CN112574407B - 基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及共轭微孔聚合物技术领域,具体涉及一种基于2,4,6‑三(4‑醛基苯基)‑1,3,5‑三嗪的共轭微孔聚合物及其制备方法。本发明在2,4,6‑三(4‑醛基苯基)‑1,3,5‑三嗪基础上引入硫代草酰胺或对称引达省‑1,3,5,7(2H,6H)‑四酮,制备得到的基于2,4,6‑三(4‑醛基苯基)‑1,3,5‑三嗪的共轭微孔聚合物为无定形态结构,呈疏散蓬松的不规则块状,且具有一定的热稳定性和吸附能力,能够作为气体吸附或分离材料应用。
Description
技术领域
本发明涉及共轭微孔聚合物技术领域,具体涉及基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物及其制备方法。
背景技术
多孔有机聚合物的合成与应用在近几年蓬勃发展起来,它是一类由有机结构单元通过共价键连接而形成的具有微孔或者介孔结构的新型高分子多孔材料,其种类多种多样,主要包括具有结晶性的共价有机骨架聚合物(COFs)和非结晶性微孔有机聚合物(POPs),其中,非结晶性微孔有机聚合物又包括联微孔聚合物(HCPs)、自具微孔聚合物(PIMs)以及共轭微孔聚合物(CMPs)等。
作为多孔有机聚合物的一个分支,CMPs因具有多微孔、高比表面积、结构可调性、良好的化学稳定性和热稳定性等多种优越的性能,近年来受到研究人员的广泛关注。但是,现有技术中CMPs种类较少,不能满足社会对多元化的CMPs的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物及其制备方法,采用本发明提供的方法制备的基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物为无定形态结构,呈疏散蓬松的不规则块状,且具有一定的热稳定性和吸附能力。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物的制备方法,包括以下步骤:
将第一单体、第二单体和有机溶剂混合,在保护气氛中进行反应,得到基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物;
所述第一单体为2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪,所述第二单体包括硫代草酰胺或对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮。
优选地,所述第一单体与第二单体的摩尔比为2:(2.8~3.2)。
优选地,当所述第二单体为硫代草酰胺时,所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二氧六环中的至少一种;所述有机溶剂与第二单体的用量比为(8~12)mL:3mmol。
优选地,当所述第二单体为硫代草酰胺时,所述反应的温度为155~165℃,时间为20~30h。
优选地,所述反应完成后还包括:将所得产物体系冷却至室温,固液分离,采用乙醇洗涤所得固体物料,干燥后得到基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物。
优选地,当所述第二单体为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮时,所述有机溶剂包括邻二氯苯-正丁醇混合溶剂或邻二氯苯-均三甲苯混合溶剂,所述有机溶剂与第二单体的用量比为(45~55)mL:3mmol。
优选地,所述邻二氯苯-正丁醇混合溶剂中邻二氯苯和正丁醇的体积比为(6~8):3,所述邻二氯苯-均三甲苯混合溶剂中邻二氯苯和均三甲苯的体积比为(0.5~6):3。
优选地,当所述第二单体为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮时,所述反应的温度为115~125℃,时间为72~80h。
优选地,所述反应完成后还包括:将所得产物体系冷却至室温,固液分离,采用乙醇洗涤所得固体物料,干燥后得到基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物,具有式I或式II所示结构:
本发明提供了一种基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物的制备方法,包括以下步骤:将第一单体、第二单体和有机溶剂混合,在保护气氛中进行反应,得到基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物;所述第一单体为2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪,所述第二单体包括硫代草酰胺或对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮。本发明在2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪基础上引入硫代草酰胺或对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮,制备得到的基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物为无定形态结构,呈疏散蓬松的不规则块状,且具有一定的热稳定性和吸附能力,能够作为气体吸附或分离材料应用。
本发明提供的基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物的制备方法简单易行,有利于实现规模化生产。
附图说明
图1为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮的核磁氢谱图;
图2为SKC-CMP-1的红外谱图;
图3为SKC-CMP-1的紫外可见谱图;
图4为SKC-CMP-1的XRD扫描图;
图5为SKC-CMP-1的扫描电镜图;
图6为SKC-CMP-1的热重分析图;
图7为SKC-CMP-1在77K条件下的氮气吸脱附曲线;
图8为SKC-CMP-1的孔介分布曲线;
图9为SKC-CMP-2的红外谱图;
图10为SKC-CMP-2的紫外可见谱图;
图11为SKC-CMP-2的13C固体核磁图;
图12为SKC-CMP-2的XRD扫描图;
图13为SKC-CMP-2的扫描电镜图;
图14为SKC-CMP-2的热重分析图;
图15为SKC-CMP-2在77K条件下的氮气吸脱附曲线;
图16为SKC-CMP-2的孔介分布曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物的制备方法,包括以下步骤:
将第一单体、第二单体和有机溶剂混合,在保护气氛中进行反应,得到基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物;
所述第一单体为2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪,所述第二单体包括硫代草酰胺或对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮。
在本发明中,所述第一单体与第二单体的摩尔比优选为2:(2.8~3.2),更优选为2:3。
本发明优选根据第二单体的具体种类,选择有机溶剂的种类以及反应具体条件。
在本发明中,当所述第二单体为硫代草酰胺时,所述有机溶剂优选包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二氧六环中的至少一种,更优选为N,N-二甲基甲酰胺;所述有机溶剂与第二单体的用量比优选为(8~12)mL:3mmol,更优选为10mL:3mmol。
在本发明中,当所述第二单体为硫代草酰胺时,第一单体和第二单体发生聚合反应,所述聚合反应在水热合成反应釜中进行,具体是将各制备原料混合后倒入水热合成反应釜中,通保护气3~5min,密封水热合成反应釜并将其置于恒温干燥箱中,通过控制干燥箱的温度控制聚合反应的温度。在本发明中,所述聚合反应的温度优选为155~165℃,更优选为160℃;时间优选为20~30h,更优选为24h。本发明对于所述保护气的种类没有特殊的限定,具体可以为氮气。
在本发明中,所述聚合反应完成后优选还包括:将所得产物体系冷却至室温,固液分离,采用乙醇洗涤所得固体物料,干燥后得到的棕黄色产物即为基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物。在本发明中,所述固液分离的方式优选为抽滤;洗涤用乙醇优选为无水乙醇;本发明对于所述干燥的具体操作条件没有特殊的限定,常规干燥条件即可。
在本发明中,当所述第二单体为硫代草酰胺时,基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物的结构式以及制备流程具体如下:
在本发明中,所述第二单体还可以为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮,本发明对于所述对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮的来源没有特殊的限定,采用市售商品或自制均可;在本发明中,所述对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮优选为自制,制备方法优选包括以下步骤:
将均苯四甲酸二酐、乙酰乙酸乙酯和三乙胺混合,油浴加热至60~65℃,向所得混合物中加入乙酸酐,升温至98~102℃,保温反应1.5~2.5h;反应结束后冷却至室温,然后在0~5℃条件下冷却10~15h,出现褐色沉淀物,将所得物料减压抽滤,分别用乙酸酐和无水乙醚洗涤,干燥后得到第一橙色固体;
将所述第一橙色固体溶于蒸馏水中,形成深橙色溶液,在冰水浴条件下,向所述深橙色溶液中加入浓硫酸(98wt%),有固体析出,减压过滤并用无水乙醇洗涤,干燥后得到第二橙色固体;
将所述第二橙色固体溶解在无水乙腈中,得到深红色溶液,将所述深红色溶液在95~102℃条件下反应2.5~3.5h;反应结束后冷却至室温,将所得产物体系进行减压过滤,得到灰色沉淀,采用无水乙腈对所述灰色沉淀进行重结晶,干燥后得到对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮。
在本发明中,所述对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮的制备流程具体如下:
在本发明中,当所述第二单体为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮时,所述有机溶剂优选包括邻二氯苯-正丁醇混合溶剂或邻二氯苯-均三甲苯混合溶剂,所述有机溶剂与第二单体的用量比优选为(45~55)mL:3mmol,更优选为50mL:3mmol。
在本发明中,所述邻二氯苯-正丁醇混合溶剂中邻二氯苯和正丁醇的体积比为优选(6~8):3,更优选为7:3;所述邻二氯苯-均三甲苯混合溶剂中邻二氯苯和均三甲苯的体积比优选为(0.5~6):3,更优选为1:1。
在本发明中,当所述第二单体为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮时,所述第一单体和第二单体发生亲核加成-消除反应,具体是将各制备原料混合后,在保护气氛存在和搅拌条件下,利用恒温油浴锅加热控制亲核加成-消除反应的温度。在本发明中,所述亲核加成-消除反应的温度优选为115~125℃,更优选为120℃;时间优选为72~80h,更优选为72h。
在本发明中,所述亲核加成-消除反应完成后优选还包括:将所得产物体系冷却至室温,固液分离,采用乙醇洗涤所得固体物料,干燥后得到基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物。在本发明中,所述固液分离的方式优选为抽滤;洗涤用乙醇优选为无水乙醇;本发明对于所述干燥的具体操作条件没有特殊的限定,常规干燥条件即可。
在本发明中,当所述第二单体为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮时,基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物的结构式以及制备流程具体如下:
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物,具有式I或式II所示结构:
下面将结合本发明中的实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
将硫代草酰胺(0.3606g,3mmol)、2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪(0.7868g,2mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(10mL)加入到烧杯中,将所得混合物超声处理分散均匀后倒入水热合成反应釜中,通氮气5min,密封水热合成反应釜并将其置于恒温干燥箱中,在160℃条件下进行聚合反应24h;反应完成后冷却至室温,将所得产物体系抽滤,用无水乙醇洗涤所得固体物料,干燥,得到的棕黄色产物即为基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物(简称为SKC-CMP-1,结构式具体如式I所示),产量为0.7932g,产率为72%。
实施例2
制备对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮,包括以下步骤:
将均苯四甲酸二酐(20.0005g,0.091mol)、乙酰乙酸乙酯(35mL,0.275mol)和三乙胺(112mL,1.1mol)混合,油浴加热至60℃,向所得混合物中加入乙酸酐(300mL),升温至100℃,保温反应2h;反应结束后冷却至室温,然后在0℃条件下冷却12h,出现褐色沉淀物,将所得物料减压抽滤,分别用乙酸酐(20mL)和无水乙醚(20mL)各洗涤3次,干燥后得到第一橙色固体;
将所述第一橙色固体(6.0005g,10.5mmol)溶于蒸馏水(500mL)中,形成深橙色溶液,在冰水浴条件下,向所述深橙色溶液中加入浓硫酸(6mL,98wt%),有固体析出,减压过滤并用无水乙醇洗涤,干燥后得到第二橙色固体;
将所述第二橙色固体(1.7857g,5.0mmol)溶解在无水乙腈(200mL)中,得到深红色溶液,将所述深红色溶液在100℃条件下反应3h;反应结束后冷却至室温,将所得产物体系进行减压过滤,得到灰色沉淀,采用无水乙腈对所述灰色沉淀进行重结晶,干燥后得到对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮,产量为0.9832g,产率为46.9%。
制备基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物,包括以下步骤:
将2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪(0.7868g,2mmol)、对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮(0.6425g,3mmol)、邻二氯苯(35mL)和正丁醇(15mL)加入到圆底烧瓶中,在氮气保护和磁力搅拌条件下,向圆底烧瓶中滴加乙酸(2.5mL),利用恒温油浴锅加热,在120℃条件下进行亲核加成-消除反应72h;反应完成后冷却至室温,将所得产物体系抽滤,采用无水乙醇对所得固体物料进行洗涤,干燥后得到的棕黑色产物即为基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物(简称为SKC-CMP-2,结构式具体如式II所示),产量为1.3450g,产率为97%。
对制备得到的对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮进行表征,具体如下:
图1为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮的核磁氢谱图,由图1可知,产物在1,2位置处的质子峰位于3.43ppm(4H),产物在3,4位置处的质子峰位于8.54ppm(2H),两处峰面积比为2:1;其余峰为溶剂峰。说明制备得到的产物确实为对称引达省-1,3,5,7(2H,6H)-四酮。
对制备得到的SKC-CMP-1进行表征,具体如下:
图2为SKC-CMP-1的红外谱图,由图2可知,对比SKC-CMP-1与2,4,6-三(醛基苯基)-1,3,5-三嗪的红外谱图,没有发现对应起始原料的醛带(1705cm-1),1666cm-1处是由C=N引起的典型拉伸带,表明形成碳氮双键结构,且聚合反应进行的比较完全,证明所得SKC-CMP-1结构正确。
图3为SKC-CMP-1的紫外可见谱图,由图3中能够看到SKC-CMP-1的吸收波长范围增加,相较于起始原料2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的紫外可见谱图,能清楚地看到SKC-CMP-1的最大吸收波长向长波移动,这是因为SKC-CMP-1的形成导致共轭体系增大,吸收谱带红移,进一步证明所得SKC-CMP-1结构正确。
图4为SKC-CMP-1的XRD扫描图,由图4可知,SKC-CMP-1在2θ=5~80°范围内出现比较多的宽峰,表明SKC-CMP-1为无定形态结构。
图5为SKC-CMP-1的扫描电镜图(左侧为低倍率扫描电镜图,右侧为高倍率扫描电镜图),由图5可知,SKC-CMP-1结构比较疏散蓬松,呈不规则块状。
图6为SKC-CMP-1的热重分析图,由图6可知,在18.56~71.88℃这一温度变化范围中,SKC-CMP-1失重约为6%,这是其失去水分和溶剂的结果;温度在508.10℃前,SKC-CMP-1的质量平稳下降,失重为20%,原因是部分C=N、C-S键断裂;温度在508.10℃之后,SKC-CMP-1迅速失重,骨架坍塌;温度在800.00℃时,体系残余的碳渣量约为45%。这说明SKC-CMP-1具有一定的热稳定性。
图7为SKC-CMP-1在77K条件下的氮气吸脱附曲线,由图7可知,当P/Po=0.99时,SKC-CMP-1的氮气吸附量达到32.12cm3/g,且从吸附曲线来看,在低压区域随着压力增加SKC-CMP-1的氮气吸附量变化不大,当P/Po=0.8左右时,随着压力增加SKC-CMP-1的氮气吸附量发生突变,对应典型的Type IV型等温线;SKC-CMP-1的BET比表面积为15.8653m2/g,Langmuir比表面积为22.1740m2/g。图8为SKC-CMP-1的孔介分布曲线,由
图8可知,孔道分布在15~40nm。图7和图8共同证明了SKC-CMP-1为介孔材料,且具有一定的吸附性。
对制备得到的SKC-CMP-2进行表征,具体如下:
图9为SKC-CMP-2的红外谱图,由图9可知,对比SKC-CMP-2与2,4,6-三(醛基苯基)-1,3,5-三嗪的红外谱图,没有发现对应于起始原料的醛基(约1705cm-1)拉伸带,说明该反应比较完全,1609cm-1处是共轭的C=C双键的伸缩振动,证明所得SKC-CMP-2结构正确。
图10为SKC-CMP-2的紫外可见谱图,由图10可知,SKC-CMP-2全光谱吸收,这是因为SKC-CMP-2共轭程度大,进一步证明所得SKC-CMP-2结构正确。
图11为SKC-CMP-2的13C固体核磁图,由图11可知,在167.3ppm处的共振峰归结为不饱和三嗪环上的碳原子(a),在136.8ppm处的共振峰归于直接与三嗪环相连的碳原子(b),在126.7ppm处的共振峰归结为苯环上的碳原子(c、d),在143.6ppm处的共振峰为C=C连接(e、f),在185.0ppm处的共振峰为与羰基直接相连的碳原子(g),进一步证明所得SKC-CMP-2结构正确。
图12为SKC-CMP-2的XRD扫描图,由图12可知,SKC-CMP-2在2θ=5~80°范围内出现比较多的宽峰,表明SKC-CMP-2为无定形态结构。
图13为SKC-CMP-2的扫描电镜图(左侧为低倍率扫描电镜图,右侧为高倍率扫描电镜图),由图13可知,SKC-COP-2结构疏散蓬松,呈不规则块状。
图14为SKC-CMP-2的热重分析图,由图14可知,在16.80~79.52℃这一温度变化范围中,SKC-CMP-2失重约为5%,这是失去水分和溶剂的结果;温度在309.91℃前,SKC-CMP-2质量平稳下降,失重为11%;温度在309.91℃之后,SKC-CMP-2结构被完全破坏,迅速失重;温度为800.00℃时,体系残余的碳渣量约为56%。说明SKC-CMP-2具有一定的热稳定性。
图15为SKC-CMP-2在77K条件下的氮气吸脱附曲线,由图15可知,当P/PO=0.99时,SKC-CMP-2的氮气吸附量达到201.84cm3/g,对应典型的Type IV型等温线,氮气吸附量随压力的增加呈现增加的趋势,同时在脱附曲线中存在明显的滞后现象,可能是因为SKC-CMP-2是介孔结构导致的;SKC-CMP-2的BET比表面积为104.5714m2/g,Langmuir比表面积为147.1819m2/g。图16为SKC-CMP-2的孔介分布曲线,由图16可知SKC-CMP-2孔径分布比较宽,主要集中在介孔部分。图15和图16共同证明了SKC-CMP-2为介孔材料,且具有一定的吸附性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述第一单体与第二单体的摩尔比为2:(2.8~3.2)。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂与第二单体的用量比为(8~12)mL:3mmol。
4.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法,其特征在于,当所述第二单体为硫代草酰胺时,所述反应的温度为155~165℃,时间为20~30h。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述反应完成后还包括:将所得产物体系冷却至室温,固液分离,采用乙醇洗涤所得固体物料,干燥后得到基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物。
6.权利要求1~5任一项所述制备方法制备得到的基于2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪的共轭微孔聚合物。
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