CN108435195B - 一种纳米钴钨酸铯盐的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米钴钨酸铯盐的制备方法与应用有机合成的应用。本发明采用水热合成‑有机沉淀‑煅烧法制备纳米钴钨酸铯盐粉末,所得到的纳米钴钨酸盐铯稳定性好、易于分散、杂质含量低。本发明的制备方法工艺清晰、成本较低、产品质量稳定,易于实现工业化。另外,本发明还提供了将上述纳米钴钨酸铯盐用于催化合成药物中间体4‑(4‑氟苄基氨基)‑1‑甲基哌啶的应用,在保证具有较高的催化活性的同时,具有较好的选择性,基本无副反应发生,转化率可达95.0%,选择性达到98.5%,原料成本较低,具有较大的有工业实用价值。

Description

一种纳米钴钨酸铯盐的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种有机合成技术领域,具体涉及一种纳米钴钨酸铯盐的制备方法与应用。
背景技术
杂多酸具有很强的酸性及很高的催化活性,是一种多功能的新型催化剂,以其独特的酸性、“准液相”行为、多功能等优点在催化领域中受到人们的广泛关注,与传统催化剂相比,有着特殊性能:杂多酸的结构稳定,非常有利于应用在迅速发生催化反应中;杂多酸极易溶解在极性试剂里,在非均相体系及均相体系内均可应用;杂多酸具有酸性和氧化性;“准液相”行为使整个反应表现出很强的催化活性与均一性;杂多酸的阴离子二级电离结构具有柔软性,是金属离子优良的配体。因而杂多酸是一种性能优良催化剂,有着广阔的工业应用前景,但是杂多酸(盐)用作工业化生产时存在比表面积小,单独应用催化效果差,加相转移催化剂后损失较大的问题。杂多酸盐具有较好的酸性和催化性能,能有效地催化有机合成反应,并且还有毒性低、不污染环境、活性高、反应条件温和、不腐蚀设备、易分离等特性。国内有关纳米钴钨酸铯盐制备主要有固相法、液相共沉淀法、微乳液法、水热法等制备方法,但是上述制备方法在生产制备过程存在成本较高、生产效率低等诸多不足,而且还存在产物颗粒大、均匀性差、易团聚的缺陷。
4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶是合成药物的重要中间体,是合成哌马色林等药物中必须的中间体,但是现有技术中4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶的合成工艺的收率均在70%以下,而且多数用浓酸、浓碱参与反应导致环境污染和设备腐蚀。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种纳米钴钨酸铯盐及其制备方法与应用,本发明的方法能够解决现有制备方法制备的产品分散性较差、易团聚的问题,使得到的纳米钴钨酸铯盐能够达到作为催化剂的质量和性能的要求。
根据本发明实施例的第一方面,提供了一种纳米钴钨酸铯盐的制备方法,其特征在于,包括:
A)将钨酸盐溶解与去离子水中,加入适量冰醋酸,反应完全后以冰醋酸将溶液调节pH值为7,加热使溶液近沸时,边搅拌边加下醋酸钴溶液,得到第一混合溶液,继续加热使第一混合溶液微沸15-20min,再加入铯盐,反应完全后,浓缩溶液,并将浓缩液冷却到室温;其中,以含钨离子数计,钨酸盐、去离子水和冰醋酸的用量比例为0.01-0.015mol:10ml:1-2ml;以钴分子数计所述醋酸钴溶液的浓度为0.0007-0.0008mol/ml,钨酸盐中含钨离子与醋酸钴溶液中的钴离子的比例为12:1;钨酸盐中钨离子与铯盐中铯离子的摩尔比为1:3-4;
B)在所述浓缩液中加入盐酸羟胺,调节反应液的pH值为5-6,搅拌到盐酸羟胺完全溶解,得到第二混合溶液;加入的盐酸羟胺与浓缩液中含钨离子的摩尔比为1-1.5:1;
C)将第二混合溶液与醇溶剂混合,在60-70℃及氮气保护下经微波辐射反应5-6h,得到胶状沉淀物;
D)将胶状沉淀物在母液中冷却陈化24-72h,之后经过滤、洗涤后进行干燥,最后进行煅烧,得到纳米钴钨酸铯盐。
在根据本发明的一个实施方案中,所述醋酸钴溶液是通过下述方法制备的:
将适量钴酸盐溶解于去离子水中,再加入2滴冰醋酸,充分反应后,溶液呈紫红色即得。
在根据本发明的一个实施方案中,所述钨盐选自钨酸钠、钨酸铵、仲钨酸铵和偏钨酸铵中的一种;优选地,所述钴盐选自氯化钴、氟化钴、硝酸钴和硫酸钴中的一种。
在根据本发明的一个实施方案中,所述铯盐选自碳酸铯、硫酸铯、硝酸铯和氢氧化铯中的一种。
在根据本发明的一个实施方案中,所述醇溶剂是由选自甲醇、乙醇、正丙醇或异丙醇中的任一种与选自四氢呋喃、甲苯、二氧六环或苯中的任一种以1:1比例混合得到的。
在根据本发明的一个实施方案中,钴钨酸铯分子式为Cs6CoW12O40;优选地,所述羟胺的用量为n羟胺=nCs ++6nW 6++nCo 2+;优选地,反应体系pH值为4-6,反应温度为60-90℃,通过控制反应体系中pH可有效改善形成的纳米粉体的团聚问题。
在根据本发明的一个实施方案中,所述微波辐射的辐射频率为2450Hz。
在根据本发明的一个实施方案中,所述过滤、洗涤的具体过程为:采用布氏漏斗进行过滤,用去离子水洗涤胶状沉淀物两次,再用体积分数为30%的乙醇溶液洗涤至滤液呈中性,最后再用无水乙醇或去离子水洗涤两次。
优选地,所述干燥的方式可以为鼓风干燥、真空干燥、冷冻干燥或微波干燥等。更优选地,所述干燥的方式为真空低温干燥。
优选地,所述煅烧的温度为400-600℃,煅烧的时间为2-6h。更优选地,所述煅烧的温度为500℃,煅烧的时间为5h。
本发明还提供了一种纳米钴钨酸盐,所述纳米钴钨酸盐是根据上述的制备方法制备的。
本发明的纳米钴钨酸铯盐采用如上任一所述的纳米钴钨酸铯盐的制备方法制备而成。本发明采用微波-热解法,使得制备出的钨酸铯纳米粉体具有比表面积大,催化性能好的特点。
本发明进一步提供了上述的纳米钴钨酸盐在合成合成药物中间体4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶中的应用,其特征在于,包括:
1)以摩尔比17:20的比例将N-甲基-4-哌啶酮(N-methylpiperid-4-one)和4-氟苄胺(4-fluorobenzylamine)共溶于甲苯中,加入适量纳米钴钨酸铯作为催化剂,加热回流分水至分水器中不再有水流出;
2)冷却至室温,减压蒸去甲苯,加入无水乙醇,分批加入硼氢化钠,充分搅拌反应30-60min,完毕后加热回流4-6h;以摩尔比计,所述硼氢化钠与4-氟苄胺的比例为1:1;
3)反应完毕后冷却至室温,缓慢滴加适量10%盐酸,回流1小时,冷却,减压蒸去乙醇,加入碳酸钠调节pH至10,以乙酸乙酯提取,合并有机层,无水硫酸钠干燥3h后过滤,然后减压蒸出乙酸乙酯,得油状物。
优选地,还包括:4)将油状物溶于适量乙酸乙酯,然后用12mol/L浓盐酸调节pH为2-3,搅拌析晶,冰水浴60-120min,充分析出后,抽滤,得白色固体,50-60℃烘干。
基于上述方法将如上所述纳米钨酸铯粉体作为催化剂用于4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶的制备,并能在保证具有较高的转化率的同时,选择性较好,具有较低的成本优势。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为纳米钴钨酸铯盐的红外谱图;
图2为纳米钴钨酸铯盐的透射电子显微镜谱图(TEM);
图3为合成4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶的核磁共振谱图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案,以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求,否则单独的部件和功能是可选的,并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围,以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中,各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示,这仅仅是为了方便,并且如果事实上公开了超过一个的发明,不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
实施例1纳米钴钨酸铯盐的制备
1)把9.907g二水钨酸钠(0.003mol)溶解在20mL水中,再加入1.8mL冰醋酸,反应有白色絮状物出现,之后迅速消失。然后用pH试纸检测,调节pH为7左右,把1.256g四水醋酸钴溶解于6mL-7mL水中,再加入2滴冰醋酸,溶液呈紫色;加热钨酸钠溶液近沸(冒有微小的气泡即可),在搅拌下立即加入醋酸钴溶液,溶液变为浑浊的黑绿色,得到第一混合溶液,使第一混合溶液微沸15min,再加入14.715g CsCl(0.088mol),此过程中溶液颜色逐渐变为深绿色,最后变为绿色,浓缩溶液,冷却到室温;
2)在浓缩液中加入适量的盐酸羟胺,调节反应液的pH值至5-6,搅拌至盐酸羟胺完全溶解,得到第二混合溶液;
3)将步骤B中完全溶解后的第二混合溶液加入乙醇和四氢呋喃,用氮气吹扫,并在60-70℃及氮气保护下经微波辐射进行化学反应5-6h,得到胶状沉淀物;
4)将胶状沉淀物经过陈化48,抽滤后,并用去离子水洗涤两次,再用体积分数为30%的乙醇溶液洗涤至滤液呈中性,最后用无水乙醇洗涤两次;将所得固体于60℃下真空干燥24小时后研磨成粉末收率为92%,将粉末置于马弗炉中,于500℃煅烧5h,冷却至室温取出,即可得到目标产物纳米钴钨酸铯盐。纳米钴钨酸铯盐收率为81%。
实施例2纳米钴钨酸铯盐在制备4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶中的应用
将N-甲基-4-哌啶酮(N-methylpiperid-4-one)10.54g(0.085mol)和4-氟苄胺(4-fluorobenzylamine)11.30g(0.10mol)溶于甲苯30mL中,加入根据实施例1制备的纳米钴钨酸铯0.5g作为催化剂,加热回流分水,待分水器中不在有水流出时,约分出水2-2.8mL。然后冷却,减压蒸去甲苯。冷却,加入无水乙醇50mL,分批加入硼氢化钠3.5g,加完充分搅拌40min,完毕后加热回流4h,反应完毕。冷却,缓慢滴加10%盐酸60ml后,回流1小时。冷却,减压蒸去乙醇。加入碳酸钠调节pH至10,乙酸乙酯80ml分4次提取,合并有机层,无水硫酸钠干燥3h,过滤。减压蒸出乙酸乙酯,得油状物18.38g。
将油状物溶于乙酸乙酯40ml,然后用少量12mol/L浓盐酸调节pH为2-3,搅拌析晶,冰水浴60min。充分析出后,抽滤,得白色固体,50℃烘干。得固体17.84g,转化率可达95.0%,选择性达到98.5%。催化剂重复5次后,转化率依次为95.0%、94.3%、93.7%、92.9%、91.9%,可见本发明的纳米钴钨酸铯盐的催化效果在多次重复使用后其催化效果仍然保持稳定。
对目标产物纳米钴钨酸铯盐进行表征。其中,图1为纳米钴钨酸铯盐的红外谱图;图2为纳米钴钨酸铯盐的透射电子显微镜谱图(TEM);图3为合成4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶的核磁共振谱图。在核磁共振谱图中共有八组峰,从高场到低场峰的相对面积近似比为4:1:3:4:1:2:2:2,所以这八组峰所代表的质子数分别为4、1、3、4、1、2、2、2。根据化学位移规律,在δ=1.46和1.71处的峰应属于哌啶环上3,5碳的氢,δ=2.0应属于仲胺基氢,δ=2.26为甲基峰,δ=2.51和2.41为哌啶环上2,6碳的氢,δ=3.76为苄基上氢,δ=7.12为芳环3,5碳上的氢,δ=7.39为2,4碳上的氢质子峰,与标准品一致。
结果分析发现:本发明所得到的纳米钴钨酸铯盐多酸骨架明显、粒子半径小,催化选择型好,效率高。
实施例3:纳米钴钨酸铯盐的制备
1)把4.9635g二水钨酸钠(0.015mol)溶解在10mL水中,再加入1.0mL冰醋酸,反应有白色絮状物出现,之后迅速消失。然后用pH试纸检测,调节pH为7左右,把0.5014g硝酸钴溶解于5mL水中,再加入2滴冰醋酸,溶液呈紫红色;加热钨酸钠溶液近沸(冒有微小的气泡即可),在搅拌下立即加入醋酸钴溶液,溶液变为浑浊的黑绿色,得到第一混合溶液,使第一混合溶液微沸15min,再加入7.352g CsCl(0.044mol),此过程中溶液颜色逐渐变为深绿色,最后变为绿色,浓缩溶液,冷却到室温;
2)在浓缩液中加入0.7g的盐酸羟胺,调节反应液的pH值至5-6,搅拌至盐酸羟胺完全溶解,得到第二混合溶液;
3)将步骤B中完全溶解后的第二混合溶液加入乙醇和四氢呋喃,用氮气吹扫,并在60-70℃及氮气保护下经微波辐射进行化学反应5-6h,得到胶状沉淀物;
4)将胶状沉淀物经过陈化48h,抽滤后,并用去离子水洗涤两次,再用体积分数为30%的乙醇溶液洗涤至滤液呈中性,最后用无水乙醇洗涤两次;将所得固体于60℃下真空干燥24小时后研磨成粉末,将粉末置于马弗炉中,于500℃煅烧5h,冷却至室温取出,即可得到目标产物纳米钴钨酸铯盐,收率为90%。
实施例4纳米钴钨酸铯盐在制备4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶中的应用
将N-甲基-4-哌啶酮(N-methylpiperid-4-one)10.54g(0.085mol)和4-氟苄胺(4-fluorobenzylamine)11.30g(0.10mol)溶于甲苯30mL中,加入实施例3制备的纳米钴钨酸铯0.5g作为催化剂,加热回流分水,待分水器中不在有水流出时,约分出水2-2.8mL。然后冷却,减压蒸去甲苯。冷却,加入无水乙醇50mL,分批加入硼氢化钠3.5g,加完充分搅拌40min,完毕后加热回流4h,反应完毕。冷却,缓慢滴加10%盐酸60ml后,回流1小时。冷却,减压蒸去乙醇。加入碳酸钠调节pH至10,乙酸乙酯80ml分4次提取,合并有机层,无水硫酸钠干燥3h,过滤。减压蒸出乙酸乙酯,得油状物18.38g。
将油状物溶于乙酸乙酯40ml,然后用少量12mol/L浓盐酸调节pH为2-3,搅拌析晶,冰水浴60min。充分析出后,抽滤,得白色固体,50℃烘干。得固体17.84g,转化率可达95.0%,选择性达到98.5%。催化剂重复5次后,催化效果依然保持稳定。
本实施例的目标产物纳米钴钨酸铯盐的红外和电镜测试图在此不一一示出,其催化性能也十分优秀。
实施例5:纳米钴钨酸铯盐的制备
1)把2.639g偏钨酸钠(0.01mol W)溶解在10mL水中,再加入1.0mL冰醋酸,反应有白色絮状物出现,之后迅速消失。然后用pH试纸检测,调节pH为7左右,把0.7501g硝酸钴溶解于5mL水中,再加入2滴冰醋酸,溶液呈紫红色;加热钨酸钠溶液近沸(即冒有微小的气泡时),在搅拌下立即加入醋酸钴溶液,溶液变为浑浊的黑绿色,得到第一混合溶液,使第一混合溶液微沸15min,再加入7.54g Cs2CO3,此过程中溶液颜色逐渐变为深绿色,最后变为绿色,浓缩溶液,冷却到室温;
2)在浓缩液中加入适量的盐酸羟胺,调节反应液的pH值至5-6,搅拌至盐酸羟胺完全溶解,得到第二混合溶液;
3)将步骤B中完全溶解后的第二混合溶液加入乙醇和四氢呋喃,用氮气吹扫,并在60-70℃及氮气保护下经微波辐射进行化学反应5-6h,得到胶状沉淀物;
4)将胶状沉淀物经过陈化48,抽滤后,并用去离子水洗涤两次,再用体积分数为30%的乙醇溶液洗涤至滤液呈中性,最后用无水乙醇洗涤两次;将所得固体于60℃下真空干燥24小时后研磨成粉末,将粉末置于马弗炉中,于500℃煅烧5h,冷却至室温取出,即可得到目标产物纳米钴钨酸铯盐,收率为91%。
实施例6纳米钴钨酸铯盐在制备4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶中的应用
将N-甲基-4-哌啶酮(N-methylpiperid-4-one)10.54g(0.085mol)和4-氟苄胺(4-fluorobenzylamine)11.30g(0.10mol)溶于甲苯30mL中,加入实施例5制备的纳米钴钨酸铯0.5g作为催化剂,加热回流分水,待分水器中不在有水流出时,约分出水2-2.8mL。然后冷却,减压蒸去甲苯。冷却,加入无水乙醇50mL,分批加入硼氢化钠3.5g,加完充分搅拌40min,完毕后加热回流4h,反应完毕。冷却,缓慢滴加10%盐酸60ml后,回流1小时。冷却,减压蒸去乙醇。加入碳酸钠调节pH至10,乙酸乙酯80ml分4次提取,合并有机层,无水硫酸钠干燥3h,过滤。减压蒸出乙酸乙酯,得油状物18.38g。
将油状物溶于乙酸乙酯40ml,然后用少量12mol/L浓盐酸调节pH为2-3,搅拌析晶,冰水浴60min。充分析出后,抽滤,得白色固体,50℃烘干。得固体17.84g,转化率可达94.7%,选择性达到98.5%。催化剂重复5次后,转化率依次为94.1%、93.7%、93.0%、92.2%、91.3%,可见本发明的纳米钴钨酸铯盐的催化效果在多次重复使用后其催化效果仍然保持稳定
本实施例的目标产物纳米钴钨酸铯盐的红外和电镜测试图在此不一一示出,其催化性能也十分优秀。
综上所述,本发明采用水热合成-有机沉淀-煅烧法制备纳米钴钨酸铯盐粉末,所得到的纳米钴钨酸盐铯稳定性好、易于分散、杂质含量低。且本发明工艺清晰,成本较低,产品质量稳定,易于实现工业化。另外,本发明所述纳米钴钨酸铯盐适用于催化合成药物中间体4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶,并能在保证具有较高的催化活性的同时,具有较好的选择性,基本无副反应发生,转化率可达95.0%,选择性达到98.5%,原料成本较低,具有较大的有工业实用价值。
应当理解的是,本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (11)

1.一种纳米钴钨酸铯盐的制备方法,其特征在于,包括:
A)将钨酸盐溶解与去离子水中,加入适量冰醋酸,反应完全后以冰醋酸将溶液调节pH值为7,加热使溶液近沸时,边搅拌边加入醋酸钴溶液,得到第一混合溶液,继续加热使第一混合溶液微沸15-20min,再加入铯盐,反应完全后,浓缩溶液,并将浓缩液冷却到室温;其中,以含钨离子数计,钨酸盐、去离子水和冰醋酸的用量比例为0.01-0.015mol:10ml:1-2ml;以钴分子数计所述醋酸钴溶液的浓度为0.0007-0.0008mol/ml,钨酸盐中含钨离子与醋酸钴溶液中的钴离子的比例为12:1;钨酸盐中钨离子与铯盐中铯离子的摩尔比为1:3-4;
B)在所述浓缩液中加入盐酸羟胺,调节反应液的pH值为5-6,搅拌到盐酸羟胺完全溶解,得到第二混合溶液;加入的盐酸羟胺与浓缩液中含钨离子的摩尔比为1-1.5:1;
C)将第二混合溶液与醇溶剂混合,在60-70℃及氮气保护下经微波辐射反应5-6h,得到胶状沉淀物;
D)将胶状沉淀物在母液中冷却陈化24-72h,之后经过滤、洗涤后进行干燥,最后进行煅烧,得到纳米钴钨酸铯盐。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述醋酸钴溶液是通过下述方法制备的: 将适量钴酸盐溶解于去离子水中,再加入2滴冰醋酸,充分反应后,溶液呈紫红色即得。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述钨酸盐选自钨酸钠、钨酸铵、仲钨酸铵和偏钨酸铵中的一种。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述铯盐选自碳酸铯、硫酸铯、硝酸铯和氢氧化铯中的一种。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述醇溶剂是由选自甲醇、乙醇、正丙醇或异丙醇中的任一种与选自四氢呋喃、甲苯、二氧六环或苯中的任一种以1:1比例混合得到的。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,钴钨酸铯分子式为Cs6CoW12O40
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述微波辐射的辐射频率为2450Hz。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述过滤、洗涤的具体过程为:采用布氏漏斗进行过滤,用去离子水洗涤胶状沉淀物两次,再用体积分数为30%的乙醇溶液洗涤至滤液呈中性,最后再用无水乙醇或去离子水洗涤两次。
9.一种纳米钴钨酸铯盐,其特征在于,所述纳米钴钨酸铯盐是根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备的。
10.如权利要求9所述的纳米钴钨酸铯盐在合成药物中间体4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶中的应用,其特征在于,包括:
1)以摩尔比17:20的比例将N-甲基-4-哌啶酮(N-methylpiperid-4-one)和4-氟苄胺(4-fluorobenzylamine)共溶于甲苯中,加入适量纳米钴钨酸铯盐作为催化剂,加热回流分水至分水器中不再有水流出;
2)冷却至室温,减压蒸去甲苯,加入无水乙醇,分批加入硼氢化钠,充分搅拌反应30-60min,完毕后加热回流3-6h;以摩尔比计,所述硼氢化钠与4-氟苄胺的比例为1:1;
3)反应完毕后冷却至室温,缓慢滴加适量10%盐酸,回流1小时,冷却,减压蒸去乙醇,加入碳酸钠调节pH至10,以乙酸乙酯提取,合并有机层,无水硫酸钠干燥3h后过滤,然后减压蒸出乙酸乙酯,得油状物。
11.如权利要求10所述的纳米钴钨酸铯盐在合成药物中间体4-(4-氟苄基氨基)-1-甲基哌啶中的应用,其特征在于,还包括:
4)将油状物溶于适量乙酸乙酯,然后用12mol/L浓盐酸调节pH为2-3,搅拌析晶,冰水浴50-120min,充分析出后,抽滤,得白色固体,50-60℃烘干。
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