达到所需温度。
• 电热板/水浴锅。用于温和加热（35-80摄氏度）时有时较为方便。