專利名稱:一種富勒烯球表面開孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種在三維空間富勒烯球(包括C60、C70、C82、C84等)表面打開一個或多個孔洞的方法。該類化合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不僅在球表面開了一個窗口,而且增大了富勒烯球的容積,能夠?qū)⒛承╇x子、原子、分子植入其內(nèi)部,在光電聲磁熱等特種功能材料領(lǐng)域具有應(yīng)用價值,同時豐富了富勒烯化學(xué)的研究內(nèi)容。
背景技術(shù):
自1985年發(fā)現(xiàn)富勒烯以來,在物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域激起了科學(xué)家們的濃厚興趣,人們對其進行了大量的研究,特別是在富勒烯表面進行化學(xué)衍生,在高溫高壓條件下將稀有氣體原子植入其內(nèi)部作了大量的工作。針對內(nèi)含粒子的富勒烯的制備,目前的合成方法主要是電弧放電法和高溫高壓法,但是這兩種合成方法存在著難以克服的缺點1.分離困難,一直很難找到合適的溶劑將空心球烯和內(nèi)含式球烯有效分離;2.產(chǎn)率低,電弧放電法制備富勒烯的產(chǎn)率就只有百分之幾,而內(nèi)含粒子的富勒烯的產(chǎn)率更低兩個數(shù)量級;3.條件比較苛刻,很難達到,并且實驗花費較大。因此,這兩種方法難以推廣,必須開辟新的思路和新的方法。鑒于此目的,人們把方向轉(zhuǎn)到了化學(xué)開籠的方法,希望這種方法能克服以上的缺點,為內(nèi)含粒子的富勒烯的合成提供簡便可行的方法。
以具有兩個或多個(包含3個、4個、5個及以上)疊氮基團的化合物和C60為原料,通過1,3偶極加成,將C60上相鄰或相近位置的單鍵斷裂,事實上在C60表面打開了一個窗口,為富勒烯球籠表面開孔開發(fā)了一種經(jīng)濟實用的有機化學(xué)方法。對于疊氮法開籠制備C60開孔衍生物的研究以及含一個疊氮的化合物與C60的反應(yīng)居多,含兩個疊氮的的化合物與C60的反應(yīng)有少量報道,如Rubin等人利用C60與含疊氮的丁二烯化合物進行反應(yīng),合成了含有兩個疊氮基團的開孔富勒烯衍生物,極大的擴大了孔的面積,為向富勒烯球籠中放入小分子打下了良好的基礎(chǔ)。
目前對于含三個疊氮以上的化合物與C60的反應(yīng)的報道還非常少,只有本實驗室對此進行了系統(tǒng)的研究。本專利的重點是合成符合我們所需要的開籠多氮雜橋C60衍生物,對其結(jié)構(gòu)進行更加深入的研究,為將來在衍生物中放入金屬離子、小分子等粒子,生成內(nèi)含富勒烯打下了基礎(chǔ)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及多個表面開孔的富勒烯的制備,它們的制備方法相類似,并可延伸到該類化合物的制備。
我們實驗室以甲醛,乙醛,二乙醇胺和三乙醇胺為原料,通過最簡便經(jīng)濟的方法,通過三個反應(yīng),以及重結(jié)晶、柱層分離等技術(shù),制備了2-甲基-2-疊氮甲基-1,3-二疊氮丙烷、2-硝基-2-疊氮甲基-1,3-二疊氮丙烷、2-乙基-2-疊氮甲基-1,3-二疊氮丙烷、2,2’,2”-三疊氮基-三乙胺、2-甲基-2-硝基-1,3-二疊氮丙烷、二-(2,2’-二疊氮基)-乙基-甲基胺的純品,這些原料都是我們實驗室自己合成的,在市場上還沒有發(fā)現(xiàn)出售的情況。通過這些多疊氮化合物為原料,與富勒烯進行1,3偶極加成反應(yīng),將C60上相鄰或相近位置的單鍵斷裂,在原來的單鍵位置形成氮橋結(jié)構(gòu),同時在富勒烯表面形成大于六元環(huán)的孔,這實際上在C60表面打開了一個窗口,形成了開孔的富勒烯的衍生物。
利用C60與含有疊氮基團的化合物進行反應(yīng)從而制備富勒烯衍生物的研究比較多,這是最為簡單有效的方法之一。該反應(yīng)操作簡單、條件溫和,且產(chǎn)率高,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)易于表征,同時,通過疊氮基這一反應(yīng)官能團,C60能夠很好的與具有一定功能性的官能團相連接,從而制得一些具有良好應(yīng)用前景的C60衍生物。
我們選取這種方法為富勒烯開孔主要是從以下幾個方面考慮1中間體容易制備和表征,且結(jié)構(gòu)較為簡單,有利于生成的富勒烯多氮雜衍生物的結(jié)構(gòu)表征。
2烷基疊氮等中間體選擇合成,以及反應(yīng)生成的富勒烯多氮雜衍生物對光和熱比較穩(wěn)定,易于保存和進行后續(xù)反應(yīng)。
3通過制備C60多氮雜衍生物,有效的對C60球籠表面進行了化學(xué)開籠,擴大了C60球籠上孔的面積和C60的體積,為今后向C60衍生物球籠內(nèi)加入金屬離子、小分子等粒子提供了的可能。
我們在進行合成的同時,并逐步探索了富勒烯多氮化反應(yīng)和分離的最佳條件1)考慮到溶劑的沸點和對C60的溶解性兩方面,富勒烯多氮雜化的最佳反應(yīng)介質(zhì)為氯苯;2)實驗結(jié)果表明,富勒烯多氮雜化的最佳反應(yīng)溫度為先低溫反應(yīng)10hr左右,再回流5小時左右,此時反應(yīng)產(chǎn)率較高,副反應(yīng)較少;3)在沒有HPLC的情況下,常規(guī)常壓柱層析是分離富勒烯及其衍生物的行之有效的、操作簡單的方法,其中甲苯是淋洗劑中必不可少的主要溶劑;實施例1C60與疊氮化合物2-甲基-2-硝基-1,3-二疊氮丙烷以1∶1.2的比例投料,精制氯苯中攪拌,先在低溫下(85℃左右)反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮。整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤,判斷反應(yīng)結(jié)束與否的根據(jù)是目標(biāo)產(chǎn)物及原料斑點隨時間的變化關(guān)系。硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑。產(chǎn)品在測試前均需用丙酮和正己烷洗滌數(shù)次后真空干燥(65℃左右)。反應(yīng)完全后,柱層析分離得到一個含兩種C60衍生物的混合物。
產(chǎn)物分析數(shù)據(jù)如下MS(Maldi-tof)849(M+),802(M+,HNO2),762(M+,C60N-CH2-N四員環(huán)碎片離子);FTIR(cm-1,KBr片)2922,2851(-CH3,-CH2),1542(強峰,-NO2),1446,853,529;1HNMR譜(單位ppm)5.4615,5.4096,4.5212,4.4690(AB系統(tǒng)耦合峰,Jb=15.6Hz),5.4501,5.3956,4.4135,4.3590(AB系統(tǒng)耦合峰,Jb=16.3Hz),2.0117(s,CH2),1.8882(s,CH2)。
13CNMR譜C60部分共有55個信號峰(個別信號峰為重疊峰)148.054(2C),147.970(2C),147.069(2C),146.909(2C),146.595(2C),146.519(2C),146.206(4C,信號重疊),146.045(2C),145.938(2C),145.893(4C,信號重疊),145.763(2C),145.702(2C),145.503(2C),145.350(2C),145.205(2C),145.029(2C),144.930(6C,信號重疊),144.808(2C),144.632(2C),144.288(2C),144.220(4C,信號重疊),144.166(2C),144.128(2C),144.051(6C,信號重疊),143.845(2C),143.333(2C),143.272(2C),142.256(2C),142.019(2C),141.966(1C),141.806(2C),141.744(2C),141.699(2C),141.668(2C),141.592(2C),141.508(2C),141.118(2C),141.095(2C),140.988(2C),140.858(1C),140.820(2C),140.461(2C),140.331(2C),139.697(2C),139.659(2C),139.644(2C),139.521(2C),139.369(1C),138.918(4C,信號重疊),138.819(1C),138.406(1C),136.641(1C),136.298(4C,信號重疊),135.763(1C),128.536(1C);側(cè)鏈部分共6個信號峰91.173(1C,季碳),87.399(1C,季碳),58.049(2C,亞甲基),57.720(2C,亞甲基),25.750(1C,甲基),25.559(1C,甲基)。
實施例2C60與CH3C(CH2N3)3以1∶1.2攪拌下加入到精制氯苯溶劑中,溶液迅速變?yōu)榘底仙7磻?yīng)于85℃下反應(yīng)一夜,待出現(xiàn)新的物質(zhì)后,加熱至回流,整個反應(yīng)過程均用薄層色譜進行跟蹤,回流至原料點基本不再發(fā)生變化后,停止反應(yīng),整個反應(yīng)進行24小時左右。反應(yīng)完全后,柱層析分離得到兩種C60衍生物。
產(chǎn)物1的分析數(shù)據(jù)如下FTIR分析2916,2854cm-1(強峰,-CH2),1381cm-1(-CH3)1549,1196,552cm-1(C60)。
1H-NMR(CS2,D2O毛細管內(nèi)標(biāo),300MHz)δ4.348、4.321、4.123、4.096(AB系統(tǒng)耦合峰,2JAB=13.5Hz,4H);δ4.259(s,2H);δ1.491(s,3H)13C-NMR譜(CS2-D2O,125MHz)δ160.835(1C),149.567(2C),149.498(2C),148.024(2C),147.779(2C),147.252(2C),146.443(1C),146.282(2C),146.076(2C),145.961(4C,信號重疊),145.564(4C,信號重疊),145.488(2C),145.197(2C),144.922(2C),144.876(4C,信號重疊),143.899(2C),143.647(1C),142.103(2C),141.935(2C),141.622(2C),140.789(2C),140.316(2C),139.078(1C),138.834(2C),138.589(2C),138.543(2C),137.482(2C),137.287(2C),136.825(2C),60.707(1C),58.697(2C),35.573(1C,側(cè)鏈季碳),21.303(1C)產(chǎn)物2的分析數(shù)據(jù)如下FTIR分析2717,2854cm-1(-CH2),1370cm-1(-CH3),1447,1212,545cm-1(C60)。
1H-NMR(CS2,D2O毛細管內(nèi)標(biāo),300MHz)δ4.799、4.772、4.439、4.412(AB系統(tǒng)耦合峰,2JAB=13.5Hz,4H),4.281(s,2H),1.602(s,3H)。
13C-NMR譜(CS2-D2O,125MHz)δ157.474(2C),148.849(4C,信號重疊),148.215(2C),148.100(2C),147.443(2C),146.091(4C,信號重疊),145.793(4C,信號重疊),145.098(2C),144.922(2C),144.265(4C,信號重疊),144.212(1C),143.960(1C),143.333(2C),143.135(2C),142.997(2C),142.676(2C),141.920(2C),141.416(2C),141.064(2C),140.576(2C),140.285(1C),139.598(2C),139.384(2C),138.994(2C),138.643(2C),137.833(2C),130.970(2C),120.202(1C),59.492(2C),55.489(1C),25.848(1C,側(cè)鏈季碳),21.532(1C)。
實施例3將156mg(0.217mmol)的C60溶于150ml氯苯溶液中,加入三-(疊氮亞甲基)-硝基-甲烷58.8mg(0.26mmol,過量20%),回流48hr,TLC跟蹤反應(yīng)進程,待紫色反應(yīng)液變?yōu)樽丶t色,停止反應(yīng)。柱層析分離,(硅膠,甲苯/石油醚體積1∶1),回收C6092mg。反應(yīng)完全后,柱層析分離得到兩種C60衍生物,質(zhì)譜均顯示目標(biāo)分子離子峰。濃縮后,離心機分離,干燥,稱重20.9mg,得率27.3%(以消耗C60計)。
產(chǎn)物1分析數(shù)據(jù)如下UV-vis譜(甲苯,λmax/nm)288,332及425nmMS(Maldi-tof)719.9(C60),861.9(M+).
FTIR(單位cm-1)2924,2851(強峰,-CH2),1560(-NO2),1549,1376,1261,1176,1096,804,527(C60),473;1H NMR(CS2-10%CDCl3,300MHz,δppm)4.8751,4.8367,4.7438,4.6964,(AB系統(tǒng)耦合峰,2JAB=14.2Hz,4H),4.8409(單峰,2H,).13C-NMR(CS2,D2O,125MHz,δppm)155.510(1C),149.460(2C),149.284(2C),147.726(2C),147.359(2C),146.649(1C),146.313(2C),146.415(2C),145.786(2C),145.587(2C),145.373(2C),145.174(2C),145.113(1C),145.029(2C),144.976(2C),143.998(2C),143.692(2C),143.265(2C),142.340(2C),141.760(2C),141.378(2C),140.461(2C),140.346(2C),139.178(1C),138.979(2C),138.842(2C),138.796(2C),137.726(1C),137.680(2C),136.848(2C),134.311(2C),127.329(2C),82.319(季碳,1C),57.866(1C),54.810(2C).
產(chǎn)物2分析數(shù)據(jù)如下UV-vis譜(甲苯,λmax/nm)288,332及425nmMS(Maldi-tof)719.9(C60),861.8(M+);FTIR(單位cm-1)2924,2851(強峰,-CH2),1560(-NO2),1549,1376,1261,1176,1096,804,527(C60),473;1H-NMR(CS2-10%CDCl3,300MHz,δppm)5.2986,5.2531,5.0077,4.9617(AB系統(tǒng)耦合峰,2JAB=13.6Hz);4.8349(單峰).
13C-NMR(CS2-10%CDCl3,125MHz,δppm)153.499(2C),148.775(2C),148.446(2C),148.114(2C),147.468(2C),146.170(2C),146.059(2C),145.688(2C),145.597(2C),145.089(2C),144.997(2C),144.531(2C),144.290(2C),144.161(2C),144.088(1C),143.588(2C),143.362(2C),143.156(2C),142.824(2C),141.453(2C),141.216(2C),140.135(1C),139.890(2C),139.535(2C),139.505(2C),139.069(2C),138.901(2C),138.756(2C),138.370(2C),137.469(1C),131.342(2C),120.533(1C),74.651(側(cè)鏈上的季碳原子),55.833(2C側(cè)鏈亞甲基的2個碳原子),51.832(1C側(cè)鏈亞甲基的1個碳原子).
實施例4將150mg(0.217mmol)的C60溶于150ml氯苯溶液中,加入三-(疊氮亞甲基)-乙基-甲烷52.3mg(0.26mmol,過量20%),回流48hr,TLC跟蹤反應(yīng)進程,待紫色反應(yīng)液變?yōu)樽丶t色,停止反應(yīng)。柱層析分離,(硅膠,V甲苯/V石油醚=3∶2),回收C6083mg。反應(yīng)完全后,柱層析分離得到兩種C60衍生物,質(zhì)譜均顯示目標(biāo)分子離子峰。濃縮后,離心沉淀,干燥,稱重分別為12.3mg和19.0mg,得率分別為15.6%和24.2%(以消耗C60計)。
產(chǎn)物1分析數(shù)據(jù)如下Maldi-Tof質(zhì)譜845.4((C60(NCH2)3CCH2CH3),M+);UV-vis(甲苯,λmax/nm)298,323nm;FTIR(KBr片,cm-1)2924,2839(-CH2),1595,1540(強峰,-NO2),1376,1261,1176,1096,804,527(C60),473;1HNMR譜δ1.394(t,3H),δ1.921(q,2H),δ4.327、4.302、4.160、4.134(AB系統(tǒng)耦合峰,4H,CH2,2JAB=13.5Hz),4.316(s,2H,CH2),13CNMR譜161.321(1C),149.592(2C),149.522(2C),148.124(2C),147.802(2C),147.256(2C),146.444(1C),146.295(2C),146.061(2C),145.955(2C),145.597(2C),145.465(2C),145.153(2C),144.923(2C),144.576(2C),144.523(2C),143.986(2C),143.270(1C),142.055(2C),141.941(2C),141.893(2C),140.547(2C),140.301(2C),139.080(1C),138.835(2C),138.594(2C),138.533(2C),137.441(2C),137.296(1C),137.227(2C),136.816(2C),134.087(2C),58.682(1C),57.391(1C),37.636(1C,季碳),29.21(1C,-CH2),8.068(1C,-CH3)。
產(chǎn)物2分析數(shù)據(jù)如下MALDI-TofMSm/z845(基峰)FTIR(KBr片,cm-1)2921,2851(-CH2),1639,1537(強峰,-NO2),1549,1333,1245,1188,1043,735,526(C60);1HNMR譜δ1.416(t,3H),1.980(q,2H);δ4.236(s,2H,CH2),δ4.750、4.723、4.476、4.448(AB系統(tǒng)耦合峰,4H,CH2,2JAB=13.5Hz);13CNMR譜157.788(2C),148.861(2C),148.846(2C),148.308(2C),148.105(2C),147.448(2C),146.096(4C,信號重疊),145.821(2C),145.798(2C),145.099(2C),144.923(1C),144.259(2C),144.221(2C),143.312(2C),143.270(2C),143.136(2C),142.995(2C),142.666(2C),141.975(2C),141.482(1C),141.073(2C),140.646(2C),139.591(2C),139.446(2C),138.922(2C),138.629(1C),137.835(2C),137.811(2C),137.483(2C),130.650(2C),120.022(1C),57.864(2C),54.499(1C),29.462(1C,-CH2),28.167(1C,季碳),7.629(1C,-CH3)。
權(quán)利要求
1一種含二個疊氮的烷基烴與C60的表面開孔反應(yīng),合成富勒烯C60衍生物,其結(jié)構(gòu)式為 其中R=H,X,CH3,CH3CH2,NO2, x=F,Cl,Br;將同一五員環(huán)或六員環(huán)上的單鍵斷開,即在富勒烯C60表面開一個窗口。
2一種權(quán)利要求1所述的化合物的制備方法,其特征在于該方法包括以下各步驟1)C60與疊氮化合物2-甲基-2-硝基-1,3-二疊氮丙烷按照2∶1~1∶2摩爾的比例投料,在精制氯苯中攪拌;2)在較低溫度85℃反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮,整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤;3)硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑,其體積比為1∶2~8∶1。
3一種含有兩個疊氮基團的胺類化合物R-N(CH2CH2N3)2,其中R=H,X,CH3,CH3CH2,NO2, x=F,Cl,Br;與C60發(fā)生表面開孔的反應(yīng),生成開孔的富勒烯衍生物,其結(jié)構(gòu)式為 一種權(quán)利要求3所述的化合物的制備方法,其特征在于該方法包括以下各步驟1)C60與疊氮化合物2-甲基-2-硝基-1,3-二疊氮丙烷按照2∶1~1∶2的摩爾比例投料,在精制氯苯中攪拌;2)在較低溫度85℃反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮,整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤;3)硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑,其體積比為1∶2~8∶1。
4一種含有三個疊氮基團的烷基化合物R-C(CH2N3)3,其中R=H,X,CH3,CH3CH2,NO2, x=F,Cl,Br;與C60的表面開孔反應(yīng),其結(jié)構(gòu)式為 在富勒烯C60表面開一個窗口;一種權(quán)利要求4所述的化合物的制備方法,其特征在于該方法包括以下各步驟1)在較低溫度85℃ C60與疊氮化合物R-C(CH2N3)3按照2∶1~1∶2的摩爾比例投料,在精制氯苯中攪拌;2)在較低溫度85℃反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮,整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤;3)硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑,其體積比為1∶2~8∶1。
5一種含有三個疊氮基團的胺類化合物N(CH2CH2N3)3與C60發(fā)生表面開孔的反應(yīng),生成表面開孔的富勒烯衍生物,其結(jié)構(gòu)式為 一種權(quán)利要求5所述的化合物的制備方法,其特征在于該方法包括以下各步驟1)C60與疊氮化合物三疊氮乙基胺按照2∶1~1∶2的摩爾比例投料,在精制氯苯中攪拌;2)在較低溫度85℃反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮,整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤;3)硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑,其體積比為1∶2~8∶1。
6一種末端含有三個疊氮基團的長鏈化合物R-C((CH2)nN3)3,其中R=H,X,CH3,CH3CH2,NO2, x=F,Cl,Br;n=2,3,4;與C60的表面開孔反應(yīng),生成開孔的富勒烯衍生物,其結(jié)構(gòu)式為 一種權(quán)利要求6所述的化合物的制備方法,其特征在于該方法包括以下各步驟1)C60與疊氮化合物R-C((CH2)nN3)3按照2∶1~1∶2的摩爾比例投料,在精制氯苯中攪拌;2)在較低溫度85℃反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮,整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤;3)硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑,其體積比為1∶2~8∶1。
7一種末端含有兩個疊氮基團的長鏈化合物R-C((CH2)nN3)2NO2,其中R=H,X,CH3,CH3CH2,NO2, x=F,Cl,Br;n=2,3,4;與C60的表面開孔反應(yīng),生成開孔的富勒烯衍生物,其結(jié)構(gòu)式為 一種權(quán)利要求7所述的化合物的制備方法,其特征在于該方法包括以下各步驟1)C60與疊氮化合物R-C((CH2)nN3)2NO2按照2∶1~1∶2的摩爾比例投料,在精制氯苯中攪拌;2)在較低溫度85℃反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮,整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤;3)硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑,其體積比為1∶2~8∶1。
8一種含有四個以及四個以上疊氮基團的化合物,即含有支鏈,并且在支鏈上含有疊氮基團的化合物,如 其中R=H,X,CH3,CH3CH2,NO2, x=F,Cl,Br;它們與C60反應(yīng),生成表面開孔的富勒烯的衍生物,其反應(yīng)機理與上述類似,并且所生成的富勒烯衍生物將會開了一個足夠大的孔,為以后小分子能夠進入到富勒烯空腔里面,為將來儲能材料的制備提供了廣闊的應(yīng)用前景;一種權(quán)利要求8所述的化合物的制備方法,其特征在于該方法包括以下各步驟1)C60與多疊氮化合物按照2∶1~1∶2的摩爾比例投料,在精制氯苯中攪拌;2)在較低溫度85℃反應(yīng)一夜,再升溫至回流溫度,反應(yīng)數(shù)小時,反應(yīng)液濃縮,整個反應(yīng)過程由TLC跟蹤;3)硅膠柱層析分離,甲苯與石油醚的混合溶劑為淋洗劑,其體積比為1∶2~8∶1。
9上述的合成方法也可以延伸到C70以及高碳富勒烯中,生成類似于C60的表面開孔的衍生物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種富勒烯球表面開孔的方法。以具有兩個或多個(包含3個、4個、5個及以上)疊氮基團的化合物和C
文檔編號C01B31/02GK1718538SQ20041006274
公開日2006年1月11日 申請日期2004年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者唐光詩, 王子強, 陳小蓮, 張晟源 申請人:北京化工大學(xué)