尿素-氯化膽堿低共熔溶劑中鄰苯二腈合成酞菁銅的研究

馮樹波，任振立，韓桂強，劉振法

1.河北科技大學化學與制藥工程學院，河北 石家莊 050018；

2.河北省科學院能源研究所，河北 石家莊 050000

癌癥的光學治療包括光動力療法（PDT）和光熱治療（PTT），由于其方便性和微創(chuàng)性，成為一種有效治療癌癥的新興技術，其中光敏劑是PDT 的關鍵因素之一。酞菁（Pc）配合物因具有結構較易修飾、暗毒性低、光物理和光化學特性較理想等特點，被認為是一類很有潛力的光敏劑。此外，金屬酞菁類化合物由于有優(yōu)異的光、電和磁等特性，以及良好的化學及熱穩(wěn)定性，其應用已經從最初的染料和顏料擴展到催化、太陽能、印刷油墨和光電信息材料等各個領域[1-9]，還顯示出作為分子導體、分子電子元器件、分子磁體、光電轉換、電致變色和液晶等新型功能性材料的巨大潛力。隨著酞菁及金屬酞菁衍生物應用領域的不斷拓展，研發(fā)可持續(xù)且高效的金屬酞菁清潔合成路線非常必要。

酞菁是一類由8 個N 原子、8 個C 原子組成的16 中心18π 電子的芳香共軛體系的大環(huán)共軛配合物。普通顏料級酞菁銅一般是以苯酐和尿素為原料、三氯苯或高沸點烷基苯為溶劑，尿素提供氮源置換苯酐分子中的氧原子，生成鄰苯二甲酰亞胺、二氨基吲哚啉中間體[10-11]，再與金屬離子絡合后得到金屬酞菁。該工藝過程的反應溫度很高，副產物較多，很難得到結構均勻的金屬酞菁產品，而且整個生產過程環(huán)保成本較高。對于要求較高，特別是苯環(huán)上帶有很多取代基官能團的功能性金屬酞菁的合成，一般是采用鄰苯二腈為原料，所得產品結構均勻。因氰基上含有氮原子，碳原子的活性較高，因而所需的反應溫度較低，得到的金屬酞菁產品中副產物少、純度高，且晶型較完整，能夠滿足高檔金屬酞菁化合物的多種用途。然而，該低溫反應工藝需要無法有效回收的強堿性1,8-二氮雜環(huán)[5,4,0]十一烯-7（DBU）的催化作用才能合成酞菁環(huán)狀結構，同時需要戊醇等有機溶劑對物料進行分散才有利于反應的進行，與綠色化學要求相距甚遠，因此限制了其發(fā)展。

近年來，低成本和環(huán)境友好的低共熔溶劑（DES）體系引起了科學家和研究人員的高度關注。低共熔溶劑是指由一定化學計量比的氫鍵受體（如季銨鹽）和氫鍵供體（如酰胺、羧酸和多元醇等化合物）組合而成的兩組分或三組分低共熔混合物，其凝固點顯著低于各個組分純物質的熔點。尿素-氯化膽堿就是其中一種[12]。低共熔溶劑是一大類溶劑[13]，與離子液體有許多相似之處，其制備過程簡單、成本低使其比離子液體更具工業(yè)化前景[14-17]。

文獻報道[18-20]，使用尿素-氯化膽堿低共熔溶劑催化鄰苯二腈合成功能性金屬酞菁時，尿素-氯化膽堿低共熔溶劑既是反應過程中的溶劑，又是反應的催化劑，且在110～150 ℃下即可反應。本工作研究了尿素-氯化膽堿低共熔溶劑中酞菁銅的合成過程，考察了不同工藝條件對反應過程和酞菁銅收率的影響，以期為酞菁銅的綠色合成和產物精制提供有價值的信息。

1 實驗部分

1.1 酞菁銅制備與結構表征

將脫水后干燥的氯化膽堿與尿素按物質的量之比為1:2 進行混合，在80 ℃下攪拌2 h，獲得澄清的低共熔溶劑。向250 mL 帶冷凝管的玻璃燒瓶中加入20 mL 尿素-氯化膽堿低共熔溶劑，然后加入2.56 g 工業(yè)級鄰苯二甲腈，緩慢升溫至80 ℃，依次加入0.50 g 工業(yè)級氯化亞銅和0.10 g 鉬酸銨催化劑，溶液變?yōu)闇\綠色，繼續(xù)升溫至120～130 ℃，冷凝管中通冷卻水，恒溫反應1 h 直至溶液變?yōu)樗{色。然后加入100 mL 蒸餾水稀釋，過濾得不溶的粗產品，依次用蒸餾水和無水乙醇洗滌后干燥。將干燥產物溶于20 mL 濃H2SO4中，從500 mL 蒸餾水中沉淀，濾出并用水洗滌，在烘箱中80 ℃下干燥，得到藍色固體產物酞菁銅。

采用溴化鉀壓片法對酞菁銅樣品進行傅里葉變換紅外（FT-IR）測試（美國Thermo Fisher 公司Nicolet6700 型紅外光譜儀）。以二甲基亞砜（DMSO）為溶劑，采用UV-2550 紫外-可見分光光度計測試酞菁銅的紫外-可見光譜圖。在美國TA 公司Q600 型熱重-差熱分析儀（TGA-DSC）上測試所合成酞菁銅樣品的熱性質，試樣量為8～15 mg，N2流速為60 mL/min，升溫速率為20 ℃/min。酞菁銅樣品的晶型采用日本理學公司SmartLab9KW 型X 射線粉末衍射儀（XRD）測定。

1.2 鄰苯二腈合成酞菁銅過程

鄰苯二腈合成酞菁銅反應如式（1）所示[18]。

酞菁銅產率（Y）計算如下：

式中：m1為酞菁銅實際產量，g；m為酞菁銅理論產量，g；n2為生成的酞菁銅理論摩爾數；M為酞菁銅的分子量。

2 結果與討論

2.1 合成條件優(yōu)化

首先考察了鉬酸銨對尿素、尿素-氯化膽堿DES 中尿素分解的催化作用。通過實驗發(fā)現，在升溫過程中添加鉬酸銨，燒瓶中產生的氣泡明顯較不加鉬酸銨的要多，因此推斷，鉬酸銨的加入可以促進尿素和尿素-氯化膽堿DES 中尿素的分解。

采用正交實驗設計L9(34)，考察了溫度、物料比、加料順序以及催化劑用量對酞菁銅產率的影響，實驗條件和結果如表1 所示。

表1 反應條件對酞菁銅產率的影響Table 1 Effect of reaction conditions on the yield of copper phthalocyanine

基于表1 結果，以及溫度水平對酞菁銅產率影響的極差分析推測，溫度越低酞菁銅產率越高。為驗證正交實驗預測的準確性，以第7 組實驗為例，將溫度130～140 ℃改變?yōu)?10～120 ℃，驗證實驗所得酞菁銅為1.376 g，實際產率為97.52%，與正交實驗的趨勢預測一致。

根據實驗數據和實驗現象，本研究提出如下反應機理：酞菁環(huán)的形成受兩個因素制約，一是尿素分解釋放氨的速率，二是由鄰苯二甲腈生成金屬酞菁的成環(huán)速率。所以要控制催化劑的加入時間和用量。

2.2 尿素-氯化膽堿低共熔溶劑中酞菁銅合成反應機理剖析

近些年來，對DES 各方面的研究和應用都越來越多，但對其穩(wěn)定性卻很少研究。在一些反應中，DES 的特殊結構和熱穩(wěn)定性關系到反應產物分布和催化效應[21]。通過分子動力學模擬和振動分析表明，尿素-氯化膽堿DES 中大量形成了N—H···O=C 和N—H···Cl—的氫鍵。

本研究發(fā)現，單純尿素分解放出氨氣的溫度為130 ℃以上，尿素-氯化膽堿DES 在80 ℃就有少量氨氣放出，當溫度高于120 ℃時，持續(xù)釋放氨氣?；趯嶒灲Y果和文獻報道[18]，提出可能的酞菁銅合成反應機理如圖1 所示。首先，尿素分解為異氰酸和氨；然后DES 親核活化鄰苯二甲腈的氰基，再通過攻擊氰基碳分子間環(huán)化得到關鍵中間體二亞氨基二氫吲哚；DES 加速分子內環(huán)化，即酞菁骨架的形成。從反應機理推斷，酞菁銅合成是通過尿素首先分解為異氰酸和氨開始，鉬酸銨的添加可促進尿素分解和酞菁環(huán)的形成，可得到較高收率和純度的酞菁銅。

圖1 DES 中酞菁銅合成可能的反應機理Fig.1 Proposed pathway for the synthesis of metallophthalocyanines in DES

此外，鄰苯二甲腈與金屬離子轉化成金屬酞菁屬于體積和熵減少的反應，加壓有利，高壓可增加金屬酞菁環(huán)的形成速率和產率?；凇翱桌碚摗保珼ES 黏度對應于流體中容許適當離子運動的可用孔數，DES 的高黏度導致高壓空腔產生，DES 中廣泛存在的氫鍵網絡影響這個空腔的形成，進而影響孔數和黏度。

2.3 產品精制過程以及尿素-氯化膽堿低共熔溶劑循環(huán)使用研究

傳統的酞菁銅產品提純采用濃硫酸精制，即用硫酸溶解產物，然后加水稀釋濃硫酸使產物析出。實驗考察了稀硫酸熱煮-過濾和濃硫酸溶解-過濾兩種精制模式，結果表明兩者提純效果相差不大。同時，在100 mL DES、2.56 g 鄰苯二甲腈、0.30 g 氯化亞銅、0.10 g 鉬酸銨和120 ℃條件下，考察了反應體系的循環(huán)使用性能。在通過過濾的方式獲得第一批酞菁銅產品后，料液中補加一定量的尿素（殘留在料液中的氯化膽堿與尿素結合成新的低共熔溶劑），再添加2.56 g 鄰苯二甲腈、0.30 g 氯化亞銅和0.10 g 鉬酸銨，在120 ℃條件下繼續(xù)反應，第二次反應產品的收率仍達到85%以上，而且未參與反應的尿素-氯化膽堿低共熔溶劑以及殘留的銅鹽和催化劑均可循環(huán)使用。

2.4 產品結構表征

2.4.1 紅外光譜表征

合成的酞菁銅樣品和工業(yè)品的紅外光譜如圖2 所示。兩個圖的峰形比較相近。從圖中可以看出，酞菁銅在3 047 cm-1出現強而尖銳的吸收峰是芳環(huán)上的C—H。2 217 cm-1對應的為C—N 的伸縮振動峰。1 598，1 506，1 465，1 420 和1 332 cm-1為芳香體系中C=C 雙鍵的伸縮振動峰，是芳環(huán)的骨架伸縮振動。1 400～1 100 cm-1的峰應該為苯環(huán)以及含氮環(huán)上的C—H 面內彎曲振動。中強峰899 cm-1歸屬于金屬-配體的振動。754 cm-1和723 cm-1應該為環(huán)上的面外彎曲振動峰。所以可初步確定所合成產品為酞菁銅結構。因酞菁類化合物的提純比較困難，使得紅外圖譜中的吸收峰有些復雜。

圖2 酞菁銅樣品（a）和工業(yè)品（b）的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of copper phthalocyanine sample prepared (a) and industrial product (b)

2.4.2 紫外光譜表征

圖3 所示為酞菁銅樣品的紫外-可見光譜。由圖3 可以看出，不同條件下制得的酞菁銅樣品的紫外-可見光譜圖比較接近，在700 nm 附近有一個中等強度的吸收峰，可能為酞菁配合物的Q 帶；在300～400 nm 也有吸收峰，對應B 帶，由Q 帶和B 帶可認定所測試樣品中含有酞菁環(huán)結構。

圖3 酞菁銅的紫外可見光光譜Fig.3 UV-visible spectrum of copper phthalocyanine

2.4.3 熱重-差熱分析

圖4 所示為酞菁銅樣品的熱重-差熱曲線。由圖4 可以看出，酞菁銅的熱穩(wěn)定性很好。在300 ℃僅失重了6%，619 ℃失重加大到40%，有一個吸熱峰。

圖4 濃H2SO4 溶解精制后酞菁銅的熱重-差熱分析曲線Fig.4 TGA-DTA curve of copper phthalocyanine purified by concentrated sulfuric acid

2.4.4 XRD 測試

圖5 為DES 催化鄰苯二腈制備并用濃硫酸精制后的酞菁銅樣品的XRD 圖。根據PDF 36-1883 卡片進行對比，本研究得到的酞菁銅為α晶型。酞菁銅具有5 種晶型（α，β，γ，δ和ε），不同晶型的金屬酞菁其顏色等物理性質也有少許不同，其中α為亞穩(wěn)態(tài)，β為穩(wěn)定態(tài)。α晶型通過真空加熱到一定溫度可以轉變?yōu)棣戮?，β晶型通過溶于濃度98%濃硫酸可以沉析得到α晶型，實驗結果與多數文獻的報道一致。

圖5 濃H2SO4 溶解精制后酞菁銅的XRD 曲線Fig.5 XRD curves of copper phthalocyanine purified by concentrated sulfuric acid

3 結 論

采用尿素-氯化膽堿低共熔溶劑作為溶劑，溶解和分散反應物合成了酞菁銅，同時起到催化劑作用，避免了使用揮發(fā)性有機溶劑戊醇和價格昂貴的DBU 催化劑。形成酞菁環(huán)的適宜反應溫度為110～120 ℃，產物產率可達到90%以上。

尿素-氯化膽堿低共熔溶劑催化鄰苯二腈合成的酞菁銅產品結構穩(wěn)定，純度高，生產過程環(huán)保安全。酞菁銅產品采用硫酸精制后，得到性能穩(wěn)定的α晶型。通過補充分解的尿素可實現DES 的重復循環(huán)使用，殘留其中的銅鹽或鉬酸銨催化劑均可用于下一次酞菁銅的合成，該工藝可望用于酞菁銅的清潔生產。