一类光致发光室温离子液体的制备方法

摘要

本发明涉及一类光致发光室温离子液体的制备方法。本发明在二氯亚砜作用下将羧基功能化萘(芘)转化为萘(芘)基羰酰氯，并使其与氨基咪唑(吡啶)作用，生成中间体萘(芘)酰咪唑(吡啶)胺；在三苯基膦和四溴化碳存在下，将支化烷基醇转化为支化烷基卤代烃，进而使两者发生季铵化反应，生成含萘(芘)环的光致发光室温离子液体。所得目标产物结构新颖、热稳定性高、熔点低、粘度和溶解度可调，在溶液中和无溶剂条件下具有光致发光特性，适用于荧光标签、光电器件等领域。

说明书

技术领域

本发明属于新材料领域，特别涉及一类光致发光室温离子液体的制备方法。

背景技术

具有光致发光特性的有机材料在人类生产和生活中得到了广泛关注和实际应用，尽管近年来一系列新的光致发光材料如稀土配合物、金属纳米团簇和各种量子点等不断涌现，基于π-共轭结构的有机分子在光致发光材料中仍然占据不可替代的地位。一般来说，此类有机分子只有在溶液状态下才具有良好的光致发光行为，而无溶剂条件下，由于π-共轭基团之间较强的π-π相互作用而导致发光猝灭，从而大大限制了它们的实际应用范围。开发能够在无溶剂条件下具有良好光致发光行为的新型有机分子一直是化学与材料学家孜孜追求的目标。

室温离子液体是近年来引起人们极大兴趣的一类有机熔融盐，它具有环境友好、热稳定性高、无挥发等诸多优点，在有机合成、催化、分离等领域展现了巨大的应用潜力。若能够将π-共轭基团引入室温离子液体，便有望获得一类新的有机光致发光材料。然而，由于上面提及的π-共轭基团之间较强的π-π相互作用，引入π-共轭基团会增大分子间相互作用，导致离子液体的粘度和熔点升高，很难得到真正意义的室温离子液体。已有一些科技文献报道了含π-共轭基团如苯并咪唑、甲基橙、二苯基乙烯、石蕊、萘、偶氮苯、紫罗碱等离子液体的制备(J.Am.Chem.Soc.,2007,129,14450-14451；Chem.Commun.,2009,6204-6206；Chem.Lett.,2010,39,240-241；Chem.Commun.,2011,47,4775-4777；J.Mater.Chem.,2011,21,16335-16338；Chem.Commun.,2011,47,6641-6643；ACS Appl.Mater.Interfaces,2013,5,55-62)，但大多数情况下，所得产物的熔点高于室温，只有在反离子为体积较大的甲基硫酸根、有机磷或有机硫阳离子、双(三氟甲烷磺酰)亚胺阴离子时，才能得到真正的室温离子液体。由于这些例子中，往往需要附加离子交换过程，增加了分子制备的周期和难度，因此，发展简便可行的光致发光室温离子液体的制备方法迫在眉睫。

发明内容

为解决现有光致发光室温离子液体熔点偏高、简单可行的制备方法缺乏等缺点，本发明提 供一类光致发光室温离子液体的制备方法，该方法操作简单，所制备的离子液体在溶液状态和无溶剂条件下均表现出良好的光致发光行为，且热稳定性高、熔点低、粘度和溶解度可调。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一类光致发光室温离子液体的制备方法，首先，以二氯亚砜和羧基功能化萘/芘为原料制取萘/芘基羰酰氯，并将萘/芘基羰酰氯与氨基咪唑或氨基吡啶进行酰化反应，生成中间体萘/芘酰咪唑胺或萘/芘酰吡啶胺；然后，在三苯基膦和四溴化碳溴化作用下，将支化烷基醇转化为支化烷基卤代烃；最后，将萘/芘酰咪唑胺或萘/芘酰吡啶胺与支化烷基卤代烃进行季铵化反应，即得含萘/芘环的光致发光室温离子液体。

上述的一类光致发光室温离子液体的制备方法，具体包括以下步骤：

1)萘/芘酰氯的制备

向含羧基功能化萘/芘中加入二氯亚砜，室温搅拌4-10小时，减压除去二氯亚砜，得萘/芘酰氯；

2)萘/芘酰咪唑胺或萘/芘酰吡啶胺的制备

将步骤1)中得到的萘/芘酰氯溶解于二氯甲烷中，加入氨基咪唑或氨基吡啶的二氯甲烷溶液和1mol/L的氢氧化钠水溶液，室温搅拌10-14小时，分液除去水相，收集二氯甲烷相，减压除去二氯甲烷，加入冷水和氯仿，萃取三次，合并氯仿相，干燥、抽滤，减压除去氯仿后进行硅胶柱层析，得萘/芘酰咪唑胺或萘/芘酰吡啶胺；

3)支化烷基卤代烃的制备

于惰性气体环境中，将三苯基膦和四溴化碳溶于四氢呋喃，再加入支化烷基醇的四氢呋喃溶液，室温搅拌15-45分钟，抽滤，保留滤液，减压除去四氢呋喃，加入正己烷，再次抽滤，保留滤液，减压浓缩后进行硅胶柱层析，得支化烷基卤代烃；

4)萘/芘酰烷基-支化烷基-咪唑/吡啶溴盐的制备

将步骤2)中所得萘/芘酰咪唑胺或萘/芘酰吡啶胺、步骤3)中所得支化烷基卤代烃、碳酸钾溶解于N,N-二甲基甲酰胺，于60-100℃下搅拌2-8天，减压除去N,N-二甲基甲酰胺，加入冷水和氯仿，萃取三次，合并氯仿相，干燥、抽滤，减压除去氯仿后进行硅胶柱层析，得萘/芘酰烷基-支化烷基-咪唑溴盐或萘/芘酰烷基-支化烷基-吡啶溴盐。

优选地是，步骤1)中，所述羧基功能化萘/芘为1-萘甲酸、1-萘乙酸、1-萘丙酸、1-萘丁酸、2-萘甲酸、2-萘乙酸、2-萘丙酸、2-萘丁酸、1-芘甲酸、1-芘乙酸、1-芘丙酸或1-芘丁酸。

优选地是，步骤1)中，所述含羧基功能化萘/芘和二氯亚砜的质量比为0.5-5：10-40。

优选地是，步骤2)中，所述氨基咪唑或氨基吡啶为1-(2-氨基乙基)-3-甲基咪唑、1-(3-氨基丙基)-3-甲基咪唑、1-(4-氨基丁基)-3-甲基咪唑、1-(3-氨基丙基)-3-乙基咪唑、2-氨基吡啶、2-氨基甲基吡啶、2-氨基乙基吡啶、2-氨基丙基吡啶或2-氨基丁基吡啶。

优选地是，步骤2)中，所述二氯甲烷、氨基咪唑或氨基吡啶的二氯甲烷溶液和氢氧化钠溶液的体积比为5-20:10-20:5-15；所述氨基咪唑或氨基吡啶的二氯甲烷溶液中，氨基咪唑或氨基吡啶与二氯甲烷的体积比为0.1-1:5-10。

优选地是，步骤3)中，所述支化烷基醇为2-丁基-1-辛醇、2-己基-1-癸醇、2-辛基-1-十二醇或2-癸基-1-十四醇。

优选地是，步骤3)中，所述三苯基膦、四溴化碳、四氢呋喃和支化烷基醇的四氢呋喃溶液的质量比为5-15:4-12:25-75:5-15；所述支化烷基醇的四氢呋喃溶液中，支化烷基醇与四氢呋喃的浓度为0.6-6mmol/L。

优选地是，步骤4)中，硅胶柱层析所选用的洗脱剂为CH₃OH/CH₂Cl₂混合溶剂，其中CH₃OH的体积百分含量为5％-30％，并含0.2-2％的氨水。

优选地是，步骤4)中，所述萘/芘酰咪唑胺或萘/芘酰吡啶胺、支化烷基卤代烃、碳酸钾、N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1.2-4.8:2.1-8.6:0.2-0.7:15-60。

优选地是，制备方法的步骤2)中硅胶柱层析所选用的洗脱剂为CH₃OH/CH₂Cl₂混合溶剂，其中CH₃OH的体积百分含量为5％-30％，且含0.2-2％的氨水。

优选地是，制备方法的步骤3)中硅胶柱层析所选用的洗脱剂为正己烷。

优选地是，制备方法的步骤4)中硅胶柱层析所选用的洗脱剂为CH₃OH/CH₂Cl₂混合溶剂，其中CH₃OH的体积百分含量为5％-30％，且含0.2-2％的氨水。

本发明描述了一类光致发光室温离子液体的制备方法，该方法的技术要点有以下三个方面：1)在二氯亚砜作用下将羧基功能化萘(芘)转化为萘(芘)基羰酰氯，并使其与氨基咪唑(吡啶)作用，生成中间体萘(芘)酰咪唑(吡啶)胺；2)在三苯基膦和四溴化碳存在下， 将枝化烷基醇转化为支化烷基卤代烃；3)使萘(芘)酰咪唑(吡啶)胺与支化烷基卤代烃作用发生季铵化反应，生成含萘(芘)环的光致发光室温离子液体。

本发明的突出特色是：1)制备方法简易可行、可设计性强、产率高且易于规模化；2)所制备的离子液体结构新颖、热稳定性高、熔点低、粘度和溶解度可调；3)所制备的离子液体不仅在二氯甲烷、乙醇等溶剂中具有光致发光行为，且无溶剂条件下在多种固体基底上亦表现出良好的光致发光特性。

本发明的优势在于，在上述光致发光室温离子液体中，目标产物仅需三步反应便可制备得到，所涉及的有机反应操作简便、产率高；其光致发光特性可通过改变发色团种类(萘或芘)进行调节；其粘度可通过改变间隔基和末端支化烷基的长度进行调节；其溶解度可通过改变极性基团的种类(咪唑或吡啶)进行调节；这样，就可以针对特定需求调节离子液体的分子结构，以满足实际需要。

现有文献中关于室温离子液体的定义比较宽泛，凡熔点低于100摄氏度的都统称为室温离子液体。而本发明中，所得离子液体的熔点低于室温，已被差示扫描量热、样品照片和流变结果等证实，是真正意义上的室温离子液体。

附图说明

图1-图4为本发明中四种代表性离子液体，即1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-丁基辛基)-1H-咪唑-3-溴盐、1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-己基癸基)-1H-咪唑-3-溴盐、1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-辛基十二烷基)-1H-咪唑-3-溴盐、1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐(以下分别简记为1，2，3，4)的¹H核磁共振谱图。

图5-图8为1-4的电喷雾质谱图。

图9为1-4的热重分析谱图。

图10为1-4的差式扫描量热测定结果。

图11为25℃下3用药匙挑动(a)和在玻璃瓶中倒置(b)时的照片。

图12为25℃下1-4的剪切应力与剪切速率的关系曲线。

图13为25℃，振荡频率为1.0Hz下1-4的弹性模量和粘性模量与所施加应力的关系，其中空心点表示弹性模量，实心点表示粘性模量。

图14为25℃，所施加应力为5000Pa时1-4的弹性模量和粘性模量与振荡角频率的关系，其中空心点表示弹性模量，实心点表示粘性模量。

图15为不同温度下1的剪切粘度随剪切速率的变化。

图16为不同温度下1的复合粘度随振荡角频率的变化。

图17为2的乙醇溶液(0.1mol/L)在室光(a)、254nm紫外灯激发(b)和365nm紫外光激发(c)时的照片。

图18a-d分别为1-4在流变测试结束后，椎板抬起时室光(上)和365nm紫外光激发(下)下所拍摄的照片。e和f分别为石英瓶中的3在室光(上)、254nm紫外灯激发(e下)和365nm紫外光激发(f下)时的照片。

图19a为2的乙醇溶液(0.1mol/L)在石英比色皿中浸满、倾倒、自然风干后在室光(左)和365nm紫外光激发(右)时的照片。b、c分别为同一溶液用毛笔在锡纸(b)和钛片(c)上面写字后在室光(左)、254nm紫外灯激发(中)和365nm紫外光激发(右)时的照片。d-h分别为同一溶液用毛笔在滤纸(d)、塑料薄膜(e)、硅胶板(f)、花生叶(g)和吊兰叶(h)上面写字后在室光(上)、254nm紫外灯激发(中)和365nm紫外光激发(下)时的照片。

具体的实施方式

实施例1

①向含2.0克2-萘甲酸的圆底烧瓶中加入20毫升二氯亚砜，室温搅拌6小时，减压除去二氯亚砜，加入10毫升二氯甲烷，搅拌下加入N-(3-氨基丙基)咪唑的二氯甲烷溶液(1.4毫升溶解于15毫升二氯甲烷)和1摩尔每升的氢氧化钠水溶液(10毫升)，室温搅拌12小时，分液除去水相，收集二氯甲烷相，减压除去二氯甲烷，加入50毫升冷水，用氯仿萃取三次(每次20毫升)，合并氯仿相，无水硫酸镁干燥、抽滤，减压除去氯仿后以CH₃OH/CH₂Cl₂(V_CH3OH＝15％，含0.1％氨水)混合溶剂为洗脱剂进行硅胶柱层析，得2-萘甲[N-(3-氨基丙基)咪唑]胺，产率为74％。

②向两口反应瓶中加入10.0克三苯基膦和8.0克四溴化碳，抽真空充氩气，重复三次后加入50毫升四氢呋喃，搅拌下加入2-丁基-1-辛醇的四氢呋喃溶液(17mmol溶解于10毫升四氢呋喃)，室温搅拌30分钟，抽滤，保留滤液，减压除去四氢呋喃，加入正己烷，再次抽滤， 保留滤液，减压浓缩后以正己烷为洗脱剂进行硅胶柱层析，得2-丁基1-辛基溴代烷，产率大于90％。

③将上述2-萘甲[N-(3-氨基丙基)咪唑]胺(2.4克)、2-丁基1-辛基溴代烷(4.3克)和碳酸钾(0.35克)溶解于30毫升N,N-二甲基甲酰胺，83摄氏度下搅拌3天，减压除去N,N-二甲基甲酰胺，加入40毫升冷水，用氯仿萃取三次(每次20毫升)，合并氯仿相，无水硫酸镁干燥、抽滤，减压除去氯仿后以CH₃OH/CH₂Cl₂(V_CH3OH＝6％，含0.1％氨水)混合溶剂为洗脱剂进行硅胶柱层析，得1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-丁基辛基)-1H-咪唑-3-溴盐，产率为40％。

所得产物的¹H核磁共振和电喷雾质谱结果分别示于图1和图5，热重分析结果示于图9a，差示扫描量热测定结果示于图10a，流变学测量结果示于图12-图16，其无溶剂条件下的光致发光行为示于图18a。

实施例2

在实施例1的基础上，将步骤②中的2-丁基-1-辛醇换为2-己基-1-癸醇，步骤③中的反应时间调整为4天，其它条件不变，得1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-己基癸基)-1H-咪唑-3-溴盐，产率为38％，其1H核磁共振和电喷雾质谱结果分别示于图2和图6，热重分析结果示于图9b，差示扫描量热测定结果示于图10b，流变学测量结果示于图12-图14，乙醇溶液中(0.1mol/L)的光致发光行为示于图17，无溶剂条件下及各固体基底上的光致发光行为示于图18b和图19。

实施例3

在实施例1的基础上，将步骤②中的2-丁基-1-辛醇换为2-辛基-1-十二醇，步骤③中的反应时间调整为5天，其它条件不变，得1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-辛基十二烷基)-1H-咪唑-3-溴盐，产率为37％，其1H核磁共振和电喷雾质谱结果分别示于图3和图7，热重分析结果示于图9c，差示扫描量热测定结果示于图10c，流变学测量结果示于图12-图14，室温下的流体特性示于图11，无溶剂条件下的光致发光行为示于图18c,d,e。

实施例4

在实施例1的基础上，将步骤②中的2-丁基-1-辛醇换为2-癸基-1-十四醇，步骤③中的反应时间调整为6天，其它条件不变，得1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐，产率为35％，其1H核磁共振和电喷雾质谱结果分别示于图4和图8，热重分析结果示于图9d，差示扫描量热测定结果示于图10d，流变学测量结果示于图12-图14，无溶剂条件下 的光致发光行为示于图18d。

实施例5

在实施例4的基础上，将步骤①中的2-萘甲酸换为2-萘乙酸，其它条件不变，得1-(3-(2-萘乙酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐。

实施例6

在实施例4的基础上，将步骤①中的2-萘甲酸换为2-萘丙酸，其它条件不变，得1-(3-(2-萘丙酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐。

实施例7

在实施例4的基础上，将步骤①中的2-萘甲酸换为2-萘丁酸，其它条件不变，得1-(3-(2-萘丁酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐。

实施例8

在实施例4的基础上，将步骤①中的2-萘甲酸换为1-萘甲酸，其它条件不变，得1-(3-(1-萘甲酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐。

实施例9

在实施例4的基础上，将步骤①中的2-萘甲酸换为1-芘甲酸，其它条件不变，得1-(3-(1-芘甲酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐。

实施例10

在实施例4的基础上，将步骤①中的N-(3-氨基丙基)咪唑换为N-(3-氨基乙基)咪唑，其它条件不变，得1-(3-(1-萘甲酰)乙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐。

实施例11

在实施例4的基础上，将步骤①中的N-(3-氨基丙基)咪唑换为N-(3-氨基丁基)咪唑，其它条件不变，得1-(3-(1-萘甲酰)丁基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐。

实施例12

在实施例4的基础上，将步骤①中的N-(3-氨基丙基)咪唑换为N-(3-氨基丙基)吡啶，其它 条件不变，得1-(3-(1-萘甲酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-吡啶-3-溴盐。

下面对附图进行阐述和分析。

图1-图4为本发明中四种代表性离子液体，即1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-丁基辛基)-1H-咪唑-3-溴盐、1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-己基癸基)-1H-咪唑-3-溴盐、1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-辛基十二烷基)-1H-咪唑-3-溴盐、1-(3-(2-萘甲酰)丙基)-3-(2-癸基十四烷基)-1H-咪唑-3-溴盐(以下分别简记为1，2，3，4)的¹H核磁共振谱图，其中分子中各位置的氢均能在谱图中找到对应的信号，表明目标产物已成功合成。

图5-图8为1-4的电喷雾质谱图，均能找到对应的分子离子峰，进一步表明目标产物已成功合成。

图9为1-4的热重分析谱图，从中可以看出1-4的热分解温度均大于300℃，表明其具有良好的热稳定性。

图10为1-4的差式扫描量热测定结果，给出的是第二次升温的结果，从中可以看出1-4的熔点均小于-15℃，证明了1-4室温下的液体属性。

图11为25℃下3用药匙挑动(a)和在玻璃瓶中倒置(b)时的照片，从中可以直观地看出3的液体属性(棕黄色粘稠液体)。

图12为25℃下1-4的剪切应力与剪切速率的关系曲线。离散的点为实测数据，直线为拟合结果。剪切应力与剪切速率近似成线性关系，表明1-4为类牛顿流体。同时，直线斜率从1到4持续减小，表明随烷基链长度的增加，离子液体的粘度持续下降。

图13为25℃，振荡频率为1.0Hz下1-4的弹性模量和粘性模量与所施加应力的关系，其中空心点表示弹性模量，实心点表示粘性模量。从图中可以看出，1-4的流变学特性以粘性为主，其粘性模量比相应的弹性模量大约两个数量级。同时，相同应力下，粘性模量从1到4持续减小，表明随烷基链长度的增加，离子液体的粘度持续下降，与图12所展示的规律一致。

图14为25℃，所施加应力为5000Pa时1-4的弹性模量和粘性模量与振荡角频率的关系，其中空心点表示弹性模量，实心点表示粘性模量。从图中可以看出，在整个频率范围内，1-4的粘性模量均比相应的弹性模量大，表明其流变学特性以粘性为主，与图13所展示的规律一致。同时，相同角频率下，粘性模量从1到4持续减小，表明随烷基链长度的增加，离子液体 的粘度持续下降，与图12图13所展示的规律一致。

图15为不同温度下1的剪切粘度随剪切速率的变化，从图中可以看出，随温度的升高，1的粘度持续下降。

图16为不同温度下1的复合粘度随振荡角频率的变化，从中可以看出，随温度的升高，1的粘度持续下降，与图15所展示的规律一致。

图17为2的乙醇溶液(0.1mol/L)在室光(a，淡黄色)、254nm紫外灯激发(b，蓝色)和365nm紫外光激发(c，黄色)时的照片，从中可以看出溶液具有光致发光特性。

图18a-d分别为1-4在流变测试结束后，椎板抬起时室光(上，棕黄色)和365nm紫外光激发(下，蓝色)下所拍摄的照片。e和f分别为石英瓶中的3在室光(上，棕黄色)、254nm紫外灯激发(e下，蓝色，依样品厚度和照射角度颜色有所不同)和365nm紫外光激发(f下，棕黄、亮白，依样品厚度和照射角度颜色有所不同)时的照片，表明本发明中所制备萘基室温离子液体无溶剂条件下亦具有光致发光特性。

图19a为2的乙醇溶液(0.1mol/L)在石英比色皿中浸满、倾倒、自然风干后在室光(左，淡黄)和365nm紫外光激发(右，蓝色)时的照片。b、c分别为同一溶液用毛笔在锡纸(b)和钛片(c)上面写字后在室光(左)、254nm紫外灯激发(中)和365nm紫外光激发(右)时的照片。d-h分别为同一溶液用毛笔在滤纸(d)、塑料薄膜(e)、硅胶板(f)、花生叶(g)和吊兰叶(h)上面写字后在室光(上)、254nm紫外灯激发(中)和365nm紫外光激发(下)时的照片。所书写字符均表现出蓝色荧光，依据基底和照射角度的不同蓝色略有差别。上述结果再次表明本发明中所制备的室温离子液体无溶剂条件下的光致发光特性，与图18所展示的结果一致。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。