CN102241681A - 羧酸基取代金属酞菁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机化合物制备技术领域，具体涉及羧酸基取代金属酞菁的制备方法，制备的机理为：利用传统的苯酐热四聚反应合成粗品羧基取代金属酞菁。带有羧酸基取代基的酞菁，由于羧酸基团极性大，不适合用柱色谱分离纯化。通过把酞菁环周围的羧酸取代基变成酯基，就可进行柱色谱分离纯化。纯化后，经水解得到高纯度的羧基金属酞菁。本发明改进了传统苯酐四聚的酞菁制备方法，制备中没使用其他溶剂。酰胺水解后在碱性条件下将羧酸基团与卤代烷反应，使其转变为酯基，并将其用柱色谱纯化，水解得到了高纯度的羧酸基取代金属酞菁，成本低，工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于有机化合物制备技术领域，具体涉及羧酸基取代金属酞菁的制备方法。
背景技术
酞菁作为一种重要的有机功能材料有很多用途：最初被用作为染料，近些年，由于酞菁特殊的光学和电学性质，它又在很多领域发现广泛的用途，如：材料科学，药物，光储存，催化等。但是酞菁溶解度有限，尤其是水溶酞菁种类极少，羧酸基取代金属酞菁作为一种重要的水溶酞菁得到了广泛的应用。目前，苯酸酐的高温四聚，得到粗产品后经过酸洗，碱洗，溶剂洗，是制备羧酸酞菁的主要方法，但是最终得到的羧酸酞菁的纯度不高，无法达到某些行业应用的要求。较高纯度的羧酸基取代酞菁的制备方法主要包括两种：第一种，邻二甲苯经过卤化，氧化，酯化，氰化后制备出酯基取代邻苯二氰，四聚后水解得到八羧酸基取代金属酞菁；第二种，1，2，4，5-四氰基苯聚合后水解，进一步在酸催化条件下与醇反应，然后水解。这两种方法路线长，原料贵，经济性差。
发明内容
本发明解决的技术问题是，解决上述现有技术的不足，提供一种成本低，工艺简单，生产纯度高的羧酸基取代金属酞菁的制备方法。
本发明的技术方案是，羧酸基取代金属酞菁的制备方法，主要特点是，依次经过以下步骤：
1、固相合成：把苯酐、金属盐、钼酸铵、氯化铵、尿素充分混合，其中苯酐与金属盐的摩尔比为1∶3-5，苯酐与钼酸铵的摩尔比为1∶0.0023-0.03，钼酸铵与氯化铵的摩尔比为1∶0.0047，苯酐与尿素的摩尔比1∶10-20，研磨均匀，转入烧杯，在150-300℃下，加热2-10小时，得到蓝黑色酰胺基取代金属酞菁固体粗品，使用浓度为1-10mol/L的浓盐酸煮沸浸泡该粗品，洗涤、离心至上清液无颜色。
2、酰胺水解：将步骤1中酰胺基取代金属酞菁粗品，加蒸馏水，氢氧化钠，过饱和氯化钠溶液，其中蒸馏水与氢氧化钠的比例关系为每100mL蒸馏水4-8g氢氧化钠，温度在70-110℃下，搅拌，水解24-96小时，滤掉清液，将固体用水溶解，盐酸中和碱，将PH调至1-4，静置，洗涤离心，控制悬浊液PH在2-5，在70℃时将固体烘干，得蓝黑色羧酸基取代金属酞菁固体粗品。
3、酯化反应：取步骤2中得到的羧酸基取代金属酞菁粗品，碱，置于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，其中粗品羧酸基取代金属酞菁与碱的摩尔比为1∶24-80，将混合物加热升温至40-90℃后，将卤代烷RX的DMF溶液在1-4小时内缓慢滴加到反应混合液中，羧酸金属酞菁粗品与RX的摩尔比为1∶40-80，反应停止后，除掉溶剂，使用含甲醇0.1％-0.5％的三氯甲烷作为流动相进行柱层析，得蓝色酯基取代金属酞菁固体，使用甲醇/三氯甲烷重结晶。
4、水解反应：配制甲醇/水＝9/2的氢氧化钠饱和溶液，取步骤3中得到的酯基取代金属酞菁，溶解到四氢呋喃中，四氢呋喃用量：每克酞菁50mL四氢呋喃，然后缓慢滴加到氢氧化钠甲醇水饱和溶液中，四氢呋喃与氢氧化钠甲醇水溶液的体积比为1∶11，在40℃下，加热4h，反应完后，有蓝绿色沉淀，过滤，分别用甲醇，三氯甲烷冲洗沉淀，真空干燥，得纯净的羧酸基取代金属酞菁。
本发明中所述的苯酐为偏苯三甲酸酐或均苯四间酸酐。
本发明中所述的碱选自碳酸钾，三乙胺，1，8-二氮杂环[5，4，0]十一-7-烯(DBU)。
本发明中所述的RX中的R为C4-C12，X为Br，I，苯磺酰基或对甲苯磺酰基。
本发明制备方法的机理如下：
利用传统的苯酐热四聚反应合成粗品羧基取代金属酞菁。带有羧酸基取代基的酞菁，由于羧酸基团极性大，不适合用柱色谱分离纯化。通过把酞菁环周围的羧酸取代基变成酯基，就可进行柱色谱分离纯化。纯化后，经水解得到高纯度的羧基金属酞菁。
化学反应方程式如下：
本发明中，改进了传统苯酐四聚的酞菁制备方法，制备中没使用其他溶剂。酰胺水解后在碱性条件下将羧酸基团与卤代烷反应，使其转变为酯基，并将其用柱色谱纯化，水解得到了高纯度的羧酸基取代金属酞菁，成本低，工艺简单。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
1、固相合成
(1)按下列比例称取药品
| 偏苯三酸酐 | 醋酸锌 | 钼酸铵 | 氯化铵 | 尿素 |
| 0.0166mol | 0.005mol | 0.5mmol | 0.0075mol | 0.133mol |
| 3.20g | 1.10g | 0.0751g | 0.4029g | 8.0g |
(2)把药品混合于研钵中，充分研磨均匀，转人烧杯中。
(3)在200℃下加热3.5小时。
(4)得到蓝黑色四酰胺基取代酞菁锌固体，使用6mol/L浓盐酸加热浸泡。
(5)洗涤离心至上清液无颜色。
2、酰胺水解
(1)在聚四氟塑料杯中，将四酰胺基取代酞菁锌固体转移其中，加100mL蒸馏水，4.0g氢氧化钠，40.0g氯化钠。
(2)在碱性条件水解，t＝90℃，搅拌，水解48小时。
(3)滤掉清液，将固体用水溶解，过滤。
(4)滤液中加入6mol/L的盐酸，将PH调至PH值为2，静置。
(5)洗涤离心，控制悬浊液PH值为3，在70℃下将四羧酸基取代酞菁锌粗品烘干，产率32％。
3、酯化
(1)分别称量150.8mg(0.2mmol)四羧酸基取代酞菁锌粗品，0.809g(8mmol)三乙胺，10mL DMF于50mL圆底烧瓶中，再将1.10g(8mmol)正溴丁烷用DMF稀释到10mL。
(2)将反应物在80℃下加热，用恒压滴液漏斗滴加10mL正溴丁烷溶液，在2小时内缓慢滴加，反应2天。
(3)反应停止后，除掉溶剂，使用甲醇/三氯甲烷＝1/100流动相进行柱层析，得到蓝色四酯基取代金属酞菁锌固体，使用甲醇/三氯甲烷重结晶，产率53％。
4、水解
(1)取100mg四酯基取代酞菁锌溶解到5mL的四氢呋喃中。
(2)配制甲醇/水＝9/2的氢氧化钠饱和溶液，取55mL的该溶液于150mL的圆底烧瓶中。
(3)把配置好的酞菁溶液缓慢滴加到圆底烧瓶中，水浴，在40℃下，加热4小时。
(4)反应完后，瓶底有蓝绿色沉淀，过滤，分别用甲醇，三氯甲烷冲洗沉淀，真空干燥，得到四羧酸基取代酞菁锌，产率91％。
最终以偏苯三酸酐为原料到四羧酸基取代酞菁锌的总产率为：15.4％。
实施例二
1、固相合成
(1)按下列比例称取药品
| 偏苯三酸酐 | 六水氯化钴 | 钼酸铵 | 氯化铵 | 尿素 |
| 0.0166mol | 0.005mol | 0.5mmol | 0.0075mol | 0.133mol |
| 3.20g | 1.19g | 0.0751g | 0.4029g | 8.0g |
(2)把药品混合于研钵中，充分研磨均匀，转入烧杯中密封。
(3)放入马福炉中在200℃下加热3.5小时。
(4)得到蓝黑色四酰胺基取代酞菁钴固体粗品，使用6mol/L浓盐酸加热浸泡。
(5)洗涤离心至上清液无颜色。
2、酰胺水解
(1)在聚四氟塑料杯中，将酰胺基取代酞菁钴固体转移其中，加100mL蒸馏水，4.0g氢氧化钠，40.0g氯化钠。
(2)在碱性条件水解，t＝90℃，搅拌，水解48小时。
(3)滤掉清液，将固体用水溶解，过滤。
(4)滤液中加入6mol/L的盐酸，将PH调至PH值为2，静置。
(5)洗涤离心，控制悬浊液PH值为3，在70℃时将四羧酸基取代酞菁钴粗品烘干，产率80％。
3、酯化
(1)分别称量149.6mg(0.2mmol)四羧酸基取代酞菁钴粗品，1.10g(8mmol)碳酸钾，10mL DMF于50mL圆底烧瓶中，再将1.10g(8mmol)正溴丁烷用DMF稀释到10mL。
(2)将反应物在80℃下加热，用恒压滴液漏斗滴加10mL正溴丁烷溶液，在2小时内缓慢滴加，反应2天。
(3)反应停止后，过滤掉碳酸钾，除掉溶剂，使用甲醇/三氯甲烷＝1/100流动相进行柱层析，得到蓝色四酯基取代酞菁钴固体，使用甲醇/三氯甲烷重结晶，产率62％。
4、水解
(1)取100mg四酯基取代酞菁钴溶解到5mL的四氢呋喃中。
(2)配制甲醇/水＝9/2的氢氧化钠饱和溶液，取55mL的该溶液于150mL的圆底烧瓶中。
(3)把配置好的酞菁溶液缓慢滴加到圆底烧瓶中，水浴，在40℃下，加热4小时。
(4)反应完后，瓶底有蓝绿色沉淀，过滤，分别用甲醇，三氯甲烷冲洗沉淀，真空干燥，得到四羧酸基取代酞菁钴，产率91％。
最终以偏苯三酸酐为原料到四羧酸基取代酞菁钴的总产率为：45.1％。
实施例三
1、固相合成
(1)按下列比例称取药品
| 偏苯三酸酐 | 硫酸铜 | 钼酸铵 | 氯化铵 | 尿素 |
| 0.0166mol | 0.005mol | 0.5mmol | 0.0075mol | 0.133mol |
| 3.20g | 0.80g | 0.0751g | 0.4029g | 8.0g |
(2)把药品混合于研钵中，充分研磨均匀，转入烧杯中密封。
(3)在200℃下加热3.5小时。
(4)得到蓝黑色四酰胺基取代酞菁铜固体，使用6mol/L浓盐酸加热浸泡。
(5)洗涤离心至上清液无颜色。
2、酰胺水解
(1)在聚四氟塑料杯中，将四酰胺基取代酞菁铜转移其中，加100ml蒸馏水，4.0g氢氧化钠，40.0g氯化钠。
(2)在碱性条件水解t＝90℃，搅拌，水解48小时。
(3)滤掉清液，将固体用水溶解，过滤。
(4)滤液中加入6mol/L的盐酸，将PH调至PH值为2，静置。
(5)洗涤离心，控制悬浊液PH值为3，在70℃时将四羧酸基取代酞菁铜粗品烘干，产率43％。
3、酯化
(1)分别称量150.6mg(0.2mmol)四羧酸基取代酞菁铜粗品，0.809g(8mmol)三乙胺，10mL DMF于50mL圆底烧瓶中，再将1.10g(8mmol)正溴丁烷用DMF稀释到10mL。
(2)将反应物在80℃下加热，用恒压滴液漏斗滴加10ml正溴丁烷溶液，在2小时内缓慢滴加，反应2天。
(3)反应停止后，除掉溶剂，使用甲醇/三氯甲烷＝1/100流动相进行柱层析，得蓝色四酯基取代金属酞菁铜固体，使用甲醇/三氯甲烷重结晶，产率67.4％。
4、水解
(1)取100mg四酯基取代酞菁铜溶解到5mL的四氢呋喃中。
(2)配制甲醇/水＝9/2的氢氧化钠饱和溶液，取55mL的该溶液于150mL的圆底烧瓶中。
(3)把配置好的酞菁溶液缓慢滴加到圆底烧瓶中，水浴，在40℃下，加热4小时。
(4)反应完后，瓶底有蓝绿色沉淀，过滤，分别用甲醇，三氯甲烷冲洗沉淀，真空干燥，得四羧酸基取代酞菁铜，产率90％。
最终以偏苯三酸酐为原料到四羧酸基取代酞菁铜的总产率为：26.0％。
实施例四
1、固相合成
(1)按下列比例称取药品：
| 均苯四甲酸酐 | 六水和氯化钴 | 钼酸铵 | 尿素 |
| 0.022mol | 0.0058mol | 0.052mmol | 0.23mol |
| 4.8g | 1.4g | 0.064g | 13.8g |
(2)把药品混合于研钵中，充分研磨均匀，转入烧杯中密封。
(3)在220℃下加热6小时。
(4)得到蓝黑色八酰胺基取代酞菁钴固体，使用6mol/L浓盐酸加热浸泡。
(5)洗涤离心至上清液无颜色。
2、酰胺水解
(1)在聚四氟塑料杯中，将八酰胺基取代酞菁钴固体转移其中，加100mL蒸馏水，4.0g氢氧化钠，40.0g氯化钠。
(2)在碱性条件水解，t＝90℃，搅拌，水解48小时。
(3)滤掉清液，将固体用水溶解，过滤。
(4)滤液中加入6mol/L的盐酸，将PH调至PH值为2，静置。
(5)洗涤离心，控制悬浊液PH值为3，在70℃时将八羧酸基取代酞菁钴粗品烘干，产率49％。
3、酯化
(1)取92.3mg(0.1mmol)八羧酸基取代酞菁钴粗品，于50mL圆底烧瓶中，称量365.3mg(2.4mmol)DBU滴加于圆底烧瓶中，5mL DMF于其中，取1.09g(8mmol)正溴丁烷用DMF稀释到10mL。
(2)将反应物在80℃下加热，用恒压滴液漏斗滴加10mL正溴丁烷溶液，在2小时内缓慢滴加，反应3天。
(3)停止反应后，除掉溶剂，使用甲醇/三氯甲烷＝5/1000流动相进行柱层析，得到蓝色八酯基取代酞菁钴固体，使用甲醇/三氯甲烷重结晶，产率50％。
4、水解
(1)取100mg八酯基取代酞菁钴溶解到5mL的四氢呋喃中。
(2)配制甲醇/水＝9/2的氢氧化钠饱和溶液，取55mL的该溶液于150mL的圆底烧瓶中。
(3)把(1)中配置好的酞菁溶液缓慢滴加到圆底烧瓶中，水浴，在40℃下，加热4小时。
(4)反应完后，瓶底有蓝绿色沉淀，过滤，分别用甲醇，三氯甲烷冲洗沉淀，真空干燥，得到八羧酸基取代酞菁钴，产率为89％。
最终以均苯四甲酸酐为原料到八羧酸基取代酞菁钴的总产率为：21.8％。
实施例五
1、固相合成
(1)按以下比例称取药品：
| 均苯四甲酸酐 | 硫酸铜 | 钼酸铵 | 尿素 |
| 0.022mol | 0.0058mol | 5.2mmol | 0.23mol |
| 4.8g | 0.928g | 0.064g | 13.8g |
(2)把药品混合于研钵中，充分研磨均匀，转入烧杯中密封。
(3)在220℃下加热6小时。
(4)得到蓝黑色八酰胺基取代酞菁铜固体，使用6mol/L浓盐酸加热浸泡。
(5)洗涤离心至上清液无颜色。
2、酰胺水解
(1)在聚四氟塑料杯中，将八酰胺基取代酞菁铜固体转移其中，加100mL蒸馏水，4.0g氢氧化钠，40.0g氯化钠。
(2)在碱性条件水解，t＝90℃，搅拌，水解48小时。
(3)滤掉清液，将固体用水溶解，过滤。
(4)滤液中加入6mol/L的盐酸，将PH调至PH值为2，静置。
(5)洗涤离心，控制悬浊液PH值为3，在70℃时将八酰胺基取代酞菁铜粗品烘干，产率34％。
3、酯化
(1)取92.8mg(0.1mmol)八羧酸基取代酞菁铜粗品，于50mL圆底烧瓶中，称量365.3mg(2.4mmol)DBU滴加于圆底烧瓶中，5mL DMF于其中，取1.09g(8mmol)正溴丁烷用DMF稀释到10mL。
(2)将反应物在80℃下加热，用恒压滴液漏斗滴加10ml正溴丁烷溶液，在2小时内缓慢滴加，反应3天。
(3)停止反应后，除掉溶剂，使用甲醇/三氯甲烷＝5/1000流动相进行柱层析，得蓝色八酯基取代酞菁铜固体，使用甲醇/三氯甲烷重结晶，产率52％。
4、水解
(1)取100mg八酯基取代酞菁铜溶解到5mL的四氢呋喃中。
(2)配制甲醇/水＝9/2的氢氧化钠饱和溶液，取55mL的该溶液于150mL的圆底烧瓶中。
(3)把(1)中配置好的酞菁溶液缓慢滴加到圆底烧瓶中，水浴，在40℃下，加热4小时。
(4)反应完后，瓶底有蓝绿色沉淀，过滤，分别用甲醇，三氯甲烷冲洗沉淀，真空干燥，得到八羧酸基取代酞菁铜，产率88％。
最终以均苯四甲酸酐为原料到八羧酸基取代酞菁铜的总产率为：15.6％。
Claims (4)
1.羧酸基取代金属酞菁的制备方法，其特征在于，依次经过以下步骤：
(1)、固相合成：把苯酐、金属盐、钼酸铵、氯化铵、尿素充分混合，其中苯酐与金属盐的摩尔比为1∶3-5，苯酐与钼酸铵的摩尔比为1∶0.0023-0.03，钼酸铵与氯化铵的摩尔比为1∶0.0047，苯酐与尿素的摩尔比1∶10-20，研磨均匀，转入烧杯，在150-300℃下，加热2-10小时，得到蓝黑色酰胺基取代金属酞菁固体粗品，使用浓度为1-10mol/L的浓盐酸煮沸浸泡该粗品，洗涤、离心至上清液无颜色；
(2)、酰胺水解：将步骤1中酰胺基取代金属酞菁粗品，加蒸馏水，氢氧化钠，过饱和氯化钠溶液，其中蒸馏水与氢氧化钠的比例关系为每100mL蒸馏水4-8g氢氧化钠，温度在70-110℃下，搅拌，水解24-96小时，滤掉清液，将固体用水溶解，盐酸中和碱，将PH调至1-4，静置，洗涤离心，控制悬浊液PH在2-5，在70℃时将固体烘干，得蓝黑色羧酸基取代金属酞菁固体粗品；
(3)、酯化反应：取步骤2中得到的羧酸基取代金属酞菁粗品，碱，置于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，其中粗品羧酸基取代金属酞菁与碱的摩尔比为1∶24-80，将混合物加热升温至40-90℃后，将卤代烷RX的DMF溶液在1-4小时内缓慢滴加到反应混合液中，羧酸金属酞菁粗品与RX的摩尔比为1∶40-80，反应停止后，除掉溶剂，使用含甲醇0.1％-0.5％的三氯甲烷作为流动相进行柱层析，得蓝色酯基取代金属酞菁固体，使用甲醇/三氯甲烷重结晶；
(4)、水解反应：配制甲醇/水＝9/2的氢氧化钠饱和溶液，取步骤3中得到的酯基取代金属酞菁，溶解到四氢呋喃中，四氢呋喃用量：每克酞菁50mL四氢呋喃，然后缓慢滴加到氢氧化钠甲醇水饱和溶液中，四氢呋喃与氢氧化钠甲醇水溶液的体积比为1∶11，在40℃下，加热4h，反应完后，有蓝绿色沉淀，过滤，分别用甲醇，三氯甲烷冲洗沉淀，真空干燥，得纯净的羧酸基取代金属酞菁。
2.根据权利要求1所述的羧酸基取代金属酞菁的制备方法，其特征在于，所述的苯酐为偏苯三甲酸酐或均苯四间酸酐。
3.根据权利要求1或2所述的羧酸基取代金属酞菁的制备方法，其特征在于，所述的碱选自碳酸钾，三乙胺，1，8-二氮杂环[5，4，0]十一-7-烯(DBU)中的一种。
4.根据上述任意一项权利要求所述的羧酸基取代金属酞菁的制备方法，其特征在于，所述的RX中的R为C4-C12，X为Br，I，苯磺酰基或对甲苯磺酰基。
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