[发明专利]一种水相重金属螯合剂及其制备方法

说明书

一种水相重金属螯合剂，结构式如下：其中R代表‑H或‑Br，n＝2‑16的自然数。该类螯合剂化合物中包含有吡啶氮烷基化的吡啶盐酸盐结构，具有良好的水溶性。在水相体系中能与多种重金属离子(汞、镉、铬、铅、钒、钴、钡等)发生络合作用，形成不溶于水的沉淀，有利于通过简单的过滤等手段将重金属回收。该类螯合剂制备工艺简单，在处理生活废水以及工业废水中去除重金属离子方面具有应用前景。

技术领域

本发明涉及金属离子螯合剂领域，尤其涉及一种水相重金属螯合剂。

背景技术

重金属螯合剂在离子识别、生物成像、污水处理等领域有着重要的应用。重金属螯合剂通常使用的是有机酸的盐，例如最常用的EDTA二钠，无论是废水处理或是降低水硬度都是主要的螯合剂。但是从溶度积常数的角度考虑，有些重金属离子并不能有效的和EDTA或其他羧酸根很稳定的结合，例如Hg²+等有毒离子，这就需要有新类型的重金属螯合剂。配位化学是专门研究金属与有机物结合的学科，基于配位化学的“软硬理论”，众多的过渡金属，尤其是汞、铬、镉等属于“软”金属离子，而羧酸根是“硬”配体，因此无法有很高的结合常数。而吡啶类配体在配位化学中是最经典的一类“软”配体，将吡啶用于有毒重金属离子的络合将极大的提高效率。而目前吡啶类配体未大规模的应用，主要原因在于两点，一是水溶性的问题；二是对于pH较为敏感，尤其是酸性环境。如果将这两个问题解决，将得到一类高效的水相重金属螯合剂。

发明内容

鉴于上述现有的问题，本发明的目的在于提供一类新型的水相重金属螯合剂，利用不同的基团起到不同的作用，该类化合物具有很好的水溶性、在酸性环境不会二次释放金属离子、极高的结合常数等优点，同时提供一种制备该螯合剂的方法。

本发明的技术方案如下：

一种水相重金属螯合剂，具有如下结构：

其中R代表-H或-Br，n＝2-16的自然数。

一种具有上述结构的水相重金属螯合剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：3-吡啶-1,10-菲咯啉或3-吡啶-8-溴-1,10-菲咯啉的合成：

称取原料3-溴-1,10-菲咯啉或者3，8-二溴-1,10-菲咯啉、4-吡啶硼酸试剂、碳酸钾，制备1,4-二氧六环与水的混合溶剂，将称取的原料加入制备的混合溶剂中，缓慢搅拌混合，随后通入氮气，10min后加入催化量的钯催化剂，在氮气氛围中加热并恒温回流12h，反应结束后，冷却反应体系，将所得反应液倒入水中，抽滤，干燥，柱层析提纯得到3-吡啶-1,10-菲咯啉或3-吡啶-8-溴-1,10-菲咯啉；

步骤二：氮烷基化的3-吡啶-1,10-菲咯啉和3-吡啶-8-溴-1,10-菲咯啉类化合物的合成：

取单口烧瓶，烧瓶中加入碳酸钾和N,N-二甲基甲酰胺，称取溴代烷烃和步骤一制得的3-吡啶-1,10-菲咯啉或3-吡啶-8-溴-1,10-菲咯啉，加入到单口烧瓶中，65-95℃条件下搅拌60-80h，反应结束后，冷却反应体系，减压蒸馏去除N,N-二甲基甲酰胺，取剩余油状液体，用二氯甲烷和甲醇混合溶剂溶解，加入硅胶搅拌均匀，干法装柱，柱层析提纯得目标产物，即为水相重金属螯合剂。

进一步的，所述步骤一中，3-溴-1,10-菲咯啉或者3，8-二溴-1,10-菲咯啉与吡啶硼酸试剂摩尔质量比为(0.5-1.5)：1。

进一步的，所述步骤一中，使用的钯催化剂为四三苯基膦钯。

进一步的，所述步骤二中，3-吡啶-1,10-菲咯啉或3-吡啶-8-溴-1,10-菲咯啉、溴代烷烃、碳酸钾的摩尔质量比为1:(3-5):(3-5)。

本发明还提供了一种上述水相重金属螯合剂在水中络合重离子的应用。