在现代化学科学实验以及化学化工应用领域中，涉及苛刻条件下的合成与操作越来越多，其中比较突出的是空气敏感合成操作。避开空气的影响后，能够制备一般条件下无法得到的新颖化合物和许多新型功能材料。现在的空气敏感合成实验技术已经比较成熟^[1-3]，极大地促进了有机和无机合成化学的发展，为新产品、新材料的开发和生产提供了可行路径。在当前全日制本科高校的化学实验教学中，敞开体系的合成实验方法依然是学习的基础和核心内容。虽然在很多高校中，不乏有诸如制备有机镁试剂(格式试剂)的实验安排，而事实上用乙醚做溶剂时，即使没有无水无氧实验技术支持，有机镁试剂也可以在空气气氛里得到较高的转化率。教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见[教高2007]中强调，高校应该推进实验内容和实验模式的改革和创新，培养学生的实践动手能力和分析、解决问题的能力。一些高校已经将无水无氧实验操作纳入到了本科生的化学实验教学中^{[4, 5]}。近年来我院在综合化学实验课程中引入三甲硅基芳胺(3) (图1)的合成与表征实验，让学生学习在标准的无水无氧条件下完成合成实验，以提高学生对化学实验的认知，培养学生耐心细致、严谨认真的科学态度，同时为将来的深造和就业打下比较好的基础。

无水无氧实验技术是基于用抽真空和惰性气体置换装置中空气的方法，通常有三种^[6]：其一，在惰性气体箱内进行的常规操作，例如手套箱或干燥箱。箱体内使用循环气体净化器或用惰性气体置换以降低气氛中的水氧含量。该方法的主要操作在于熟练使用手套箱，没有无水无氧操作方面的教学内容。其二，真空线技术。该技术要求整个实验过程都在真空或接近真空的实验装置中完成。这对真空度的要求非常苛刻，操作本身也很复杂，使其应用和推广有较大的局限。这项技术并不适合在综合化学实验课程中作为教学内容。其三，用双排管真空换气系统(Schlenk line)在工作台上进行的操作。使用双排管对施伦克玻璃仪器抽真空和充惰性气体，从而使其达到需要的无水无氧环境。其他在无水无氧条件下的回流、蒸馏和过滤等操作，产物的分离纯化及转移、分装贮存等都可以用这种装置来完成。现今在涉及空气敏感化合物的合成实验中，此法最为简便，使用最为广泛^{[2, 7]}。因此以双排管和施伦克玻璃仪器操作技术作为教学内容就是进一步提高本科生实验技能的合理之选。

在金属有机化学和无机分子化学中，通常会因为碳-金属键和金属-金属键的存在而使此类化合物在空气中不稳定。大取代基的保护作用是从动力学角度提高这些化合物的稳定性。一种三甲硅基取代的2, 6-二异丙基苯胺(3)是合成化学中实用的单齿胺基保护基团^{[8, 9]}。合成该化合物的脱盐复分解反应也是金属有机化学中最常用的合成反应。综合考虑实验准备时间及反应时间不宜过长、无水无氧操作方法难易适中、空气敏感试剂有代表性等几个方面的因素，本文选择三甲硅基芳胺(3)的合成作为综合化学实验的教学内容。该合成实验涉及到仪器的干燥、溶剂转移、正丁基锂的取用、二次加入反应试剂、过滤、减压除去溶剂和减压蒸馏等操作，均要在无水无氧条件下连续操作完成^[10-12]。取用正丁基锂在空气敏感化合物的操作中极具代表性，是示范性极强的无水无氧操作技术。另外，在该实验的产物分离中用到的减压除去溶剂和减压蒸馏两个操作，也属于很常用的无水无氧操作技能，例如在40 Pa的低压下对粘稠液体进行减压蒸馏就有很强的实践意义。合成三甲硅基芳胺(3)的实验所涉及的药品都是低毒性，产物可以收集作为探索性实验的原料使用，或者水解后提取芳胺循环利用。综上所述，以三甲硅基芳胺(3)的合成作为综合化学实验空气敏感操作的教学内容是比较适合的。

(1)掌握以芳胺和三甲基氯硅烷为原料通过复分解反应制备硅基芳胺的原理和方法；

(2)掌握无水无氧实验装置的原理和基本操作技术；

(3)熟悉核磁共振氢谱在化合物结构表征中的应用。

正丁基锂中的一个碳原子是负离子，有很强的碱性。它在绝大多数情况下能够夺取化合物中的活性氢，生成新的锂化产物。化学方程式为：

BuLi + R’―H = R’Li + BuH

合成三甲硅基芳胺(3)的反应原理是，首先使用正丁基锂在乙醚中将2, 6-二异丙基苯胺(1)锂化，得到的苯胺锂(2)进攻三甲基氯硅烷，很容易发生取代反应脱去LiCl，生成三甲硅基芳胺(3)。由于氮与硅的亲和性要强于氯与硅(SiCl₄可以发生氨解反应)，并且生成的LiCl晶格能很大(853 kJ∙mol⁻¹)，所以该反应过程中会显著地释放能量。反应方程式如图1所示。

实验涉及的正丁基锂和中间产品苯胺锂(2)均是对空气非常敏感的试剂。因此该实验中的相关操作，如试剂转移、无水溶剂的使用，以及苯胺锂(2)的保护和向最终产品(3)的高效率转化，都需要利用双排管真空换气系统和施伦克玻璃仪器完成。

2, 6-二异丙基苯胺(纯度> 92%)，正丁基锂的己烷溶液(1.6 mol∙L⁻¹，包装具有内外密封盖，带有四氟衬垫方便取用)，三甲基氯硅烷(纯度> 98%)，乙醚(分析纯)，己烷(化学纯)，液氮。

双排管真空换气装置，带提手的安全钢桶，100 mL具侧阀烧瓶(Schlenk flask)，注射器，低温温度计，恒温加热磁力搅拌器，杜瓦瓶，分析天平，干燥箱，药匙，漏斗，玻璃棒，核磁共振仪。

按照正确的操作次序启动双排管真空换气装置并向冷阱中加注液氮，待系统正常运转5 min后观察真空度稳定在20 Pa以下，可以进行后续实验操作。

准备1个100 mL的具侧阀烧瓶，在磨口涂真空酯，置于电子分析天平上称重并记录。然后将烧瓶放入120 ℃的干燥箱加热15 min，快速取出烧瓶趁热抽真空，待冷却后充入惰性气体。

在侧阀烧瓶中称量2.00 g (11.3 mmol) 2, 6-二异丙基苯胺(1)，将烧瓶连接在双排管上。同时将乙醚溶剂瓶与双排管连接，对两条管路进行3次真空换气操作。然后用不锈钢长针向瓶中转移约30 mL乙醚，在冰浴条件下用注射器缓慢加入7.40 mL (11.8 mmol)正丁基锂，撤掉冰浴让反应瓶恢复到室温，继续搅拌约1 h即得到苯胺锂(2)。

用注射器向反应瓶中逐滴加入1.23 g (11.3 mmol)三甲基氯硅烷，溶液中有白色沉淀生成。室温搅拌3 h后，在逐渐降低体系压力的情况下，抽去可挥发组分。加入30 mL己烷搅拌片刻，过滤得己烷溶液，再减压除去己烷，得到粘稠液体。对该液体进行减压蒸馏(40 Pa，72 ℃)，得到无色油状产品(3)。制备产物的核磁共振样品，做核磁检测，与文献值对比讨论。

三甲硅基芳胺(3)为无色液体，40 Pa下沸点为72 ℃，理论产量为2.81 g，产率应在80%以上。

¹H NMR (C₆D₆, TMS) δ: 7.13–7.07 (m, 3 H, Ar―H), 3.46(spt, ³J = 6.9Hz, 2 H, CHMe₂), 2.00 (br, 1 H, NH), 1.21(d, ³J = 6.9 Hz, 12 H, CHMe₂), 0.11(s, 9 H, Si―CH₃)。

(1)脱盐复分解反应的应用。

脱盐复分解反应^[13]是金属有机合成和元素分子合成中最基本、最常用的实验方法。其基本原理是让一个电负性较大的原子的负离子进攻原料卤化物，脱去高晶格能的碱金属或碱土金属的卤化物，得到该负离子取代的目标产物。反应通式可写为：

R―M + EX_n = MX + R―EX_(n−1)

式中R为基团负离子，中心原子可以是带负电的O、N、C、S、P、Si、Ge等原子；M为碱金属或碱土金属，MX的高晶格能是该反应发生的驱动力；E为合成目标产物的中心元素，其卤化物或取代卤化物都可以用作原料使用；X通常为非氟的卤原子。由于原料R―M在接触氧气或水时通常都会变质，所以该反应大都需要在无水无氧条件下进行，所用的卤化物也要求是无水物。此类反应最终促成了负性原子和元素E之间的R―E键合。因此选择不同的起始物相互组合，利用脱盐复分解反应可以提供许多可行的反应路径，满足金属有机和元素化学中的合成所需。

(2)实验准备和安全措施。

为开设空气敏感化合物的合成实验，我院扩建了综合化学实验室，安装了4套双排管真空换气系统。学生按照每次实验16人分4组进行该实验的操作学习。所有实验人员须穿戴好实验服、护目镜和手套。实验台周围禁止放置敞开的挥发性易燃药品。实验前向学生讲解干粉灭火器的使用方法，并将其从灭火器箱中取出备用。每组配备一个灭火沙桶放置在距离实验台一米的地板上，未操作实验的学生要有随时使用沙桶的准备。每个试验台上放置一块湿布，用以扑盖不慎泄露的少量试剂。

使用双排管真空换气系统对实验操作人员有较高的要求，准确地操作实验装置是成功进行合成实验的关键。一个完整的无水无氧合成实验操作主要包括以下几个环节：反应物料的称量和转移、无水溶剂的转移、反应过程操作、生成物的分离纯化以及样品的表征和封装保存。如果在实验的中间环节出现与空气的接触，就会使物料变质，导致实验失败。因此在实验开始前，要首先对学生讲解双排管装置的工作原理，在不加入物料的情况下让每位学生进行仪器操作演练，其他学生观察和讨论。然后在教师的指导下进行合成实验的完整操作。

双排管真空换气系统如图2所示：双排管是两根平行玻璃管，它们同时与斜双孔三通旋塞连接组成双排管换气装置。后管是保护气体管，从左侧通入惰性气体并通过右侧鼓泡器放空。前管是真空管，它与双冷阱连接，再连接真空泵和真空表。两个冷阱分别置于盛有液氮的杜瓦瓶中，以消除绝大多数挥发性物质的蒸气压，并保证真空泵正常工作。液氮冷阱中是−196 ℃的低温环境，这个温度既可以将氧气液化，也能够把很多通常的气体冷冻为固体。如果液氧与有机质混合就有爆炸的危险，在密闭体系中固化的气态物质升温后也会膨胀爆炸，因此启动和关闭双排管真空换气装置要按照正确的操作次序进行。

启动装置的操作次序为：清空冷阱内残留的有机溶剂，关闭系统的所有气阀，然后向杜瓦瓶中加注液氮，再启动真空泵抽气。关闭装置的操作次序为：关闭真空泵，打开双排管的放气阀将空气放入系统，以平衡内外压力。随后立刻取下杜瓦瓶和冷阱，令其在敞开状态下自然升温。

合成反应和产物分离过程中所使用的玻璃仪器需要进行严格的干燥。干燥方法是将玻璃仪器置于干燥箱中预热超过100 ℃，然后对热的玻璃仪器抽真空，除去玻璃表面基于氢键附着的水膜，再充入保护气体备用。

实验中所使用的各种溶剂和液体药品需要进行严格的除水除氧后保存在惰性气体环境中。普通无水乙醚与新鲜研磨的CaH₂粉末混合，室温下搅拌三天，然后蒸馏得到实验使用的无水乙醚。实验中使用己烷提取粗产品时，空气敏感的合成反应已经结束，故己烷不需要干燥。各种固体药品，包括空气中稳定和不易潮解的药品也要在预先干燥以后保存在干燥皿中，防止长期放置在空气中吸附少量的水。

(3)溶剂乙醚的转移：利用双排管系统和不锈钢长针转移溶剂时，首先需要给乙醚溶剂瓶侧阀进行真空换气三次，再打开侧阀，在惰性气体流的保护下打开玻璃塞，排除翻口橡胶塞内空气，盖上橡胶塞。从干燥箱取出不锈钢长针，先插入溶剂瓶，通气数秒后将其另一端插入反应瓶。关闭反应瓶侧阀，用小针头插入反应瓶对其进行放气减压，使其内部气压略低于溶剂瓶，气压就把乙醚从溶剂瓶通过钢针压入反应瓶。然后将钢针脱离液面，从反应瓶中取出，通气数秒，不需清洗直接放回干燥箱。最后将溶剂瓶换上原来的玻璃塞。

(4)正丁基锂的取用和泄露事故的紧急处理方法。

本实验的学习重点是取用正丁基锂，这个操作环节同时也有很高的危险性。正丁基锂是合成化学上常用的超级碱^[13]，通常溶解在己烷中出售(市售有1.6和2.5 mol∙L⁻¹两种浓度)，其溶液必须隔绝空气保存。正丁基锂接触到空气先发生自燃，随即就会与蒸发的己烷蒸气发生爆炸。正丁基锂着火使用灭火沙或干粉灭火器灭火，禁止使用泡沫或卤化物灭火器，更不能使用水来灭火。实验室中未经培训的人员禁止使用正丁基锂。实验室中转移正丁基锂存储瓶要使用带提手的安全钢桶，必须有他人随行确保转移过程无障碍，同时要全力避免打碎正丁基锂的存储瓶。

在学生实验过程中，指导教师为其中一组实验加入正丁基锂，演示一次完整的操作过程。此后另外3个实验组在指导教师监护下进行取用正丁基锂的操作。取用正丁基锂的操作过程如下：

先将正丁基锂存储瓶连同保护底座小心地从冰箱中拿出，用大烧瓶夹固定好。打开存储瓶外保护盖，将双排管的保护气体导出，并在端部装上导气钢针，等待数秒后插入内保护盖的四氟垫内。从干燥箱中取出注射长针头，连接到干净的注射器上，通过内保护盖四氟垫吸入保护气体再排出瓶外，反复换气n次(注射器体积与换气次数n的对应关系：1–2 mL，n = 10；5 mL，n = 5；10 mL以上，n = 3)。抽取所需量的正丁基锂溶液，注射器向上，再吸入少量保护气以使针头内不含有液体，右手持注射器，左手持针尖拔出针头，快速插入反应瓶内，在所需温度条件下将正丁基锂缓慢加入，快速推拉注射器活塞几次使剩余的正丁基锂全部注入反应瓶中。然后把正丁基锂存储瓶的外保护盖拧紧，放回冰箱保存。最后将注射器和长针头用丙酮清洗3次。在该反应中正丁基锂需要过量大约5%，用以补偿溶剂中和操作中引入的少量水对正丁基锂的消耗。

取用正丁基锂的过程中会出现不慎泄露的情况。通常1–2 mL的该溶液洒到实验台上不容易发生自燃，此时立刻用少量细沙覆盖，再用湿布擦拭即可。如果泄露的量较多，就要用大量细沙覆盖，在其上喷洒少量的水润湿，静待片刻后就会消除危险。这里可能发生的最大意外是，学生将100 mL的正丁基锂存储瓶直接打碎在实验台或地板上，此时很可能会立刻发生燃烧。遇此情况，第一应急措施是用大量灭火沙覆盖，然后用干粉灭火器彻底排除隐患，并且考虑疏散实验室人员。我院在近年的综合实验课上，尚无遇到如此严重意外事件发生。

(5)产物的分离纯化。

反应生成的三甲硅基芳胺(3)与乙醚形成溶液，混有少量未反应的苯胺和一些副产品。副产物LiCl是白色沉淀物，因为乙醚对于新生成的LiCl有一定的溶解能力，为了彻底除去固体不溶物，需要在搅拌条件下缓慢打开反应瓶侧阀，将乙醚减压除去，然后用己烷提取产品。由于产物在空气中比较稳定，此时的己烷溶液可以进行常规抽滤以除去LiCl。把己烷滤液重新连接到双排管上，在搅拌条件下减压抽掉己烷，得油状粗产品大约3 mL。鉴于粗产品的量较少，可以使用微量蒸馏装置。但是这种装置价格很高，且易于破损。因此这里使用玻璃桥进行减压蒸馏，装置如图3所示。此项操作是这个实验需要学习的另一个重点内容。两个具侧阀烧瓶同时通入保护气体，一侧安装玻璃桥，等待数秒以排除空气，对接装置。先关闭左侧气阀，在剧烈搅拌下通过右侧气阀持续抽真空减压，此时观察到左侧液体内的溶解气释放干净后趋于平静。然后开始对左侧烧瓶加热，待产品蒸气经空气冷却收集到右侧瓶中后，结束减压蒸馏。这时需要从右侧通入保护气，以保护右侧瓶中产品，盖上玻璃塞。注意这里用空气冷却是因为少量产品不会持续携带大量的热，管路和烧瓶温度稍有升高，蒸馏已然结束。如果是对大量的液体减压蒸馏，则需要将右侧烧瓶先置于冷浴中，再对左侧烧瓶启动加热。

(6)产物的分析表征：三甲硅基芳胺(3)需要用核磁共振氢谱进行表征^[11]。取半滴蒸馏后的液体产品加入到核磁管内壁，再加入0.5 mL C₆D₆震荡溶解，盖上核磁帽即完成样品制备。溶剂C₆D₆中的残存质子的化学位移为7.16。产物分子结构中化学等价的质子有6种，在¹H NMR谱中表现为6组峰。由于硅的电负性比碳小，因此与硅原子相连的饱和碳上的质子在最高场，δ为0.11，单峰，积分值为9；异丙基上的甲基氢(δ = 1.21)与次甲基氢(δ= 3.46)互相耦合裂分，裂距相等，耦合常数6.9 Hz。其中异丙基甲基双峰的积分值为12；异丙基次甲基氢裂分为七重峰，积分值为2；苯环上的三个氢分为3-和5-位氢一组以及4-位氢一组，由于化学环境比较接近，化学位移相差不大，谱峰表现为高级谱，在7.13–7.07范围内呈混合峰，积分值为3；氮上的氢(δ = 2.00)为较宽的单峰，积分值为1。

为适应现阶段本科化学教育的发展，我院在本科阶段的综合化学实验课上开设了空气敏感化合物的合成实验，并且已经取得了一系列实践经验。选择三甲硅基芳胺(3)的合成与表征的实验，从反应原理到无水无氧实验操作都有典型的代表性，丰富了课程教学内容，有利于形成更合理的实验教学体系，对整个化学实验教学改革都有着较好的推动作用。经过四年的教学实践，在学生中取得了良好的反响。学生比较完整地学习了在惰性气氛下制备、分离和纯化一个化合物的完整过程，实践了一系列无水无氧的实验操作，使学生能在较高层次上了解化学实验特殊的研究方法和手段。开设该实验也训练了学生严谨细致的实验操作技能，有助于培养学生良好的思维习惯、实验能力和科研素养，为今后的就业和深造打下坚实的基础。