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新型聚苯胺共聚物季铵盐的合成与性能研究

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2013年第21卷 合成化学 Chinese Journal of Synthetic Chemistry Vo1.21,2013 No.4,424—427 第4期,424 ̄427 ・研究论文・ 新型聚苯胺共聚物季铵盐的合成与性能研究 郑时国,詹豪强 (西华师范大学化学化工学院化学合成与污染控制四川省重点实验室,四川南充637009) 摘要:以邻硝基苯甲酸和苯胺为原料,经6步反应合成了一种新型的聚[苯胺-N-(2-氯乙基)-2-氨基苯甲酰胺] 共聚物季铵盐(6),其结构和性能经uV.Vis,IR,x一射线衍射和离子交换容量表征。结果表明,季铵化成盐后, 6的IR和uv吸收带发生了明显蓝移;6具有较好的共轭性,可能呈导电性;6呈非晶态结构,能溶于甲醇和 DMF等极性溶剂,具有一定的离子交换能力。 关键词:聚苯胺季铵盐;导电聚合物;离子交换;合成 文献标识码:A 文章编号:1005-1511(2013)o4 4 l 中图分类号:0625.63;0632.63 Synthesis and Research on Properties of a Novel Quaternary Ammonium Polyaniline Copolymers ZHENG Shi-guo, ZHAN Hao-qiang (Chemical Synthesis and Pollution Comml Key Laboratory of Sichuan Province, Department of Chemisty rnd Chemiacal Engineering,China West Normal University,Nanchong 637009,China) Abstract:A novel quatenarry ammonium copolymer,poly[aniline—CO一Ⅳ-(2-chloroethy1)-2一amino— benzamide](6),was synthesized by a six—step reachon from o-nitrobenzoic acid and aminobenzene. The structure and properties were characterized by UV—Vis,IR,XRD and ion exchange capacity. The results showed that the absorption band of IR and UV—Vis spectra of 6 showed a blue shift after quaternizafion.6 exhibited conjugated,probably conductive and soluble in polar solvent like metha— nol,DMF,etc,and also exhibited an amorphous structure and ion exchange capacity. Keywords:quaternary ammonium polyaniline;conducting polymer;ion exchange;synthesis 季铵盐聚合物是一类重要的功能高分子,因 其结构特殊,在纺织(抗静电剂)、造纸(增强剂)、 一种季铵盐聚合物阴离子交换膜的制备方法,其 石油化工(稳定剂)、水处理(絮凝剂、离子交换树 脂、离子交换膜)、环境科学(杀菌剂)、腐蚀科学 (缓蚀剂)及有机合成(相转移催化剂)等方面具 反应过程对人体和环境无明显危害,所制备的阴 离子交换膜具有较高的电导率和良好的机械性 能;Yang等 用二甲基二烯丙基氯化铵聚合物检 测人体血浆中血红细胞抗体,检测速度快,检测效 果与其他常规方法一致;安勋等 利用季铵盐的 有巨大的应用价值而受到人们的高度重视。Itsu- no等…合成了一系列手性聚合物季铵盐,并将其 用于J7v一二苯基亚甲基甘氨酸叔丁酯的不对称烷 基化反应,取得了很好的效果;方军等 发明了 固色原理,将二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺 的聚合物应用于绒面革固色,以耐水洗牢度和耐 干湿擦牢度为指标,评价了季铵盐聚合物的固色 收稿日期:2012-05-29;修订日期:2013-03-20 基金项目:西华师范大学科研启动经费项目(1OBO02) 作者简介:郑时国(1985一),男,汉族。湖南邵阳人,硕士研究生,主要从事导电高分子材料的研究。 通信联系人:詹豪强,博士,教授,E—mail:zhanhaoqiang@yahoo.COrn.ca 第4期 郑时国等:新型聚苯胺共聚物季铵盐的合成与性能研究 : No2 、COC1 \CONHCH,CH。OH 1 2 N02 ---NH2\CONHCH,CH,CI\CONHCH,CH,Cl去  H Et3NH ,THF N …r-— N f。 C1 H C1一 H 5 6 fl=0.25,0.50 Scheme1 效果;叶林等 研制了一种聚苯胺呋喃季铵盐, 在反应瓶中加人2 0.42 g(2.0 mmo1)和石油 并对其物理性质和导电机制进行了探讨。目前,/_  醚6.0 mL,搅拌下加入二氯亚砜1.68 g(14.0 国内外关于高分子季铵盐的研究已有大量文献报 reoto1),回流反应6 h。冷却至室温,过滤,滤饼用 道,但关于导电聚苯胺季铵盐的报道甚少。聚苯 水(3×5 mL)洗涤,干燥得白色固体3,产率 胺季铵盐是一类季铵盐型导电聚合物,可能同时 92.9%,m.P.127℃一128℃; H NMR(CDCI ) 具备聚苯胺和季铵盐的某些性质,具有潜在的应 :8.08(dd,J=8.0 Hz,0.8 Hz,1H,ArH), 用前景。开展对聚苯胺季铵盐的研究将会进一步 7.69(In,1H,ArH),7.60(nl,1H,ArH),7.53 拓宽聚苯胺的应用范围。 (dd,J=7.6 Hz,1H,1.60 Hz,ArH),6.34(S, 本文以邻硝基苯甲酸和苯胺为原料,经6步 lH,CONH),3.80(t,J=4.8 Hz,2H,NHCH2), 反应合成了一种新型的聚[苯胺-Ⅳ-(2一氯乙基)一 3.77(t,2H,J=4.0 Hz,CH2C1);玎C NMR 2.氨基苯甲酰胺]共聚物季铵盐(6),其结构和性 (CDC13) :166.7,146.3,133.7,132.4,130.6, 能经uV.Vis,IR,X墙f线衍射和离子交换容量表 128.5,124.5,43.4,41.7;ESI MS m/z: 征。 251.019 0{[M+Na] }。 (2)N-(2一氯乙基)_2一氨基苯甲酰胺(4)的合 1实验部分 成 1.1仪器与试剂 在反应瓶中加人THF 4.0 mL和3 0.34 g X-4型数字显微熔点仪(温度未校正);岛津 (1.46 mmo1),搅拌至完全溶解;依次加入水1.2 UV-2550型紫外可见分光光度计;Bruker SF-400 mL,铁粉0.6 g(10.8 mmo1)和2.0 tool・L 盐酸 Hz型核磁共振仪(DMSO—d 为溶剂,TMS为内 0.2 mL,于室温反应过夜。加入乙酸乙酯1.6 mL 标);Nicolet-6700型红外光谱仪(KBr压片);Bio 和NaOH 0.02 g(O.5 mmo1),于5O qC反应0.5 h。 TOFQ型质谱仪;DMAX/Ultima IV型x一射线衍射 过滤,滤饼用乙酸乙酯(3×10 mL)洗涤,合并滤 仪。 液与洗液,用饱和NaC1(2×5 mL)洗涤,无水硫酸 邻硝基苯甲酰氯(1) 和Ⅳ_(2一羟乙基)_2一 钠干燥,减压浓缩后用氯仿重结晶得淡黄色固体 硝基苯甲酰胺(2) 按文献方法合成;铁粉,AR, 4,产率84.3%,m.P.80℃~82℃; H NMR 6: 成都西亚试剂厂;其余所用试剂均为分析纯;水为 7.47(dd,J=8.0 Hz,1.20 Hz,1H,ArH),7.11 二次蒸馏水。 (m,1H,ArH),6.67(dd,J=8.4 Hz,1.20 Hz, 1H,ArH),6.49(m,1H,ArH),6.35(S,1H, 1.2合成 CONH),3.7O(t,J=5.2 Hz,2H,CH2C1),3.46 (1)N-(2一氯乙基)-2一硝基苯甲酰胺(3)的合成 (t,J:5.6 Hz,2H,NHCH2); C NMR6:169.4, 合成化学 146.7,132.9,129.2,124.5,117.9,114.5,44.4, Vo1.21,2013 43.3;ESI—MS m/z:221.055 7{[M+Na] }。 (3)聚[苯胺一Ⅳ_(2一氯乙基)-2一氨基苯甲酰 胺](5)的合成 J 在反应瓶中依次加入1.2 otol・L HC1溶液 12.5 mL,4 0.50 g(2.5 mmo1)和苯胺0.70 g(7.5 mmo1)[fl=n(4)/n(4)+n(苯胺)=2.5/(2.5+ 7.5)=0.25],搅拌至混匀;缓慢滴加过硫酸铵 (APS)0.85 g(3.75 mmo1)的1.2 mol・L 盐酸 图1 50.52和6 的IR谱图 (12.5 mL)(立即变为墨绿色,且颜色逐渐加深), 滴毕,于室温反应24 h。过滤,滤饼依次用1.2 mol・L 盐酸(4×25 mL),少量乙醇及蒸馏水 (2×2 mL)洗涤至滤液为无色,于5O℃真空干燥 24 h得黑绿色固体5 0.92 g,产率76.7%。 用类似方法制得5 卯(fl=O.5)。 (4)6的合成 .1oJ 在反应瓶中依次加入5。 ‘O.5O g,碘化钾0.1 g(0.60 mmo1),THF 10 mL和三乙胺5.0 mL,搅 拌下回流(80℃)反应48 h。过滤,滤饼用少量甲 醇及蒸馏水(2×2mL)洗涤,于5O℃真空干燥24 h得黑色固体6o.250.14 g,产率25.4%。 用类似方法制得6 卯,产率35.6%。 1.3性能测试 (1)含水率[9川 将6(w0)在去离子水中浸泡24 h,抽滤除去 聚合物表面多余的水分,称重( ),计算含水量 [吸水率=( 一 )/ x 100%]。 (2)离子交换容量 】 准确称取6 0.500 g,用0.1 tool・L NaOH 标准溶液( 帕 )浸泡24 h,过滤,滤液用0.1 mol・L HC1标准溶液滴定(甲基橙为指示剂), 当溶液颜色由黄色变为橙色,且半分钟内不褪色 时即达到滴定终点,记录所消耗HC1标准溶液的 体积( 。),由下式计算离子交换容量(ICE): ICE: 二 . ×(1一吸水率) 式中:1Tl为离子交换树脂的质量 2结果与讨论 2.1合成 以过硫酸铵为氧化剂,苯胺和4在1.2 mol・ L-1HC1溶液中经化学氧化聚合制得5。最佳 r(氧化剂):r(单体)=1.5:1。 Figure 1 IR spectra of 5。・ and 6。笱 A/rim 图2 50.25和60.52的UV.Vis谱图 iFgure 2 UV-Vis spectra of5。・∞and 6。・ 10 30 40 50 60 20/(。) 图3 6 的XRD谱图 iFgure 3 XRD spectrum of6。・ 2.2表征 5o.25和6 的IR谱图见图1。由图1可见, 未季铵化5o.25在1 583 cm~,l 487 cm~,1 300 cm~,1 134 cm 和804 cm 处有较强的吸收 峰,当用Et,N季铵化后(6 ),这些吸收峰分别 略向高波数方向移至1 592 cm~,l 499 cm~, 1 304 cm~,l 161 crtl 和827 cm~,这可能是铵 化过程中去掺杂所引起的。另外,6 在2 360 第4期 郑时国等:新型聚苯胺共聚物季铵盐的合成与性能研究 cm 附近有一较弱的吸收峰,为季铵基团的特征 醇和DMF等极性溶剂;具有一定的离子交换能 吸收峰 。 力,但性能还不够理想,有待进一步研究。 5 和6 的uV—Vis谱图见图2。由图2可 见,50.25在321 nm和593 ilm处有较强的吸收峰, 参考文献 321 am处的吸收峰为聚合物骨架上苯环的叮r一1T’ [1] Itsuno S,Paul D K,Ishimoto M,et a1.Designing 电子跃迁所致,593 am处的吸收峰与醌环的激子 chiral quaternary ammonium polymem:Novel type of 迁移有关。60.25在290 nm和583 am处有较强的 polymeric catalyst for asymmetric alkylation reaction 吸收峰。与前者相比,后者的第一个吸收峰发生 [J].Chemistry Letters,2010,9(2):86—87. 了明显的蓝移(AA =31 nm),而第二个吸收峰移 [2] 方军,徐汉坤,郭明俐.一种季铵盐聚合物阴离子 动不太明显(AA:=10 nm)。这可能是因为季铵 交换膜的制备方法[P].中国201 010 109 825 9。 化成盐后,氯原子的未成对电子消失,卤素的助 201O. 色作用随之消失,因此季铵盐的吸收峰发生蓝移。 [3]Yang X J,Wang x,Wang H Z,et a1.Preparation 这表明聚合物的结构在季铵化前后发生了变 nad characterization of poly(dimethyldiallyl anlmoni 化 引。 uln)chloride nad antiglobulin tests for natibody detec. tion[J].Journal of Apphed Polymer Science,2003,87 6 的x一射线衍射谱图见图3。由图3可 (12):1957—1961. 见,6 在20.9。处出现一明显的衍射峰,表明 [4]安勋,魏卫,刘凯,等.季铵盐聚合物PDA在绒面革 6 为非晶态结构 。 染色固色中的应用[J].西部皮革,2009,31(19): 7—10. 2.3性能 [5]叶林,李郁忠.季铵盐型离子导电聚合物的研究 (1)溶解性能 [J].功能高分子学报,1997,10(1):47—5O. 5可溶于氯仿,而6在氯仿中基本不溶,而溶 [6]Hoofra A,Ollis W D,Price J A.Conformational be. 于甲醇、丙酮、DMF等极性溶剂。这可能是因为 haviour of me ̄um-sized irngs[J].J Chem Soc Perkin. 季铵化成盐后使聚合物极性增强所致 J。 Trans,1982,(8):1649—1699. (2)离子交换性能 [7] 何镭,徐德胜,黄丽荣,等.2-[吡啶4.基)甲基氨 6的离子交换容量和吸水率见表1。从表l 基]_Ⅳ-[4-(三氟甲基)苯基]苯甲酰胺的合成工艺 可以看出,6的离子交换容量都比较小,且6 。的 研究[J].中国药物化学杂志,2007,17(6):377— 离子交换容量较6o.2s稍大。原因可能是6的有效 379. [8]Nguyen M T,Diaz A F.Water-soluble poly(aniline. 交换成分是季铵化(N-(2一氯乙基).2一氨基苯甲酰 co-O—anthranilicacid)eopolmyers[J].Macromolecules, 胺)单元,当4含量增加时季铵化(Ⅳ.(2.氯乙基). 1995,28(9):3411—3415. 2一氨基苯甲酰胺)单元也随之增加。 [9]Vinodh R,Padmavathi R,Sangeetha D.Separation of heavy metals from water samples using anion exchange 表1 6的离子交换容量和吸水率 oplmyers by adsorption process[J].Desalination, Table 1 ICE and water sorption of 6 2010:1—10. [10]Akich M N,Ralph S F,Bobacka J。et a1.Trnasport of metal ions across an electrically switchable cation exchange membrane based on polypyrrole doped with a sulfonated calyx[6]arene[J].J Membrane Sci, 2010,354:162—170. 3结论 [11]Si P,Bakker E.Thin layer electrochemical extraction of non・・redoxaetive cations with an anion-・exchanging 以邻硝基苯甲酸和苯胺为原料合成了一种新 conducting polymer overlaid with a selective mem- 型的聚(苯胺_Ⅳ一(2一氯乙基)-2一氨基苯甲酰胺)共 brahe[J].Chem Commun,2009,(35):5260—5262. 聚物季铵盐(6)。性能研究结果表明,6的IR和 [12]王广珠,汪德良,崔焕芳.离子交换树脂使用及诊 UV—Vis吸收带发生了明显蓝移;6具有较好的共 断技术[M].北京:化学工业出版社,2004. 轭性,可能呈导电性;6呈非晶态结构;能溶于甲 

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