CN109082685A - 一种在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法及其电氧化合成氧杂蒽酮的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合成工艺简单、反应体系绿色及反应条件温和的在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法，以及使用所制备的花状AuPt合金纳米粒子修饰电极电氧化合成氧杂蒽酮的新方法，这种新的电有机合成方法是在室温、敞口的环境下进行的，反应条件非常温和且环境友好，并且合成氧杂蒽酮的产率很高。

Description

一种在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法及其 电氧化合成氧杂蒽酮的应用
技术领域
本发明属于合金纳米材料及电氧化合成技术领域，具体涉及一种在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法及其电氧化合成氧杂蒽酮的应用。
背景技术
近年来，电有机合成已成为一种已明确的、多用途和环境友好的方法，用于替代传统的有机合成方法来氧化/还原有机化合物。与传统的方法相比，电氧化方法具有很多的优点，例如官能团的高耐受性、实验条件温和以及固有的可扩展性和可持续性。最近，电化学氧化合成在电有机合成中的应用受到了极大的关注。Baran等通过利用氧化还原介导物，在大规模工业生产中直接电氧化已活化或未活化的C-H键，发展了一些新的可持续方法和策略。Lei等使用恒电流方法在不加入外界催化剂和氧化剂的条件下进行了电化学阳极氧化合成的工作。然而，据我们所知，使用纳米材料修饰的功能化阳/阴极在电氧化/还原应用中的研究尚未见报道。功能化电极的使用可以扩大电有机合成的范围，并且提高电合成的效率。因此，开发一些对电有机合成具有特定功能的修饰电极显得尤为重要。
制备用于改性电极的纳米材料的方法已被广泛的应用。贵金属(如金、铂和钯)纳米材料因其独特性能和在许多领域中的应用而备受关注。在过去的十年中，双金属催化剂引起了极大的关注，因为它们的性质常常不同于其中任意一种金属，其经常表现出明显增强的催化活性、稳定性或选择性。与传统的合成方法相比，电沉积还原法是合成合金纳米粒子的一种绿色、可控和有效的方法。被称为新一代绿色溶剂的低共熔溶剂(DESs)，由于相比传统的离子液体具有显著的物理化学特性，因而在纳米粒子的合成、电化学和生物化学等领域具有潜在的应用价值。然而，关于在低共熔溶剂中合成合金纳米材料的报道还未见报道。
氧杂蒽酮是一类很好的天然产物，由于其具有如抗菌、抗癌和抗病毒等特殊的生物和药理性质，一直备受关注。在过去的几十年中，已经发展了许多合成氧杂蒽酮的方法，其中最有效的方法之一就是直接将氧杂蒽氧化成氧杂蒽酮。然而，在这些合成方法中，通常需要加入强氧化剂，或是反应需在高温和高压条件下进行。因此，电化学氧化是一种替代传统合成策略很好的方法，本发明以直接电氧化氧杂蒽合成氧杂蒽酮为例，为纳米复合材料修饰电极在电有机合成中的应用提供了新的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种合成工艺简单、反应体系绿色及反应条件温和的在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法，以及使用所制备的花状AuPt合金纳米粒子修饰电极电氧化合成氧杂蒽酮的新方法，这种新的电有机合成方法是在室温、敞口的环境下进行的，反应条件非常温和且环境友好，并且合成氧杂蒽酮的产率很高。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：用无水乙醇将氯化胆碱重结晶，过滤并真空干燥备用，乙二醇使用前在真空干燥箱中干燥备用，将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比1:2的比例机械混合，于80℃搅拌至均一、无色透明溶液，再将上述溶液置于真空干燥箱中于80℃干燥24h得到氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂；
步骤S2：AuPt合金纳米粒子的电化学合成是在一个标准的三电极体系中进行的，使用玻碳电极作为工作电极，铂丝作为对电极以及铂丝作为准参比电极，在电沉积之前，玻碳电极首先用粒径为1.0μm、0.3μm、0.05μm的氧化铝粉打磨抛光，再用二次水冲洗干净，然后将玻碳电极在乙醇和二次水中超声清洗，最后在氮气中干燥备用；
步骤S3：在含有体积分数为10％水的30mmol/L HAuCl4和20mmol/L H2PtCl6的氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中，在-0.30V的应用电位下于30～60℃在玻碳电极表面一步电沉积300s电化学还原制备花状AuPt合金纳米粒子。
进一步优选，步骤S3中所述电沉积温度优选为30℃。
本发明所述的花状AuPt合金纳米粒子修饰玻碳电极电氧化合成氧杂蒽酮的应用，其特征在于具体步骤：
步骤S1：将0.3mmol氧杂蒽、1.5mmol四丁基四氟硼酸铵、7.5mL乙腈和0.5mL水一并加入到配有搅拌磁子的干燥的一体电解池中，在室温敞口的环境下进行反应；
步骤S2：使用制备的花状AuPt合金纳米粒子修饰电极作为阳极、玻碳电极作为阴极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，将三电极插入上述电解池中并连接恒电位仪组成实验装置，在恒定的0.6～1.80V电位，室温敞口环境下，搅拌并电解反应混合物16h；
步骤S3：反应结束后，所得反应溶液用乙酸乙酯萃取，提取物用硫酸钠干燥，并用旋转蒸发器除去溶剂，再经过柱层析分离得到纯品氧杂蒽酮。
进一步优选，步骤S2中所述的氧化电压为0.80V。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明是在氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂这种绿色的溶剂中，在不添加其他任何添加剂的情况下，使用一步电沉积的制备方法，绿色、简便的制备了花状AuPt合金纳米粒子。通过采用向低共熔溶剂中加入适量的水这种特殊的策略，既保持了低共熔溶剂自身的特性，又降低了其粘度，从而降低了反应的温度以及电化学还原的电位，使得电化学还原发生在一个相当低的温度(30℃)和电位(-0.30V，vs.Pt)下。在反应体系中，无需加入其他晶种、表面活性剂以及有机试剂等形貌导向剂，甚至也无需加入如硫酸一样的支持电解质，通过改变反应条件就可达到形貌可控制备AuPt合金纳米粒子的目的。在制备过程中，低共熔溶剂不仅起到了溶剂的作用，同时也起到了形貌的导向剂的作用。
2、本发明使用的这种电有机合成氧杂蒽酮的策略相较于传统的有机合成方法而言，其合成不需要高温高压，是在室温、敞口的环境下进行的，反应条件非常温和、操作十分简便。反应不需要加入强氧化剂或有毒的有机试剂，十分绿色且环境友好。该反应采用的是恒电位氧化的方法，可以通过控制反应的电压，从而很好的控制反应的进程。并且，本发明是采用的在一个很低的氧化电位下(0.80V vs.Ag/AgCl)进行的反应，可以很好的进行电化学氧化，同时也抑制副反应的发生。相较于其他的商品电极而言，使用我们所制备的花状AuPt合金纳米粒子修饰电极具有很好的电氧化效果以及很高的电氧化效率。在连续进行16h电氧化后，合成了具有87％高产率的纯净氧杂蒽酮。这种使用制备纳米粒子修饰电极电氧化策略，在有机电氧化合成领域有着潜在的应用价值以及广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制得的花状AuPt合金纳米粒子的扫描电子显微镜图；
图2是实施例2合成的氧杂蒽酮的核磁氢谱图；
图3是实施例2合成的氧杂蒽酮的核磁碳谱图；
图4是对比例1和对比例2制得的AuPt合金纳米粒子的扫描电子显微镜图；
图5是实施例1制得的花状AuPt合金纳米粒子的X射线光电子能谱图；
图6是实施例1制得的花状AuPt合金纳米粒子的X射线衍射图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
步骤S1：用无水乙醇将氯化胆碱重结晶，过滤并真空干燥备用，乙二醇使用前在真空干燥箱中干燥备用，将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比1:2的比例机械混合，于80℃搅拌至均一、无色透明溶液，再将上述溶液置于真空干燥箱中于80℃干燥24h得到氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂；
步骤S2：AuPt合金纳米粒子的电化学合成是在一个标准的三电极体系中进行的，使用玻碳电极(GCE，15mm×10mm×1mm)作为工作电极，铂丝作为对电极以及铂丝作为准参比电极，在电沉积之前，玻碳电极首先用粒径为1.0μm、0.3μm、0.05μm的氧化铝粉打磨抛光，用二次水冲洗干净，然后将玻碳电极在乙醇和二次水中超声清洗，最后在氮气中干燥；
步骤S3：在含有体积分数为10％水的30mmol/L HAuCl4和20mmol/L H2PtCl6的氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中，在-0.30V(vs.Pt)的应用电位下于30℃在玻碳电极表面一步电沉积300s电化学还原制备AuPt合金纳米粒子，由图1可知本实施例制得的是类球形具有花状结构的AuPt合金纳米粒子，其粒径在500nm左右。
实施例2
将0.3mmol氧杂蒽、1.5mmol四丁基四氟硼酸铵、7.5mL乙腈和0.5mL水一并加入到配有搅拌磁子的干燥的一体电解池(15mL)中，在室温敞口的环境下进行反应，反应前没有对反应体系进行除水除氧，使用制备的花状AuPt合金纳米粒子修饰玻碳电极(AuPt NFs/GCE，10mm×10mm×1mm)作为阳极、玻碳电极作为阴极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，将三电极插入上述电解池中并连接恒电位仪组成实验装置，在恒定的0.80V(vs.Ag/AgCl)电位(恒电位仪以恒电位模式运行)，室温敞口环境下，搅拌并电解反应混合物16h，反应结束后，所得反应溶液用乙酸乙酯(3×10mL)萃取，提取物用硫酸钠干燥，并用旋转蒸发器除去溶剂，产物纯品通过柱层析法(石油醚：乙酸乙酯＝100:1)得到，并通过核磁进行表征(图2和图3)。由表1可知本实施例合成的氧杂蒽酮的产率为87％。
对比例1
在含有体积分数为50％水的30mmol/L HAuCl4和20mmol/L H2PtCl6的氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中，在-0.30V(vs.Pt)的应用电位下于30℃在玻碳电极表面一步电沉积300s电化学还原制备AuPt合金纳米粒子。由图4a可知本对比例制得的是不规则结构的AuPt合金纳米粒子，其粒径在800～900nm之间。
对比例2
在含有体积分数为80％水的30mmol/L HAuCl4和20mmol/L H2PtCl6的氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中，在-0.30V(vs.Pt)的应用电位下于30℃在玻碳电极表面一步电沉积300s电化学还原制备AuPt合金纳米粒子。由图4b可知本对比例制得的是类球形不规则的AuPt合金纳米粒子，其粒径在800～900nm之间。
对比例3
将0.3mmol氧杂蒽、1.5mmol四丁基四氟硼酸铵、7.5mL乙腈和0.5mL水一并加入到配有搅拌磁子的干燥的一体电解池(15mL)中，在室温敞口的环境下进行反应，反应前没有对反应体系进行除水除氧，使用金电极(10mm×10mm×1mm)作为阳极、玻碳电极作为阴极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，将三电极插入上述电解池中并连接恒电位仪组成实验装置，在恒定的0.80V(vs.Ag/AgCl)电位(恒电位仪以恒电位模式运行)，室温敞口环境下，搅拌并电解反应混合物16h，反应结束后，所得反应溶液用乙酸乙酯(3×10mL)萃取，提取物用硫酸钠干燥，并用旋转蒸发器除去溶剂，产物纯品通过柱层析法(石油醚：乙酸乙酯＝100:1)得到。由表1可知本对比例合成的氧杂蒽酮的产率为37％。
对比例4
将0.3mmol氧杂蒽、1.5mmol四丁基四氟硼酸铵、7.5mL乙腈和0.5mL水一并加入到配有搅拌磁子的干燥的一体电解池(15mL)中，在室温敞口的环境下进行反应，反应前没有对反应体系进行除水除氧，使用铂电极(10mm×10mm×1mm)作为阳极、玻碳电极作为阴极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，将三电极插入上述电解池中并连接恒电位仪组成实验装置，在恒定的0.80V(vs.Ag/AgCl)电位(恒电位仪以恒电位模式运行)，室温敞口环境下，搅拌并电解反应混合物16h，反应结束后，所得反应溶液用乙酸乙酯(3×10mL)萃取，提取物用硫酸钠干燥，并用旋转蒸发器除去溶剂，产物纯品通过柱层析法(石油醚：乙酸乙酯＝100:1)得到。由表1可知本对比例合成的氧杂蒽酮的产率为45％。
对比例5
将0.3mmol氧杂蒽、1.5mmol四丁基四氟硼酸铵、7.5mL乙腈和0.5mL水一并加入到配有搅拌磁子的干燥的一体电解池(15mL)中，在室温敞口的环境下进行反应，反应前没有对反应体系进行除水除氧，使用玻碳电极(10mm×10mm×1mm)作为阳极、玻碳电极作为阴极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，将三电极插入上述电解池中并连接恒电位仪组成实验装置，在恒定的0.80V(vs.Ag/AgCl)电位(恒电位仪以恒电位模式运行)，室温敞口环境下，搅拌并电解反应混合物16h，反应结束后，所得反应溶液用乙酸乙酯(3×10mL)萃取，提取物用硫酸钠干燥，并用旋转蒸发器除去溶剂，产物纯品通过柱层析法(石油醚：乙酸乙酯＝100:1)得到。由表1可知本对比例合成的氧杂蒽酮的产率为17％。
由图5可知，本发明成功制备了含有AuPt的花状合金纳米粒子，经分析Au与Pt的原子比为96.73/3.27。图6显示了制得的花状AuPt合金纳米粒子的XRD图谱，其衍射峰位置的偏移同样表明本发明制备的是Au和Pt的合金纳米粒子。由表1对比可知，使用本发明所制备的花状AuPt合金纳米粒子修饰玻碳电极作为阳极，在较低的电压下直接电氧化氧杂蒽合成氧杂蒽酮，具有很高的电氧化效率并且可以得到较高的产率。
表1不同阳极的电氧化性能对比
实例 阳极 产率(％)
实施例2 花状AuPt合金纳米粒子修饰玻碳电极 87
对比例3 金电极 37
对比例4 铂电极 45
对比例5 玻碳电极 17
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (4)

1.一种在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：用无水乙醇将氯化胆碱重结晶，过滤并真空干燥备用，乙二醇使用前在真空干燥箱中干燥备用，将氯化胆碱与乙二醇按照摩尔比1:2的比例机械混合，于80℃搅拌至均一、无色透明溶液，再将上述溶液置于真空干燥箱中于80℃干燥24h得到氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂；
步骤S2：AuPt合金纳米粒子的电化学合成是在一个标准的三电极体系中进行的，使用玻碳电极作为工作电极，铂丝作为对电极以及铂丝作为准参比电极，在电沉积之前，玻碳电极首先用粒径为1.0μm、0.3μm、0.05μm的氧化铝粉打磨抛光，再用二次水冲洗干净，然后将玻碳电极在乙醇和二次水中超声清洗，最后在氮气中干燥备用；
步骤S3：在含有体积分数为10％水的30mmol/L HAuCl4和20mmol/L H2PtCl6的氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中，在-0.30V的应用电位下于30～60℃在玻碳电极表面一步电沉积300s电化学还原制备花状AuPt合金纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的在低共熔溶剂中制备花状AuPt合金纳米粒子的方法，其特征在于：步骤S3中所述电沉积温度优选为30℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法制得的花状AuPt合金纳米粒子修饰玻碳电极电氧化合成氧杂蒽酮的应用，其特征在于具体步骤：
步骤S1：将0.3mmol氧杂蒽、1.5mmol四丁基四氟硼酸铵、7.5mL乙腈和0.5mL水一并加入到配有搅拌磁子的干燥的一体电解池中，在室温敞口的环境下进行反应；
步骤S2：使用制备的花状AuPt合金纳米粒子修饰电极作为阳极、玻碳电极作为阴极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，将三电极插入上述电解池中并连接恒电位仪组成实验装置，在恒定的0.6～1.80V电位，室温敞口环境下，搅拌并电解反应混合物16h；
步骤S3：反应结束后，所得反应溶液用乙酸乙酯萃取，提取物用硫酸钠干燥，并用旋转蒸发器除去溶剂，再经过柱层析分离得到纯品氧杂蒽酮。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：步骤S2中所述的氧化电压为0.80V。
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