CN112110860A - 一种含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体及其制备方法,这种非磺化二胺单体是以芳香族羟基酸为原料,经过成醚反应,成咪唑反应,还原反应,得到新型含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体。新型含咪唑基的全芳香侧链型非磺化二胺单体可与磺化二胺单体、二酐单体制备得到磺化聚酰亚胺(SPI),磺化聚酰亚胺可用于制备燃料电池质子交换膜。本发明的新型含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体,引入咪唑基提高所制备质子交换膜的抗自由基氧化性,同时引入醚键柔性基团,提高质子交换膜的柔韧性。新型含咪唑基的全芳香侧链型非磺化二胺单体在质子交换膜燃料电池方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池质子交换膜材料技术领域,特别涉及一种含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体及其制备方法,制得的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体可用于制备质子交换膜材料。
背景技术
质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心材料,其中SPI具有优良的热稳定性、良好的成膜性和优异的化学稳定性而成为出色的质子交换膜材料。SPI通常由磺化二胺单体、非磺化二胺单体与二酐单体共聚制得,研究发现非磺化二胺单体的结构对SPI质子交换膜的性能有着重要影响。Okamoto课题组合成了2-(4-胺基苯基)-1H-苯并咪唑-6-二胺(APABI),但该单体在制备质子交换膜中存在耐水解稳定性差的问题。此外,目前磺化聚酰亚胺还存在抗自由基氧化性较差的问题,影响质子交换膜燃料电池的寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术中的问题,本发明从改善聚合物性能的角度出发提供一种含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体,利用该含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体制备的磺化聚酰亚胺具有良好的耐水解稳定性、抗自由基氧化稳定性和质子传导性能。
为实现本发明目的,本发明所采用的技术方案为:1一种含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体,所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的结构通式为:
如上所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,包括如下步骤:
过量无水碳酸盐溶于有机溶剂中,磁子搅拌使得芳香族羟基酸充分溶解,再加入对氟硝基苯,升温至70~90℃后开始向体系中滴加甲苯,甲苯滴加结束后升温至130~150℃反应3~5h,然后共沸去水,升至140~160℃保温12~18h,反应体系温度控制在140-160℃共沸去水;待结束后冷却至室温,再将反应体系倒入乙醇和去离子水的混合溶液中用浓盐酸将体系酸化得到固体,反复用乙醇和去离子水清洗,然后用丙酮重结晶,真空干燥得到硝基苯氧基酸,其结构通式如下:
(2)在氮气保护下,将五氧化二磷加入到多聚磷酸中作为溶剂和脱水剂,110~130℃机械搅拌后加入步骤(1)得到的硝基苯氧基酸和4-硝基邻苯二胺,将非均相混合物搅拌,待形成均相溶液后于110~130℃反应5~7h,反应结束后趁热倒入蒸馏水中,收集沉淀并将其浸泡在饱和碳酸盐溶液中,过滤收集滤饼并用大量蒸馏水冲洗,真空干燥得到芳香咪唑基二硝基化合物,其结构通式如下:
(3)在氮气保护下,将步骤(2)得到的芳香咪唑基二硝基化合物溶于乙醇中,加入Pd/C催化剂,用恒压滴液漏斗滴加水合肼,加热至70~90℃反应18~24h,反应结束后在热状态下过滤除去Pd/C催化剂,收集滤液,在减压下从所得滤液中蒸发溶剂,并将其倒入蒸馏水中以获得沉淀,过滤收集滤饼,再真空干燥得到所述含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体。
进一步的,步骤(1)所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜。
进一步的,步骤(1)所述的芳香族羟基酸、对氟硝基苯和无水碳酸盐的摩尔比为1:1:(3~4)。
进一步的,步骤(1)所述的无水碳酸盐为无水碳酸钾或无水碳酸钠。
进一步的,步骤(1)所述的甲苯和有机溶剂的体积比为1:4~6。
进一步的,步骤(1)所述的乙醇和去离子水体积比为1~2。
进一步的,步骤(1)所述的将体系酸化至pH=2.0~3.0。
进一步的,步骤(2)所述的五氧化二磷与多聚磷酸的质量比为1:2~5。
进一步的,步骤(2)所述的蒸馏水与原体系体积比为1:2~6;
和/或,步骤(2)所述的碳酸盐为碳酸钠或碳酸氢钠。
本发明的有益效果在于:本发明的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体,单体中含有醚键和多苯环,同时含有咪唑基团,其中醚键一方面增加柔性,另一方面以推电子的醚键稳定主链结构,进而增加酰胺键的电子云密度,水解反应是亲核进攻历程,增加酰胺键的电子云密度可以减少水解的进攻机会,从而使分子的水解稳定性大大增加;多苯环可增加热稳定性。本申请的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体,可与二酐单体、磺化二胺单体制备得到磺化聚酰亚胺,用此含咪唑基磺化聚酰亚胺制备质子交换膜,可提高膜的水解稳定性、抗自由基氧化稳定性和柔韧性。
附图说明
图1为实施例1步骤(1)中制备的4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸的1HNMR(DMSO-d6)。
图2为实施例1步骤(2)中制备的2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-6-硝基-1H-苯并咪唑的1HNMR(DMSO-d6)。
图3为实施例1步骤(3)中制备的2-(4'-(4-氨基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-6-氨基-1H-苯并咪唑的1HNMR(DMSO-d6)。
图4为实施例5中所制备的NTDA-DSDSA/AABBI(2:1)的质子电导率随温度变化图。
具体实施方式
实施例1
(1)4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸的制备
将2.142g(10.0mmol)的4'-羟基-(1,1'-联苯)-4-羧酸,4.140g(30.0mmol)碳酸钾加入100mL加装分水器的三颈瓶中。在氮气流条件下加入25.0mL N,N-二甲基甲酰胺,磁子搅拌使得4'-羟基-(1,1'-联苯)-4-羧酸充分溶解,再加入1.411g(10.0mmol)的对氟硝基苯。升温至80℃后开始向体系中滴加5.0mL甲苯,30min后逐步升温至甲苯-水共沸物馏出(约140℃),大约4h,升至150℃保持温度不变反应15h。待反应冷却至室温,将溶液倒入乙醇和去离子水体积比为(3/2)的混合溶液中,用12.00mol/L的盐酸将体系酸化至pH=2.0,将得到固体反复用乙醇和去离子水清洗,然后用丙酮进行重结晶,90℃真空干燥10h得到产物4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸。对产物进行了1HNMR表征,见图1,核磁图中13.01ppm为-COOH上的H,其余各个峰的归属分别在图谱中予以标明,证明合成了4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸。
(2)6-硝基-2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将10.000g五氧化二磷加入到40.000g多聚磷酸(80%)加入到100mL的三颈烧瓶中,作为溶剂和脱水剂,120℃机械搅拌,后加入步骤(1)得到的2.683g(8.0mmol)4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸和1.225g(8.0mmol)4-硝基邻苯二胺。将非均相混合物搅拌,待形成均相溶液后120℃反应6h,反应结束后趁热倒入500mL蒸馏水中,收集沉淀并将其浸泡在饱和碳酸氢钠溶液中直至无气泡,过滤,用大量蒸馏水冲洗,90℃真空干燥10h得到产物6-硝基-2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑。对产物进行了1HNMR表征,见图2,核磁图中13.79ppm为-NH上的H,其余各个峰的归属分别在图谱中予以标明,证明合成了6-硝基-2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑。
(3)6-氨基-2-(4'-(4-氨基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将步骤(2)得到的2.262g(5.0mmol)6-硝基-2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑添加到含有40mL 95%乙醇的100mL三颈烧瓶中,加入0.2000g的10%Pd/C,用恒压滴液漏斗缓慢滴加8mL的80%水合肼1h,加热至70℃反应24h,反应结束后在热状态下过滤去Pd/C,收集滤液,在减压下从所得滤液中蒸发溶剂,并将其倒入300mL蒸馏水中以获得沉淀,将其过滤90℃下真空干燥10h得到6-氨基-2-(4'-(4-氨基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑。对产物进行1HNMR表征,见图3,核磁图中12.33ppm为-NH上的H,5.05ppm为-NH2上的H,其余各个峰的归属分别在图谱中予以标明,证明合成了6-氨基-2-(4'-(4-氨基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑。
实施例2
(1)4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸的制备
将2.142g(10.0mmol)的4'-羟基-(1,1'-联苯)-4-羧酸,4.830g(35.0mmol)碳酸钾加入100mL加装分水器的三颈瓶中。在氮气流条件下加入25.0mL二甲基亚砜,磁子搅拌使得4'-羟基-(1,1'-联苯)-4-羧酸充分溶解,再加入1.411g的对氟硝基苯。升温至80℃后开始向体系中滴加4.2mL甲苯,30min后逐步升温至甲苯—水共沸物溜出(约140℃),大约4h,升至150℃保持温度不变反应15h。待反应冷却至室温,将溶液倒入乙醇和去离子水体积比为(3/2)的混合溶液中,用12.00mol/L的盐酸将体系酸化至pH=3.0,将得到固体反复用乙醇和去离子水清洗,然后用丙酮进行重结晶,90℃真空干燥10h得到产物4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸。
(2)6-硝基-2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将7.000g五氧化二磷加入到40.000g多聚磷酸(80%)加入到100mL的三颈烧瓶中,作为溶剂和脱水剂,120℃机械搅拌,后加入步骤(1)得到的2.683g(8.0mmol)4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-羧酸和1.225g(8.0mmol)4-硝基邻苯二胺。将非均相混合物搅拌,待形成均相溶液后150℃反应2h,190℃反应24h,反应结束后趁热倒入500mL蒸馏水中,收集沉淀并将其浸泡在饱和碳酸钠溶液中直至无气泡,过滤,用大量蒸馏水冲洗,90℃真空干燥10h得到产物6-硝基-2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑。
(3)6-氨基-2-(4'-(4-氨基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将步骤(2)得到的2.262g(5.0mmol)6-硝基-2-(4'-(4-硝基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑添加到含有40mL 95%乙醇的100mL三颈烧瓶中,加入0.2000g的10%Pd/C,用恒压滴液漏斗缓慢滴加8mL的80%水合肼0.5h,加热至80℃反应18h,反应结束后在热状态下过滤去Pd/C,收集滤液,在减压下从所得滤液中蒸发溶剂,并将其倒入300mL蒸馏水中以获得沉淀,将其过滤90℃下真空干燥10h得到6-氨基-2-(4'-(4-氨基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑。
实施例3
(1)4-(4-(4-硝基苯氧基)苯氧基)苯甲酸的制备
将2.302g(10.0mmol)的4-(4-羟基苯氧基)苯甲酸,4.140g(30.0mmol)碳酸钾加入100mL加装分水器的三颈瓶中。在氮气流条件下加入25.0mL N,N-二甲基甲酰胺,磁子搅拌使得4-(4-羟基苯氧基)苯甲酸充分溶解,再加入1.411g的对氟硝基苯。升温至80℃后开始向体系中滴加5.0mL甲苯,30min后逐步升温至甲苯-水共沸物馏出(约140℃),大约4h,升至150℃保持温度不变反应15h。待反应冷却至室温,将溶液倒入乙醇和去离子水体积比为(3/2)的混合溶液中,用12.00mol/L的盐酸将体系酸化至pH=2.0,将得到固体反复用乙醇和去离子水清洗,然后用丙酮进行重结晶,90℃真空干燥10h得到产物4-(4-(4-硝基苯氧基)苯氧基)苯甲酸。
(2)6-硝基-2-(4-(4-(4-硝基苯氧基)苯氧基)苯基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将10.000g五氧化二磷加入到40.000g多聚磷酸(80%)加入到100mL的三颈烧瓶中,作为溶剂和脱水剂,120℃机械搅拌,后加入步骤(1)得到的2.810g(8.0mmol)4-(4-(4-硝基苯氧基)苯氧基)苯甲酸和1.225g(8.0mmol)4-硝基邻苯二胺。将非均相混合物搅拌,待形成均相溶液后120℃反应6h,反应结束后趁热倒入500mL蒸馏水中,收集沉淀并将其浸泡在饱和碳酸氢钠溶液中直至无气泡,过滤,用大量蒸馏水冲洗,90℃真空干燥10h得到产物6-硝基-2-(4-(4-(4-硝基苯氧基)苯氧基)苯基)-1H-苯并咪唑。
(3)6-氨基-2-(4-(4-(4-氨基苯氧基)苯氧基)苯基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将步骤(2)得到的2.342g(5.0mmol)6-硝基-2-(4-(4-(4-(4-硝基苯氧基)苯氧基)苯基)-1H-苯并咪唑添加到含有40mL 95%乙醇的100mL三颈烧瓶中,加入0.2000g的10%Pd/C,用恒压滴液漏斗缓慢滴加8mL的80%水合肼1h,加热至70℃反应24h,反应结束后在热状态下过滤去Pd/C,收集滤液,在减压下从所得滤液中蒸发溶剂,并将其倒入300mL蒸馏水中以获得沉淀,将其过滤90℃下真空干燥10h得到6-氨基-2-(4-(4-(4-氨基苯氧基)苯氧基)苯基)-1H-苯并咪唑。
实施例4
(1)4″-(4-硝基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯]-4-羧酸的制备
将2.903g(10.0mmol)的4″-羟基-[1,1':4',1″-三联苯基]-4-羧酸,4.140g(30.0mmol)碳酸钾加入100mL加装分水器的三颈瓶中。在氮气流条件下加入25.0mL N,N-二甲基甲酰胺,磁子搅拌使得对羟基苯甲酸充分溶解,再加入1.411g的对氟硝基苯。升温至80℃后开始向体系中滴加5.0mL甲苯,30min后逐步升温至甲苯-水共沸物馏出(约140℃),大约4h,升至150℃保持温度不变反应15h。待反应冷却至室温,将溶液倒入乙醇和去离子水体积比为(3/2)的混合溶液中,用12.00mol/L的盐酸将体系酸化至pH=2.0,将得到固体反复用乙醇和去离子水清洗,然后用丙酮进行重结晶,90℃真空干燥10h得到产物4″-(4-硝基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯]-4-羧酸。
(2)6-硝基-2-(4″-(4-硝基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯基]-4-基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将10.000g五氧化二磷加入到40.000g多聚磷酸(80%)加入到100mL的三颈烧瓶中,作为溶剂和脱水剂,120℃机械搅拌,后加入步骤(1)得到的3.291g(8.0mmol)4″-(4-硝基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯]-4-羧酸和1.225g(8.0mmol)4-硝基邻苯二胺。将非均相混合物搅拌,待形成均相溶液后120℃反应6h,反应结束后趁热倒入500mL蒸馏水中,收集沉淀并将其浸泡在饱和碳酸氢钠溶液中直至无气泡,过滤,用大量蒸馏水冲洗,90℃真空干燥10h得到产物6-硝基-2-(4″-(4-硝基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯基]-4-基)-1H-苯并咪唑。
(3)6-氨基-2-(4″-(4-氨基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯基]-4-基)-1H-苯并咪唑的制备
在氮气保护下,将步骤(2)得到的2.647g(5.0mmol)6-硝基-2-(4″-(4-硝基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯基]-4-基)-1H-苯并咪唑添加到含有40mL 95%乙醇的100mL三颈烧瓶中,加入0.2000g的10%Pd/,用恒压滴液漏斗缓慢滴加8mL的80%水合肼1h,加热至70℃反应24h,反应结束后在热状态下过滤去Pd/C,收集滤液,在减压下从所得滤液中蒸发溶剂,并将其倒入300mL蒸馏水中以获得沉淀,将其过滤90℃下真空干燥10h得到6-氨基-2-(4″-(4-氨基苯氧基)-[1,1':4',1″-三联苯基]-4-基)-1H-苯并咪唑。
实施例5
称取0.494g(1.333mmol)4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸(DSDSA)于氮气保护完全干燥的100mL三口烧瓶,加入20mL间甲酚作溶剂和0.7ml三乙胺,磁子搅拌使固体溶解。溶解后加入0.262g(0.667mmol)6-氨基-2-(4'-(4-氨基苯氧基)-[1,1'-联苯]-4-基)-1H-苯并咪唑(AABBI)、0.536g(2mmol)1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTDA)、0.488g苯甲酸和0.7ml异喹啉。室温下搅拌1h,然后加热至80℃反应8h,180℃反应20h。待反应结束后体系冷却至80℃,将溶液倒入大约200mL甲醇中搅拌,得到纤维状固体,将固体用甲醇反复洗涤后,90℃真空烘干待用,得到聚合物SPI(NTDA-DSDSA/AABBI(2:1))。
将制备得到的磺化聚酰亚胺和间甲酚按固体含量5%的比例混合配置溶液,80℃磁力搅拌8h,在玻璃板上刮涂成膜,在40℃下真空干燥4h,80℃下真空干燥8h,即得到SPI膜。使用前需将此膜浸泡在甲醇中24h以去除膜中残余的间甲酚,随后将膜转移到1mol/LH2SO4溶液中,浸泡24h以保证膜进行充分的质子交换,最后以大量去离子水冲洗直至中性,移入真空干燥箱90℃真空干燥10h。
Claims (10)
2.如权利要求1所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
过量无水碳酸盐溶于有机溶剂中,磁子搅拌使得芳香族羟基酸充分溶解,再加入对氟硝基苯,升温至70~90℃后开始向体系中滴加甲苯,甲苯滴加结束后升温至130~150℃反应3~5h,然后共沸去水,升至140~160℃保温12~18h,反应体系温度控制在140-160℃共沸去水;待结束后冷却至室温,再将反应体系倒入乙醇和去离子水的混合溶液中用浓盐酸将体系酸化得到固体,反复用乙醇和去离子水清洗,然后用丙酮重结晶,真空干燥得到硝基苯氧基酸,其结构通式如下:
(2)在氮气保护下,将五氧化二磷加入到多聚磷酸中作为溶剂和脱水剂,110~130℃机械搅拌后加入步骤(1)得到的硝基苯氧基酸和4-硝基邻苯二胺,将非均相混合物搅拌,待形成均相溶液后于110~130℃反应5~7h,反应结束后趁热倒入蒸馏水中,收集沉淀并将其浸泡在饱和碳酸盐溶液中,过滤收集滤饼并用大量蒸馏水冲洗,真空干燥得到芳香咪唑基二硝基化合物,其结构通式如下:
(3)在氮气保护下,将步骤(2)得到的芳香咪唑基二硝基化合物溶于乙醇中,加入Pd/C催化剂,用恒压滴液漏斗滴加水合肼,加热至70~90℃反应18~24h,反应结束后在热状态下过滤除去Pd/C催化剂,收集滤液,在减压下从所得滤液中蒸发溶剂,并将其倒入蒸馏水中以获得沉淀,过滤收集滤饼,再真空干燥得到所述含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体。
3.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜。
4.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的芳香族羟基酸、对氟硝基苯和无水碳酸盐的摩尔比为1:1:(3~4)。
5.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的无水碳酸盐为无水碳酸钾或无水碳酸钠。
6.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的甲苯和有机溶剂的体积比为1:4~6。
7.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的乙醇和去离子水体积比为1~2。
8.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的将体系酸化至pH=2.0~3.0。
9.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述的五氧化二磷与多聚磷酸的质量比为1:2~5。
10.如权利要求2所述的含咪唑基的全芳香非磺化二胺单体的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述的蒸馏水与原体系体积比为1:2~6;
和/或,步骤(2)所述的碳酸盐为碳酸钠或碳酸氢钠。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201222 |