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CN115322201B - 一种大环柱芳烃化合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种大环柱芳烃化合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大环柱芳烃化合物及其制备方法和应用。该大环柱芳烃化合物具有纳米尺寸缺电子空腔的对称结构,在二氯甲烷、氯仿、丙酮和DMF等常见有机溶剂中表现出良好的溶解性,同时具有良好的热稳定性,将其作为气相色谱柱固定相分离芳香族化合物与环状脂肪族化合物时,分离效率高,分离温度低,物料停留时间短,且填充柱制备方法简单,稳定性高,可重复使用。该大环柱芳烃化合物制备方法简单,成本低,可实现大规模生产。

Description

一种大环柱芳烃化合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种柱芳烃,具体涉及一种大环柱芳烃化合物,还涉及其制备方法和应用,属于有机合成领域。
背景技术
自1967年C.J.Pedersen首次发现冠醚以来,超分子化学得到了极大的关注,特别是开发和创造具有特定主客体性质的新的合成大环化合物。合成的大环主体,如杯芳烃、间苯二酚芳烃、环三藜芦烯、柱芳烃等已被广泛研究并应用于超分子自组装、分子机器、刺激响应材料、吸附分离等。
轻烃,即C1–C9碳氢化合物,如苯(PhH)、环己烷(Cy)、甲苯(Tol)和甲基环己烷(MCy)是重要的化学原料和溶剂,在石化工业中大量使用。PhH和Tol加氢可分别生成Cy和MCy,但仍无法避免微量未反应的残留原料。分离未反应的PhH和Cy或Tol和MCy的混合物对于生产高等级PhH、Cy、Tol和MCy原料化学品以进一步转化为更有用的商品是至关重要的。然而,PhH和Cy、Tol和MCy在沸点上的细微差异和相似的物理性质使得它们几乎不可能通过传统的蒸馏过程分离。因此,这些苯衍生物的分离被认为是能够改变世界的最关键的分离之一。
近年来,已经开发了各种合成的大环化合物,它们可以从相应的芳族化合物中高效节能地分离高纯度的环状脂族化合物,但他们的合成比较复杂,产率比较低,分离手段比较繁琐。色谱法是分离复杂混合物最有效的方法之一。然而,合成大环在色谱中的应用很少被探索,尤其是合成能够在色谱中分离PhH/Cy或Tol/MCy的功能大环仍然是一个巨大挑战。
发明内容
基于现有PhH/Cy或Tol/MCy分离困难,分离效率低等问题,本发明的第一个目的是在于提供一种大环柱芳烃化合物,其可以使PhH/Cy或Tol/MCy得到有效分离。
本发明的第二个目的是在于提供一种大环柱芳烃化合物的制备方法,该方法简单易行,产率较高,生产成本低,可实现大规模生产。
本发明的第三个目的是在于提供一种大环柱芳烃化合物的应用,其作为色谱固定相,用于分离提纯芳香族化合物和环状脂肪族化合物,分离效率优异,分离温度低,制备的填充柱稳定性高,且可重复使用。
为了实现上述技术目的,本发明提供了一种大环柱芳烃化合物,其具有式1所示结构:
该化合物为3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酰亚胺延伸的大环柱芳烃化合物,其具有纳米尺寸缺电子空腔的对称结构,在二氯甲烷、氯仿、丙酮和DMF等常见有机溶剂中表现出良好的溶解性,同时具有良好的热稳定性。
本发明还提供了一种大环柱芳烃化合物的制备方法,其是将2,5-二甲氧基苄胺和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐进行亚胺化反应得到中间体,将中间体与多聚甲醛进行缩合反应,即得;
所述中间体具有式2所示结构:
该方法制备过程简单,条件温和,产物产率较高,有利于大规模生产。
作为一个优选的方案,所述2,5-二甲氧基苄胺与3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐的摩尔比为2~2.5:1。在该反应过程中,需控制2,5-二甲氧基苄胺和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐摩尔比在合适的范围,才能保证反应充分、产物杂质较少,其摩尔比过大或过小则会造成反应不完全,产物产率低,原料浪费等问题。
作为一个优选的方案,所述亚胺化反应的温度为100~120℃,时间为8~16h。在亚胺化反应过程中,需控制温度、时间在合适的范围,反应温度过低或者反应时间过短,会导致反应不完全,产率下降,反之,反应温度过高或者反应时间过长,则会导致综合效率下降,能耗增大,资源浪费。
作为一个优选的方案,所述中间体与多聚甲醛的摩尔比为1:3~5。将中间体与多聚甲醛的摩尔比控制在特定范围内以保证合成效率,如果中间体与多聚甲醛的摩尔比过低,会导致反应不完全,产率下降;如果中间体与多聚甲醛的摩尔比过高,则会造成多聚甲醛的浪费,增加生产成本。
作为一个优选的方案,所述缩合反应的温度为50~80℃,时间为8~12h。在缩合反应过程中,控制反应温度及时间在合适的范围能够提高反应效率,温度过高,反应时间过短会导致反应不完全,降低产率,而温度过高、时间过长则会导致能耗加大,甚至产生副产物。
本发明还提供了一种大环柱芳烃化合物的应用,其作为色谱固定相应用。将该大环柱芳烃化合物应用在色谱中可以实现复杂混合物的分离,拓宽了大环柱芳烃的应用范围,提高了其应用价值。
作为一个优选的方案,作为气相色谱固定相用于分离芳香族化合物和环状脂肪族化合物。作为一个较优选的方案,所述芳香族化合物和环状脂肪族化合物为苯/环己烷或者甲苯/甲基环己烷。由于该大环柱芳烃化合物具有缺电子空穴,其引入了非共价相互作用,如C-H···π、C-H···O和电荷转移相互作用,有助于分离结构相似的分子,特别是芳烃和环脂族化合物。采用该大环柱芳烃化合物制备的填充柱稳定性高,可重复使用,所需大环柱芳烃负载量较少,其分离温度低,分离物料停留时间短,分离效率高。
作为一个优选的方案,所述气相色谱分离过程中,芳香族化合物与环状脂肪族化合物的体积比控制在1~9:1范围。
作为一个优选的方案,所述气相色谱的柱温为35~50℃。在色谱分离过程中,需调控柱温在合适的范围以达到最佳的分离效率,柱温过高或过低均不利于原料的分离。
相较于现有技术,本发明的具有以下优势:
(1)制备方法简单,成本低,产率较高,可实现大规模生产。
(2)该大环柱芳烃化合物具有纳米尺寸缺电子空腔的对称结构,有利于分离结构相似的分子,特别是芳烃和环脂族化合物。
(3)作为气相色谱固定相分离芳香族化合物和环状脂肪族化合物时,填充柱制备方法简单,柱长可缩短至1米,稳定性高,可重复使用,且所需的大环柱芳烃化合物负载量较少,其分离温度低,分离物料停留时间短,分离效率高。
附图说明
图1为实施例1制备得到的大环柱芳烃化合物1H NMR。
图2为实施例1制备得到的大环柱芳烃化合物13C NMR。
图3为实施例1制备得到的大环柱芳烃化合物热重分析图。
图4为气相色谱柱分离PhH/Cy或Tol/MCy的GC色谱图,其中(a)、(c)为未负载大环柱芳烃化合物的裸露填充柱对应的GC色谱图;(b)(d)为实施例2中原料体积比为1:1时对应的GC色谱图。
图5为实施例2分离PhH/Cy或Tol/MCy的GC色谱图。
图6为实施例3分离PhH/Cy或Tol/MCy的GC色谱图。
图7为实施例4分离PhH/Cy或Tol/MCy的GC色谱图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
熔点是用WRR熔点测定仪测定的,未经校正。1H NMR,13C NMR谱记录在BrukerDMX400 NMR谱仪上。使用Bruker SMART APEX II通过直接方法测量单晶X射线数据。使用Q5000IR分析仪(TA Instruments)和自动垂直高架热天平进行热重分析(TGA),使用N2作为保护气体,以10℃/分钟的速度加热样品。
实施例1
以下是一种大环柱芳烃化合物的制备步骤:
(1)将2,5-二甲氧基苄胺(2.01g,12mmol)和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(1.47g,5mmol)用无水DMF(35mL)溶解在密封管中,然后在110℃油浴上加热12小时,冷却至室温后,将反应混合物倒入水中,用水洗涤所得黄绿色沉淀,然后真空干燥,得到2.22g中间体。该中间体为黄色固体,熔点>300℃;1H核磁共振(400MHz,氯仿-d)δ8.11(s,2H),7.99(d,J=7.9Hz,4H),6.81(d,J=9.9Hz,2H),6.76(d,J=6.7Hz,4H),4.92(s,4H),3.83(s,6H),3.73(s,6H);13C核磁共振(101MHz,CDCl3)δ167.53,153.47,151.37,145.18,133.37,132.94,131.94,125.18,124.18,122.20,115.15,112.56,111.49,56.11,55.73,37.07。
(2)将中间体(1.18g,2.0mmol)和多聚甲醛(180mg,6.0mmol)加入到二氯甲烷(150mL)中混合,向混合物中加入三氟化硼乙醚(0.3mL,2.4mmol),再将该混合物在60℃下搅拌12小时,然后通过加入150mL水来终止反应,分离有机层,用无水硫酸镁干燥,真空除去溶剂,残留物通过硅胶柱色谱分离(色谱柱填料为100-200目硅胶,洗脱剂:1∶15乙酸乙酯/DCM),得到544mg大环柱芳烃化合物,其为黄绿色固体,经计算,产率为45%。该大环柱芳烃化合物熔点>300℃,其1H核磁共振(400MHz,氯仿-d)δ7.96(s,4H),7.86(t,J=5.9Hz,8H),6.90(s,4H),6.69(s,4H),4.85(s,8H),3.87(s,4H),3.76(s,12H),3.69(s,12H);其13C核磁共振(101MHz,CDCl3)δ167.56,167.19,151.26,144.92,133.32,132.68,131.86,129.86,123.88,122.17,121.80,114.26,113.50,56.30,56.11,37.36,30.20。
如图3所示,本发明所制得的大环柱芳烃化合物在400℃以下几乎没有观察到重量损失,表明其具有良好的热稳定性。
实施例2
首先实施例1制得的大环柱芳烃化合物(100mg)溶解在15mL氯仿中,然后加入2g40-60目的红色载体6201,将上述混合物在真空下干燥,并将残余物在120℃下再干燥4小时。将装载有大环柱芳烃化合物的载体装入1.0米长、2.0毫米内径的不锈钢柱中。在填充过程中,连续轻敲柱并压实填料,然后获得含大环柱芳烃化合物的填充柱。将色谱柱装入柱箱,先在120℃下活化12小时。在Fuli 9790II气相色谱系统上对苯/环己烷(PhH/Cy)或者甲苯/甲基环己烷(Tol/MCy)进行分离,控制载气流速为25ml/min,进样体积为0.1uL,同时控制苯与环己烷(PhH/Cy)或者甲苯与甲基环己烷(Tol/MCy)的体积比分别为1:9,1:4,1:1,4:1,9:1,并且当待分离原料为苯/环己烷(PhH/Cy)时,控制柱温为35℃;当待分离原料为甲苯/甲基环己烷(Tol/MCy)时,控制柱温为50℃。
另外,采用不负载大环柱芳烃化合物的红色载体6201作为气相色谱柱填料,形成裸露的填充柱作为对照组,并控制相应原料体积比为1:1,其他条件依次不变。
如图4所示,当苯与环己烷(PhH/Cy)或者甲苯与甲基环己烷(Tol/MCy)的体积比为1:1时,裸露的填充柱无法分离PhH/Cy或者Tol/MCy(a/c),而实施例2采用装载了负载有大环柱芳烃化合物的填充柱能够将PhH/Cy或者Tol/MCy有效分离出来(b/d),并且环己烷(Cy)和苯(PhH)的保留时间分别为0.67和1.84分钟;甲基环己烷(MCy)与甲苯(Tol)的保留时间分别为0.76和2.42分钟。而图5表明,将PhH与Cy的体积比从1:1增加到4:1或9:1,其分离效率基本不变(a);同样,将Tol与MCy体积比从1:1增加到4:1或9:1,其分离效率也基本不变(b)。
实施例3
在实施2的基础上,重复5次进料分离:控制苯与环己烷(PhH/Cy)或者甲苯与甲基环己烷(Tol/MCy)的体积比为1:1,其他条件保持不变。
如图6所示,即使在重复使用5次后,苯与环己烷(PhH/Cy)或者甲苯与甲基环己烷(Tol/MCy)的保留时间也没有发生明显变化,表明采用本发明中的大环柱芳烃化合物制备得到的填充柱循环再生利用率高。
实施例4
在实施例2的基础上,分别在半个月、1个月、2个月后采用该填充柱对苯/环己烷(PhH/Cy)或者甲苯/甲基环己烷(Tol/MCy)进行气相色谱分离,控制苯与环己烷(PhH/Cy)或者甲苯与甲基环己烷(Tol/MCy)的体积比为1:1,其他条件保持不变。
从图7中可以看出,2个月后,采用上述填充柱对苯与环己烷(PhH/Cy)或者甲苯与甲基环己烷(Tol/MCy)进行气相色谱分离,其对应的保留时间没有发生明显变化,表明采用本发明中的大环柱芳烃化合物制备得到的填充柱稳定性较高。

Claims (10)

1.一种大环柱芳烃化合物,其特征在于,所述化合物具有式1所示结构:
2.权利要求1所述的一种大环柱芳烃化合物的制备方法,其特征在于:将2,5-二甲氧基苄胺和3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐进行亚胺化反应得到中间体,将中间体与多聚甲醛进行缩合反应,即得;
所述中间体具有式2所示结构:
3.根据权利要求2所述的一种大环柱芳烃化合物的制备方法,其特征在于:所述2,5-二甲氧基苄胺与3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐的摩尔比为2~2.5:1。
4.根据权利要求2或3所述的一种大环柱芳烃化合物的制备方法,其特征在于:所述亚胺化反应的温度为100~120℃,时间为8~16h。
5.根据权利要求2或3所述的一种大环柱芳烃化合物的制备方法,其特征在于:所述中间体与多聚甲醛的摩尔比为1:3~5。
6.根据权利要求2所述的一种大环柱芳烃化合物的制备方法,其特征在于:所述缩合反应的温度为50~80℃,时间为8~12h。
7.权利要求1所述的一种大环柱芳烃化合物的应用,其特征在于:作为色谱固定相应用。
8.根据权利要求7所述的一种大环柱芳烃化合物的应用,其特征在于:作为气相色谱固定相用于分离芳香族化合物和环状脂肪族化合物。
9.根据权利要求8所述的一种大环柱芳烃化合物的应用,其特征在于:所述气相色谱分离过程中,芳香族化合物与环状脂肪族化合物的体积比控制在1~9:1范围。
10.根据权利要求8或9所述的一种大环柱芳烃化合物的应用,其特征在于:所述气相色谱的柱温为35~50℃。
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