白浩彤,蘇崇杰,馮黎陽,莊俊鵬,*
1 北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院,北京 100029
2 北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100029
在本科大學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中僅有少量實(shí)驗(yàn)涉及到功能染料的合成,如甲基橙的合成實(shí)驗(yàn)等[1]。這是由于在克級(jí)常量染料合成實(shí)驗(yàn)中,在抽濾、洗滌、萃取和分液的過程中經(jīng)常會(huì)有遺撒,容易污染實(shí)驗(yàn)室。因此,在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,需要開發(fā)一些微量合成實(shí)驗(yàn),以避免常量染料實(shí)驗(yàn)的弊端。同時(shí),在科學(xué)研究中,經(jīng)常采用幾十毫克級(jí)的微量反應(yīng),對(duì)于本科生也需要提高微量有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)的操作技能,為將來從事科學(xué)研究工作打下良好基礎(chǔ)。
各個(gè)學(xué)校針對(duì)化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、高分子材料和材料等專業(yè)的學(xué)生,在大學(xué)三年級(jí)會(huì)開設(shè)8–10學(xué)時(shí)的專業(yè)實(shí)驗(yàn),來進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。本實(shí)驗(yàn)就是針對(duì)大學(xué)三年級(jí)的學(xué)生,將一部分發(fā)光染料開發(fā)工作設(shè)計(jì)為微量反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)驗(yàn),主旨就是為了提高大三學(xué)生的微量有機(jī)合成和產(chǎn)物分離的實(shí)驗(yàn)操作水平,鍛煉他們對(duì)紫外光譜儀和熒光光譜儀的使用,以及提高他們分析結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系的能力。
近幾十年來,功能染料取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,染料早已不再只局限于傳統(tǒng)布料印染的領(lǐng)域,在材料領(lǐng)域如光3D打印功能材料、生物領(lǐng)域如熒光標(biāo)記染料、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如光動(dòng)力學(xué)癌癥治療中的染料光敏劑、能源領(lǐng)域如敏化太陽能電池材料等,起到了越來越重要的作用[2–5]。功能染料有些是利用了其光化學(xué)性質(zhì)來應(yīng)用的,如光聚合和光致變色染料,在光照條件下發(fā)生化學(xué)變化形成新的結(jié)構(gòu);而另外一些染料在應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)并不發(fā)生改變,只是利用了染料的光物理性質(zhì),如具有各種新型發(fā)光性能的染料,如光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、近紅外化學(xué)發(fā)光染料等備受矚目[6,7]。這些優(yōu)異的功能染料的合成及性能測(cè)定也為本科大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了眾多優(yōu)質(zhì)的素材。
苝系染料是一類含有四個(gè)苯環(huán)并在一起的、大共軛體系的苝環(huán)母體結(jié)構(gòu)的染料,圖1列出了苝環(huán)母體結(jié)構(gòu)以及幾種苝系染料原料的結(jié)構(gòu),如3,4,9,10-苝四甲酸二酐(簡(jiǎn)稱苝酐)、1,6,7,12-四氯-3,4,9,10-苝四甲酸二酐(簡(jiǎn)稱四氯苝酐)和1,6,7,12-四氯-N,N'-二(2,6-二異丙基苯基)-3,4,9,10-苝二酰亞胺(簡(jiǎn)稱四氯苝二酰亞胺)。苝酐是合成苝系染料最基本的原料,可以在海灣區(qū)和軸向進(jìn)行衍生化。苝二酰亞胺類染料具有非常優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性,是一種應(yīng)用廣泛的功能染料。苝系染料通常以苝酐為原料,經(jīng)過氯化得到四氯苝酐,再與脂肪族胺或芳胺反應(yīng)制備四氯苝二酰亞胺來增加苝染料的溶解性,再將四個(gè)氯取代得到苝二酰亞胺系列的染料[8]。
圖1 苝、苝酐、四氯苝酐和四氯苝二酰亞胺的結(jié)構(gòu)
蒽酮紫是另一類功能染料,其中16,17-二甲氧基蒽酮紫是一種重要的還原染料,顏色為綠色,具有極強(qiáng)的染色牢度。而16,17-二癸氧基蒽酮紫是一類最經(jīng)典的近紅外發(fā)光染料,其合成以苯繞蒽酮為原料通過偶聯(lián)、氧化得到16,17-二羥基蒽酮紫[9],再與1-溴癸烷反應(yīng),得到目標(biāo)化合物。從20世紀(jì)60年代以來,一直在化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[10]。
本實(shí)驗(yàn)選擇苝和蒽酮紫功能染料為研究對(duì)象,合成了兩種分別具有紅光和近紅外發(fā)光特性的染料。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)為溶劑,在120 °C的相同的條件下開展反應(yīng)[6]。以四氯苝二酰亞胺為原料,在無水碳酸鉀的作用下與苯酚反應(yīng)合成了四苯氧基取代的苝二酰亞胺(1)。以16,17-二羥基蒽酮紫為原料,在無水碳酸鉀和18-冠-6-醚作用下與1-溴癸烷反應(yīng),制備了16,17-二癸氧基蒽酮紫(2),反應(yīng)式如圖2所示。雖然兩種染料結(jié)構(gòu)看上去比較復(fù)雜,但反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)單,選擇性好,收率高,反應(yīng)速率快,重復(fù)性好,該反應(yīng)適合作為本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)。
圖2 苝染料1和蒽酮紫染料2的合成路線
兩個(gè)反應(yīng)的機(jī)理類似,都是親核取代反應(yīng)。第一個(gè)反應(yīng)是芳環(huán)上的親核取代反應(yīng)機(jī)理(SNAr),苯氧基負(fù)離子作為親核試劑進(jìn)攻苝環(huán)上與氯原子相連的碳原子,連接到苝環(huán)上形成帶負(fù)電荷的中間體,氯負(fù)離子再離去,得到一苯氧基取代的產(chǎn)物,然后,再分別發(fā)生三次親核取代反應(yīng),得到四苯氧基取代的產(chǎn)物。而第二個(gè)反應(yīng)中,16,17-二羥基蒽酮紫與碳酸鉀反應(yīng)生成負(fù)離子,再進(jìn)攻1-溴癸烷中與溴相連的碳原子,發(fā)生親核取代反應(yīng),得到一取代的產(chǎn)物,再發(fā)生一次親核取代反應(yīng),連上兩個(gè)癸基,得到16,17-二癸氧基蒽酮紫。圖3列出了兩個(gè)反應(yīng)的機(jī)理。
圖3 兩種染料合成的反應(yīng)機(jī)理
本實(shí)驗(yàn)的功能染料涉及到兩種發(fā)光的現(xiàn)象,分別為光致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象。染料在溶液中或在固態(tài)條件下,當(dāng)以一定波長(zhǎng)的電磁波照射時(shí),可以吸收電磁波的能量,自身達(dá)到激發(fā)態(tài),然后從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過程中,將能量以更長(zhǎng)波長(zhǎng)的電磁波發(fā)射出來的現(xiàn)象稱為光致發(fā)光現(xiàn)象。而化學(xué)發(fā)光是在溶液中草酸二芳基酯與過氧化氫發(fā)生反應(yīng),生成1,2-二氧雜環(huán)丁烷-3,4-二酮中間體,這個(gè)活潑的中間體與化學(xué)發(fā)光染料碰撞,自身分解為兩分子的二氧化碳,而化學(xué)發(fā)光染料達(dá)到激發(fā)態(tài),從而發(fā)出光線[10,11]。
四氯苝二酰亞胺、16,17-二羥基蒽酮紫、化學(xué)發(fā)光液和氧化液均來自北京文海陽工貿(mào)有限責(zé)任公司,為工業(yè)級(jí)試劑?;瘜W(xué)發(fā)光液和氧化液分別是草酸雙(2,4,5-三氯水楊酸戊酯基)酯和過氧化氫的鄰苯二甲酸酯的溶液。雖然可以自行配制,但發(fā)光染料在商業(yè)化的發(fā)光液和氧化液中發(fā)光效果更明亮,發(fā)光時(shí)間也更長(zhǎng)。苯酚、18-冠-6醚和1-溴癸烷購(gòu)于畢得試劑公司,為分析純?cè)噭?。無水碳酸鉀和其他溶劑均為常規(guī)分析純?cè)噭?/p>
IKA加熱磁力攪拌器,11孔微量平行加熱鋁塊,手持式三用紫外線分析儀,紫外光譜儀(日立UV-3010),熒光光譜儀(日立F-7000)。
1.4.1 染料1和2的合成
在一個(gè)配備小磁子的4 mL玻璃樣品瓶中,加入60 mg (0.071 mmol)四氯苝二酰亞胺、53 mg (0.56 mmol)苯酚和78 mg (0.56 mmol)無水碳酸鉀。放在多孔平行加熱鋁塊上。在另一個(gè)配備小磁子的4 mL玻璃樣品瓶中,加入50 mg (0.10 mmol)經(jīng)過研磨的16,17-二羥基蒽酮紫粉末、57 mg (0.41 mmol)無水碳酸鉀、27 mg (0.10 mmol) 18-冠-6醚催化劑以及68 mg (0.31 mmol) 1-溴癸烷。在兩個(gè)樣品瓶中分別加入2 mL的NMP作為反應(yīng)溶劑,并將兩個(gè)樣品瓶放在11孔平行反應(yīng)加熱鋁塊上,設(shè)定溫度120 °C,磁力攪拌反應(yīng),裝置如圖4所示。其間,每隔15 min取一次樣,用薄層色譜法跟蹤反應(yīng)進(jìn)行的程度。用V石油醚:V乙酸乙酯= 4 : 1的展開劑展開。大約經(jīng)過1.5–2 h原料可以完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。
圖4 多孔平行反應(yīng)裝置
兩種染料的后處理方式完全一致。先將平行反應(yīng)鋁塊轉(zhuǎn)移到升降臺(tái)上自然冷卻。用吸管將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到50 mL雞心瓶中。再用約10 mL二氯甲烷充分洗滌樣品瓶,并將二氯甲烷溶液轉(zhuǎn)移到雞心瓶中。在雞心瓶中加入約30 mL去離子水,利用劇烈的磁力攪拌模擬分液漏斗中溶液的振蕩,水溶性的雜質(zhì)溶于水層,而產(chǎn)品在二氯甲烷層。由于染料的顏色很深,用白光在背后照射,可以清楚地看到瓶中的界面,然后用吸管小心地將下層二氯甲烷溶液吸出。再用少量二氯甲烷洗滌水相,再將二氯甲烷溶液吸出,合并二氯甲烷層,完成了分液的操作。然后,將二氯甲烷的溶液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干,并提高水浴的溫度,盡量將瓶中殘余的水分也旋蒸除去,得到染料粗品。
用2 mL二氯甲烷將染料粗品溶解。用打火機(jī)將普通的3 mL塑料吸管前端燒軟,像拉玻璃毛線管一樣,可以拉制毛細(xì)塑料吸管,很方便地在制備薄層色譜板上上樣。用電吹風(fēng)吹干樣品帶,放入大展開缸中進(jìn)行展開??紤]到染料的溶解度,對(duì)于染料1使用V石油醚:V二氯甲烷= 1 : 1的混合溶劑展開,而對(duì)于染料2使用V二氯甲烷:V乙酸乙酯= 10: 1的混合溶劑展開。大約20–30 min,樣品可以在制備薄層板上展開完畢。如圖5所示,制備薄層色譜板分離效果非常好。
圖5 染料1和染料2的制備薄層色譜分離
最后,將制備薄層色譜上的染料帶刮下來,裝入塞有棉花的玻璃漏斗,用二氯甲烷將染料洗脫下來,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干后,再用真空泵充分干燥,得到43 mg染料1,產(chǎn)率56%;51 mg染料2,產(chǎn)率65%。
1.4.2 含有染料的聚苯乙烯薄膜的制備
各取10 mg的染料1和染料2加到兩個(gè)50 mL的小燒杯中,加入20 mL乙酸乙酯,超聲將樣品溶解。分別稱取3 g左右的聚苯乙烯泡沫塑料,加入小燒杯中,泡沫塑料溶于乙酸乙酯溶液,用玻璃棒充分?jǐn)嚢?,可以得到透明的粘稠染料溶液。將溶液倒在一個(gè)培養(yǎng)皿或表面皿內(nèi),慢慢揮發(fā)乙酸乙酯,或用不高于50 °C的加熱帶烘干,得到染料均勻分散的聚苯乙烯膜。
染料1的原料四氯苝二酰亞胺在溶劑NMP中具有良好的溶解度,所以反應(yīng)很容易發(fā)生。但是染料2的原料16,17-二羥基蒽酮紫在NMP中的溶解度很差,因此,反應(yīng)前需要用研缽把原料研成細(xì)碎的粉末,提高非均相反應(yīng)的反應(yīng)速率。
對(duì)于染料的合成,可以方便地用薄層色譜法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖6是升溫到120 °C后,反應(yīng)0、15、30、45和60 min后樣品的薄層色譜展開圖,展開劑為V石油醚:V乙酸乙酯= 4 : 1,為了更清楚表示反應(yīng)的進(jìn)程,圖6中也列出了相應(yīng)的示意圖。
圖6 染料1和2的薄層色譜跟蹤圖和示意圖
從圖6中可以看出,染料1的板子從上到下顯示出五行點(diǎn),最上面一行是橙黃色的四氯苝二酰亞胺的原料點(diǎn),當(dāng)氯被苯氧基依次取代后,分子的極性逐漸增強(qiáng),展開后在板子上的高度依次降低,顏色也從橙黃向紅色轉(zhuǎn)變。板子上第二行到第五行的點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著苯氧基一取代到四取代的產(chǎn)物。結(jié)果顯示,在升溫的過程中反應(yīng)就已經(jīng)發(fā)生,出現(xiàn)了一取代的產(chǎn)物。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,原料逐漸經(jīng)過一取代、二取代和三取代的中間產(chǎn)物,最終轉(zhuǎn)化為四苯氧基取代的產(chǎn)物染料1,大約1 h左右,染料1已經(jīng)成為反應(yīng)的主產(chǎn)物點(diǎn)。
染料2的板子只有一個(gè)藍(lán)色的產(chǎn)物點(diǎn)。由于原料16,17-二羥基蒽?紫不溶于展開劑,也無法展開,所以可以發(fā)現(xiàn)原點(diǎn)處有明顯的綠色斑點(diǎn),隨著反應(yīng)進(jìn)行,展不動(dòng)的綠色斑點(diǎn)越來越淡,說明16,17-二羥基蒽酮紫與1-溴癸烷發(fā)生了反應(yīng)。反應(yīng)中并沒有檢測(cè)到一取代的中間產(chǎn)物點(diǎn),推測(cè)有兩個(gè)原因,一個(gè)可能是一取代的中間產(chǎn)物在原點(diǎn)展不動(dòng),另一種可能是一取代的中間產(chǎn)物具有更好的溶解度,比原料更容易與1-溴癸烷發(fā)生反應(yīng),所以生成的一取代的中間產(chǎn)物很快轉(zhuǎn)化為二取代的產(chǎn)物染料2。再經(jīng)過大約0.5–1 h,反應(yīng)可以進(jìn)行到底。
由于是微量反應(yīng),所以本實(shí)驗(yàn)盡量減少操作步驟和所使用的玻璃儀器。在分離操作中,只使用了50 mL的雞心瓶,通過劇烈攪拌代替萃取,用吸管轉(zhuǎn)移溶液來代替分液,將殘余的水分通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀帶走代替無水硫酸鈉干燥,這些操作最大限度地減少產(chǎn)物的損失并避免污染。
對(duì)于微量反應(yīng),制備薄層色譜板分離是一種高效的分離方法,非常適合本實(shí)驗(yàn)。采用一塊20 cm ×20 cm的制備板就可以實(shí)現(xiàn)微量染料的純化,提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能。
為了進(jìn)一步地了解兩種染料的光譜性質(zhì),配制了兩種染料1 × 10?3mol·L?1的二氯甲烷溶液,再稀釋到1 × 10?5mol·L?1,分別測(cè)定了它們的紫外光譜,再以其紫外最大吸波長(zhǎng)為激發(fā)波長(zhǎng)測(cè)定了其熒光光譜。另外,分別稱取2 mg的染料1和染料2,分別加入兩個(gè)小玻璃瓶中,在兩個(gè)瓶中分別加入1 mL商業(yè)化的發(fā)光液和1 mL商業(yè)化的氧化液,攪拌均勻,化學(xué)發(fā)光染料的濃度約1 mg?mL?1。1的瓶中迅速發(fā)出明亮的紅光,而2的瓶在室內(nèi)自然光下幾乎看不到任何變化。將染料化學(xué)發(fā)光的溶液倒入熒光比色皿中,用熒光光譜儀測(cè)定染料的化學(xué)發(fā)光光譜。由于三種譜圖的縱座標(biāo)值差別很大,所以將熒光光譜和化學(xué)發(fā)光光譜歸一化處理,使其縱坐標(biāo)值與紫外最大吸收峰的吸光度值一致,以方便比較。
從圖7中可以看出,1的紫外最大吸收波長(zhǎng)為575 nm (ε= 4.92 × 104L·mol?1·cm?1),主要吸收綠光和黃光,而其熒光光譜中最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)位于605 nm,化學(xué)發(fā)光光譜中最大發(fā)射波長(zhǎng)為630 nm?;瘜W(xué)發(fā)光光譜相比于熒光發(fā)射光譜發(fā)生25 nm的紅移,這是由于化學(xué)發(fā)光溶液中1的濃度要比熒光光譜測(cè)定時(shí)1的濃度大很多造成的。2的紫外最大吸收波長(zhǎng)為650 nm (ε= 3.82 × 104L·mol?1·cm?1),對(duì)紅光區(qū)的光線具有很好的吸收作用。其熒光發(fā)射光譜的最大發(fā)射波長(zhǎng)為707 nm,已經(jīng)接近近紅外區(qū),肉眼對(duì)這一區(qū)域的紅光已經(jīng)不敏感。而2的化學(xué)發(fā)光光譜又紅移了27 nm,發(fā)光的隱蔽性更好,更不易被肉眼發(fā)現(xiàn)。
圖7 染料1和2的紫外光譜、歸一化的熒光光譜和化學(xué)發(fā)光光譜
為了直觀地讓學(xué)生感受到光致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光的應(yīng)用,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了用紅色和綠色激光筆作為光源,來驗(yàn)證兩種染料的光致發(fā)光。將兩種染料配成溶液,其濃度可自行調(diào)節(jié),濃度越大,對(duì)光線吸收作用越強(qiáng)。濃度越小,對(duì)光線的透過性越好。將染料的溶液裝入熒光比色皿中進(jìn)行照射??梢灾苯邮褂脺y(cè)定紫外光譜時(shí)配好的1 × 10?3mol·L?1的二氯甲烷溶液。
綠色激光筆的發(fā)射波長(zhǎng)在532 nm附近,正好位于1的吸收區(qū)域。用綠色激光筆照射1的溶液,發(fā)現(xiàn)綠光被1的溶液吸收,比色皿發(fā)出了明亮的紅光,綠色的入射光被轉(zhuǎn)化成了紅光,效果直觀有趣。紅色激光筆的發(fā)射波長(zhǎng)在630 nm附近。用紅色激光照射1的溶液,紅光會(huì)穿透過去,說明1不吸收紅光。
用綠色激光筆去照射2的溶液,發(fā)現(xiàn)綠光可以穿透藍(lán)色的2的溶液,說明2在綠光區(qū)幾乎沒有吸收。但用紅光去照射2的溶液,發(fā)現(xiàn)紅光被2吸收,并通過光致發(fā)光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為近紅外光。由于近紅外光肉眼不可見,不容易直接觀察到。圖8是1和2的溶液在綠色和紅色激光筆照射下的情況。
圖8 染料1和染料2的溶液在綠光(左)和紅光(右)照射下的情況
用1和2的聚苯乙烯薄膜試驗(yàn)也是相同的效果。圖9是1和2的聚苯乙烯膜對(duì)紅光和綠光透過的示意圖。
圖9 染料1和染料2的聚苯乙烯膜對(duì)紅光和綠光透過的示意圖
最有趣的實(shí)驗(yàn)是化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn),1和2是在化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域最經(jīng)典的紅光和近紅外化學(xué)發(fā)光染料。染料1的紅色化學(xué)發(fā)光非常明顯,但2的近紅外化學(xué)發(fā)光非常不明顯。將2的瓶子放入暗箱中,用肉眼從觀察孔中仔細(xì)觀察,可以發(fā)現(xiàn)瓶身呈微弱的暗紅色,但如果用近紅外檢測(cè)目鏡觀察,馬上呈現(xiàn)出明亮的近紅外化學(xué)發(fā)光,如圖10所示。通過自己親手合成的染料實(shí)現(xiàn)紅色和近紅外化學(xué)發(fā)光,可以大大激發(fā)學(xué)生的興趣,并讓學(xué)生深入思考化學(xué)發(fā)光的應(yīng)用。
圖10 染料1和染料2的化學(xué)發(fā)光(左)和染料2在暗室中的近紅外化學(xué)發(fā)光(右)
本實(shí)驗(yàn)采用微量法合成了兩種功能染料,其中苝染料具有紅色發(fā)光性能而蒽酮紫染料具有近紅外發(fā)光性能。這兩種染料同時(shí)具有良好的光致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光的性能,通過簡(jiǎn)單的綠色和紅色的激光筆就可以直接觀察到兩種染料的化學(xué)發(fā)光。而簡(jiǎn)單的化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)生的興趣和開發(fā)近紅外化學(xué)發(fā)光的應(yīng)用。通過對(duì)紫外吸收、光致發(fā)光光譜、化學(xué)發(fā)光光譜的分析,同學(xué)們可以從本質(zhì)上了解兩種發(fā)光現(xiàn)象的原理。本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充實(shí),鍛煉了學(xué)生的有機(jī)合成技巧,提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力,是一項(xiàng)適合化學(xué)以及材料相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生開展的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)。
1) 通過微量平行反應(yīng)和相同的后處理方法合成了兩種發(fā)光染料;
2) 這兩種染料都同時(shí)具有優(yōu)異的光致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光的性能;
3) 通過簡(jiǎn)單的紅綠激光筆以及化學(xué)發(fā)光溶液展示絢麗的發(fā)光之美。