尿素-氯化胆碱低共熔溶剂中邻苯二腈合成酞菁铜的研究

2022-08-13冯树波任振立韩桂强刘振法

化学反应工程与工艺 2022年3期

冯树波，任振立，韩桂强，刘振法

1.河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄 050018；

2.河北省科学院能源研究所，河北石家庄 050000

癌症的光学治疗包括光动力疗法（PDT）和光热治疗（PTT），由于其方便性和微创性，成为一种有效治疗癌症的新兴技术，其中光敏剂是PDT 的关键因素之一。酞菁（Pc）配合物因具有结构较易修饰、暗毒性低、光物理和光化学特性较理想等特点，被认为是一类很有潜力的光敏剂。此外，金属酞菁类化合物由于有优异的光、电和磁等特性，以及良好的化学及热稳定性，其应用已经从最初的染料和颜料扩展到催化、太阳能、印刷油墨和光电信息材料等各个领域[1-9]，还显示出作为分子导体、分子电子元器件、分子磁体、光电转换、电致变色和液晶等新型功能性材料的巨大潜力。随着酞菁及金属酞菁衍生物应用领域的不断拓展，研发可持续且高效的金属酞菁清洁合成路线非常必要。

酞菁是一类由8 个N 原子、8 个C 原子组成的16 中心18π 电子的芳香共轭体系的大环共轭配合物。普通颜料级酞菁铜一般是以苯酐和尿素为原料、三氯苯或高沸点烷基苯为溶剂，尿素提供氮源置换苯酐分子中的氧原子，生成邻苯二甲酰亚胺、二氨基吲哚啉中间体[10-11]，再与金属离子络合后得到金属酞菁。该工艺过程的反应温度很高，副产物较多，很难得到结构均匀的金属酞菁产品，而且整个生产过程环保成本较高。对于要求较高，特别是苯环上带有很多取代基官能团的功能性金属酞菁的合成，一般是采用邻苯二腈为原料，所得产品结构均匀。因氰基上含有氮原子，碳原子的活性较高，因而所需的反应温度较低，得到的金属酞菁产品中副产物少、纯度高，且晶型较完整，能够满足高档金属酞菁化合物的多种用途。然而，该低温反应工艺需要无法有效回收的强碱性1,8-二氮杂环[5,4,0]十一烯-7（DBU）的催化作用才能合成酞菁环状结构，同时需要戊醇等有机溶剂对物料进行分散才有利于反应的进行，与绿色化学要求相距甚远，因此限制了其发展。

近年来，低成本和环境友好的低共熔溶剂（DES）体系引起了科学家和研究人员的高度关注。低共熔溶剂是指由一定化学计量比的氢键受体（如季铵盐）和氢键供体（如酰胺、羧酸和多元醇等化合物）组合而成的两组分或三组分低共熔混合物，其凝固点显著低于各个组分纯物质的熔点。尿素-氯化胆碱就是其中一种[12]。低共熔溶剂是一大类溶剂[13]，与离子液体有许多相似之处，其制备过程简单、成本低使其比离子液体更具工业化前景[14-17]。

文献报道[18-20]，使用尿素-氯化胆碱低共熔溶剂催化邻苯二腈合成功能性金属酞菁时，尿素-氯化胆碱低共熔溶剂既是反应过程中的溶剂，又是反应的催化剂，且在110～150 ℃下即可反应。本工作研究了尿素-氯化胆碱低共熔溶剂中酞菁铜的合成过程，考察了不同工艺条件对反应过程和酞菁铜收率的影响，以期为酞菁铜的绿色合成和产物精制提供有价值的信息。

1 实验部分

1.1 酞菁铜制备与结构表征

将脱水后干燥的氯化胆碱与尿素按物质的量之比为1:2 进行混合，在80 ℃下搅拌2 h，获得澄清的低共熔溶剂。向250 mL 带冷凝管的玻璃烧瓶中加入20 mL 尿素-氯化胆碱低共熔溶剂，然后加入2.56 g 工业级邻苯二甲腈，缓慢升温至80 ℃，依次加入0.50 g 工业级氯化亚铜和0.10 g 钼酸铵催化剂，溶液变为浅绿色，继续升温至120～130 ℃，冷凝管中通冷却水，恒温反应1 h 直至溶液变为蓝色。然后加入100 mL 蒸馏水稀释，过滤得不溶的粗产品，依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤后干燥。将干燥产物溶于20 mL 浓H2SO4中，从500 mL 蒸馏水中沉淀，滤出并用水洗涤，在烘箱中80 ℃下干燥，得到蓝色固体产物酞菁铜。

采用溴化钾压片法对酞菁铜样品进行傅里叶变换红外（FT-IR）测试（美国Thermo Fisher 公司Nicolet6700 型红外光谱仪）。以二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，采用UV-2550 紫外-可见分光光度计测试酞菁铜的紫外-可见光谱图。在美国TA 公司Q600 型热重-差热分析仪（TGA-DSC）上测试所合成酞菁铜样品的热性质，试样量为8～15 mg，N2流速为60 mL/min，升温速率为20 ℃/min。酞菁铜样品的晶型采用日本理学公司SmartLab9KW 型X 射线粉末衍射仪（XRD）测定。

1.2 邻苯二腈合成酞菁铜过程

邻苯二腈合成酞菁铜反应如式（1）所示[18]。

酞菁铜产率（Y）计算如下：

式中：m1为酞菁铜实际产量，g；m为酞菁铜理论产量，g；n2为生成的酞菁铜理论摩尔数；M为酞菁铜的分子量。

2 结果与讨论

2.1 合成条件优化

首先考察了钼酸铵对尿素、尿素-氯化胆碱DES 中尿素分解的催化作用。通过实验发现，在升温过程中添加钼酸铵，烧瓶中产生的气泡明显较不加钼酸铵的要多，因此推断，钼酸铵的加入可以促进尿素和尿素-氯化胆碱DES 中尿素的分解。

采用正交实验设计L9(34)，考察了温度、物料比、加料顺序以及催化剂用量对酞菁铜产率的影响，实验条件和结果如表1 所示。

表1 反应条件对酞菁铜产率的影响Table 1 Effect of reaction conditions on the yield of copper phthalocyanine

基于表1 结果，以及温度水平对酞菁铜产率影响的极差分析推测，温度越低酞菁铜产率越高。为验证正交实验预测的准确性，以第7 组实验为例，将温度130～140 ℃改变为110～120 ℃，验证实验所得酞菁铜为1.376 g，实际产率为97.52%，与正交实验的趋势预测一致。

根据实验数据和实验现象，本研究提出如下反应机理：酞菁环的形成受两个因素制约，一是尿素分解释放氨的速率，二是由邻苯二甲腈生成金属酞菁的成环速率。所以要控制催化剂的加入时间和用量。

2.2 尿素-氯化胆碱低共熔溶剂中酞菁铜合成反应机理剖析

近些年来，对DES 各方面的研究和应用都越来越多，但对其稳定性却很少研究。在一些反应中，DES 的特殊结构和热稳定性关系到反应产物分布和催化效应[21]。通过分子动力学模拟和振动分析表明，尿素-氯化胆碱DES 中大量形成了N—H···O=C 和N—H···Cl—的氢键。

本研究发现，单纯尿素分解放出氨气的温度为130 ℃以上，尿素-氯化胆碱DES 在80 ℃就有少量氨气放出，当温度高于120 ℃时，持续释放氨气。基于实验结果和文献报道[18]，提出可能的酞菁铜合成反应机理如图1 所示。首先，尿素分解为异氰酸和氨；然后DES 亲核活化邻苯二甲腈的氰基，再通过攻击氰基碳分子间环化得到关键中间体二亚氨基二氢吲哚；DES 加速分子内环化，即酞菁骨架的形成。从反应机理推断，酞菁铜合成是通过尿素首先分解为异氰酸和氨开始，钼酸铵的添加可促进尿素分解和酞菁环的形成，可得到较高收率和纯度的酞菁铜。

图1 DES 中酞菁铜合成可能的反应机理Fig.1 Proposed pathway for the synthesis of metallophthalocyanines in DES

此外，邻苯二甲腈与金属离子转化成金属酞菁属于体积和熵减少的反应，加压有利，高压可增加金属酞菁环的形成速率和产率。基于“孔理论”，DES 黏度对应于流体中容许适当离子运动的可用孔数，DES 的高黏度导致高压空腔产生，DES 中广泛存在的氢键网络影响这个空腔的形成，进而影响孔数和黏度。

2.3 产品精制过程以及尿素-氯化胆碱低共熔溶剂循环使用研究

传统的酞菁铜产品提纯采用浓硫酸精制，即用硫酸溶解产物，然后加水稀释浓硫酸使产物析出。实验考察了稀硫酸热煮-过滤和浓硫酸溶解-过滤两种精制模式，结果表明两者提纯效果相差不大。同时，在100 mL DES、2.56 g 邻苯二甲腈、0.30 g 氯化亚铜、0.10 g 钼酸铵和120 ℃条件下，考察了反应体系的循环使用性能。在通过过滤的方式获得第一批酞菁铜产品后，料液中补加一定量的尿素（残留在料液中的氯化胆碱与尿素结合成新的低共熔溶剂），再添加2.56 g 邻苯二甲腈、0.30 g 氯化亚铜和0.10 g 钼酸铵，在120 ℃条件下继续反应，第二次反应产品的收率仍达到85%以上，而且未参与反应的尿素-氯化胆碱低共熔溶剂以及残留的铜盐和催化剂均可循环使用。

2.4 产品结构表征

2.4.1 红外光谱表征

合成的酞菁铜样品和工业品的红外光谱如图2 所示。两个图的峰形比较相近。从图中可以看出，酞菁铜在3 047 cm-1出现强而尖锐的吸收峰是芳环上的C—H。2 217 cm-1对应的为C—N 的伸缩振动峰。1 598，1 506，1 465，1 420 和1 332 cm-1为芳香体系中C=C 双键的伸缩振动峰，是芳环的骨架伸缩振动。1 400～1 100 cm-1的峰应该为苯环以及含氮环上的C—H 面内弯曲振动。中强峰899 cm-1归属于金属-配体的振动。754 cm-1和723 cm-1应该为环上的面外弯曲振动峰。所以可初步确定所合成产品为酞菁铜结构。因酞菁类化合物的提纯比较困难，使得红外图谱中的吸收峰有些复杂。

图2 酞菁铜样品（a）和工业品（b）的红外光谱Fig.2 Infrared spectra of copper phthalocyanine sample prepared (a) and industrial product (b)

2.4.2 紫外光谱表征

图3 所示为酞菁铜样品的紫外-可见光谱。由图3 可以看出，不同条件下制得的酞菁铜样品的紫外-可见光谱图比较接近，在700 nm 附近有一个中等强度的吸收峰，可能为酞菁配合物的Q 带；在300～400 nm 也有吸收峰，对应B 带，由Q 带和B 带可认定所测试样品中含有酞菁环结构。

图3 酞菁铜的紫外可见光光谱Fig.3 UV-visible spectrum of copper phthalocyanine

2.4.3 热重-差热分析

图4 所示为酞菁铜样品的热重-差热曲线。由图4 可以看出，酞菁铜的热稳定性很好。在300 ℃仅失重了6%，619 ℃失重加大到40%，有一个吸热峰。

图4 浓H2SO4 溶解精制后酞菁铜的热重-差热分析曲线Fig.4 TGA-DTA curve of copper phthalocyanine purified by concentrated sulfuric acid

2.4.4 XRD 测试

图5 为DES 催化邻苯二腈制备并用浓硫酸精制后的酞菁铜样品的XRD 图。根据PDF 36-1883 卡片进行对比，本研究得到的酞菁铜为α晶型。酞菁铜具有5 种晶型（α，β，γ，δ和ε），不同晶型的金属酞菁其颜色等物理性质也有少许不同，其中α为亚稳态，β为稳定态。α晶型通过真空加热到一定温度可以转变为β晶型，β晶型通过溶于浓度98%浓硫酸可以沉析得到α晶型，实验结果与多数文献的报道一致。