技术领域
本发明涉及化合物合成技术领域，尤其涉及一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物及其制备方法。
背景技术
金属有机骨架材料(Metal-Organic framework,MOF)作为新兴的多孔骨架材料得到了快速发展，该类多孔材料能够通过对功能配体的设计，进而定向自组装出具有预设结构和功能的金属有机框架材料。MOF在药物载体方面有一定的探索，MOF中uio-66系列已被证明有非常好的生物相容性以及生物降解性，适用于作药物载体。基于前期的研究发现，巯基芳香羧酸化合物兼并了软硬原子为一体(软硬酸碱理论)，其中羧基上的O作为硬碱，巯基上的S作为软碱，使这类化合物的优势十分显著。当选择硬酸类金属离子作为配位中心，中心离子会选择与羧基形成金属有机框架，而巯基不参与配位，游离并修饰骨架材料巯基功能化芳基羧酸化合物。巯基引入到金属有机骨架材料中，其优势主要体现如下：
(1)巯基官能团在有机方面的活泼性有利于MOF材料进行后合成修饰；
(2)生物体内能够降解含巯基功能基团。
目前，Laurent Vial等化学研究人员(J.Am.Chem.Soc.2006,128,10253～10257)已合成了如式Ⅱ所示结构的化合物：
但是该化合物难以进行修饰，限制了其广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物及其制备方法，该化合物易于修饰，反应活性较高。
本发明提供了一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物，具有式Ⅰ结构：
本发明提供了一种上述技术方案所述烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物的制备方法，包括以下步骤：
将2-甲基对苯二甲酸甲酯、N-溴代琥珀酰亚胺和过氧化苯甲酰混合，在氮气和CCl4的存在下回流反应，分离反应产物，得到2-溴甲基对苯二甲酸甲酯；
将所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇混合反应，酸化，得到烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物。
优选地，所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、N-溴代琥珀酰亚胺和过氧化苯甲酰反应的温度为60～80℃；时间为2.5～3.5h。
优选地，所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇反应的温度为75～85℃；时间为22～26h。
优选地，所述酸化具体包括：
将所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇混合反应得到的产物和水混合，再加入质量分数为10％的盐酸酸化。
本发明提供了一种上述技术方案所述烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物或上述技术方案所述制备方法制备的烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物在重金属吸附剂制备中的应用。
本发明提供了一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物，具有式Ⅰ结构。该具有式Ⅰ结构的化合物中巯基与苯环用亚甲基隔开，解放出巯基，使得巯基能更好地发挥其功能化作用，使其易于修饰，反应活性较高；能够吸附重金属离子；能够增加侧链苄基硫醇的柔性。实验结果表明：该化合物能够吸附Hg2+。
附图说明
图1为本发明实施例1中2-溴甲基对苯二甲酸甲酯的核磁共振氢谱图；
图2为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸的核磁共振氢谱图；
图3为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸的核磁碳谱图；
图4为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸的阴离子质谱图；
图5为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸对重金属离子Hg2+吸附后的荧光光谱图。
具体实施方式
本发明提供了一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物，具有式Ⅰ结构：
该具有式Ⅰ结构的化合物中巯基与苯环用亚甲基隔开，解放出巯基，使得巯基能更好地发挥其功能化作用，使其易于修饰，反应活性较高；能够吸附重金属离子。另外，该方法产物产率较高。实验结果表明：该化合物能够吸附Hg2+；具有式Ⅰ结构的化合物的收率达到88％，纯度高达97％。
本发明提供了一种上述技术方案所述烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物的制备方法，包括以下步骤：
将2-甲基对苯二甲酸甲酯、N-溴代琥珀酰亚胺和过氧化苯甲酰混合，在氮气和CCl4的存在下回流反应，分离反应产物，得到2-溴甲基对苯二甲酸甲酯；
将所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇混合反应，酸化，得到烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物。
上述制备方法的合成路线见反应路线1：
反应路线1；
本发明将2-甲基对苯二甲酸甲酯、N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)和过氧化苯甲酰(BPO)混合，在氮气和CCl4的存在下回流反应，分离反应产物，得到2-溴甲基对苯二甲酸甲酯，即反应路线1中化合物2。
在本发明中，所述2-甲基对苯二甲酸甲酯优选按照以下方法制得：
将2-甲基对苯二甲酸、甲醇与浓硫酸混合，反应，得到2-甲基对苯二甲酸甲酯。
在本发明中，所述2-甲基对苯二甲酸、甲醇与浓硫酸反应的温度优选为50℃～100℃，所述2-甲基对苯二甲酸、甲醇与浓硫酸反应的时间优选为24～28h。本发明优选对反应产物冷却至10～35℃后再和水混合，有白色固体析出，减压抽滤，得到白色片状晶体产物，即为2-甲基对苯二甲酸甲酯，即反应路线中化合物1。
本发明优选将2-甲基对苯二甲酸甲酯、N-溴代琥珀酰亚胺和过氧化苯甲酰在本领域技术人员熟知的茄型瓶中混合，加入磁搅拌子，抽真空充氮气重复操作多次。本发明将反应溶剂CCl4中鼓氮气，再用真空管转移至茄型瓶中进行反应。在本发明中，所述2-甲基对苯二甲酸甲酯、N-溴代琥珀酰亚胺和过氧化苯甲酰反应的温度优选为60～80℃；时间优选为2.5～3.5h。
本发明优选将2-甲基对苯二甲酸甲酯、N-溴代琥珀酰亚胺和过氧化苯甲酰的反应产物减压抽滤，抽滤后得到的物质通过硅胶柱层析的方法分离提纯，得到2-溴甲基对苯二甲酸甲酯。
得到2-溴甲基对苯二甲酸甲酯后，本发明将所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇混合反应，酸化，得到2-巯基亚甲基对苯二甲酸。
本发明优选在本领域技术人员熟知的带回流冷凝器的反应器中进行2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇的混合反应。所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇反应的温度优选为75～85℃；时间优选为22～26h，更优选为24h。
在本发明中，所述酸化优选具体包括：
将所述2-溴甲基对苯二甲酸甲酯、硫氢化钠和无水甲醇混合反应得到的产物和水混合，再加入质量分数为10％的盐酸酸化。
本发明优选采用质量分数为10％的盐酸酸化至析出固体，减压抽滤，自然风干得到2-巯基亚甲基对苯二甲酸，即反应路线1中L化合物。
本发明提供了一种上述技术方案所述烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物或上述技术方案所述制备方法制备的烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物在重金属吸附剂制备中的应用。
所述烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物中亚甲基将苯环与巯基分隔开，解放巯基，使得巯基发挥最佳反应性能，且容易修饰，利于在药物载体或重金属吸附剂制备中的应用。
本发明提供了一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物，具有式Ⅰ结构。该具有式Ⅰ结构的化合物中巯基与苯环用亚甲基隔开，解放出巯基，使得巯基能更好地发挥其功能化作用，使其易于修饰，反应活性较高；能够吸附重金属离子；能够增加侧链苄基硫醇的柔性。实验结果表明：该化合物能够吸附Hg2+。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一、2-甲基对苯二甲酸甲酯(中间体1)的合成步骤：
(1)称取原料2-甲基对苯二甲酸(1801.6mg，10mmol)加入100mL干燥的单口圆底烧瓶中并加入磁搅拌子；
(2)用量筒量取无水甲醇20mL加入到单口圆底烧瓶中；
(3)室温下搅拌并缓慢滴加浓硫酸(0.5mL)，然后置于油浴中回流48h。待反应完全后，冷却至室温，向混合物中加入大量的蒸馏水，有大量固体析出，减压抽滤，得到白色固体产物(即中间体1)1873mg，收率90％，纯度99％。
二、2-溴甲基对苯二甲酸甲酯(中间体2)的合成步骤：
(1)称量上述制得的第1中间体(1666mg，8mmol)，N-溴代琥珀酰亚胺(1780mg，10mmol)，过氧化苯甲酰(194mg，0.8mmol)加入到25mL干燥的反应茄瓶中，开启搅拌，抽真空充氮气重复操作多次。
(2)用量筒量取四氯化碳20ml，在氮气下鼓泡10min；
(3)用真空管将四氯化碳溶剂转移至50ml反应茄瓶中，将反应茄瓶置于70℃油浴中回流5h；
(4)反应结束后，将产物抽滤得到有机相，经硅胶层析柱分离提纯，得白色固体产物(即第2中间体)1633mg，收率71％，纯度98％。
图1为本发明实施例1中2-溴甲基对苯二甲酸甲酯的核磁共振氢谱图；由图1可知：化学位移为2.51的峰代表氘代二甲亚砜的峰，化学位移为3.32处的峰代表氘代二甲亚砜中的水峰，化学位移为3.91处的峰代表两个酯基中甲基的6个氢原子的峰，化学位移为5.08的峰代表亚甲基2个氢原子的峰，化学位移为8.00、8.01、8.18处的峰分别代表苯环上3个氢原子的峰。
三、2-巯基亚甲基对苯二甲酸的合成步骤：
于25mL硫氢化钠的甲醇溶液中加入第2中间体(1580mg，5.5mmol)，置于85℃的油浴中回流48h。反应完毕，冷却至室温，向混合溶液中加入大量的蒸馏水再加入过量的浓盐酸，使溶液呈强酸性。有大量淡黄色固体析出，减压抽滤，得淡黄色粉末产物1025mg，收率88％，纯度97％。
图2为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸的核磁共振氢谱图；由图2可知：化学位移为2.50的峰代表氘代二甲亚砜的峰，化学位移为2.87处的峰代表配体中巯基中氢原子的峰，化学位移为3.32处的峰代表氘代二甲亚砜中的水峰，化学位移为4.09处的峰代表亚甲基上氢原子的峰，化学位移为7.87、7.90、8.01处的峰分别代表苯环上3个氢原子的峰，最后化学位移为13.32处的峰代表羧基上氢原子的峰。
图3为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸的核磁碳谱图；由图3可知：碳原子的个数与合成的产物一致。
图4为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸的阴离子质谱图。由图4可知：测试结果与2-巯基亚甲基对苯二甲酸的分子量一致。
图1～图4证明，本实施例成功合成了2-巯基亚甲基对苯二甲酸。该化合物中巯基与苯环用亚甲基隔开，解放出巯基，使得巯基能更好地发挥其功能化作用，使其易于修饰，反应活性较高，能够吸附重金属离子；能够增加侧链苄基硫醇的柔性。
本发明采用以下方法测试2-巯基亚甲基对苯二甲酸对重金属汞离子的吸附性能：
1.测试配体L(2-巯基亚甲基对苯二甲酸)的固体荧光；
2.配制质量分数0.3％的HgCl2溶液；
称取9mg HgCl2于2991μL水中，搅拌均匀并超声使其充分溶解；
3.称取5mg的L(0.024mmol)浸泡于上述HgCl2溶液中，浸泡8h；
4.离心除去上清液，用去离子水多次洗涤后，收集配体L，真空干燥，再次进行固体荧光的测试。
吸附测试结果见图5，图5为本发明实施例1中2-巯基亚甲基对苯二甲酸对重金属离子Hg2+吸附后的荧光光谱图；图5中曲线A是2-巯基亚甲基对苯二甲酸的固态荧光曲线，曲线B是2-巯基亚甲基对苯二甲酸吸附重金属Hg2+后的荧光曲线。由图5可以看出：2-巯基亚甲基对苯二甲酸吸附了Hg2+后，其淡蓝色的荧光基本消失。
实施例2
一、2-甲基对苯二甲酸甲酯的合成
称取1g 2-甲基对苯二甲酸，加入9mL甲醇，滴加40滴浓H2SO4(2mol/L)作催化剂，于60～75℃油浴回流24h。加大量去离子水析出白色固体，将过滤得的白色固体溶于乙酸乙酯，加入无水MgSO4除水，抽滤得液体，真空除去乙酸乙酯得白色固体2-甲基对苯二甲酸甲酯。
二、2-溴甲基对苯二甲酸甲酯的合成
称取300mg 2-甲基对苯二甲酸甲酯(1.46mmol)，无水无氧操作加入277.5mg(1.533mmol,1.05～1.2倍摩尔量)的NBS，0.09～0.11倍摩尔量的BPO，8mLCCl4溶剂，75～85℃下油浴回流6～8h。用乙醚洗不溶固体，将滤液真空除去溶剂，得到白色固体2-溴甲基对苯二甲酸甲酯。
三、2-巯基亚甲基对苯二甲酸的合成
称取202mg(0.704mmol)2-溴甲基对苯二甲酸二甲酯，无水无氧条件下加入41.4mg NaSH(0.739mmol,1.05～1.2倍摩尔量)，加入溶剂无水乙醇(或无水丙酮)6mL，75～85℃油浴回流6h。真空除去溶剂，干燥淡黄色固体。
将84.48mg NaOH(2.112mmol，大于2.5倍摩尔量)溶于6mL去离子水中，将上述淡黄色固体加入NaOH溶液里，100～110℃油浴回流4h。待溶液冷却后，冰浴条件下滴加浓HCl至pH值＝2，得到大量白色固体。除去溶剂，真空干燥白色固体得到产物2-巯基亚甲基对苯二甲酸。
实施例2制备得到的化合物中巯基与苯环用亚甲基隔开，解放出巯基，使得巯基能更好地发挥其功能化作用，使其易于修饰，反应活性较高，能够吸附重金属离子；能够增加侧链苄基硫醇的柔性。
本实施例2提供的2-巯基亚甲基对苯二甲酸对重金属离子Hg2+的吸附效果与实施例1类似。
由以上实施例可知，本发明提供了一种烷基硫醇功能化芳香羧酸化合物，具有式Ⅰ结构。该具有式Ⅰ结构的化合物中巯基与苯环用亚甲基隔开，解放出巯基，使得巯基能更好地发挥其功能化作用，使其易于修饰，反应活性较高；能够吸附重金属离子；能够增加侧链苄基硫醇的柔性。实验结果表明：该化合物能够吸附Hg2+。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。