Separacja siarczanów przez selektywną krystalizację ligandem bis-iminoguanidyny

Podsumowanie

Przedstawiono protokół syntezy wodnej in situ ligandu bis(iminoguanidynowego) i jego wykorzystania w selektywnym rozdzielaniu siarczanu.

Streszczenie

Pokazano prostą i skuteczną metodę selektywnego oddzielania siarczanów od roztworów wodnych przez krystalizację ligandem bis-guanidyny, 1,4-benzen-bis(iminoguanidynium) (BBIG). Ligand jest syntetyzowany jako sól chlorkowa (BBIG-Cl) przez kondensację in situ aldehydu tereftalowego z chlorkiem aminoguanidyny w wodzie, a następnie krystalizację jako sól siarczanową (BBIG-SO₄). Alternatywnie, BBIG-Cl jest syntetyzowany ex situ na większą skalę z etanolu. Zdolność liganda BBIG do separacji siarczanów wykazuje się poprzez selektywną i ilościową krystalizację siarczanu z wody morskiej. Ligand można poddać recyklingowi przez neutralizację BBIG-SO₄ wodnym roztworem NaOH i krystalizację obojętnej bis-iminoguanidyny, która może zostać przekształcona z powrotem w BBIG-Cl z wodnym HCl i ponownie wykorzystana w innym cyklu separacji. Na koniec do monitorowania stężenia siarczanu w roztworze stosuje się ³⁵siarczanów znakowanych S i zliczanie scyntylacyjne β cieczy. Ogólnie rzecz biorąc, protokół ten poinstruuje użytkownika w umiejętnościach niezbędnych do syntezy liganda, wykorzystania go do selektywnej krystalizacji siarczanu z roztworów wodnych i ilościowego określenia wydajności separacji.

Wprowadzenie

Selektywne oddzielanie hydrofilowych oksoanionów (np. siarczanów, chromianów, fosforanów) od konkurencyjnych roztworów wodnych stanowi fundamentalne wyzwanie o znaczeniu dla remediacji środowiska, produkcji energii i zdrowia ludzkiego. ^1,2 W szczególności siarczan jest trudny do wydobycia z wody ze względu na jego wewnętrzną niechęć do zrzucania sfery hydratacyjnej i migracji do mniej polarnych środowisk. ³ Zwiększenie wydajności ekstrakcji siarczanów w wodzie zazwyczaj wymaga złożonych receptorów, których synteza i oczyszczanie jest trudne i żmudne, często z użyciem toksycznych odczynników i rozpuszczalników. ^4,5

Selektywna krystalizacja stanowi prostą, ale skuteczną alternatywę dla separacji siarczanów od wody. ^6-9 Chociaż niektóre kationy metali, takie jak Ba²⁺, Pb²⁺ lub Ra²⁺, tworzą bardzo nierozpuszczalne sole siarczanowe, ich stosowanie w separacji siarczanów nie zawsze jest praktyczne ze względu na ich wysoką toksyczność i czasami niską selektywność. Zastosowanie ligandów organicznych jako środków strącających siarczany wykorzystuje różnorodność strukturalną i łatwość projektowania charakterystycznych dla cząsteczek organicznych. Idealny ligand organiczny do krystalizacji wodnego siarczanu powinien być rozpuszczalny w wodzie, a jednocześnie tworzyć nierozpuszczalną sól lub kompleks siarczanowy w stosunkowo krótkim czasie i w obecności wysokich stężeń konkurencyjnych jonów. Dodatkowo powinien być łatwy do syntezy i recyklingu. Niedawno odkryto, że jeden z takich ligandów, 1,4-benzen-bis(iminoguanidynium) (BBIG), samoorganizujący się in situ z dwóch dostępnych na rynku prekursorów, aldehydu tereftalowego i chlorku aminoguanidyny, jest niezwykle skuteczny w wodnym rozdzielaniu siarczanów. ¹⁰ Ligand jest rozpuszczalny w wodzie w postaci chlorku i selektywnie krystalizuje z siarczanem, tworząc wyjątkowo nierozpuszczalną sól, którą można łatwo usunąć z roztworu przez prostą filtrację. Ligand BBIG można następnie odzyskać przez deprotonację wodnym roztworem NaOH i krystalizację obojętnej bis-iminoguanidyny, która może zostać przekształcona z powrotem w postać chlorkową za pomocą wodnego HCl i ponownie wykorzystana w innym cyklu separacji. Skuteczność tego liganda w usuwaniu siarczanu z wody jest tak duża, że monitorowanie pozostałego stężenia siarczanu w roztworze nie jest już trywialnym zadaniem, wymagającym bardziej zaawansowanej techniki, która pozwala na dokładny pomiar śladowych ilości anionu. W tym celu zastosowano znakowany radioizotopowo znacznik siarczanu ³⁵S w połączeniu z β zliczaniem scyntylacyjnym cieczy, techniką powszechnie stosowaną w ekstrakcyjnych separacjach ciecz-ciecz, a ostatnio wykazano, że jest skuteczna w monitorowaniu krystalizacji siarczanów. ⁸

Ten protokół demonstruje jednogarnkową syntezę in situ ligandu BBIG i jego krystalizację jako sól siarczanową z roztworów wodnych. Synteza ex situ liganda¹¹ jest również przedstawiana jako wygodna metoda produkcji większych ilości BBIG-Cl, który może być przechowywany w postaci krystalicznej do momentu przygotowania do użycia. Następnie demonstruje się usuwanie siarczanów z wody morskiej za pomocą wcześniej przygotowanego liganda BBIG-Cl. Na koniec wykazano zastosowanie siarczanu znakowanego ³⁵S i zliczania scyntylacyjnego β cieczą do pomiaru stężenia siarczanów w wodzie morskiej. Protokół ten ma na celu zapewnienie samouczka dla osób szeroko zainteresowanych badaniem zastosowania selektywnej krystalizacji do wodnego rozdzielania anionów.

Protokół

1. Synteza chlorku 1,4-benzenu-bis(iminoguanydyny) (BBIG-Cl)

1. Synteza in situ ligandu chlorku 1,4-benzeno-bis(iminoguandyniumu) (BBIG-Cl) i jego krystalizacja z siarczanem
   1. Do kolby okrągłodennej o pojemności 25 ml wyposażonej w magnetyczny mieszadło dodaj 0,067 g tereftalaldehydu oraz 2,2 ml 0,5 M wodnego roztworu chlorku aminoguandyniumu w 10 ml wody dejonizowanej.
   2. Mieszaj roztwór magnetycznie przez cztery godziny w temperaturze 20 °C. W wyniku tego powstanie lekko żółty roztwór BBIG-Cl.
   3. Dodaj 0,5 ml 1 M wodnego roztworu siarczanu sodu. Spowoduje to natychmiastowe wytrącenie BBIG-SO₄ w postaci białego krystalicznego ciała stałego.
   4. Odfiltruj ciało stałe za pomocą filtracji próżniowej, aby odzyskać BBIG-SO₄. Przemyj ciało stałe na papierze filtrującym pięć razy porcjami wody po 5 ml, aby uzyskać czystą sól siarczanową.
   5. Sprawdź czystość fazową otrzymanego krystalicznego BBIG-SO₄ za pomocą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej¹². Porównaj wynik z dyfraktogramem przedstawionym na Rysunku 1.
2. Synteza ex situ chlorku 1,4-benzeno-bis(iminoguandyniumu)¹
   1. Do kolby okrągłodennej o pojemności 50 ml wyposażonej w magnetyczny mieszadło dodaj 4 g tereftalaldehydu i 7,26 g chlorku aminoguandyniumu w 20 ml etanolu.
   2. Podgrzej roztwór do 60 °C na płycie grzejnej i mieszaj magnetycznie przez 2 h. Ochłodź roztwór do 20 °C i pozostaw na 3 h, następnie zbierz ciało stałe poprzez filtrację próżniową przy użyciu lejka Büchnera z papierem filtrującym.
   3. Zawieś otrzymane ciało stałe w 20 ml etanolu i podgrzewaj na płycie grzejnej do wrzenia. Jeśli ciało stałe nie rozpuści się całkowicie na tym etapie, dodawaj małe porcje (1 ml) etanolu, pozwalając roztworowi za każdym razem osiągnąć temperaturę wrzenia, aż całe ciało stałe zostanie rozpuszczone.
   4. Pozostaw kolbę do ostygnięcia do temperatury pokojowej, a następnie umieść w zamrażarce o temperaturze 0 °C na całą noc. Zbierz ciało stałe, filtrując przez lejek Büchnera z papierem filtrującym przy użyciu filtracji próżniowej.
   5. Potwierdź tożsamość i czystość BBIG-Cl za pomocą spektroskopii ¹H NMR¹³. Porównaj z widmem przedstawionym na Rysunku 2.

2. Separacja siarczanów z wody morskiej

1. Krystalizacja siarczanów jako BBIG-SO₄
   UWAGA: Ilość BBIG-Cl niezbędna do usunięcia siarczanów zależy od dokładnej zawartości siarczanów w wodzie morskiej. Stwierdzono, że zastosowanie 1,5 ekwiwalentu BBIG-Cl w stosunku do siarczanów pozwala na usunięcie 9% siarczanów. Woda morska użyta w niniejszym protokole ma stężenie siarczanów wynoszące 30 mM, co określono poprzez miareczkowanie BaCl2.₂.
   1. Przefiltrować wodę morską za pomocą 0.22 μm filtr strzykawkowy lub membrana filtracyjna o małym rozmiarze porów w celu usunięcia zawiesiny cząstek stałych i mikroorganizmów.
   2. Przygotować 30 mM roztwór BBIG-Cl, używając wody dejonizowanej oraz stałego BBIG-Cl przygotowanego zgodnie z opisem w poprzedniej sekcji.
   3. Dodać roztwór BBIG-Cl do wody morskiej w proporcji 1,5:1 (v/v).
   4. Mieszaj mieszaninę przez kilka godzin, aby zapewnić ilościowe (> 9%) usunięcia siarczanów.
   5. Zebrać osad, filtrując go przez lejek Büchnera z papierem filtrowacyjnym przy użyciu filtracji próżniowej. Przemyć osad na papierze filtrowacyjnym pięciokrotnie, używając po 5 ml wody w każdej porcji.
   6. Wysuszyć wyizolowane ciało stałe w próżni i zważyć w celu określenia wydajności.
2. Odzyskiwanie ligandu
   1. Dodać 53,1 mg BBIG-SO₄ do 2 ml roztworu NaOH (10%) w 20 ml probówce do scyntylacji wyposażonej w pasek magnetyczny.
   2. Mieszać mieszaninę przez dwie godziny w temperaturze 20 °CWytworzy się lekko żółty osad.
   3. Przesiącz ciało stałe przez lejek Büchnera z papierem filtrowacyjnym, stosując filtrację próżniową. Przemyj ciało stałe na papierze filtrowacyjnym 0,2 ml wody, a następnie wysusz w próżni.
   4. Scharakteryzować odzyskaną substancję stałą za pomocą NMR¹³ aby potwierdzić jego tożsamość jako wolnej zasady bis(guanidyny). Porównać z widmem NMR przedstawionym w Rysunek 3.
3. Oznaczanie ilości siarczanów usuniętych z wody morskiej metodą $\beta$-płynowego zliczania scyntylacyjnego
   OSTRZEŻENIE: Technika ta wiąże się z użyciem radioizotopów, które stanowią inną klasę zagrożeń niż te, z którymi zazwyczaj styka się w większości laboratoriów. Podczas pracy z radionuklidami zazwyczaj wymagany jest specjalistyczny sprzęt do ochrony przed promieniowaniem. W związku z tym niezbędne jest ścisłe przestrzeganie procedury oraz skonsultowanie się z inspektorem ochrony radiologicznej w celu uzyskania porad i wytycznych.
   1. Oblicz objętość roztworu zatokowego radioizotopu siarki-35 (5 mCi/ml) niezbędną do zapewnienia aktywności powyżej 5 milionów zliczeń na minutę (cpm) na mililitr roztworu wody morskiej, korzystając z następujących równań (cpm oraz kiury (Ci) to jednostki miary promieniotwórczości):
      
      
      
   2. Do 25 ml wody morskiej dodaj 0,012 ml roztworu o aktywności 5,0 mCi/ml ³⁵roztwór siarczanu sodu znakowanego izotopem S.
   3. Przygotować roztwory BBIG-Cl o stężeniach 0, 15, 30, 3, 45 i 60 mM w wodzie dejonizowanej, a następnie zmieszać 0,750 ml tych roztworów z równą objętością ³⁵Woda morska wzbogacona siarczanem znakowanym S-radioaktywnym w probówce wirówkowej o pojemności 2 ml.
   4. Mieszaj mieszaninę za pomocą koła obrotowego lub wstrząsarki vortex w inkubatorze/komorze powietrznej utrzymywanej w stałej temperaturze 25 ± 0.2 °C przez 24 h.
   5. Wirować roztwory przy 1 50 x g przez 10 min w temperaturze 25 °C.
   6. Po wirowaniu należy odessać strzykawką 1,2 ml każdego roztworu, a następnie przefiltrować go przez 0.22 μm filtr strzykawkowy w celu usunięcia zawiesiny osadu. 1,0 ml z każdego z tych roztworów przenieść pipetą do 20 ml koktajlu scyntylacyjnego w polipropylenowych probówkach scyntylacyjnych. Roztwór niezawierający BBIG-Cl (roztwór kontrolny) należy rozcieńczyć dziesięciokrotnie wodą dejonizowaną przed dodaniem do koktajlu scyntylacyjnego.
   7. Umieść fiolki scyntylacyjne zawierające próbki i koktajl scyntylacyjny w liczniku scyntylacyjnym dla cieczy i pozostaw je na 1 godzinę przed pomiarem, aby umożliwić adaptację próbek do ciemności.
      UWAGA: Przed zliczeniem próbek należy skalibrować instrument i pozostawić każdą próbkę do pomiaru na 30 min. Należy zliczyć dodatkowe fiolki zawierające wyłącznie koktajl scyntylacyjny, aby umożliwić korekcję tła stosowaną podczas wyznaczania stężeń siarczanów w roztworze.
   8. Wyznaczyć ilość usuniętego siarczanu, korzystając z następujących równań:
      
      
      

Wyniki

Dyfraktogram proszkowy rentgenowski BBIG-SO₄ (Rysunek 1) umożliwia jednoznaczne potwierdzenie tożsamości skrystalizowanej substancji stałej. Przy porównywaniu uzyskanego dyfraktogramu z wzorcowym, intensywność piku ma mniejsze znaczenie niż jego położenie. Wszystkie silne piki widoczne na wzorcu powinny występować w otrzymanej próbce. Pojawienie się w próbce silnych pików, które nie występują na dyfraktogramie wzorcowym, wskazuje na obecność zanieczyszczeń.

...

Dyskusja

Technika ta jest dość tolerancyjna na wiele odstępstw od procedury pisemnej, co czyni ją dość solidną. Istnieją jednak dwa kluczowe kroki, które należy wykonać. Po pierwsze, ligand BBIG-Cl musi być tak czysty, jak to tylko możliwe. Zanieczyszczenia nie tylko wpłyną na krystalizację i rozpuszczalność powstałej soli siarczanowej , ale także utrudnią obliczenie ilości wymaganej do ilościowego usunięcia siarczanu z roztworu. Po drugie, wszystkie kroki w sekcji zliczania β scyntylacji cieczy muszą być skrupulatnie przestrzega...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Aldehyd tereftalowy	Sigma	T2207
Chlorek aminoguanidyny	Sigma	# 396494
Siarczan sodu	Sigma	# 239313
Chlorek baru	Sigma	# 342920	Wysoce toksyczny
etanol	Dowolny		stopień odczynnika (190 proof)
Wodorotlenek sodu	EMD	SX0590-1
z kwasem solnym	Sigma	# 258148
	Dowolna-Dowolna		jakościowa lub analityczna bibuła filtracyjna będzie działać
Filtr strzykawkowy (0,22 i # 956; m)	Filtr	Any-Nylon
35S Oznaczony siarczanowym	Perkin Elmer	NEX041005MC
Ultima Gold Scyntylacyjny	Perkin Elmer	#6013329
Fiolki polipropylenowe	Dowolna-jednorazowa
strzykawka (2-3 ml)	Dowolna-Dowolna		jednorazowa plastikowa strzykawka działa

Bibuła filtracyjna koktajl