甲基丙烯酸2-羟乙酯（精选四篇）
甲基丙烯酸2-羟乙酯 篇1
皮革阻燃技术要实现大的突破,皮革阻燃剂的研究开发是关键。由于受原料、生产技术和成本方面的限制,开发理想的皮革专用阻燃剂,单纯依靠开发新型合成阻燃剂品种来实现,其可能性较小,主要还应从已有的阻燃剂着手,通过化学或物理改性的方法来实现。结合皮革加工特点,卤素、硼系、磷系、镁铝氢氧化物适合于皮革阻燃。但由于卤系阻燃剂燃烧时有毒、硼系阻燃剂耐久性差、磷系阻燃剂存在热稳定性、迁移性和毒性问题,很难满足皮革阻燃的要求。在众多无机阻燃剂中,氢氧化镁具有填充、阻燃、抑烟、无毒、价廉等优点,是绿色环保型阻燃剂。皮革制品多是与人们密切接触的生产生活用品,对其无毒无害性要求较高,故该类阻燃剂十分符合当今皮革阻燃技术的发展需要[1]。
氢氧化镁阻燃剂虽然具有上述优点,但也存在难溶于水、不易渗透、与皮蛋白相容性差、不耐水洗等问题,很难适应制革的湿操作过程。对其进行表面修饰,可改善阻燃剂与基体的相容性和润湿性,增强与基体界面的结合力,从而提高氢氧化镁的阻燃效率。目前,国内外学者对氢氧化镁改性的研究取得了一些成果,如表面活性剂或偶联剂改性[2,3,4]、聚合物包覆[5,6,7,8]等。原子转移自由基聚合(AT-RP)集自由基聚合与活性聚合优点于一体,具有分子结构可控、分子质量分布窄、分子末端带特定官能团等特点,近10年来备受关注。国内外学者已在Si O2[9]、Ti O2[10]、Fe3O4[11]、纤维素[12]、多肽[13]等方面取得了一些重要成果。甲基丙烯酸2-羟乙酯(HE-MA)是一种功能性单体,其聚合物链端的—OH与皮革胶原中的—NH2、—COOH等基团极易产生氢键,分子内或分子间有较强的相互作用,可使氢氧化镁与皮革结合的更牢固。本文采用原子转移自由基聚合法,将功能大分子聚甲基丙烯酸2-羟乙酯(PHE-MA)成功接枝到氢氧化镁粒子表面,制得Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子,并对其进行了表征。
1 试验部分
1.1 主要原料及设备
1.1.1 主要原料
氢氧化镁,牌号Magni FIn H5,粒径1.5μm,比表面积5.0m2/g,德国马丁公司;
2-溴异丁酰溴(Bi BB),98%Sigma-Aldrich;
五甲基二乙烯三胺(PMDETA)99%,Sigma-Aldrich;
2-溴异丁酸乙酯(EBi B),98%,盐城科利达化工有限公司;
3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES),98%,荆州江汉精细化工有限公司;
甲基丙烯酸2-羟乙酯(HE-MA),98%,天津化学试剂研究所,使用前减压蒸馏除去阻聚剂;
溴化亚铜(Cu Br),98%,用冰醋酸纯化后使用,天津市津科精细化工研究所;
无水吡啶,分析纯,天津市津科精细化工研究所;
二氯甲烷,甲苯,丙酮,甲醇,均为分析纯,北京化工厂,使用前用无水硫酸镁干燥处理。
1.1.2 主要测试设备
傅立叶红外光谱仪Tensor 27,德国Bruker公司;
热失重分析仪Pyris 1,美国Perkin-Elmer公司;
X射线光电子能谱仪ESCAL-ab220i-XL,英国VG Scientific公司;
扫描电子显微镜S-4800,日本Hitachi公司。
1.2 硅烷偶联剂预处理氢氧化镁
氢氧化镁在使用前于120℃鼓风干燥6h。将5.0g氢氧化镁,100m L甲苯,10m L 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)加入250m L三口烧瓶中,在110℃的油浴中磁力搅拌,回流12h。产物离心沉淀后用过量甲苯和丙酮洗涤,以除去未反应的APTES,然后室温下真空干燥24h,得到偶联剂改性氢氧化镁Mg(OH)2—NH2。
1.3 Mg(OH)2-Br大分子引发剂的合成
在冰水浴中,100m L圆底烧瓶中分别加入50m L二氯甲烷,2.0g Mg(OH)2—NH2,6.0m L无水吡啶,搅拌1h;逐滴加入2-溴异丁酰溴6.0m L,搅拌1h,然后室温搅拌24h。产物用水、丙酮、二氯甲烷洗涤,循环洗涤多次,以除去未反应的2-溴异丁酰溴,室温真空干燥24h,得大分子引发剂Mg(OH)2—Br。
1.4 ATRP法在Mg(OH)2表面接枝聚甲基丙烯酸2-羟乙酯
100m L单口烧瓶中加入0.20g大分子引发剂Mg(OH)2—Br,10m L甲基丙烯酸2-羟乙酯,10m L甲醇,向烧瓶通高纯氮气鼓泡30min,在氮气保护下加入0.06g Cu Br,抽真空,通氮气,循环3次,将一定量的PMDETA和自由引发剂(2-溴异丁酸乙酯)用注射器注入烧瓶内,磁力搅拌,逐渐升温至50℃,反应5h。产物离心沉淀后用过量甲醇、丙酮洗涤,循环3次,干燥,得Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子。
1.5 产物表征
1.5.1 傅立叶红外光谱分析(FTIR)
将未处理的氢氧化镁、偶联剂处理的氢氧化镁、大分子引发剂Mg(OH)2—Br及聚甲基丙烯酸2-羟乙酯包覆的氢氧化镁粒子,采用KBr压片法制备测试样品,在Tensor 27型傅立叶红外光谱仪(德国Bruker)上进行测试,扫描波数范围400~4 000cm-1,分辨率4cm-1。
1.5.2 热失重分析(TGA)
热失重分析在Pyris 1型热失重分析仪(美国Perkin-Elmer)上进行,升温范围30~700℃,加热速率10℃/min,气体氛围为氮气。
1.5.3 扫描电子显微镜(SEM)
将未处理的氢氧化镁和聚甲基丙烯酸2-羟乙酯包覆的氢氧化镁粒子在真空条件下镀金,然后在S-4800型扫描电子显微镜(日本日立)上观察其表观形态,操作电压为5.0k V。
1.5.4 X射线光电子能谱(XPS)
大分子引发剂Mg(OH)2-Br表面元素分析,在ESCALab220i-XL型X射线光电子能谱仪(英国VG Scientific)上进行,采用300WAl Kα辐射获得,基准压力为3×10-9mbar。
1.6 聚合物接枝率的测定
氢氧化镁粒子表面接枝上的聚合物的接枝率,通过热失重数据用以下公式计算:
式中:W0—热失重分析中未处理氢氧化镁粒子在700℃时的总失重百分数,W0%;
W1—热失重分析中Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子在700℃时的总失重百分数,W1%;
X—氢氧化镁粒子表面接枝上的聚合物在700℃时的失重百分数,X%;
G—氢氧化镁粒子表面聚合物的接枝率,%。
2 结果与讨论
氢氧化镁接枝聚甲基丙烯酸2-羟乙酯的合成路线示意图如图1所示,首先用硅烷偶联剂对氢氧化镁进行预处理,使其表面携带的羟基转变为氨基,这是因为氨基和引发剂的反应活化能更低,更容易使引发剂接枝到氢氧化镁表面;然后将偶联剂预处理的氢氧化镁与2-溴异丁酰溴在氢氧化镁表面进行酰胺化反应,接枝上具有引发作用的溴原子,得到大分子引发剂Mg(OH)2—Br;最后加入单体HEMA、催化剂Cu Br、配体PM-DETA和自由引发剂EBi B,进行AT-RP聚合。
2.1 大分子引发剂Mg(OH)2-Br的表征
2.1.1 红外分析
图2所示为未处理的氢氧化镁、偶联剂预处理的氢氧化镁、大分子引发剂Mg(OH)2—Br及聚甲基丙烯酸2-羟乙酯包覆的氢氧化镁粒子的红外谱图。从图2(a)中可以看出:未处理氢氧化镁在3 700cm-1有很强的吸收峰,归属于氢氧化镁粒子表面羟基—OH的伸缩振动,1 630cm-1处是氢氧化镁粒子中结晶水的吸收峰;由图2(b),经硅烷偶联剂预处理后的氢氧化镁红外谱图在2 930cm-1和2 850cm-1处出现了新的吸收峰,分别对应甲基和亚甲基的伸缩振动,以及1 130cm-1和1 050cm-1处Si—O—Si的伸缩振动吸收峰,说明硅烷偶联剂已接枝到氢氧化镁粒子表面;接枝引发剂后如图2(c)所示,在1 690cm-1处出现一个新的吸收峰,来自于大分子引发剂Mg(OH)2—Br酰胺键的C=O伸缩振动吸收,这表明大分子引发剂成功接枝到氢氧化镁粒子表面。
2.1.2 XPS分析
为了更进一步研究大分子引发剂Mg(OH)2—Br表面的元素组成及引发剂含量,对大分子引发剂进行XPS表征。由图3可知:结合能49.8e V和89.0e V对应镁元素Mg(2p)和Mg(2s),531.6e V对应氧元素O(1s),399.3e V对应氮元素N(1s),284.8e V对应碳元素C(1s),值得注意的是,在结合能69.9e V处出现了溴元素峰Br(3d),再次验证了引发剂2-溴异丁酰溴成功接枝到氢氧化镁粒子表面。
表1是对XPS谱图进行分峰拟合后计算出的大分子引发剂Mg(OH)2-Br表面元素的相对含量,可知大分子引发剂表面溴原子的相对含量为0.48%。通过XPS分析中N元素的相对含量(2.21wt%),计算得到氢氧化镁粒子表面引发剂溴原子的理论值为2.21%/14×80=12.63%,与实际测得的氢氧化镁表面溴原子含量0.48%有较大差异,这可能是由于氢氧化镁粒子表面的硅烷偶联剂分子链上的—NH2官能团由于空间位阻等原因,不能与大分子溴引发剂1∶1反应的缘故。
2.2 Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子的表征
2.2.1 红外分析
图2(d)是Mg(OH)2-g-PHE-MA复合粒子的红外谱图,可以看出:1 740cm-1处出现了新的特征吸收峰,归属于氢氧化镁粒子表面接枝物PHEMA上酯羰基的C=O伸缩振动,证明氢氧化镁粒子表面的接枝聚合反应是成功的。
2.2.2 SEM分析
对未处理氢氧化镁和Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子进行了形态表征,即利用扫描电子显微镜(SEM)观察其表观形态,如图4所示。图4(a)为未处理氢氧化镁的SEM图片,可以看到氢氧化镁为规则的六角扁平片状,表面平整,轮廓清晰,棱角分明;图4(b)为Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子的SEM图片,可以很清晰地看出氢氧化镁表面包覆了一层聚合物,轮廓变得圆滑,聚合物包覆均匀,说明甲基丙烯酸2-羟乙酯(HEMA)在氢氧化镁表面成功地发生了聚合,并包覆在其表面。
2.2.3 TGA分析
图5和图6分别是未处理氢氧化镁和Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子的TGA曲线和DTG曲线。对于未处理氢氧化镁,如图5(a)和图6(a)所示,样品初始分解温度为327℃,最大失重温度为380℃;对于Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子,如图5(b)和图6(b)所示,样品初始分解温度为308℃,最大失重温度为364℃,可以看出:经聚甲基丙烯酸2-羟乙酯包覆后的氢氧化镁粒子初始分解温度更低,遇火燃烧时能提前分解更有效地阻止燃烧,有利于材料阻燃性能的提高。另外,未处理的氢氧化镁在700℃时的样品残存量为70.05%,Mg(OH)2-g-PHEMA复合粒子在700℃时的样品残存量为68.14%,由公式(1)和(2)计算得出氢氧化镁表面聚合物的接枝率为2.80%。
3 结论
甲基丙烯酸2-羟乙酯 篇2
虽然HEMA在生物机械力学方面具有较大优势, 但牙髓牙本质复合体的特殊结构致使牙髓组织易受粘接性单体的刺激[1]; 现有的牙本质粘接剂尚未达到理想的完全聚合[2],残余单体的析出不仅会降低修复材料的机械性能,且易对材料生物相容性产生不良影响[3,4]。研究表明,牙本质粘接系统直接用于深龋或露髓窝洞,表现出时间和浓度依赖的细胞毒性,并且各种析出单体会影响细胞内酶活性、线粒体呼吸、形态变化及细胞膜的完整性[5]。另有研究指出,牙本质粘接剂中HEMA可抑制大鼠下颌下腺腺泡细胞增殖,促进细胞凋亡,低浓度HEMA长期存在可致细胞死亡,具有DNA损伤效应[6],同时在体内可引起细胞炎性反应[7],抑制细胞免疫应答[8],具有潜在的致突变作用[9],亦可抑制乳牙牙髓干细胞的牙源性分化[10],进而损害牙髓牙本质复合体的修复能力和再生潜能[11], 而受损牙髓组织的愈合过程复杂,需通过牙髓细胞的增殖、迁移、矿化等多步骤来完成。本研究旨在探讨牙本质粘接系统中常用单体HEMA对牙髓细胞增殖、迁移能力的影响,为其临床应用提供实验依据。
1材料与方法
本研究通过成都军区昆明总医院伦理委员会审批 ( 审批号: 2014018 - 2) ,所有患者均知情同意并签署知情同意书。
1.1主要仪器和试剂
CO2饱和湿度细胞培养箱 ( Thermo,美国) ,倒置荧光显微镜 ( Leica,德国) ,倒置相差显微镜 ( Olympus,日本) ,全自动酶标仪 ( Perkin Elmer,美国) ,Transwell小室( Corning,美国) ,细胞培养基( DMEM) 、胎牛血清 ( Hyclone,美国) ,HEMA、MTT试剂 ( Sigma,美国) ,胰蛋白酶( Gibco,美国) 。
1.2实验方法
1. 2. 1细胞体外培养在患者知情同意下,取临床因正畸或阻生需要拔除的新鲜、健康、无龋的年轻恒牙牙髓组织进行培养: 将牙髓切成组织块碎片,铺散并覆盖专用盖玻片,加入含10% 胎牛血清的DMEM培养基, 静置于37 ℃ CO2孵育箱,每2 d更换培养液,待细胞达到80% 融合后,胰酶( 0. 25% 胰酶 + 0. 02% EDTA) 消化,1∶1传代。取第3 ~ 5代牙髓细胞进行实验。
1. 2. 2MTT实验取生长状态良好的第3 ~ 5代牙髓细胞,以每孔6 × 103个细胞接种于96孔板,37 ℃、 5% CO2、饱和湿度的空气培养箱孵育24 h,实验组分别加入含HEMA终末浓度为50、100、200、400、800、 1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 μg / ml的DMEM培养液,空白对照组加DMEM培养基,每孔100 μl,每组重复3孔,继续培养24 h、48 h和72 h后,每孔加入5 mg / ml MTT液50 μl,4 h后,终止培养,弃上清,加入150 μl二甲基亚砜 终止反应。室温振荡10 min,用Perkin Elmer酶标仪在490 nm波长下测定每孔吸光度值( A值) ,实验重复3次。按照以下公式计算细胞活力值,筛选出适合迁移实验的HEMA的使用浓度: 细胞活力值 = ( 实验组A值/对照组平均A值) × 100% 。
1. 2. 3细胞形态观察与分析不同浓度HEMA溶液 ( 0、100、400、800、1 500 μg /ml) 与人牙髓细胞共培养48 h后,在倒置荧光显微镜下观察空白对照组及实验组的细胞增殖情况及细胞形态改变。
1. 2. 4迁移实验取第3 ~ 5代人牙髓细胞,以每孔5 × 104个细胞接种于transwell上室,实验组以含100、 400 μg / ml HEMA的DMEM培养基,空白对照 组加10% FBS的DMEM培养基,37 ℃ 、5% CO2、饱和湿度的空气培养箱孵育48 h。90% 乙醇固定30 min,去除transwell上室细胞,0. 1% 结晶紫染色30 min,去离子水漂洗,倒置相差显微镜下观察拍照,计算细胞数目。
1. 2. 5统计学方法采用SPSS 17. 0统计软件对结果进行统计学分析,计量资料以± s表示,对HEMA作用的细胞活力值进行单因素方差分析,多个样本间的两两比较采用LSD-t检验,以双侧P < 0. 05为差异具有统计学意义。
2结果
2.1人牙髓细胞体外培养
经原代培养2周后,显微镜下可见形态多呈梭形和星形的牙髓细胞从组织块边缘游出,核仁位于胞质中央,清晰可见。传代后细胞呈束状贴壁生长( 图1) 。
2.2HEMA对牙髓细胞增殖的影响
MTT结果显示,不同浓度HEMA溶液在24 h、48 h和72 h的细胞活力值均明显低于对照组( P < 0. 05) ( 表1) 。在50、100、200 μg /ml浓度组中,24 h组细胞活力值均显著高于48、72 h组( P < 0. 05) ,48、72 h组间无统计学差异( P > 0. 05) ,剩余浓度组间,3个时间点的细胞活力值之间均具有统计学差异( P < 0. 05) 。 由于24 h牙髓细胞处于增殖分裂的活跃期,细胞抑制效果不明显。HEMA对细胞增殖表现出时间和浓度依赖性抑制作用。
2.3细胞形态观察
空白对照组细胞生长状态良好,呈长梭形或星形, 胞核圆突于中央,核仁清晰,胞质丰富,处于生长旺盛期。100 μg /ml HEMA溶液组细胞状态类似于空白对照组,但随浓度上升至400 μg /ml时,细胞密度明显减低,生长受到抑制; 至800 μg /ml时,细胞开始变为圆形,有凋亡迹象,出现细胞碎片; 1 500 μg /ml时可见大量细胞死亡,数目稀少,出现严重变形( 图2) 。
( ± s,n = 3)
注: 每一行具有相同字母的同一浓度不同时间组间无统计学差异( P > 0. 05) ; 每一列具有相同数字的同一时间不同浓度组间无统计学差异( P > 0. 05)
A: 空白对照; B: 100 μg / ml HEMA; C: 400 μg / ml HEMA; D: 800 μg / ml HEMA; E: 1 500 μg / ml HEMAA: Blank control
2.4HEMA对牙髓细胞迁移的影响
正常培养48 h后,不同浓度( 100、400 μg /ml) HEMA组迁移至transwell下室的细胞数目均明显少于空白对照组( 图3) ,而且随着HEMA浓度增加,细胞的迁移数目逐渐减少,差异具有统计学意义 ( P < 0. 05) ( 图4) 。
3讨论
近年来,树脂粘接修复技术在临床上得到了广泛应用,粘接组份对牙髓牙本质复合体的影响也一直是学者们关注的热点问题。病理性龋损或医源性牙髓暴露可导致牙髓牙本质复合体的损伤,其修复再生需要通过牙髓细胞的迁移补充受损的成牙本质细胞,从而形成修复性牙本质。使用树脂牙本质粘接系统进行充填治疗的初衷是为了修复近髓或暴露的牙髓组织,防止细菌污染,但研究表明在没有细菌污染的粘接界面同样没有牙本质桥的形成[12],因此,牙本质粘接系统直接盖髓会对牙髓组织修复再生造成不良影响[3,4]。
A: 空白对照; B: 100 μg / ml HEMA; C: 400 μg / ml HEMAA: Blank control
HEMA是大多数牙本 质粘接系统 采用的稀 释单体,相对于其他几种重要单体: 如双酚A双甲基丙烯酸缩水甘油酯( Bis-GMA) 、氨基甲酸酯双甲基丙烯酸酯( UDMA) 、双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯( TEGDMA) 而言,HEMA细胞毒性最小,但自聚合网络中析出量最多[13],但此前上述单体的毒性与析出研究主要针对小鼠成纤维细胞进行,而对人牙髓细胞迁移方面的生物学行为研究仍鲜见报道,因此本研究选择HEMA作用于人牙髓细胞进行实验,观察其在非毒性依赖条件下的生物学行为。
MTT结果显示,HEMA与人牙髓细胞共同培养可抑制其增殖,24 h内抑制作用不明显,但随着HEMA浓度的增大,时间延长,抑制效果越明显,甚至会导致细胞死亡,其原因可能在于甲基丙烯酸酯类单体通过与脂质双分子层表面结合溶解细胞膜,同时其抑制牙髓细胞增殖的作用可能与线粒体脱氢酶的活力和生存能力相关。另一方面,其抑制增殖作用可能与细胞周期生长因子调控失衡及细胞周期运行障碍有关。有学者研究指出低浓度HEMA与细胞共培养72 h后加快了细胞凋亡[6]。此外,HEMA在体外可引起基因突变,形成微核,预示着染色体受损[14],从而推断DNA的损伤亦可能是影响细胞增殖的重要因素之一。
Transwell迁移实验表明,选择大于细胞生存率为50% 的剂量( IC50) ,HEMA对人牙髓细胞具有迁移抑制效应,并且随着浓度递增,迁移抑制效果越明显。在受损牙髓组织修复过程中细胞迁移是关键步骤。临床观察表明,近髓窝洞直接使用含HEMA的牙本质粘接系统可能导致慢性炎症的发生,不会形成成牙本质细胞,从而影响牙本质桥的形成,表明HEMA抑制牙髓细胞向成牙本质细胞层迁移和分化[15]。同时,细胞迁移遭到抑制也成为牙髓组织伤口愈合不佳的关键。此外,牙本质粘接系统的应用也有可能使细胞在体内呈亚凋亡状态。基于此,针对近髓窝洞及乳牙、年轻恒牙的粘接修复治疗前进行必要的垫底操作就尤显重要, 同时推荐使用不含HEMA的牙本质粘接系统。
甲基丙烯酸2-羟乙酯 篇3
文献报道的这三种合成方法各有弊端, 如成环法需要5步的步骤来合成成环钱的中间体, N-氧甲基四氟化硼盐重排法需要用三甲基氧鎓四氟硼酸试剂, 这个试剂很昂贵且从成盐到重排的总产率只有27%。而氧化法容易产生多种异构羧酸不易分离。为了避免这几个弊端, 本文以2, 4, 6-三甲基吡啶为原料, 分别与间氯过氧苯甲酸、乙酸酐以及氢氧化钠经过3步反应, 将原料从2, 4, 6-三甲基吡啶转变成相应的2, 4, 6-三甲基吡啶-N-氧化物、2, 6-二甲基-4-羟甲基吡啶乙酸酯进而水解得到最终产物。本文采用的方法虽然也有竞争反应, 但是两种异构体容易分离, 且通过条件试验可以使主产物占优, 其合成路线见图1。
1 实验部分
1.1 仪器和试剂
1HNMR谱由JOEL JNM-ECA300核磁共振仪测定, TMS为内标, CDCl3为溶剂。2, 4, 6-三甲基吡啶购于衢化, 间氯过氧苯甲酸购于常州市宝康医药化工有限公司;其它所有试剂均为市售化学纯或分析纯, 未经进一步处理。
1.2 合成
1.2.1 2, 4, 6-三甲基吡啶-N-氧化物 (2) 的合成
操作:2, 4, 6-三甲基吡啶溶于氯仿, 常温下分批加入85%间氯过氧苯甲酸, 搅拌0.5h, 滴完缓慢升温至回流约2h, TLC检测原料已全部消失。
后处理:旋蒸走氯仿, 100mL浓盐酸分3次洗涤所得的固体, 抽滤, 滤液用浓NaOH溶液调pH=12, 300mL乙酸乙酯分3次萃取, 无水硫酸钠干燥, 旋干溶剂得23.9g淡黄色油状物。 (可直接用于下一步反应) , 产率为87.1%。
1.2.2 2, 6-二甲基-4-羟甲基吡啶乙酸酯 (3) 的合成
操作:乙酸酐加热至回流温度, 加入2, 4, 6-三甲基吡啶-N-氧化物剧烈搅拌回流1h, TLC检测原料已全部消失。
后处理:减压蒸走大部分溶剂, 加50mL水, 用浓NaOH溶液调pH=8, 150mL乙酸乙酯分3次萃取, 无水硫酸钠干燥, 旋干溶剂得到黄色油状物为2, 6-二甲基-4-羟甲基吡啶乙酸酯和2, 4-二甲基-6-羟甲基吡啶乙酸酯混合物, 柱层析得11.1g淡黄色油状物, 产率为62.0%。
1HNMR (CDCl3) :2.10 (S, 3H) , 2.53 (S, 6H) , 5.05 (S, 2H) , 6.92 (S, 2H) 。
1.3 2, 6-二甲基-4-羟甲基吡啶 (5) 的合成
操作:2, 6-二甲基-4-羟甲基吡啶乙酸酯、氢氧化钠和80mL水混合回流1h, TLC检测原料已全部消失。
后处理:反应溶液降至常温, 240mL乙酸乙酯分3次萃取产品, 饱和NaCl溶液洗涤有机相, 无水硫酸钠干燥, 抽滤走干燥剂, 旋干溶剂得6.6g类白色固体, 产率为95.7%。
1HNMR (CDCl3) :2.49 (S, 6H) , 4.67 (S, 2H) , 6.96 (S, 2H) 。
2 结果与讨论
2.1 间氯过氧苯甲酸的作用
用间氯过氧苯甲酸氧化本底物制备吡啶-N-氧化物产率高, 反应时间短, 其后处理采用酸碱分离方法可以简化操作。
2, 4, 6-三甲基吡啶-N-氧化物的制备, 也可以采用H2O2/HOAc或H2O2/TFA体系, 不过产率没有用间氯过氧苯甲酸高。H2O2/HOAc或H2O2/TFA体系氧化是制备吡啶-N-氧化物的一种通用方法, 成本低廉, 缺点是产率偏低, 反应时间长, 优点是对吡啶环上带吸电子或者弱供电子基团 (如羧酸酯, 卤素等) 的取代吡啶也能反应。而用间氯过氧苯甲酸氧化, 对带供电子基团或者弱供电子基团 (如烷氧基, 烷基, 卤素等) 取代的吡啶, 并环吡啶都可以取得很高的产率, 同时反应时间都很短, 一般都在2h内反应完成。
用间氯过氧苯甲酸氧化过程中会产生大量的间氯苯甲酸副产物, 如果按传统方法处理, 反应完加碱调pH至强碱性再萃取, 萃取过程中会产生大量悬浮物使萃取难进行, 且难以抽滤。本文采用酸碱分离, 先把产物溶于盐酸, 而副产物间氯苯甲酸和少量间氯过氧苯甲酸不溶于水, 通过抽滤就可以完全去除, 然后将滤液调pH至碱性再萃取可以得到纯度较高的产品。
2.2 温度和时间对主产物产率的影响
2, 4, 6-三甲基吡啶-N-氧化物的重排反应位置选择性是动力学和热力学竞争的反应, 可以优化条件取得某一产物的产率优势。
从2, 4, 6-三甲基吡啶-N-氧化物制备2, 6-二甲基-4-羟甲基吡啶乙酸酯过程中, 会产生2, 4-二甲基-6-羟甲基吡啶乙酸酯副产物。而且降低反应温度, 延长反应时间, 副产物将会变成主产物, 所以主产物生成的过程应该是动力学控制的过程, 本文采用预热反应物的办法来抑制副产物的生成, 收到了比较好的效果。温度和时间对主产物产率的影响如图2所示。
由于传统加热条件下, 反应温度最高就是体系中沸点较低组分的回流温度, 所以当我们尝试反应温度对主产物产率的影响时发现, 回流温度就是最佳的反应温度。低于这个反应温度, 反应结束时间会延长, 且主产物的产率会下降。甚至当反应温度低于80℃时, 反应基本不进行。
3 结 论
以2, 4, 6-三甲基吡啶为原料, 分别与间氯过氧苯甲酸、乙酸酐以及氢氧化钠经过3步反应, 将原料从2, 4, 6-三甲基吡啶转变成相应的2, 4, 6-三甲基吡啶-N-氧化物、2, 6-二甲基-4-羟甲基吡啶乙酸酯进而水解得到最终产物, 总收率达51.2%。
采用短时间强热条件来做这个反应, 比如微波反应, 应该可以取得更好的效果, 具体的条件实验有待后续完成。
参考文献
[1]Journal, Craig, Donald, Henry, Gavin D.Tetrahedron Letters, Eng-lish, 2005, 46 (15) :2559-2562.
[2]Journal, Katz, R B, Mistry, J, Mitchell, MB.Synthetic Communica-tions, English, 19, 1, 2, 1989, 317-326, ISSN:0039-7911.
[3] Journal, Biyouki, Mohammad A. Amrollahi, Smith, Robin A. J., Bedford, Jennifer J., Leader, John P., Synthetic Communications, English, 28, 20, 1998, 3817-3826, ISSN: 0039-7911.
[4] Journal, Jerchel, et al. Justus Liebigs Annalen der Chemie, 1958, 613:153, 155, 162.
[5]Journal, Lukes, Galik.Collection of Czechoslovak Chemical Communi-cations, 1958, 23:1083, 1087.
甲基丙烯酸2-羟乙酯 篇4
生物质作为地球上最丰富的可再生能源之一,具有替代传统能源或石化原料的巨大潜能,同时对全球碳平衡也起着至关重要的作用。由糖类和纤维素等生物质脱水得到的5-羟甲基糠醛(HMF)是重要的生物基平台化合物,通过选择氧化可以获得多种呋喃类衍生化学品。其中,2,5-呋喃二甲酸(FDCA)作为HMF深度氧化的产物,在诸多领域具有较高的应用价值。例如,由于FDCA具有与对苯二甲酸(PTA)相似的共轭电子特性,可以替代PTA,作为合成大宗聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的合成单体,降低合成工业对石化资源的严重依赖。此外,FDCA在有机合成、药理学、金属有机材料方面有巨大的应用潜力。因此,FDCA被美国能源部列为“十二种生物基平台化合物之一”,其重要性可见一斑[1,2,3]。
合成FDCA最简单的路线是计量氧化HMF,但直接使用KMnO4等强氧化剂,反应选择性低、成本高,同时严重污染环境。通过催化氧化方法可以降低反应能垒,从而大幅降低反应所需温度、压力,同时还可以改变产物分布、提高FD-CA的选择性。分离和纯化的优势使得非均相催化反应体系被广泛研究,贵金属钯、金、铂、钌、铑作为高活性催化剂被广泛报道。中南民族大学张泽会课题组在Pd负载型催化剂,尤其是以碳为载体的催化剂方面进行了一系列相关研究,发现多种载体上的Pd纳米颗粒都能高效催化HMF转化为FDCA[4,5,6]。碳材料作为贵金属的载体,在催化领域得到广泛的应用。近年来,新型碳材料石墨烯及其氧化物由于具有较高的比表面积和丰富的表面含氧官能团成为锚定Pd纳米颗粒的良好载体,但石墨烯负载Pd催化剂在HMF选择氧化制FDCA反应中的应用还不多见。
本研究基于工业前景考虑,选择大批量生产的还原石墨烯氧化物(rGO)为载体,通过浸渍还原法负载金属Pd纳米颗粒,应用于温和条件下的HMF选择氧化反应中。采用多种先进表征手段对催化剂进行结构、形貌、组成等方面的分析,然后考察了不同催化剂用量和反应时间条件下的催化性能,并通过反应动力学获得HMF氧化生成FDCA的总包反应活化能。
1 实验
1.1 石墨烯负载Pd催化剂的制备
rGO由哈尔滨工程大学范壮军课题组提供,由Hummers氧化和铝粉还原得到[7]。采用液相还原法制备石墨烯负载Pd催化剂(Pd/rGO):取1g还原氧化石墨烯与10mL去离子水混合,按5%(质量分数)钯负载量向混合液中加入氯化钯,用NaOH将溶液调至碱性(pH>8),然后加入一定量的甲醛,升温至50℃,保温1h后降温,过滤、洗涤、干燥后得到Pd/rGO催化剂粉体。
1.2 催化剂表征
催化剂形貌采用高分辨透射电子显微镜(HRTEM,Tecnai F20,加速电压200kV)进行观察。Pd纳米颗粒在催化剂表面的分布情况通过TEM的扫描透射模式(STEM)和能谱元素分布(EDS element mapping)进行分析。催化剂织构性质采用氮气物理吸附仪(Micromeritics ASAP 2020)在液氮温度下进行分析,测试前样品200℃下真空预处理6h,以脱除样品表面的易挥发性杂质,获得的氮气吸附等温线通过BET、BJH和t-plot方法计算出样品的比表面积、孔径、孔容等织构参数。催化剂表面化学组成采用X射线光电子能谱仪(XPS,Kratos AXIS ULTRADLD)测定,XPS光源为Al Kα射线,通过3点平均进行元素定量分析。催化剂的结晶程度通过X射线多晶粉末衍射(XRD,Bruker D8Advance)进行观察,光源为Cu Kα射线,波长为0.15418nm,扫描速度为11.33(°)/min。催化剂中Pd元素含量通过电感耦合等离子体光谱(ICP-OES,Perkin-Elmer,Optima 2100)获取,分析前使用王水180℃高压消解样品。Pd纳米颗粒分散度通过化学吸附仪(Micromeritics AUTOCHEMⅡ2920)进行CO脉冲吸附分析,样品在He载气保护下120℃进行脉冲注入微量10%的CO-He混合气。通过测定CO脱附量差值按原子比为1∶1换算成表面Pd原子的含量,结合ICP测定的Pd总含量获得Pd原子在颗粒表面的分散度。催化剂热稳定性通过热重(TG,Pyris Diamond TG/DTA)在空气气氛中进行测试,空气流量为20mL/min,以10℃/min的速度升温到850℃,催化剂质量为5mg。
1.3 催化性能测试
将31.5mg催化剂与80mg NaOH加入到25mL三口烧瓶中,并加入10mL超纯水。三口烧瓶加装蛇形冷凝器后在油浴中搅拌加热,同时通入50mL/min的氧气。待体系达到所需的温度时,将252mg HMF迅速加入到溶液中。反应间隔一定时间,用移液枪吸取50μL混合液并稀释100倍,将稀释后的溶液1mL通过孔径为0.22μm水性过滤器注入高效液相色谱(HPLC)样品瓶中,进行成分与浓度分析。色谱条件:流动相为5%(体积分数)CF3COOH/CH3OH溶液,紫外检测器,波长278nm,温度25℃。事先通过标准品获得HMF、FDCA和中间产物2,5-二甲酰基呋喃(DFF)、5-羟甲基-2-呋喃甲酸(HMFCA)和5-甲酰基-2-呋喃甲酸(FFCA)的工作曲线。通过外标法获取反应剩余HMF和产物的浓度,最终得出HMF的转化率和FDCA的产率。
1.4 反应动力学参数的测定
为了获取微分条件下的反应动力学参数,通过改变催化剂的用量和反应时间从而控制催化反应转化率在20%以下,同时改变反应液体空速直到催化反应速率不再变化,在此条件下可以认为基本排除了扩散限制,从而得到本征反应速率。因此,确定的动力学反应条件为:反应温度为20~60℃,反应底物与催化剂用量为n(HMF)∶n(Pd)=1470∶1,反应时间为1h。最后通过Arrhenius图解法获得催化反应的总包反应活化能。
2 结果与讨论
2.1 催化剂形貌及结构分析
石墨烯负载Pd纳米颗粒后的形貌如图1(a)所示,Pd纳米颗粒在载体表面分布较为均匀,没有出现明显团聚现象。通过统计230颗Pd纳米颗粒的直径,发现Pd颗粒直径介于1~12nm之间,并在4nm附近有集中分布(见图1(a)插图)。HRTEM电镜照片(见图1(b))显示,金属纳米颗粒晶格间距约为0.23nm,对应于金属钯的(111)晶面,这与后面的XRD结果相一致。由于钯与碳原子序数的巨大差别,采用透射电镜的扫描透射模式,可以更为清晰地观察到小颗粒在碳载体表面的分布情况。高角度环形暗场像(HAADF)由于排除了相位干扰,测试欠焦与否以及载体厚度对于观察金属颗粒的分布影响很小,因此能够更为明显地看到浅表层内部的金属颗粒,这对于观察石墨烯为载体的金属催化剂颗粒十分有利。图1(c)的HAADF图像显示了Pd纳米颗粒在更大范围内的均匀分布情况。对其局部进行元素分析,如图1(e)-(g)所示,氧元素与碳元素分布情况相似,这是由于液相还原石墨烯氧化物后,在碳表面残余较多含氧官能团,这有利于钯颗粒的锚定和防止后续催化应用时钯颗粒脱落。由于负载量较低的缘故,钯以小颗粒形式散布在石墨烯表面,虽然不如氧元素一样广泛分布,但颗粒之间界限清晰可辨。此外,氧元素没有在钯颗粒出现的地方出现明显亮点,这也表明大部分钯是以金属态存在。
对Pd/rGO催化剂进行氮气物理吸附测试,发现其Ⅳ型氮气吸附等温线出现明显介孔结构特征的H3型回滞环(见图2(a)),同时由BJH脱附值所得的孔径分布曲线显示,催化剂孔径在~3.7nm附近出现集中分布,且大部分孔容由8nm以下介孔提供(见图2(b))。定量分析结果显示,催化剂比表面积为1704m2/g,总孔容为3.03cm3/g,平均孔径为7.1nm,其中微孔比表面积和微孔孔容分别为119m2/g、0.04cm3/g,微孔对比表面积和总孔容贡献度分别低至7.0%和1.3%,因此Pd/rGO的高比表面积介孔特性得以确认。Pd/rGO催化剂的表面化学组成通过XPS测定发现,表面氧含量高达11.82%(原子分数),这与STEM测试中氧元素的广泛分布相一致。但表面Pd含量仅为0.90%(原子分数),严重偏离设计浓度,这有可能是高比表面积介孔石墨烯浸渍Pd溶液后进行还原干燥时,Pd纳米颗粒由于毛细现象在介孔孔道中富集,从而导致表面浓度降低。对Pd元素精细谱进行分峰解卷积操作,其中335.96eV、341.18eV分别归属为0价Pd的3d5/2和3d3/2峰,而337.62、342.72eV分别归属为+2价Pd的3d5/2和3d3/2峰(见图2(c))。通过计算3d5/2峰解卷积的峰面积发现65%的表面Pd原子以0价金属态存在。热重分析显示(见图2(d)),200℃以上时,由于含氧官能团的分解脱附导致材料出现缓慢失重,但直到500~600℃区间才出现石墨烯载体氧化燃烧而导致的失重台阶,在700℃左右完成燃烧过程达到恒重,残留灰分量为4.84%(质量分数)。若以PdO计算,则Pd/rGO催化剂中Pd含量为4.2%(质量分数)。将热重灰分消解后进行ICP分析,得到Pd/rGO中Pd含量为(4.08±0.06)%(质量分数),两种测试结果高度吻合。
图1 Pd/rGO催化剂的形貌和元素分布:TEM(a),HRTEM(b),HAADF(c,d),元素分布(e,f,g)Fig.1 Morphologies and elements distribution of Pd/rGOcatalyst:TEM(a),HRTEM(b),HAADF(c,d),elements maps(e,f,g)
采用XRD对Pd/rGO催化剂结构进行表征,图2(e)显示载体石墨烯在2θ=23°附近出现典型的(002)宽化峰[7],通过布拉格方程得到石墨烯层间距为~0.37nm。2θ=39.4°、45.8°、66.8°、80.5°、84.8°处的峰分别对应金属Pd的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面(PDF卡片序号为87-0641),强度最高的(111)晶面峰所对应的晶格间距为0.2285nm,这与HRTEM分析相一致。CO脉冲吸附实验显示,两次脉冲进样后Pd/rGO催化剂即可达到吸附饱和(见图2(f)),计算得到的Pd原子分散度为21.97%。假设Pd颗粒为半球模型可得颗粒平均粒径为5.1nm,这与图1(a)中TEM颗粒统计结果吻合。
2.2 HMF选择氧化反应
负载型Pd催化剂常用于选择氧化反应,碳基载体由于具有高比表面积、丰富的表面化学以及酸碱稳定性,通常表现出较高的催化活性和优异的使用稳定性。本研究采用较小催化剂用量(HMF与Pd实测原子比为240),在相对温和的条件下(50℃,1当量KOH)即可得到较好的催化活性,反应从1h延长到6h,HMF的转化率从12.1%增大到91.1%,FDCA的收率从0.6%增大到56.1%,催化性能与文献报道的负载型Pd、Pt、Ru、Au催化剂相当[4,8,9,10],但反应温度、碱用量等反应条件更为温和。增加催化剂用量(HMF与Pd实测原子比为60),反应性能进一步提升,反应6h后HMF转化率和FDCA的收率分别为96.9%和66.6%,并且发现HMF转化率在前4h增加更为明显,即增加催化剂用量可以一定程度上降低反应所需时间。
2.3 动力学本征反应速率及反应活化能
目前液相催化反应研究相关的文献大多数仅报道不同条件下的转化率、选择性和产物收率[1,11],由于金属负载量和分散度的不一致,并不能真正地反映金属催化剂的本征活性和原子利用效率。本研究不展开反应的条件因素实验研究,而是聚焦于探究活性组分Pd的本征活性及其动力学参数。考虑实验浓度检测的精确度和准确性,本研究在HMF转化率低于20%的条件下进行反应速率(以基于实际Pd负载量和分散度上的转化频率TOF表示)测定,发现HMF与Pd原子比大于1000时,TOF不随液体空速的增加而变化,为可靠起见,本研究动力学测试全部基于HMF与Pd原子比等于1470、反应时间在1h内的低转化率条件。反应不同时间后,测定各组分浓度得出的TOF值如图4所示。
由图4可以发现,HMF和FDCA的TOF值与反应温度和反应时间都呈正向递增趋势,温度上升到50℃以后TOF随温度增加更为明显。同时,生成FDCA的速率仅为HMF转化速率的1.5%~7.1%,这是因为HMF氧化过程中优先转化为DFF、HMFCA、FFCA等中间产物。因此,基于TOF值通过Arrhenius作图法计算的反应活化能为总包反应表观活化能。图5为20~60℃反应温度区间的活化能结果。尽管理论上一定温度范围内的反应活化能为固定值,但由不同反应时间测得的平均浓度还是具有某种程度的差异,导致活化能随反应时间的轻微变化。在本研究设计的反应条件下,HMF转化和FDCA生成的活化能分别为(45.6±4.6)kJ/mol、(71.3±2.5)kJ/mol,其HMF氧化活化能远低于Ru/C催化剂[12]和VOx-TiO2催化剂[13],略高于Pt/C催化剂[14]的活化能。由此可见,石墨烯作为载体负载Pd纳米颗粒可以高效催化HMF选择氧化反应。
3 结论
(1)采用液相还原法制备了Pd/rGO催化剂,钯实际负载量为(4.08±0.06)%(质量分数)。
(2)催化剂比表面积为1704 m2/g,总孔容为3.03cm3/g,平均孔径为7.1nm,其中微孔对比表面积和总孔容贡献度分别低至7.0%和1.3%;Pd颗粒在rGO表面分布均匀,颗粒直径集中在4nm左右;Pd原子分散度为21.97%,65%的表面Pd原子以0价金属态存在。
