CN102351851B - 4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类磺酸盐、其非线性光学晶体及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非线性光学领域,特别涉及一类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类磺酸盐及其制备方法、其二阶非线性光学晶体及制备方法。本发明提出了一种由所述盐制备的二阶非线性光学晶体,并测定了其晶格常数。本发明还提出了上述4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类磺酸盐的二阶非线性光学晶体在激光的频率转换中的应用。迄今为止,用波长为2109nm的激光测得的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类磺酸盐材料的粉末二次谐波(SHG)强度已达到尿素的600倍,紫外-可见吸收光谱测定表明,此类材料在甲醇溶剂中的最大吸收全部都在536±1nm,透光范围为620nm以上。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学领域,特别涉及一类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐及其制备方法、其二阶非线性光学晶体及其制备方法。
背景技术
非线性光学晶体是重要的光电信息功能材料之一,是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础,是高新技术和现代军事技术中不可缺少的关键材料。非线性光学晶体材料可以用来进行激光频率转换,扩展激光的波长;用来调制激光的强度、相位;实现激光信号的全息存储、消除波前畴变的自泵浦相位共轭等等,其发展程度与激光技术的发展密切相关。目前,国内外使用的非线性光学晶体主要是铌酸锂为代表的无机晶体。
有机晶体材料与无机晶体材料相比其具有以下优点:⑴较快的响应时间(亚皮秒级);⑵较大的非线性系数(通常比无机晶体高1~2个数量级);⑶高光损伤阈值;⑷较小的介电常数;⑸易加工性。因此,有机非线性光学材料在光存储和光数据处理方面具有更大的应用潜力。
4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(DAST)是目前被研究得最多的一种有机非线性光学晶体,是该领域的一种标志性材料。
发明内容
本发明的目的是提供一类具有大非线性和宽松晶体生长条件的新材料4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐、其二阶非线性光学晶体、制备方法及用途。
本发明的技术方案是:一类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐,该类盐的结构通式[1]如下:
式[1]
其中,R1,R2,R3,R4,R5结构为:-H,-CHO, -CH3,-NH2,-OH,-Cl,-COOH,-NO2或-CH=CH2。
本发明还提出了上述通式1所示的一类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐的合成方法,具体包括以下步骤:
1) 将 5-溴噻吩-2-甲醛和二甲胺水溶液按照物质的量1:3回流反应生成5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛,并使用乙酸乙酯:石油醚=1:1作为淋洗剂来纯化5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛,备用;
2) 将4-甲基吡啶和碘甲烷作用形成1,4-二甲基吡啶碘盐,备用;
3) 将步骤2制备得到的1,4-二甲基吡啶碘盐和步骤1制备得到的5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛在催化剂作用下反应生成4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐,备用;
4) 将步骤3得到的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐溶于水中,再加入过量的取代苯磺酸钠盐饱和水溶液进行置换,将得到的沉淀纯化即得4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐;所述取代苯磺酸钠盐包括间苯二甲酸苯磺酸钠,间苯二甲酸苯磺酸钠,间硝基苯磺酸钠,4-氨基甲苯-3-磺酸,4-肼基苯磺酸,对甲基苯磺酸,2-氨基苯磺酸,邻甲酰苯磺酸钠,十二烷基苯磺酸钠,5-磺基水杨酸,均三甲苯磺酸,对氨基苯磺酸,对羟基苯磺酸钠,对氯苯磺酸钠,2,4-二甲基苯磺酸,8-羟基喹啉-5-磺酸,1-(4-磺酸苯基)-3-甲基-5-吡唑酮,2,5-二氯磺酸钠,2-氨基-8-萘酚-6-磺酸,4-硝基甲苯-2-磺酸,2,5-二羟基苯磺酸钾,2-萘胺-6-磺酸,2-萘磺酸钠,对苯乙烯磺酸钠,D(+)-10-樟脑磺酸,L-(-)樟脑磺酸,2,4-二甲基苯胺-6-磺酸,4-氯-2-氨基苯酚-6-磺酸,5-异喹啉磺酸,4-氯苯胺-3-磺酸,1,2-重氮氧基-4-萘磺酸,2,8-二羟基萘-6-磺酸钠,2-硝基苯胺-4-磺酸钠盐。
本发明还提出了一种上述一类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐形成的二阶非线性光学晶体的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1. 按照上述方法步骤制备4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐,备用;
步骤2. 将步骤1制备得到的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐在常温下溶解于甲醇中,使其达到饱和;
步骤3. 热过滤:将步骤2得到的饱和溶液进行过滤,将滤液转入干净的锥形瓶中;
步骤4. 晶体生长:将步骤3中的滤液放置到通风处并留有通气孔,降温数天后有晶体析出,继续放置几天直至晶体不再生长。
本发明还提出了上述二阶非线性光学晶体在激光频率转换中的应用。
将波长1064 nm的Nd:YAG激光器通过KTP晶体产生并经过光学参量放大器放大得到脉冲能量3微焦、脉宽10纳秒、波长2109 nm的激光,用该激光在暗室内对DTPHS晶体进行二阶非线性光学性能测试。首先用滤光片过滤掉样品上的背景光,然后通过光电倍增管检测透过1050±10nm干扰滤光片的二次谐波强度,并在50 MHz的RIGOL DS1052E示波器上显示出来。经比较,DTPHS材料的粉末二次谐波强度是尿素的500倍。
本发明的有益效果是:本发明成功地将杂环基团引入了吡啶类苯磺酸盐的阳离子中,通过不同的阴离子的修饰和诱导作用,设计、合成和表征了一系列新型的吡啶盐,得到了一系列新型的非线性光学材料,并成功得到了大尺寸的晶体。本发明拓展了非线性光学材料的阴阳离子的二元结构的分子范围,得到了具有良好应用前景的新材料,为该领域今后的探索开辟了新的方向。
附图说明
图1为偏光显微镜下旋转45°前DTPHS晶体形貌。
图2为偏光显微镜下旋转45°后DTPHS晶体形貌。
图3为实施例5的晶体结构: 沿X轴方向观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P21)。
图4为实施例5的晶体结构: 沿Y晶轴方向观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P21)。
图5为实施例5的晶体结构: 沿Z晶轴方向观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P21)。
图6为实施例5的晶体结构: 沿(111)面观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P21)。
图7为本发明DTPHS二阶非线性光学晶体的紫外吸收光谱图。
图8为生长得到的大尺寸DTPADMS晶体的图片。
图9为实施例6的晶体结构: 沿X轴方向观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P2(1)/n)。
图10为实施例6的晶体结构: 沿Y晶轴方向观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P2(1)/n)。
图11为实施例6的晶体结构: 沿Z晶轴方向观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P2(1)/n)。
图12为实施例6的晶体结构: 沿(111)面观察到的DTPHS晶体(单斜,空间群P2(1)/n)。
图13为本发明DTPADMS晶体的紫外吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明;本发明中所用的原料及试剂均为普通的市售可得的试剂。
实施例1
当R1,R2,R4,R5均是-H,R3是-OH,所述4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐也就是4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-4-羟基苯磺酸盐(分子式C20H22O4N2S2,分子量418,以下简称DTPHS),其化学结构如式2所示:
式2
本发明的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-4-羟基苯磺酸盐(DTPHS)的制备方法如以下反应方案1所示:
反应方案1
其中,1为二甲胺的水溶液,2为碘甲烷;3溶剂乙醇,催化剂哌啶;4为4-羟基苯磺酸钠
该方法主要包括以下I和II两部分:
I. 4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐的合成:
1. 在圆底烧瓶中加入20
mmol的5-溴噻吩-2-甲醛和60 mmol的40%的二甲胺水溶液,加入催化剂对甲基苯磺酸0.1 g,100℃回流反应24 h,加入20 ml的去离子水搅拌30 min,使用二氯甲烷萃取有机相并用无水硫酸钠干燥,旋蒸除去溶剂,并使用乙酸乙酯:石油醚=1:1作为淋洗剂纯化得到5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛。
2.
在圆底烧瓶中加入5.5 ml 4-甲基吡啶,溶解在50 ml
甲醇溶剂中,再加入3.5 ml 碘甲烷,在80℃条件下加热充分搅拌反应 12 小时后,将溶剂悬蒸后干燥。
3. 将步骤2的产物与5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛以1:1.2的摩尔比溶解在80 ml甲醇溶剂中,加入催化剂(哌啶)三滴,在85℃下加热充分搅拌反应24小时,即得到4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐。
II. 阴阳离子置换反应:
4. 将3 g制备的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐溶解于700 ml去离子水中,稍微加热使其全部溶解。
5. 将7.92 g的4-羟基苯磺酸钠溶解在最少量去离子水中形成饱和溶液,将其倒入步骤4配制的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐溶液,静置几天,有沉淀析出。
6. 抽滤除去滤液、对固体产物进行重结晶、干燥,得到4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-4-羟基苯磺酸盐(DTPHS)。
核磁结果: 1 HNMR (400 MHz,
DMSO-d6):
δ = 9.48(s, 1H, OH), 8.49~8.47(d, 2H, C5H4N),
8.04~8.00(d, 1H, C2H2), 7.83~7.81(d, 2H, C5H4N),
7.39~7.38(d, 2H, C6H4),7.28~7.27(d,
1H, C4H2S), 6.65~6.64(d, 2H, C6H4),
6.46~6.42(d, 1H, C2H2), 6.07~ 6.06 (d, 1H, C4H2S),
4.06(s, 3H, CH3), 3.06(s, 6H, C2H6N).
实施例2
当R1=NH 2, R2,R4=
CH3,R3,R5均是-H,所述4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐也就是4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-2,4-二甲基苯胺-6-磺酸盐(分子式C22H27O3N3S2,分子量445.6,以下简称DTPADMS),其化学结构如式3所示:
式3
核磁结果: 1 HNMR
(400 MHz, DMSO-d6):
1H NMR(DMSO, 400MHz) δ=8.49~8.47(d, 2H, C5H4N),
8.04~8.00(d, 1H, C2H2), 7.83~7.81(d, 2H, C5H4N),
7.27~7.26(d, 1H, C4H2S), 7.13(s, 1H, C6H2),
6.72(s, 1H, C6H2), 6.46~6.42(d, 1H, C2H2),
6.08~6.07(d, 1H, C4H2S), 5.14(s, 2H, NH2),
4.06(s, 3H, CH3),3.06(s, 6H, C2H6N),
2.09(s, 3H, CH3), 2.00(s, 3H, CH3).
实施例3
当R1=NH 2,R4= CH3,R2,R3,R5均是-H,所述4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐也就是4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-4-氨基甲苯-3-磺酸盐(分子式C21H22O3N3S2,分子量431,以下简称DTPAMS),其化学结构如式4所示:
式4
核磁结果: 1 HNMR
(400 MHz, DMSO-d6):
δ=8.49~8.47(d, 2H, C5H4N),
8.04~8.00(d, 1H, C2H2), 7.83~7.81(d, 2H, C5H4N),
7.27~7.26(d, 1H, C4H2S),7.22(s,
1H, C6H3), 6.80~6.78(d, 1H, C6H3),
6.49~6.42(m, 2H, C6H3+C2H2),
6.08~6.07(d, 1H, C4H2S), 4.06(s, 3H, CH3),3.06(s, 6H, C2H6N).
实施例4
当R2=NO 2,R1,R3,R4,R5均是-H,所述4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐也就是4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-3-硝基苯磺酸盐(分子式C20H21O5N3S2,分子量447),其化学结构如式5所示:
式5
核磁结果: 1 HNMR
(400 MHz, DMSO-d6):
δ=8.49~8.47(d, 2H, C5H4N),
8.04~8.00(d, 1H, C2H2), 7.83~7.81(d, 2H, C5H4N),
7.27~7.26(d, 1H, C4H2S),7.22(s,
1H, C6H3), 6.80~6.78(d, 1H, C6H3),
6.49~6.42(m, 2H, C6H3+C2H2),
6.08~6.07(d, 1H, C4H2S), 4.06(s, 3H, CH3),3.06(s, 6H, C2H6N).
晶体的生长
实施例5
对发明合成的材料DTPHS采用缓慢蒸发法进行晶体生长,步骤如下:
1. 溶解:将实施例1中制备的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-4-羟基苯磺酸盐(DTPHS)0.58 g在常温下溶解于甲醇中,使其达到饱和。
2. 热过滤:将步骤1得到的饱和溶液进行过滤,将滤液转入干净的锥形瓶中。
3. 晶体生长:将步骤2中的滤液放置到通风处并留有通气孔,降温数天后有晶体析出,继续放置几天直至晶体不再生长。
晶体实施例
将上述在晶体生长中得到的DTPHS晶体在偏光显微镜下观察,沿着光线入射方向旋转晶体时,当偏振片方向既不平行也不垂直光轴方向时,光线可以透过,晶体透明;但当偏振片平行光轴时,晶体变暗。对于多晶,在旋转过程中,明暗部分同时存在。通过这种旋转观察晶体明暗的方法,我们可以判断单晶或多晶。由图1可判断本实验生长的DTPHS晶体为单晶。
X-射线晶体衍射结果表明,本发明DTPHS晶体属于单斜晶系,空间群为P21,分子式C20H22O4N2S2,FM=418,晶体学参数:a =
9.621(7) Å,b = 15.234(11) Å,c = 13.948(10) Å,α= 90o, β=
93.8o, γ= 90o,
v = 2040 Å3,z = 4, F(000)
= 920, R = 0.0662, wR= 0.1368, GOF = 1.091。晶体结构如图2-7所示,其中示意图中显示每分子DTPHS带有一分子的水。
经Perkin Elmer Pyris 6差示扫描量热仪测试,本发明DTPHS晶体熔点大约258oC,热稳定性类似于DAST(熔点255-257 oC)。紫外-可见吸收光谱测定表明(见图7),其最大吸收峰在(溶剂甲醇)536±1 nm,透光范围为620 nm以上。
DTPHS晶体的二阶非线性光学性能及在激光频率转换中应用
将上述实施例1得到的DTPHS晶体研磨成粉末状,并将其分别加入直径8mm、厚1 mm的铝质样品池中。将波长1064 nm的Nd:YAG激光器通过KTP晶体产生并经过光学参量放大器放大得到脉冲能量3微焦、脉宽10纳秒、波长2109 nm的激光,用该激光在暗室内对DTPHS晶体进行二阶非线性光学性能测试。首先用滤光片过滤掉样品上的背景光,然后通过光电倍增管检测透过1050±10nm干扰滤光片的二次谐波强度,并在50 MHz的RIGOL DS1052E示波器上显示出来。经比较,DTPHS材料的粉末二次谐波强度是尿素的500倍。
实施例6
X-射线晶体衍射结果表明,本发明DTPADMS晶体属于单斜晶系,空间群为P2(1)/n,分子式C22H29
N3O4S2,FM=463.60,晶体学参数:a = 7.965(3) Å,b = 16.675(5) Å,c =17.439(6) Å,α= 90o, β=
100.690(5)o, γ= 90o,
v = 2276.1(13) Å3,z = 4, F(000)
= 985, R = 0.0480, wR= 0.1561, GOF = 1.162。
紫外-可见吸收光谱测定表明(见图13),其最大吸收峰在(溶剂甲醇)536±1 nm,透光范围为620 nm以上。
Claims (3)
1.一类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐晶体,其特征在于,该类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐具有如下的分子结构和晶体结构:
1)4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-4-羟基苯磺酸盐
其晶体属于单斜晶系,空间群为P21,晶体学参数:a = 9.621(7) Å,b = 15.234(11) Å,c = 13.948(10) Å,α= 90o, β = 93.8o,
γ= 90o, v = 2040 Å3,z = 4,F(000) = 920, R = 0.0662, wR=
0.1368, GOF = 1.091;
2)4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶-2,4-二甲基苯胺-6-磺酸盐
其晶体属于单斜晶系,空间群为P2(1)/n,晶体学参数:a = 7.965(3) Å,b = 16.675(5) Å,c =17.439(6) Å,α= 90o, β = 100.690(5)o,
γ= 90o, v = 2276.1(13) Å3,z = 4,F(000) = 985, R = 0.0480, wR=
0.1561, GOF = 1.162。
2.根据权利要求1所述一类4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐晶体的制备工艺方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤1. 按照包括以下步骤a)- d)的方法制备4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐,备用;
a)将 5-溴噻吩-2-甲醛和二甲胺水溶液按照物质的量1:3回流反应生成5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛,并使用乙酸乙酯:石油醚=1:1作为淋洗剂来纯化5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛,备用;
b)将4-甲基吡啶和碘甲烷作用形成1,4-二甲基吡啶碘盐,备用;
c)将步骤b制备得到的1,4-二甲基吡啶碘盐和步骤1制备得到的5-(二甲基氨基)噻吩-2-甲醛在催化剂作用下反应生成4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐,备用;
d)将步骤c)得到的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶碘盐溶于水中,再加入过量的取代苯磺酸钠盐饱和水溶液进行置换,将得到的沉淀纯化即得4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐;其中,所述取代苯磺酸钠盐选自4-羟基苯磺酸钠, 2,4-二甲基苯胺-6-磺酸钠;
步骤2. 将步骤1制备得到的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐在常温下溶解于甲醇中,使其达到饱和;
步骤3. 热过滤:将步骤2得到的饱和溶液进行过滤,将滤液转入干净的锥形瓶中;
步骤4. 晶体生长:将步骤3中的滤液放置到通风处并留有通气孔,降温数天后有晶体析出,继续放置几天直至晶体不再生长。
3.一类如权利要求1所述的4-(5-二甲基氨基噻吩乙烯基)甲基吡啶类苯磺酸盐晶体在激光频率转换中的应用。
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2011
- 2011-07-29 CN CN 201110216468 patent/CN102351851B/zh active Active
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