CN113773668B - 一类含有氨基的香豆素类染料在超临界co2中的合成与染色方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一类含有氨基的香豆素类染料在超临界CO2中的合成与染色方法，以超临界二氧化碳(CO2)为溶剂，以硝基取代的香豆素类化合物为前驱体、Au/TiO2作为催化剂、H2作为还原剂，不同温度、压力和时间条件下，实现超临界CO2中香豆素类荧光染料的合成与纺织品染色同步的方法。所述的以硝基取代的香豆素类化合物为前驱体，具有通式I的结构。该种方法可用于超临界CO2中香豆素类染料的合成与染色，该种方法实现了荧光染料清洁化生产和染色方法的创新，为合理资源化利用超临界CO2和减少染料合成与染色带来环境污染问题提供创新思想。
Description
技术领域
本发明属于纺织印染技术领域，涉及超临界CO2无水染色技术和超临界CO2中合成反应技术。
背景技术
超临界CO2流体由于具有相对温和的临界条件(TC＝31.1℃，PC＝7.38MPa)、具有性质稳定、价格低廉、无毒无害、不可燃、可回收利用等诸多有益的性质，因此成为一种具有重要应用价值的商业和工业溶剂，作为天然产物萃取、有机化学反应和纺织品染色的绿色替代介质获得广泛的开发和应用。
超临界CO2无水染色技术自1988年被Schollmeyer首次用于纺织领域以来，便得到了广泛的发展。采用超临界CO2流体作为染色介质优于常规水染染色、具有染料利用率高、染色时间短、没有污水排放到环境中以及染料和CO2可回收利用等优点。符合现如今清洁生产、节能减排、绿色环保的研究理念。目前使用分散染料对合成纤维，特别是涤纶染料染色已取得许多成果。然而，将荧光分散染料引入这种新的染色技术的报道较少。
目前，能够适合超临界CO2流体染色的荧光染料品种并不多,主要有香豆素衍生物和1,8-萘酰亚胺衍生物两类低极性的小分子荧光染料。其中香豆素类物质具有典型的分子内电荷转移(ICT)结构，其荧光性能主要取决于染料母体上供-吸电子基团的影响，当把染料分子结构中的硝基还原成氨基时，可以提高基团的供电子能力，使得染料的发射波长改变，光物理性能显著增强。传统硝基还原为氨基的方法主要采用氯化亚锡/盐酸体系或硫化钠体系，但该体系容易造成环境污染。因此，为获得香豆素类荧光染料，开发其绿色无污染的硝基还原反应的溶剂体系具有重要的研究价值。
发明内容
基于上述研究背景，本发明提供一类含有氨基的香豆素类染料在超临界CO2中的合成与染色方法，以超临界CO2为染料绿色合成的溶剂，基于Au/TiO2催化剂催化还原硝基为氨基的反应原理，将带有硝基的香豆素类染料的前驱体还原，获得具有高荧光量子产率的分散荧光染料。结合超临界CO2反应与染色技术，在超临界CO2中完成染料合成的同时并对织物进行染色，实现了荧光染料清洁化生产和染色方法的创新，为合理资源化利用超临界CO2和减少染料合成与染色带来环境污染问题提供创新思想。
在本发明的第一方面，本发明针对现有香豆素类染料硝基还原体系的不足，将染料合成体系进行改性，提供了一类含有氨基的香豆素类染料在超临界CO2中的合成方法，以超临界二氧化碳(CO2)为溶剂，以硝基取代的萘酰亚胺类化合物为染料前驱体，Au/TiO2作为催化剂，H2作为还原剂，在不同温度、压力和时间条件下进行反应，将硝基还原为氨基，合成含有氨基的香豆素类荧光染料。所采用的硝基取代的香豆素类化合物的前驱体，其具有下列结构通式I：
通式I中：
其中，
R1选自H，OH，CH3或OCH3；
R2选自H或NO2；
R3选自NO2，NH2或NHCOCH3；
且R2和R3中至少一个为NO2。
具体地，当R2为NO2时，R3独立选自H，NO2，NH2或NHCOCH3；反应式如下：
当R3为NO2时，R2独立选自H，NO2，NH2或NHCOCH3；反应式如下：
在本发明的第二方面，提供上述含有氨基的香豆素类染料的染色方法，在合成含有氨基的香豆素类荧光染料的同时，对待染色织物进行染色，得到染色后的织物。本发明中将超临界CO2即作为染料合成的反应介质又作为纺织品的染色介质，实现香豆素类荧光染料的同步合成与染色的同步法技术。所谓染料合成与染色同步法技术，是指在超临界CO2反应釜中，将超临界CO2作为反应介质和染色介质，含有硝基的香豆素类染料前驱体为原料，在Au/TiO2催化H2还原条件下，完成硝基的香豆素类染料的合成和织物染色。
具有上述结构通式I的香豆素类化合物的前驱体能够被H2还原，生成具有荧光性能的香豆素类荧光染料，这类染料可用于化学纤维织物和天然纤维织物在超临界CO2中的染色，实施例中列举了染料的应用。实验结果显示出此类前驱体化合物在超临界CO2中有很好的溶解性，能被高产率(80％～90％)还原成氨基类香豆素染料，同时完成织物的染色。对染色后织物的色深K/S值、固色率以及色牢度进行测试与分析，综合评价染料对织物的染色性能。
在本发明的第二方面，提供上述的方法制备的含有氨基的香豆素类染料。
在本发明的第三方面，提供一种用于超临界CO2织物染色的组合物，包含上述的含有氨基的香豆素类染料。
本发明将超临界CO2作为一种绿色反应溶剂，将其应用于适合纺织材料荧光染色的分散荧光染料的合成研究；同时，将超临界CO2反应与超临界CO2无水染色技术相结合，在超临界CO2介质中，同步实现分散荧光染料的合成和涤纶的染色。有效地减少了染料合成中大量有毒有害试剂的使用，并将具有温室效应的CO2气体资源化再利用。因此，从环境、能源和效率等角度来说，本发明具有重要意义。
附图说明
图1为实施例4中同步法染色前后的涤纶织物图片(反应体系中有/无N-甲基吡咯烷酮)，其中，a、b和c为日光下的图片，a'，b'和c'为紫外线灯下的荧光图片；a和a'是涤纶织物的原始样品图片；b和b'为同步染色后的涤纶织物图片(有N-甲基吡咯烷酮)；c和c'为同步染色后的涤纶织物图片(无N-甲基吡咯烷酮)。
具体实施方式
除另有说明外，本文中使用的术语具有以下含义。
一类含有氨基的香豆素类染料在超临界CO2中的合成与染色方法，以超临界二氧化碳为溶剂，以硝基取代的香豆素类化合物为染料前驱体，Au/TiO2作为催化剂，H2作为还原剂，通过还原反应，合成含有氨基的香豆素类荧光染料；所述的含有氨基的香豆素类化合物前驱体具有通式I的结构：
R1选自H，OH，CH3或OCH3；
R2选自H或NO2；
R3选自NO2，NH2或NHCOCH3；
且R2和R3中至少一个为NO2。
本发明第二方面提供一种上述含有氨基的香豆素类染料的染色方法，在合成含有氨基的香豆素类荧光染料的同时，对待染色织物进行染色，得到染色后的织物，实现超临界CO2中香豆素类荧光染料的合成与纺织品染色同步的方法；即以超临界二氧化碳为溶剂，以硝基取代的香豆素类化合物为染料前驱体，Au/TiO2作为催化剂，H2作为还原剂，对待染色织物进行染色，合成含有氨基的香豆素类荧光染料，同时得到染色后的织物。
上述含有氨基的香豆素类染料在超临界CO2中合成和染色的方法，具体包括如下步骤：
依次将染料前驱体化合物、Au/TiO2催化剂和需要上染的纺织品(待染色织物)置入超临界CO2反应釜即染色装置中，通入H2作为还原剂，通入CO2作为反应与染色介质，同时加入或不加入少量有机溶剂，开启加热系统，使体系温度上升，开启加压系统，使体系压力上升，当温度上升到反应温度，压力上升到反应压力时，在此条件下实现染料的合成与染色同步进行，反应与染色一定时间后。待染料合成完后释压到常压(0.10MPa)、降温至常温(25℃)得染色织物并回收剩余染料。
在一个优选的实施方式中，所述的催化剂中Au的负载量为0.5～2.5wt％。
在一个优选的实施方式中，所述的催化剂中Au纳米粒子的粒径范围为1～15μm。
在一个优选的实施方式中，所述染料前驱体与Au/TiO2催化剂的质量比为1:0.5～5:1，所述染料前驱体与需要上染的纺织品(待染色织物)的质量比为1:50～1:100。
在一个优选的实施方式中，H2的压力为0.1～10MPa，合成与染色体系温度为40～200℃，合成与染色体系压力为10～30MPa，合成与染色时间为0.1～48小时，加入或不加入少量的有机溶剂，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或乙二醇单甲醚(EGME)，染料前驱体与有机溶剂的比例为0.05～5g：0～10.0mL。
在一个更优选的实施方式中，H2的压力为0.5～5MPa，合成与染色体系温度为80～150℃，合成与染色体系压力为15～28MPa，合成与染色时间为1～24小时，加入或不加入少量的有机溶剂，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，染料前驱体与有机溶剂的比例为0.05g：0～5.0mL。
在最优选的实施方式中，H2的压力为1～2.5MPa，合成与染色体系温度为100～120℃，合成与染色体系压力为20～25MPa，合成与染色时间为3～12小时，加入或不加入少量的有机溶剂，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)，染料前驱体与有机溶剂的比例为0.05g：0～2.5mL。
在一个优选的实施方式中，所述的织物为天然纤维织物(如棉织物、羊毛织物)或化学纤维织物(如涤纶织物、腈纶织物)。
上述对本发明的以各种硝基取代的香豆素类化合物前驱体的描述中，各个取代基的定义及优选，均与本发明中对化合物的描述中的定义及优选相同。
对本发明采用上述方法合成的香豆素类染料的化合物，采用核磁共振谱图或质谱来确认其结构，并且辅以碳谱、质谱测试来辅助确认其结构。
本发明所述的以超临界CO2为香豆素染料合成与染色同步法具备以下特点：
所述合成与染色同步法，结合了超临界CO2反应与染色技术，减少了染料合成中有毒有害试剂的使用，并将CO2气体资源化利用，方法绿色清洁化。
本发明的这些特征和优点以及其他特征和优点在参考以下具体实施方式后将显而易见。
鉴于此，本发明所述的香豆素类荧光染料可在超临界CO2中进行合成与染色。
实施例1
Au/TiO2的合成
称取0.01g四氯金酸溶解于10mL去离子水中，溶液为淡黄色透明液体。然后使用1mol/L的NaOH水溶液调节pH至中性，溶液逐渐接近无色。称取0.13g介孔TiO2加入溶液中，在室温条件下搅拌4h，溶液全程为乳白色。反应完成后将反应液过滤，使用冰水洗涤，滤饼为银灰色。将滤饼置于烘箱中在50℃条件下干燥过夜，滤饼变为紫色。最后将滤饼置于烧杯中在烘箱中以250℃高温烘焙3h，得Au/TiO2催化剂，为紫黑色固体粉末。
实施例2
制备香豆素类染料化合物DAMC
(1)前驱体ANMC的合成
首先称取AMC(0.88g，0.005mol)溶解在Ac2O(30mL)中，然后将混合物加热到130℃回流反应10h进行氨基保护获得7-乙酰氨基-4-甲基香豆素(Ac-AMC)，如上图所示。获得的产物无需分离，待混合物冷却至室温后，直接转移至冰水浴中，缓慢的向混合溶液中滴加15mL由H2SO4和HNO3组成的混合酸(H2SO4/HNO3＝8/2)，在冰水浴条件下搅拌反应3h。反应结束后将混合物倒入冰水中(100mL)，有黄色固体析出并沉淀。室温静止过夜，待固体完全析出沉淀后过滤，用冰水反复洗涤，直到pH值调整至中性。干燥后得到中间体化合物7-乙酰氨基-6-硝基-4-甲基香豆素(Ac-ANMC)1.12g，通过薄层色谱版大致判断Ac-ANMC的产率为64％，混合物未经提纯直接进行下一步反应。
称取Ac-ANMC(0.52g，0.002mol)溶解在15mL NaOH水溶液中(1mol/L)并加热到130℃回流反应10h。反应结束后的混合物冷却至室温，然后将混合物倒入50mL去离子水中稀释并调节混合溶液的pH值至中性。然后使用CH2Cl2溶剂进行多次萃取。萃取后将CH2Cl2溶剂用真空旋转蒸发仪蒸干，获得黄色固体粉末6,7-二氨基-4-甲基香豆素(ANMC)(0.043g，0.0002mol)，未经过提纯直接进行下一步反应。
(2)荧光染料DAMC的合成(加入有机溶剂NMP)
称取ANMC(0.11g，0.5mmol)(合成方法参考文献：Chem.Commun.,2018,54,7940-7943)，Au/TiO2催化剂0.05g置于0.5mL NMP中并置于高压反应釜内，密闭反应釜并抽真空后以1MPa的压力充满H2，然后向反应釜中充入6.4MPa CO2，加热至120℃，调节压力为20MPa，搅拌反应3h。反应结束后排出CO2和H2，待反应釜冷却至室温后，打开反应釜，用CH2Cl2溶剂提取出产物，过滤去除Au/TiO2催化剂。将滤液进行柱层析分离可去除NMP溶液并对产物进行分离提纯(CH2Cl2为洗脱剂)，获得目标产物DAMC(0.076g，0.4mmol，产率80％)。1H NMR(400MHz,Methanol-d4)δ7.00(s,1H),6.60(d,J＝1.6Hz,1H),5.98(q,J＝1.2Hz,1H),2.39(d,J＝1.2Hz,3H)。13C NMR(100MHz,DMSO-d6)δ161.53,153.53,148.62,141.76,132.23,109.72,108.19,107.78,99.51,18.62。DAMC分子式为C10H10N2O2,分子量为190.2,MS发现其(M+1)分子量为191.1。
实施例3
制备香豆素类染料化合物DAMC
(1)前驱体ANMC的合成
原料、用量以及操作均参照实施例2。
(2)荧光染料DAMC的合成(未加入有机溶剂NMP)
称取ANMC(0.11g，0.5mmol)(合成方法参考文献：Chem.Commun.,2018,54,7940-7943)，Au/TiO2催化剂0.05g置于高压反应釜内，密闭反应釜并抽真空后以1MPa的压力充满H2，然后向反应釜中充入7.5MPa CO2，加热至120℃，调节压力为20MPa，搅拌反应3h。反应结束后排出CO2和H2，待反应釜冷却至室温后，打开反应釜，用CH2Cl2溶剂提取出产物，过滤去除Au/TiO2催化剂。将滤液进行柱层析分离并对产物进行分离提纯(CH2Cl2为洗脱剂)，获得目标产物DAMC(0.076g，0.4mmol，产率80％)。
当反应体系中不加入或加入少量N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂时，反应都够得到荧光染料DAMC，并且通过比较实施例2和实施例3两种方法制备DAMC的产率，发现两种方法的最终产率相差不大，均能够达到80％。
实施例4
超临界CO2介质中染料合成与染色同步法
染色实验是在超临界CO2介质中将染料DAMC的合成与其染色相结合，采用实施例2中合成的ANMC为荧光染料前驱体，实施例1合成的Au/TiO2为催化剂直接置于反应釜内，反应釜采用五洲鼎创(北京)科技有限公司研发的微型反应釜/REACTOR(WZC-100-HP)，然后将两块裁剪成4cm×10cm×0.01cm大小涤纶织物悬挂于微型反应釜内，通入H2作为还原剂，通入CO2作为反应与染色介质，染料合成与染色同步进行。染料合成与染色的条件是压力为20MPa、温度为120℃、时间为3h(密闭反应釜抽真空后以1MPa的压力充满H2，然后向反应釜中充入6.4MPa CO2，加热至120℃，调节压力为20MPa，搅拌反应3h)。原料的用量以及其他操作参照实施例2和3。DAMC染色后的涤纶织物进行色深K/S值、固色率、耐皂洗色牢度、耐摩擦色牢度和耐光色牢度测试，测试数据如表1和表2所示。
表1.染色后涤纶织物的K/S值和固色率
表2.染色后涤纶织物的耐皂洗色牢度、耐摩擦色牢度和耐光色牢度
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于以上的实施例，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一类含有氨基的香豆素类染料在超临界CO2中的染色方法，其特征在于，以超临界二氧化碳为溶剂，以硝基取代的香豆素类化合物为染料前驱体，Au/TiO2作为催化剂，H2作为还原剂，合成香豆素类荧光染料；所述的硝基取代的香豆素类化合物前驱体具有通式I的结构：
所述的R1选自H，OH，CH3或OCH3；
所述的R2选自H或NO2；
所述的R3选自NO2，NH2或NHCOCH3，且R2和R3中至少一个为NO2；
在合成含有氨基的香豆素类荧光染料的同时，对待染色织物进行染色，得到染色后的织物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：依次将染料前驱体、催化剂和待染色织物置入超临界CO2反应釜中，通入H2作为还原剂，通入CO2作为反应与染色介质，同时加入或不加入有机溶剂，开启加热系统，使体系温度上升，开启加压系统，使体系压力上升，当温度上升到反应温度，压力上升到反应压力时，在此条件下反应实现染料的合成与染色同步进行，反应与染色结束后，释压、降温至常态得染色织物，并回收剩余染料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的催化剂中Au的负载量为0.5～2.5wt％；所述的Au纳米粒子的粒径为1～15μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的H2压力为0.1～10MPa。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，染料合成与染色的条件为：温度为40～200℃，压力为8～35MPa，时间为0.1～48小时。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，染料合成与染色过程中，加入或不加入有机溶剂，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺或乙二醇单甲醚；染料前驱体与有机溶剂的比例为0.05～5g：0～10.0mL。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述染料前驱体与Au/TiO2催化剂的质量比为1:0.5，所述染料前驱体与待染色织物的质量比为1:50～1:100。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的待染色织物为天然纤维织物或化学纤维织物。
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