一种实验方案 原位 一种双(亚氨基胍)配体的水相合成及其在硫酸根选择性分离中的应用
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摘要
摘要
一种通过双胍基配体1,4-苯双(亚氨基胍)(BBIG)结晶从水溶液中选择性分离硫酸根的简单有效方法被展示。该配体以氯化物盐形式(BBIG-Cl)合成，通过 原位 对苯二甲醛与氨基胍盐酸盐在水中发生亚胺缩合反应，随后以硫酸盐形式结晶（BBIG-SO₄）4）。或者，BBIG-Cl 的合成可采用以下方法 离体 从乙醇中大规模分离。BBIG配体的硫酸根分离能力通过从海水中选择性且定量地结晶硫酸根得以证明。通过中和BBIG-SO可实现配体的循环利用。4 用氢氧化钠水溶液处理，并结晶得到中性的双亚氨基胍，后者可再经盐酸水溶液转化为BBIG-Cl，从而在下一轮分离循环中重复使用。最后， 35采用S标记的硫酸盐和β液体闪烁计数法来监测溶液中硫酸根的浓度。总体而言，本实验方案将指导使用者掌握合成配体所需的关键技术，利用该配体从水溶液中选择性结晶分离硫酸根，并定量评估分离效率。
引言
从竞争性水溶液中选择性分离亲水性含氧阴离子（例如，硫酸根、铬酸根、磷酸根）是一个基础性难题，在环境修复、能源生产和人类健康领域具有重要意义。1,2 其中，硫酸根尤其难以从水中萃取，因其固有地难以脱去其水合层并迁移到极性较低的环境中。3 提高水相硫酸根萃取效率通常需要结构复杂的受体分子，而这些分子的合成与纯化过程繁琐且困难，常涉及有毒试剂和溶剂。4,5
选择性结晶为从水中分离硫酸盐提供了一种简单而有效的方法。6-9 尽管某些金属阳离子（如 Ba2+，Pb2+或 Ra2+ 形成难溶性硫酸盐，但由于其高毒性及有时较低的选择性，使用这些物质进行硫酸盐分离并不总是实用。采用有机配体作为硫酸盐沉淀剂，可利用有机分子在结构多样性及可设计性方面的优势。理想的用于水相硫酸盐结晶的有机配体应具备良好的水溶性，同时能在较短时间内、在高浓度竞争离子存在条件下形成不溶性的硫酸盐或配合物。此外，该配体应易于合成和回收。一种此类配体，1,4-苯基双(亚氨基胍)（BBIG），可自组装 原位 最近发现，由两种市售前体对苯二甲醛和氨基胍盐酸盐合成的材料在水相硫酸盐分离中具有极高的效率。10 配体以氯化物形式存在时可溶于水，并能选择性地与硫酸根共结晶形成一种极难溶的盐，该盐可通过简单的过滤从溶液中轻松去除。随后，BBIG配体可通过水相NaOH去质子化，并使中性的双亚氨基胍结晶析出，从而实现回收；该中性产物可再经水相HCl转化为氯化物形式，用于下一轮分离循环。该配体在去除水中硫酸根方面的效率极高，以至于监测溶液中残留硫酸根浓度已不再是一项简单的工作，而需要采用更先进的技术以准确测定该阴离子的痕量水平。为此，采用放射性标记 35采用S硫酸根示踪剂结合β液体闪烁计数技术，该方法常用于液-液萃取分离，并已近期证明可用于监测硫酸盐结晶过程。8
本方案演示了一锅法 原位 BBIG配体的合成及其从水溶液中以硫酸盐形式结晶。 离体 配体的合成11 还介绍了一种便捷的方法，用于制备较大量BBIG-Cl，其可保存为结晶形式，直至使用时取出。随后展示了利用先前制备的BBIG-Cl配体从海水中去除硫酸根。最后介绍了 35演示了使用 S标记的硫酸盐和β液体闪烁计数法测定海水中的硫酸盐浓度。本方案旨在为对探索利用选择性结晶法进行水溶液阴离子分离的研究人员提供教程。
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方案
1. 1,4-苯二（亚氨基胍）氯化物（BBIG-Cl）的合成
- 原位合成1,4-苯二(亚氨基胍基)氯化物配体（BBIG-Cl）及其与硫酸根的结晶
- 在装有磁力搅拌子的25 ml圆底烧瓶中，加入0.067 g对苯二甲醛和2.2 ml 0.5 M的氨基胍盐酸盐水溶液，并加入10 ml去离子水。
- 在20 °C下磁力搅拌该溶液4小时，得到略带黄色的BBIG-Cl溶液。
- 加入0.5 ml 1 M的硫酸钠水溶液，立即析出结晶状白色固体BBIG-SO4。
- 通过减压过滤收集固体，得到BBIG-SO4。在滤纸上用5 ml水洗涤固体5次，以获得纯净的硫酸盐。
- 通过粉末X射线衍射12检测所得结晶BBIG-SO4的相纯度。与图1所示图谱进行比对。
- 离位合成1,4-苯二(亚氨基胍基)氯化物11
- 在装有磁力搅拌子的50 ml圆底烧瓶中，加入4 g对苯二甲醛和7.26 g氨基胍盐酸盐，并加入20 ml乙醇。
- 使用加热板将溶液加热至60 °C，并用磁力搅拌子搅拌2小时。将溶液冷却至20 °C后静置3小时，然后通过装有滤纸的布氏漏斗进行减压过滤，收集固体。
- 将所得固体悬浮于20 ml乙醇中，并在加热板上加热至沸腾。若此时固体未完全溶解，可逐次加入少量乙醇（1 ml），每次加入后使溶液重新达到沸腾温度，直至固体完全溶解。
- 让烧瓶冷却至室温，随后置于0 °C冰箱中过夜。通过装有滤纸的布氏漏斗进行减压过滤，收集析出的固体。
- 通过1H核磁共振波谱法13确认BBIG-Cl的结构与纯度。与图2所示谱图进行比对。
2. 从海水中分离硫酸盐
- 硫酸盐以 BBIG-SO4 形式结晶析出
注意：去除硫酸盐所需的 BBIG-Cl 用量取决于海水中硫酸盐的确切含量。研究发现，相对于硫酸盐使用 1.5 当量的 BBIG-Cl 可实现 99% 的硫酸盐去除率。本方案所用海水经 BaCl2 滴定测定，硫酸盐浓度为 30 mM。- 使用 0.22 μm 注射器滤器或小孔径过滤膜对海水进行过滤，以去除悬浮颗粒物和生物体。
- 使用去离子水和上一节中制备的固体 BBIG-Cl 配制 30 mM 的 BBIG-Cl 溶液。
- 按 1.5:1 (v/v) 的比例将 BBIG-Cl 溶液加入海水中。
- 搅拌混合物数小时，以确保定量（> 99%）去除硫酸盐。
- 通过配备滤纸的布氏漏斗进行真空抽滤收集固体产物，并在滤纸上用 5 ml 水分五次洗涤固体。
- 将分离得到的固体在真空条件下干燥并称重，以确定产率。
- 配体回收
- 将 53.1 mg BBIG-SO4 加入含有磁力搅拌子的 20 ml 闪烁小瓶中的 2 ml NaOH (10%) 溶液中。
- 在 20 °C 下搅拌混合物 2 小时，将形成微黄色沉淀。
- 通过配备滤纸的布氏漏斗进行真空抽滤收集固体，用 0.2 ml 水洗涤滤纸上的固体，并在真空下干燥。
- 通过 13C NMR 表征回收的固体，确认其为双胍游离碱形式。与 图 3 所示的 NMR 谱图进行比对。
- 通过 β 液体闪烁计数法测定海水中去除的硫酸盐量
警告：该技术涉及放射性同位素的使用，其危害类型与大多数实验室常规操作中遇到的不同。操作放射性核素通常需要特殊的辐射防护设备。因此，必须严格遵循操作规程，并咨询安全官员以获取建议和指导。- 根据以下公式计算所用硫-35 放射性同位素储备液（5 mCi/ml）的体积，以确保每毫升海水中放射性活度超过 500 万次计数每分钟（cpm）（cpm 和居里（Ci）均为放射性活度单位）：
- 向 25 ml 海水中加入 0.0112 ml 浓度为 5.0 mCi/ml 的 35S 放射性标记硫酸钠溶液。
- 在去离子水中配制 0、15、30、33、45 和 60 mM 的 BBIG-Cl 溶液，并在 2 ml 离心管中将 0.750 ml 上述各溶液与等体积的 35S 放射性标记硫酸盐加标海水混合。
- 将混合物置于恒温 25 ± 0.2 °C 的培养箱/空气箱中，通过旋转轮或涡旋振荡搅拌 24 小时。
- 在 25 °C 下以 1,500 × g 离心 10 分钟。
- 离心后，用注射器吸取各溶液 1.2 ml，再经 0.22 μm 注射器滤器过滤以去除悬浮沉淀物。将每份滤液取 1.0 ml 加入含 20 ml 闪烁液的聚丙烯闪烁小瓶中。不含 BBIG-Cl 的溶液（对照组）在加入闪烁液前需用去离子水稀释 10 倍。
- 将含有样品和闪烁液的闪烁小瓶置于液体闪烁计数器中，计数前静置 1 小时，使样品完成暗适应。
注意：在对样品进行计数前，需校准仪器，并使每个样品计数 30 分钟。同时需对仅含闪烁液的空白小瓶进行计数，以获得背景校正值，用于后续溶液中硫酸盐浓度的计算。 - 使用以下公式计算去除的硫酸盐量：
![硫酸盐去除方程，[SO4^2-] 初始至剩余浓度，化学分析公式。](/files/ftp_upload/54411/54411eq6.jpg "figure-protocol-6")
- 根据以下公式计算所用硫-35 放射性同位素储备液（5 mCi/ml）的体积，以确保每毫升海水中放射性活度超过 500 万次计数每分钟（cpm）（cpm 和居里（Ci）均为放射性活度单位）：
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结果
BBIG-SO4 的粉末X射线衍射图谱（图1）可用于明确确认结晶固体的身份。在将所获得的图谱与标准图谱进行比较时，峰的位置比峰的强度更为重要。标准图谱中所有强峰均应在所获得的样品中出现。若样品中出现标准图谱中没有的强峰，则表明存在杂质。
1H-NMR 对 BBIG-Cl 及回收配体的分析（图 2 和 图 3）可用于鉴定化合物的结构，并评估其纯度至约 5%。通过与这些谱图对比，可确认配体是否完全生成，并验证在过滤和/或重结晶过程中杂质是否已被充分去除。在将所获谱图与参考谱图进行比对时，需确保所有峰的位置与参考谱图完全一致。应使用与参考谱图相同的溶剂，以避免峰的相对化学位移发生变化。
从海水中...
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讨论
该技术对操作步骤的多种偏差具有较强的耐受性，因此具有较高的稳健性。然而，有两个关键步骤必须严格遵守。首先，BBIG-Cl配体必须尽可能纯净。杂质不仅会影响所得硫酸盐的结晶和溶解度，还会导致难以准确计算溶液中硫酸根完全去除所需的用量。其次，β液体闪烁计数部分的所有操作步骤都必须严格遵循，因为该技术对微小变化可能极为敏感。
由于结晶技术操作简便，通常不太需要故障排查。以下讨论一些常见问题。如果BBIG-Cl配体似乎无法去除溶液中的硫酸根，最可能的原因有以下两点。若使用的是ex situ合成的BBIG-Cl，需确认其结构和纯度。应对起始原料进行1H-NMR测试，并与图2中的参考谱图进行比对。该问题的另一个常见原因是溶液的pH值。若在in situ条件下合成BBIG-Cl配体，需确保溶液呈弱酸性（pH = 5–6）。由于活性物种为质子化的配体，该方法对溶液pH值较为敏感。碱性条件会使胍基去质子化，生成中性配体，从而无法实现硫酸根的结晶。若溶液呈碱性，只需用HCl调节pH至约5–6，即可为硫酸根的完全...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国能源部科学办公室基础能源科学化学科学、地球科学和生物科学分部提供支持。感谢北卡罗来纳大学威尔明顿分校提供海水。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 对苯二甲醛 | Sigma | T2207 | |
| 氨基胍盐酸盐 | Sigma | #396494 | |
| 硫酸钠 | Sigma | #239313 | |
| 氯化钡 | Sigma | #342920 | 剧毒 |
| 乙醇 | 任意品牌 | 试剂级（190 proof） | |
| 氢氧化钠 | EMD | SX0590-1 | |
| 盐酸 | Sigma | #258148 | |
| 滤纸 | 任意品牌 | - | 任何定性或分析级滤纸均可使用 |
| 注射器滤器（0.22 μm） | 任意品牌 | - | 尼龙滤膜 |
| 35S 标记硫酸盐 | Perkin Elmer | NEX041005MC | |
| Ultima Gold 闪烁液 | Perkin Elmer | #6013329 | |
| 聚丙烯小瓶 | 任意品牌 | - | |
| 一次性注射器（2–3 ml） | 任意品牌 | - | 任何一次性塑料注射器均可使用 |
参考文献
- Langton, M. L., Serpell, C. J., Beer, P. D. Anion Recognition in Water: Recent Advances from Supramolecular and Macromolecular Perspective. Angew. Chem. Int. Ed. 55, 1974-1987 (2016).
- Busschaert, N., Caltagirone, C., Van Rossom, W., Gale, P. A. Applications of Supramolecular Anion Recognition. Chem. Rev. 115, 8038-8155 (2015).
- Moyer, B. A., Custelcean, R., Hay, B. P., Sessler, J. L., Bowman-James, K., Day, V. W., Sung-Ok, K. A Case for Molecular Recognition in Nuclear Separations: Sulfate Separation from Nuclear Wastes. Inorg. Chem. 52, 3473-3490 (2013).
- Kim, S. K., Lee, J., Williams, N. J., Lynch, V. M., Hay, B. P., Moyer, B. A., Sessler, J. L. Bipyrrole-Strapped Calix[4]pyrroles: Strong Anion Receptors That Extract the Sulfate Anion. J. Am. Chem. Soc. 136, 15079-15085 (2014).
- Jia, C., Wu, B., Li, S., Huang, X., Zhao, Q., Li, Q., Yang, X. Highly Efficient Extraction of Sulfate Ions with a Tripodal Hexaurea Receptor. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 486-490 (2011).
- Rajbanshi, A., Moyer, B. A., Custelcean, R. Sulfate Separation from Aqueous Alkaline Solutions by Selective Crystallization of Alkali Metal Coordination Capsules. Cryst. Growth Des. 11, 2702-2706 (2011).
- Custelcean, R. Urea-Functionalized Crystalline Capsules for Recognition and Separation of Tetrahedral Oxoanions. Chem. Commun. 49, 2173-2182 (2013).
- Custelcean, R., Sloop, F. V. Jr, Rajbanshi, A., Wan, S., Moyer, B. A. Sodium Sulfate Separation from Aqueous Alkaline Solutions via Crystalline Urea-Functionalized Capsules: Thermodynamics and Kinetics of Crystallization. Cryst. Growth Des. 15, 517-522 (2015).
- Custelcean, R., Williams, N. J., Seipp, C. A. Aqueous Sulfate Separation by Crystallization of Sulfate-Water Clusters. Angew. Chem. Int. Ed. 54, 10525-10529 (2015).
- Custelcean, R., Williams, N. J., Seipp, C. A., Ivanov, A. S., Bryantsev, V. S. Aqueous Sulfate Separation by Sequestration of [(SO4)(H2O)4]4- Clusters within Highly Insoluble Imine-Linked Bis-Guanidinium Crystals. Chem. Eur. J. 22, 1997-2003 (2016).
- Khownium, K., Wood, S. J., Miller, K. A., Balakrishna, R., Nguyen, T. B., Kimbrell, M. R., Georg, G. I., David, S. A. Novel Endotoxin-Sequestering Compounds with Terephthaldehyde-bis-guanylhydrazone Scaffolds. Bioorg. Med. Chem. Lett. 16, 1305-1308 (2006).
- Pecharsky, V. K., Zavalij, P. Y. Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials. , Springer. (2005).
- Goldenberg, D. P. Principles of NMR Spectroscopy: An Illustrated Guide. , 3rd, University Science Books. (2016).
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重印与许可
