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新型氨甲基化聚砜亲和膜的制备及性能

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第3O卷第5期 2010年1O月 膜科学与技术 V01.30 No.5 0ct.2010 MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOL0GY 新型氨甲基化聚砜亲和膜的制备及性能 孙彦伟,王兵 (教育部中空纤维膜材料与膜过程重点实验室,天津工业大学环境与化学工程学院,天津300160) 摘要:利用Gabriel反应,氯甲基化聚砜(DMPSf)与邻苯二甲酰亚胺的钠盐发生亲核取代反 应,所得产物进一步肼解,合成出一种新型的氨甲基化聚砜(AMPSf).利用红外光谱(FI-IR) 对其结构进行表征,分别考察氢化钠(NaH)用量、反应温度和时间等因素对反应规律的影响. 获得较佳的改性条件:NaH用量1.200 0 g,反应温度80℃,反应时间10 h.采用相转化法将 其制备亲和膜,通过静态实验测定酰氯在膜上的吸附性能.结果表明:酰氯在膜上的吸附量高 达62.34 mg/g;初始酰氯溶液浓度对酰氯的吸附量有较明显的影响;吸附行为满足Freundlich 吸附模型. 关键词:聚砜;氨基化改性;亲和膜;酰氯;吸附 中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 文章编号:1007-8924(2010)05-0010-06 树脂常用来清除酰氯、磺酰氯、异氰酸酯或酸性有机 液相组合化学已成为寻找新药的非常有效手段 之一[1].在液相组合合成中,固载化清除试剂(树脂) 广泛用于分离纯化目标产物,去除副产物和过量的 反应物[2 ].然而固载化清除树脂不能克服其处理 量小、反应速率低及不易规模化等缺陷和溶胀性的 .为了克服这些缺陷,人们研究发展了一些含 化合物等[9,10].聚砜是亲和膜最常用的膜材料之 一[11,12],但聚砜膜材本身不含有胺类基团.相关文 献使用化学接枝[船]、共混[“]、表面涂覆[坫]、氨基 化E16,17]等方法对膜材本身或成膜后进行改性引入胺 基来满足分离的要求.但是,膜表面化学接枝反应速 度慢,产生的均聚物很难去除.共混和涂覆改性的胺 氟[ 、水溶性[引、可溶性聚合物[ ]及离子液体[ ]等新 型清除试剂.但是它们仍旧存在成本高,难以实现自 动化等不足.亲和膜分离技术可用来解决上述难题. 与清除树脂相比,膜柱的阻力比树脂柱小得多.在配 基量相等情况下,膜柱的生产速率将远远高于吸附 柱.特别是在高速进样条件下,小体积膜柱的处理量 类基团存在被洗脱下来的可能.氨基化改性是最理想 方法,既能抵抗膜污染,又能保持理想的膜性能.文献 中氨基化改性方法有芳香环直接硝化还原、溴化亲核 取代、锂化氨化等[16 17].上述方法高耗能,高成本. 为了降低成本,笔者首先制备廉价易得的氯甲 基化聚砜,然后利用Gabriel反应将其与邻苯二甲 酰亚胺的钠盐反应合成得到氨甲基化聚砜,成功在 可远高于树脂柱.同时亲和膜分离具有分离时间短、 成本低而且再生能力强,操作条件简单,易于实现自 动化等优点L8J. 亲和膜的分离效果与配位基的选择和膜材料的 性质密切相关.胺类基团因具有反应活性,且易与其 它类官能团形成共价键而被引入到聚合物分子链上 聚砜分子链上弓I入伯胺基(一CHzNHz).并对实验 条件的优化进行探讨.所得产物制备成膜,考察其对 液相组合合成酰胺库过程中过量反应试剂酰氯的吸 附性能.结果表明,本文所制得的亲和膜对酰氯有良 好的吸附效果. 作为活性吸附配基.在液相组合合成中胺基型清除 收稿日期:2009—08—03;修改稿收到日期:2009—11—05 基金项目:天津市自然科学基金(05YFJMJC04200);天津市自然科学基金重点项目(10JCZDJC21900) 作者简介:孙彦伟(1983一),男,吉林省人,硕士生,从事膜材料及膜过程研究.*通讯联系人,E-h' ̄ail:bingwang666@ya— hoo.CO1TL cn 第5期 孙彦伟等:新型氨甲基化聚砜亲和膜的制备及性能 1 实验部分 1.1实验原料与仪器 充分凝胶后放人甘油中保存,检测其各项性能. 1.5膜的结构性能表征 1.5.1纯水通量的测定 膜在0.1 MPa的压力下预压1 h,通量稳定后 聚砜(PSf),77—0.57dL/g,天津工业大学膜 天膜公司提供;邻苯二甲酰亚胺,化学纯,上海试剂 进行测量.按下式计算通量: 一厂;水合肼80 ,分析纯,天津市科密欧化学试剂 有限公司;氢化钠,化学纯,天津市北斗星精细化工 有限公司;氯甲醚,南开化工厂提供;聚乙二醇 (PEG,相对分子质量600),天津市大茂化学试剂 厂;二氯甲烷、氯化锌、N,N一二甲基甲酰胺 (DMF)等均为市售产品,分析纯. 超滤膜评价装置,天津工业大学膜分离工程研究 所;TENSOR37型红外光谱仪,德国Bruker公司. 1.2合成 1.2.1邻苯二甲酰亚胺聚砜的合成 将聚砜溶于二氯甲烷中用氯甲基醚作氯甲基化 试剂制得氯含量为7.64 氯甲基化聚砜_1引. 将一定量的精制的氯甲基化聚砜,放人干燥的 三口瓶中,加入DMF,使其完全溶解.将预先配置的 邻苯二甲酰亚胺、DMF和氢化钠混合液倒入三口瓶 中,加热回流反应10 h左右.冷却至室温,用甲醇溶 液将产物析出,放人8O℃左右的热水中洗涤,直到 无气泡逸出为止,放人6O℃的烘箱中烘干. 1.2.2氨甲基化聚砜的合成 将5 g的邻苯二甲酰亚胺聚砜溶解于DMF,加 入0.8 mL水合肼70℃肼解10 h.冷却至室温,过 滤所生成的沉淀,并将滤液倒进剧烈搅拌的甲醇溶 液中,有块状物出现.用蒸馏水和甲醇洗涤,35℃的 烘箱中烘一天,即得精制的氨甲基化聚砜. 1.2.3 AMPSf氮含量的测定 用克达尔定氮法[1。]测定AMPSf的氮含量. 1.3聚合物的红外表征 本文采用TENSOR37型号红外光谱仪,将精 制的聚砜、氯甲基化聚砜和氨甲基化聚砜粉末利用 KBr压片,测其红外谱图. 1.4亲和膜的制备 采用相转化法制备亲和膜.将干燥的氨甲基化 聚砜(AMPSf)、DMF中和添加剂PEG600按一定 的比例混合搅拌溶解,配制成一系列不同配比的铸 膜液.静止,真空脱泡,得到均一透明的铸膜液.取少 量铸膜液在洁净的玻璃板上用玻璃棒刮制成膜,在 空气中蒸发30 S后迅速放人25℃温度下凝固浴水 中凝胶成型.将制备好的膜在蒸馏水中浸泡24 h, 一豆V (1) 式中, 为纯水通量,L/(m。・h);V为透过液体积, L;S为膜的有效面积,1TI ;t为透过一定体积的纯水 所需要的时间,h. 1.5.2孔隙率的测定 采用重量法[1 ,用甘油作为膜的浸泡液进行测 量.剪取一定面积的湿态膜,擦拭去膜表面水份后称 其重量,然后将膜移入真空干燥器中干燥至恒重,按 下试计算孔隙率: p-- Sd p ×1O0 (2)、 式中,Pr为孔隙率, ;W 为湿膜的质量,g;Wz为 干膜质量,g;S为样品膜的面积,m。;d为膜平均厚 度,m;J0为甘油密度,g/cma. 1.5.3膜孔径的测定 采用滤速法[19]测定膜的孔径,其计算方法为: r, 一f一^ 、/———下 墨: 墨 二 : —一!  r ) 式中,r{为用滤速法测得的平均孔径,m;P 为孔隙 率,9/6;L为膜厚度,m; 为透过液黏度,Pa・SIQ 为单位时间通过单位面积的水体积流量,m。/(m ・ s);△P为膜两侧压差,Pa。 1.6亲和膜对酰氯的吸附 采用静态吸附法.首先配备不同浓度的酰氯的 乙酸乙酯溶液,然后称取50 mg干燥的膜分别放人 到装有不同浓度的酰氯溶液的锥形瓶中,在室温25 ℃下震荡一定时间后,采用硫化钠法[20]测定吸附平 衡后酰氯的浓度.亲和膜对酰氯的吸附量Qe(mg/ g)按下式计算: Q一—(Co-Ce)V (4) —式中,G, 分别为酰氯的初始浓度和平衡浓度,mg/ L; 为吸附液体积,mgi m为亲和膜的质量,rn. 2 结果与讨论 2.1氨甲基化聚砜合成原理与聚合物的红外表征 Gabriel反应为合成伯胺基化合物的经典反应, 膜科学与技术 第3O卷 它由亲核取代反应与水解反应两步构成.反应原理 如下. 1)首先将邻苯二甲基酰亚胺与氢化钠反应制 备邻苯二甲基酰亚胺的钠盐,以邻苯二甲酰亚胺负 离子作为亲核试剂与非溶剂相中的氯甲基化聚砜发 生亲核取代反应_2 .亲核试剂邻苯二甲酰亚胺负离 子进攻中心碳原子,在这同时,氯原子携带电子逐渐 离开.中心碳原子上的氢由于受到负离子进攻的影响 而往氯原子一边偏转.这时,C-__N键部分形成,C._-a 键部分断裂.接着,亲核试剂与中心碳原子的结合逐 渐加强,而氯原子逐渐远离,最后得到取代产物. 2)最后一步是水解完成的,由于形成的N一烷 基邻苯二甲酰亚胺按常法水解须在高温高压下进 行.本实验采用其在DMF溶液中肼解,反应能彻底 完成,且产物易于分离.总反应式如图1. 图2为聚合物的红外谱图.在PSf谱图中可以 看出,2 966.93 cm 为一CH。的不对称伸缩峰,1 235.28 cm 为芳香醚的C—O伸缩振动峰,1 102. 98 cm 为一S0 一的谱带.与CMPSF的谱图相对 比,在660.71 cm 处有一强峰出现,即为 Cl伸 缩振动峰,证明了氯甲基化聚砜的存在.在AMPSf 的谱图中可以看出,C—Cl伸缩振动峰明显地减弱, 并且在3 423.03 cm 处出现一强峰.在实验中并无 羟基引入,并且在每一步完成后试剂及产品都在真 空中干燥较长时间,所以可以证明此峰为N—H 峰.并且1 388.66 cm 为C—N伸缩振动峰.以上 可充分证明一CH NH 的存在. 2.2氨甲基化聚砜反应过程中的影响因素 2.2.1反应溶剂的影响 在Gabriel合成S 2亲核取代反应中,亲核试 剂邻苯二甲酰亚胺钠盐需以自由离子的形式出现, 与反应物形成过渡态,故CMPSf的溶解度成为反 应是否进行的反应的关键l2 .因此笔者分别对不同 的溶剂体系进行了对比实验(如表1),结果发现用 二氧六环和氯仿作溶剂时未能得到所设想的产物. 在非质子化溶剂DMF中,CMPSf溶解充分,且邻 苯二甲酰亚胺的负离子是很强的亲核体,亲核反应 能顺利进行,最后所得产物经分析为氨甲基化聚砜. 2.2.2 NaH用量对氨甲基化聚砜氮含量的影响 在温度为100℃,反应时间为12 h,其它条件下 不变情况下,改变NaH的用量,其对氮含量的影响 如表2. CMPSf 0 li l lo 0一 \C一0 0 ==O H 。 , 。 O《 dH NHC丰H  3吐 , , H,NH, 图1合成氨甲基化聚砜的反应过程 Fig.1 Reaction process to tran s:[er CMPSf in to A MPSf with Gabriel reaction 图2聚合物PSf、CMPSf和AMPS{红外谱图 Fig.2 FT—IR spectra of PSf、CMPSf and AMPS{ 第5期 孙彦伟等:新型氨甲基化聚砜亲和膜的制备及性能 表1 不同溶剂体系对合成氨甲基化 聚砜反应的影响 Table 1 Result of AMPSf synthesized in different solvent 反应溶剂 偶极距 /D介电常数e/(F・m_1)结果 表2 Nail用量对AMPSf氮含量的影响 Table 2 Influerce of Nail dosage on nitrogen content of AM[PSf 实验号 氢化钠/g 氮质量分数/ l L i90 0 .1b 2 1.200 0 2.32 3 1.211 2 2.36 4 1.221 2 2.41 5 1.348 6 1.83 6 1.442 0 1.42 结果表明,当NaH用量维系在1.200 0 g左右 时,测定的氮含量较为稳定.但当NaH过量时,氮 含量明显下降.主要原因可能因为过量的Nail直 接与氯甲基化聚砜反应,重新又生成聚砜.因此在反 应过程中,应保证邻苯二甲基酰亚胺过量.在邻苯二 甲基酰亚胺钠与氯甲基化聚砜反应之前,溶液中没 有Nail的存在. 2.2.3反应温度对氨甲基化聚砜氮含量的影响 在反应时间12 h,其它条件相同的情况下,不 同的反应温度对氮含量的影响见图3.从图中可看 出,随着反应温度的升高,相同反应时间内转化率增 大,氮含量随之增加.当温度控制在8O℃,其氮含量 最高.从反应机理上看,该反应是SN2反应.随着温 度的升高,邻苯二甲酰亚胺钠盐的位阻降低,亲核能 力增强,活化能最高.因此,随着反应温度的升高,反 应速率加快.但是,随着反应温度继续升高,氮含量 瓤 略 图3温度对氮含量的影响 Fig.3 Influerce of on nitrogen content of AMPSf 随之下降,可能因为温度过高,可能使反应发生交联 或副反应,使得最终产品的收率不高. 2.2.4反应时间对氨甲基化聚砜氮含量的影响 在反应温度为8O℃条件下,固定其它条件不 变,反应时间的变化对氮含量的影响见表3. 表3反应时间对氮含量的影响 Table 3 Influence of reaction time on nitrogen content of AMPSf 从实验结果可以看出,反应时间增加,含氮量亦 增加;反应初期,氮含量上升较快.反应10 h后,氮 含量上升较缓慢,进一步延长反应时间的意义不大. 2.3亲和膜的物理性能 通过实验制得的氨甲基化聚砜具有良好的成膜 性能.在成膜过程中,聚合物AMPSf的浓度、添加 剂的用量等热力学因素均会对亲和膜的物理性能产 生影响.经反复的实验研究,最终制得的亲和膜的具 体物理性能如表4.亲和膜的水通量高达219.38 L/ (m。・h),满足分离的要求.较大的孔径使亲和膜拥 有比树脂更小的传质阻力. 袁4亲和膜的物理性能 Table 4 The physical properties of affinity membranes 项 目 性能 水通量/(L・m ・h ) 197.23~237.98 孔隙率/ 53.47±3.4 孔径/nm 41.34 ̄45.32 膜厚/mm O.11~0.18 2.4亲和膜对酰氯的吸附性能 2.4.1吸附时间对吸附量的影响 在温度为25℃,加入150 mg/I 的酰氯溶液测 定吸附时间对酰氯吸附量的影响(图4).从图4中 可以看出,初始阶段由于亲和膜片对酰氯发生了亲 和吸附作用,吸附速率较大,膜上吸附酰氯的量随时 间增加而增加.吸附进行大约2 h后,基本达到吸附 平衡,吸附速度明显降低.这反映出亲和吸附在初始 阶段是个快吸附过程.由于初始时酰氯浓度较高,液 相和固相膜间的浓度差较大.因此其能很快的与大 孔内的反应基团氨基接触,有较高吸附速率.随着吸 附的进行,吸附趋于饱和.而这时由于扩散,吸 附速率变慢,同时也说明亲和吸附是化学吸附,因而 难于达到完全平衡. ・14・ 膜科学与技术 第30卷 1∞ 邑 、 咖l 釜 图4吸附时间对吸附量的影响 Fig.4 Effect of adsorption time on acyl chloride adsorption 2.4.2初始酰氯溶液浓度对吸附量的影响 不同初始浓度的酰氯溶液对酰氯吸附量的影响 如图5所示.从图5中可以看出,随着酰氯初始浓度 的增加,亲和膜对酰氯的吸附容量增大.这主要因为 在吸附过程中,在膜的周围会形成浓度梯度.溶液中 酰氯浓度的增加,会导致固相膜与液相溶液间的浓 度差增大,形成较大的传质推动力. 2.4.3酰氯吸附等温线 采用Freundlich吸附等温线描述酰氯在亲和 膜上的吸附机理,吸附等温线可定义如下式: Qe—KF+( ) (1) 式(1)取对数,则转化为下式: 1 lgQo=lgKv+ ̄l,‘ gCo (2) 式中,Qe为酰氯的吸附容量;C 为酰氯的平衡浓 度;K 和 为Freundlich吸附等温线的物理常数. 以lg 为横坐标,lgO.为纵坐标作图进行线性拟 合,分析结果如图6.从图中可以看出,lg 与lgQe 呈良好的线性关系.线性相关系数为0.994.从直线 斜率求得Freundlich方程中的物理常数1/n为 0.62,即 为1.62,大于1,表明吸附容易进行,吸附 ∞ 邑 、 咖 酰氯的初始浓度/(mg・ ) 图5酰氯的初始浓度对吸附量的影响 Fig.5 Effect of initial acyl chloride concentration on chloride adsorption 行为符合Freundlich等温式. 图6亲和膜对酰氯的吸附等温线 Fig.6 Freundlieh plot of acyl chloride on affi ty membranes 3 结论 通过Gabriel合成反应,氯甲基化聚砜成功地 转化为功能化的氨甲基化聚砜.在功能化反应过程 中,二甲基甲酰胺为较佳的反应溶剂,NaH用量应 控制在1.200 0 g左右,最佳反应温度为80℃;反应 时间为10 h.氨甲基化聚砜具有良好的成膜性能, 制得的膜的水通量满足分离要求.该膜对酰氯具有 较高的吸附性,吸附平衡的时间为2 h左右,酰氯在 亲和膜的吸附量随酰氯的初始浓度的增加而增加, 亲和膜对酰氯的吸附行为符合Freundlich吸附模 型.本研究为聚砜的改性提供了一种新的途径,其制 备成亲和膜后用于液相组合化学合成酰胺库或磺酰 胺库的分离纯化将具有十分重要的实际应用意义. 参考文献 E13 Carmen M B Perspective Articles on the utility and ap— plication of solution phase combinatorial chemistry[J]. J Comb Chem,2000,2(2):89—103. E2-1 Antony C,Philip B,David F,et a1.Amino-derivatised beaded cellulose gels.Novel accessible and biodegradable scavenger resins for solution phase combinatorial syn— thesis EJ].Gre Chem,2000,2(2):57—62. [3]Cara E H,Morag A M E,Jason P T,eta1.Solid-suppor— ted cyclohexane-1,3-dione(CHD):A”capture and re— lease”reagent for thesynthesis of amides and novel scav— enger resin[-J].Org Lett,2003,5(6):849--852. [4]Lindsley C W,Zhao ZJ,Leister W H.Fluoro-tethered quenching reagents for solution phase parallel synthesis EJ].Tetrahedron Lett,2002,43(23):4225--4228. Es3 Noha G,Jean M,Didier S A new high—loading water- soluble scavenger for anhydrides,acid chlorides and iso— cyanates EJ].Tetrahedron Lett,2002,43:1693— 第5期 1695. 孙彦伟等:新型氨甲基化聚砜亲和膜的制备及性能 性[J].北京化工大学学报(自然科学版),2009,36 (3):65—7O. E6J Moore J D,Herpel R H,Lichtsin J R,eta1.ROMP-genera一 ted oligomeric sulfonyl cNofides as versatile soluble scaven一 ging agentsEJ].0瑁Lett,2003,5(2):1O5—107. [7]Song GH,Cai YQ,PengY Q_Amino-functionalized j一 [141李焦丽,奚西峰,李旭祥,等.聚砜/聚丙烯酰胺合金膜 及其在有机溶剂回收中的应用[J].膜科学与技术, 2002,22(5):32~35. onic liquid as a nuclophie-lic scavenger in Solution Phase [15]陈尧,陈国华,陈容,等.戊二醛一硫酸混合交联壳 Combinatorial Synthesis[J1.J Comb Chem,2005,7: 561--566. 聚糖/聚砜复合纳滤膜的结构与性能[J].膜科学与技 术,2007,27(4):31--36. [83柴红,钱骅,陈欢林.亲和膜分离应用研究进展[J]. [16]Guiver M D,Robertson G P,Foley S Chemical mod一 ification of polysulfones.Ⅱ.An efficient met hod for 膜科学与技术,2003,23(4):93—96. [93 Booth R J,Hodges J C.Polymer-supported quenching int roducing primary amine groups onto the aromatic reagents for parallel purifica tion[J1.J Am Chem Soc, 1997,119(21):4885—4886. [10]Chen J.Protocols for amide high speed analoging prep- chain[J].Macromolecules,1995,28:7612--7621. I一171 Ghosal K,Chern R T,Freeman B D,et a1.Effect of basic substituents on gas sorption and permeation in aration of novel,small molecules cathepsin Dinhibitors [J].Tetrahedron Lett,1999,40(52):9195--9199.polysulfone[J].Macromolecules,1996,29:4360一 4369. Il1]Wang 13.Yang X L Huang W Q Preparation and re一 covery of polysulfone affinity membrane with mercapto [181李常胜,杨小钢,周晓路.克达尔定氮法的改进[J1.湖 北医科大学学报,1995,16(4):301—302. as chelating group for He cations[J1.J Appl Polym Sci,2007,103(4):2514--2522. [19]高以煊,叶凌碧.膜分离技术基础[M].北京:科学出版 社,1989:173—176. [12]Wang B,Huang W Q,Yang X L.Preparation and re一 covery properties of homogeneous modified polysulon— f[2O]Ashworth M R E,Walish W,Kronz-Dienhart G Aalysis of chlorides by polarovohic titration with sodium sulphide eplate affinity membrane chromatography with thio一 [J1.Aml ea Chimiea Acta,1959,20:96~98. hydroxy aschelating groups.L Synthesis and prepara一 tion of plate matrix membrane口].J Appl Polym Sci, [211王积涛,胡青眉,张宝申,等.有机化学[M].天津:南开 大学出版社,2001:218--224. 2005,96:2117--2131. [13]冷云飞,潘凯,原涛,等.聚砜超滤膜的表面化学改 [22]王孝杰,孙建平,李效东,等.氨基化单甲氧基聚乙二醇的 合成研究D].精细化工中间体,2006,36(1):40—43. Preparationand performance research of a novel aminomethyl polysulphone affinity membrane SUN Yanwei,WANG Bing (Key Laboratory of Hollow Fiber Membrane Material and Membrane Process,Ministy rof Education。Schoo1 of Environmental and Chemical Engineering,Tianj in Polytechnic University,Tianj in 300 1 60,China) Abstract:A novel aminomethyl polysulphone(AMPSf)was successfully synthesized via Gabriel reaction. The chloromethylated polysulphone(CMPSf)and sodium salt of phthalic imidine took place firstly and then the obtained polymers were treated by hydrazinolysis.Thechemical structure of AMPSf also was confirmedby FT-IR.The factors affecting the reaction,such as the dosage of sodium hybrid,reaction temperature and time were investigated.The optimum conditions for synthesis of the AMPSf were determined as follows,the dosage of sodium hybrid was 1.200 0 g,the reaction temperature 80℃and reaction time 1 0 h.The AMPSf affinity membranes were prepared through phase conversion method.The research on adsorption of acyl chlorides was carried out by affinity membrane process.The results of experiment show that the high adsorption capacity,up to 62.34 mg/g on the affinity membrane is obtained.The initial acyl chlorides concentrations have a great effects on adsorption on the affinity membrane.The adsorption isotherm fits the Freundlich model wel1. Key words:polysulphone;modification;affinity membrane;acyl chlorides;adsorption 

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