馮樹波，任振立，韓桂強(qiáng)，劉振法

1.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；

2.河北省科學(xué)院能源研究所，河北 石家莊 050000

癌癥的光學(xué)治療包括光動(dòng)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(shù)，其中光敏劑是PDT 的關(guān)鍵因素之一。酞菁（Pc）配合物因具有結(jié)構(gòu)較易修飾、暗毒性低、光物理和光化學(xué)特性較理想等特點(diǎn)，被認(rèn)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(xué)及熱穩(wěn)定性，其應(yīng)用已經(jīng)從最初的染料和顏料擴(kuò)展到催化、太陽能、印刷油墨和光電信息材料等各個(gè)領(lǐng)域[1-9]，還顯示出作為分子導(dǎo)體、分子電子元器件、分子磁體、光電轉(zhuǎn)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(yīng)用領(lǐng)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(gè)N 原子、8 個(gè)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(diǎn)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(luò)合后得到金屬酞菁。該工藝過程的反應(yīng)溫度很高，副產(chǎn)物較多，很難得到結(jié)構(gòu)均勻的金屬酞菁產(chǎn)品，而且整個(gè)生產(chǎn)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(tuán)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(yīng)溫度較低，得到的金屬酞菁產(chǎn)品中副產(chǎn)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(yīng)工藝需要無法有效回收的強(qiáng)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(jié)構(gòu)，同時(shí)需要戊醇等有機(jī)溶劑對物料進(jìn)行分散才有利于反應(yīng)的進(jìn)行，與綠色化學(xué)要求相距甚遠(yuǎn)，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(xué)家和研究人員的高度關(guān)注。低共熔溶劑是指由一定化學(xué)計(jì)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(diǎn)顯著低于各個(gè)組分純物質(zhì)的熔點(diǎn)。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(xiàn)報(bào)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(shí)，尿素-氯化膽堿低共熔溶劑既是反應(yīng)過程中的溶劑，又是反應(yīng)的催化劑，且在110～150 ℃下即可反應(yīng)。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(yīng)過程和酞菁銅收率的影響，以期為酞菁銅的綠色合成和產(chǎn)物精制提供有價(jià)值的信息。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 酞菁銅制備與結(jié)構(gòu)表征

將脫水后干燥的氯化膽堿與尿素按物質(zhì)的量之比為1:2 進(jìn)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(yīng)1 h 直至溶液變?yōu)樗{(lán)色。然后加入100 mL 蒸餾水稀釋，過濾得不溶的粗產(chǎn)品，依次用蒸餾水和無水乙醇洗滌后干燥。將干燥產(chǎn)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(lán)色固體產(chǎn)物酞菁銅。

采用溴化鉀壓片法對酞菁銅樣品進(jìn)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(jì)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(zhì)，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(xué)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(yīng)如式（1）所示[18]。

酞菁銅產(chǎn)率（Y）計(jì)算如下：

式中：m1為酞菁銅實(shí)際產(chǎn)量，g；m為酞菁銅理論產(chǎn)量，g；n2為生成的酞菁銅理論摩爾數(shù)；M為酞菁銅的分子量。

2 結(jié)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在升溫過程中添加鉬酸銨，燒瓶中產(chǎn)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(jìn)尿素和尿素-氯化膽堿DES 中尿素的分解。

采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(chǎn)率的影響，實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表1 所示。

表1 反應(yīng)條件對酞菁銅產(chǎn)率的影響Table 1 Effect of reaction conditions on the yield of copper phthalocyanine

基于表1 結(jié)果，以及溫度水平對酞菁銅產(chǎn)率影響的極差分析推測，溫度越低酞菁銅產(chǎn)率越高。為驗(yàn)證正交實(shí)驗(yàn)預(yù)測的準(zhǔn)確性，以第7 組實(shí)驗(yàn)為例，將溫度130～140 ℃改變?yōu)?10～120 ℃，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得酞菁銅為1.376 g，實(shí)際產(chǎn)率為97.52%，與正交實(shí)驗(yàn)的趨勢預(yù)測一致。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本研究提出如下反應(yīng)機(jī)理：酞菁環(huán)的形成受兩個(gè)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(shí)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(yīng)機(jī)理剖析

近些年來，對DES 各方面的研究和應(yīng)用都越來越多，但對其穩(wěn)定性卻很少研究。在一些反應(yīng)中，DES 的特殊結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性關(guān)系到反應(yīng)產(chǎn)物分布和催化效應(yīng)[21]。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和振動(dòng)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(xiàn)，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(dāng)溫度高于120 ℃時(shí)，持續(xù)釋放氨氣?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道[18]，提出可能的酞菁銅合成反應(yīng)機(jī)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(guān)鍵中間體二亞氨基二氫吲哚；DES 加速分子內(nèi)環(huán)化，即酞菁骨架的形成。從反應(yīng)機(jī)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(jìn)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(yīng)機(jī)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(zhuǎn)化成金屬酞菁屬于體積和熵減少的反應(yīng)，加壓有利，高壓可增加金屬酞菁環(huán)的形成速率和產(chǎn)率?；凇翱桌碚摗保珼ES 黏度對應(yīng)于流體中容許適當(dāng)離子運(yùn)動(dòng)的可用孔數(shù)，DES 的高黏度導(dǎo)致高壓空腔產(chǎn)生，DES 中廣泛存在的氫鍵網(wǎng)絡(luò)影響這個(gè)空腔的形成，進(jìn)而影響孔數(shù)和黏度。

2.3 產(chǎn)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(tǒng)的酞菁銅產(chǎn)品提純采用濃硫酸精制，即用硫酸溶解產(chǎn)物，然后加水稀釋濃硫酸使產(chǎn)物析出。實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明兩者提純效果相差不大。同時(shí)，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(yīng)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(chǎn)品后，料液中補(bǔ)加一定量的尿素（殘留在料液中的氯化膽堿與尿素結(jié)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(yīng)，第二次反應(yīng)產(chǎn)品的收率仍達(dá)到85%以上，而且未參與反應(yīng)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(gè)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(xiàn)強(qiáng)而尖銳的吸收峰是芳環(huán)上的C—H。2 217 cm-1對應(yīng)的為C—N 的伸縮振動(dòng)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(dòng)峰，是芳環(huán)的骨架伸縮振動(dòng)。1 400～1 100 cm-1的峰應(yīng)該為苯環(huán)以及含氮環(huán)上的C—H 面內(nèi)彎曲振動(dòng)。中強(qiáng)峰899 cm-1歸屬于金屬-配體的振動(dòng)。754 cm-1和723 cm-1應(yīng)該為環(huán)上的面外彎曲振動(dòng)峰。所以可初步確定所合成產(chǎn)品為酞菁銅結(jié)構(gòu)。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(fù)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(gè)中等強(qiáng)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(yīng)B 帶，由Q 帶和B 帶可認(rèn)定所測試樣品中含有酞菁環(huán)結(jié)構(gòu)。

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(gè)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(jù)PDF 36-1883 卡片進(jìn)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(zhì)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與多數(shù)文獻(xiàn)的報(bào)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(jié) 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(yīng)物合成了酞菁銅，同時(shí)起到催化劑作用，避免了使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑戊醇和價(jià)格昂貴的DBU 催化劑。形成酞菁環(huán)的適宜反應(yīng)溫度為110～120 ℃，產(chǎn)物產(chǎn)率可達(dá)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，純度高，生產(chǎn)過程環(huán)保安全。酞菁銅產(chǎn)品采用硫酸精制后，得到性能穩(wěn)定的α晶型。通過補(bǔ)充分解的尿素可實(shí)現(xiàn)DES 的重復(fù)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(chǎn)。