Производное тетраметилоксифенилкаликс[4]арена для сорбции азо-красителей из водных растворов

Изобретение относится к органической химии, а именно к новому производному тетраметилоксифенилкаликс[4]арена, способному сорбировать азо-красители из водных растворов. Технический результат заключается в получении сорбента, проявляющего наибольшую эффективность при сорбции Конго Красного и расширении арсенала известных средств, сорбирующих азо-красители из водных растворов. 2 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к органической химии, а именно к каликсаренам, способным сорбировать азо-красители из водных растворов, и может быть использовано в процессах сорбирования водорастворимых азо-красителей, например, для очистки промышленных сточных вод, которая была и остается одной из главных экологических проблем.

Большинство анионных красителей, к числу которых относятся и водорастворимые азо-красители, не поддается биохимическому окислению, поэтому сточные воды, содержащие такие красители, обычно очищаются или физическими, или химическими процессами.

Одним из эффективных и относительно недорогих методов для удаления красителей из сточных вод является твердо-жидкостная экстракция с использованием неорганических или органических сорбентов природного и синтетического происхождения (кварцевые бусинки, активированный уголь, цеолиты, бентониты, полиамины), например, на основе активированного угля, полученного из кокосовых пробок [C.Namasivayam, D.Kavitha. Removal of Congo Red from water by adsorption onto activated carbon prepared from coir pith, an agricultural solid waste Dyes and Pigments 2002, 54, 47-58], на основе цеолитов, модифицированных природными высокомолекулярными веществами (полисахариды-альгинаты или хитозан) [RU 2184607, опубл. 10.07.2002], на основе бентонитов с поверхностно-активными веществами [CN 101229505 A, опубл. 30.07.2008].

Для сорбции азо-красителей часто предлагаются сорбенты природного происхождения, например, на основе костры льна [RU 2049055, опубл. 27.11.1995], соевого жмыха и зольных отходов [A.Mittal, A.Malviya, D.Kaur, J.Mittal, L.Kurup.Studies on the adsorption kinetics and isotherms for the removal and recovery of Methyl Orange from wastewaters using waste materials. Journal of Hazardous Materials, V.148, N 1-2, 2007, pp 229-240], на основе целлюлозы [RU 2141450, опубл. 20.11.1999], отходов процесса экстракции лекарственных растений [RU 2221585, опубл. 20.01.2004], лузги подсолнечника [RU 2252819, опубл. 27.05.2005], растительной массы камыша [RU 2307706, опубл. 10.10.2007].

Известно применение производных каликс[n]аренов в качестве синтетических сорбентов водорастворимых азо-красителей. Так, олигомерное макроциклическое производное, полученное конденсацией пара-трет-бутилкаликс[4]арена с гексаметилен-диизоцианатом, показало степень сорбции, равную 18 и 17% по отношению к водорастворимым азо-красителям Прямой Фиолетовый 51 и Титановый Желтый соответственно [E.Y.Ozmen, A.Sirit, M.Yilmaz. A Calix[4]arene Oligomer and Two Beta-cyclodextrin Polymers: Synthesis and Sorption Studies of Azo Dyes. / J. Macromol. Sci, Part A: Pure Appl. Chem. 2007, 44, 167-173; A.Yilmaz, E.Yilmaz, M.Yilmaz, R.A.Bartsch. Removal of azo dyes from aqueous solutions using calix[4]arene and β-cyclodextrin. / Dyes Pigments. 2007, 74 (1), 54-59].

Пара-трет-бутилкаликс[6]арены и пара-трет-бутилкаликс[8]арены с незамещенными гидроксильными, сложноэфирными или карбоксильными группами на нижнем ободе были использованы для сорбции водорастворимых азо-красителей Синий Эванса, Прямой Синий 1 и Прямой Синий 15. Лучшие результаты наблюдались для макроциклов с карбоксильными группами. Так, при сорбции красителя Прямой Синий 1 для производного каликс[6]арена степень сорбции составила 96%, для производного каликс[8]арена - 89%. Однако степень сорбции для Синего Эванса составила 67 и 75% для производного каликс[6]арена и каликс[8]арена соответственно, а Прямого Синего 15 - только 50 и 45% соответственно [E.Yi.Ozmen, S.Erdemir, M.Yilmaz, M.Bahadir. Removal of Carcinogenic Direct Azo Dyes from Aqueous Solutions Using Calix[n]arene Derivatives. / Clean 2007, 35 (6), 612-616].

Ранее авторами было описано производное тетрадодецилоксифенил-каликс[4]арена формулы

которое может применяться для сорбции азо-красителей из водных растворов [RU 2428211 C1, опубл. 10.09.2011]. Степень сорбции красителей заявляемым соединением составила от 90 до 98%. Удельная сорбционная емкость составила для Метилового Оранжевого 9,7 мг/г, для Конго Красного - 20,3 мг/г, для Тропеолина OO (ТРОО) - 130,5 мг/г, т.е. при высоком показателе удельной сорбционной емкости для ТРОО, заявленное производное тетрадодецилоксифенилкаликс[4]арена незначительно сорбирует Метиловый Оранжевый и Конго Красный.

Задачей изобретения является расширение арсенала известных средств, сорбирующих азо-красители из водных растворов, кроме того, проявляющих наибольшую эффективность при сорбции Конго Красного.

Технический результат заключается в сорбционных свойствах по отношению к азо-красителям, таким как Метиловый Оранжевый (МО), Тропеолин OO (ТРОО), и особенно, Конго Красный (CR), нового соединения.

Задача решается, и указанный технический результат достигается заявляемым новым соединением - производным тетраметилоксифенилкаликс [4] арена формулы 1.

или

Заявляемое новое каликсареновое соединение 1 получают в три стадии по нижеприведенной схеме, которая в дальнейшем иллюстрируется примерами конкретного выполнения:

Сорбционные свойства соединения 1 оценивают аналогично [RU 2428211 C1, опубл. 10.09.2011].

Используют красители Метиловый Оранжевый (МО), Тропеолин OO (ТРОО), Конго Красный (CR) марки х.ч. фирмы Aldrich.

ИК-спектры зарегистрированы на спектрофотометре VECTOR 22. Растворы после сорбции центрифугированы на центрифуге ОПн-8УХЛ4.2. Электронные спектры поглощения водных растворов зарегистрированы на приборе Lambda 35 UV/VIS Spectrometer (Perkin Elmer Instruments) с использованием кювет толщиной 0.1 см и 0.5 см.

Пример 1 Синтез тетраметилоксифениленкаликс[4]резорцинарена 2

К раствору резорцина (11 г, 0.1 моль) в этаноле (200 мл) приливают 4-метоксибензальдегид (13.6 г, 12.17 мл, 0.1 моль). Охлаждают реакционную смесь до 8°C и в течение полутора часов прикалывают концентрированную соляную кислоту (23 мл). Нагревают реакционную смесь до 20°C и перемешивают в течение часа. Образовавшийся осадок отфильтровывают, промывают водой комнатной температуры до нейтральной реакции, высушивают при пониженном давлении. Получают продукт в виде порошка желтого цвета. Масса продукта 14 г (выход 60.9%).

Спектр ¹Н ЯМР (Диметилсульфоксид-d₆, 400 мГц), δ, м.д.: 3.70, 3.63 2с (OCH₃, 12Н), 5.58, 5.56, 5.46 3с (СН, 4Н), 6.62-6.11 м (ArH, 24Н), 8.45 уш с (ОН, 8Н).

ИК спектр, ν, см^-1 (вазелиновое масло): 3392 с.(ν_OH), 1609 ср., 1509 cp. (ν_{СС аромат.}).

Найдено, %: C 68.0; Н 5.6; C₅₆H₄₈O₁₂·4H₂O. Вычислено, %: C 68.3; H 5.7.

Масс-спектр, m/z: 935 (М+Na⁺). M_calc=913.

Т.пл.>300°C с разложением.

Пример 2

Синтез эфира тетраметилоксифениленкаликс[4]резорцинарена 3

К раствору 2 (13.2 г, 0.0145 моль) в ацетонитриле (200 мл) добавляют безводный карбонат калия (20 г) и перемешивают в течение часа при комнатной температуре. Затем в течение часа прикалывают этиловый эфир бромуксусной кислоты (19.32 г, 12.83 мл, 0.1157 моль). Реакционную смесь перемешивают при комнатной температуре в течение 1 часа, затем нагревают до 60°C. Реакцию проводят в течение 60 ч, контролируя ее протекание методом ТСХ (элюент гексан-ацетон 1:2, R_f2=0.25, R_f3=0.63). Реакционную массу охлаждают до комнатной температуры, отфильтровывают неорганический осадок, упаривают фильтрат при пониженном давлении на 2/3, оставляют при комнатной температуре на 12 часов для роста кристаллов, отфильтровывают кристаллы, промывают 100 мл диэтилового эфира. Полученное кристаллическое вещество светло-желтого цвета высушивают при пониженном давлении. Масса 10.13 г (выход 43.7%).

Спектр ¹Н ЯМР (Ацетон-d₆, 400 мГц), δ, м.д.: 1.25-1.21 2 т (CH₃, 24Н, J_HH 8 Гц), 3.75 с (CH₂, 12Н), 4.22-4.14 м (OCH₂C(O)OCH ₂, 16Н), 4.62-4.38 м (OCH ₂C(O)OCH₂, 16Н), 5.93 с (CH, 4H), 6.70-6.39 м (ArH, 24Н).

ИК спектр, ν, см^-1 (вазелиновое масло): 1760, 1719 с. (ν_CO), 1508 с. (ν_{CC аромат.}).

Найдено, %: C 73.72; H 5.22; C₈₈H₉₆O₂₈. Вычислено, %: C 73.7; H 5.3. Масс-спектр, m/z: 1624 (М+Na⁺), 1640 (М+К⁺). M_calc=1601.7.

Т.пл. 169-172°C.

Пример 3

Синтез амидоаминного тетраметилоксифенилкаликс[4]резорцииарена 1

К навеске соединения 3 (1.0 г, 0.62 ммоль) приливают этилендиамин (25 мл) и перемешивают при комнатной температуре в течение часа, затем при 60°C в течение 40 часов. Реакционную смесь охлаждают, выпавший осадок белого цвета отфильтровывают, промывают ацетоном (2×25 мл), высушивают при пониженном давлении. Масса 1.0 г (выход 94%).

ИК спектр, ν, см^-1 (KBr пластинки): 3399 с, ш (ν_NH); 2925, 2853 с (ν_CH); 1675 с, ш (Амид I, V_C=C); 1509 с (Амид II); 1438, 1406 (δ_CH); 1302 (Амид III).

Найдено, %: C 60.3; H 6.6; N 12.8. C₈₈H₁₁₂N₁₆O₂₀·2H₂O. Вычислено, %: C 60.4; H 6.7; N 12.8.

Масс-спектр, m/z: 1715 (М+Н⁺), 1738 (М+Na⁺), 1754 (М+K⁺). M_calc=1713.9.

Т.пл.>300°C с разложением.

Пример 4

Сорбция красителей

Сорбент - производное тетраметилоксифенилкаликс[4]арена формулы 1 засыпают в водный раствор красителя, перемешивают со скоростью 360 об/мин, в течение 1 часа, через сутки после окончания сорбции отделяют сорбент с поглощенным красителем путем центрифугирования растворов в течение 20 мин со скоростью 6 тыс.об/мин. Регистрируют спектр поглощения водного раствора после центрифугирования. Концентрацию красителя в водном растворе до и после сорбции оценивают при помощи калибровочных графиков по величине абсорбции при максимуме поглощения (для МО - 464 нм, ТРОО - 441 нм, CR - 497 нм).

Удельную сорбционную емкость α оценивают из соотношения:

α=V(С_исх-С_конеч)/m (мг/г), где:

V - объем раствора красителя (мл);

С_исх - исходная концентрация красителя в растворе (мг/л);

С_конеч - конечная концентрация красителя в растворе (мг/л);

m - масса сорбента (г).

Степень сорбции β в процентах оценивают из отношения:

β=[(С_исх-С_конеч)/С_исх]·100%.

Данные по сорбции азо-красителей приведены в таблице.

Степень сорбции красителей заявляемым соединением 1 составила от 62,7 до 99,5%.

Удельная сорбционная емкость составила для МО 2,1 мг/г, для ТРОО - 8,3 мг/г, для CR - 625,0 мг/г.

Таблица
Данные по сорбции азо-красителей соединением 1.
Краситель	m, г	V, мл	Cисход, мг/л	Cконеч, мг/л	β, %	α, мг/г	αсред, мг/г
	0,01	4	7,30	2,01	72,5	2,1
0,01	4	8,06	3,01	62,7	2,0
МО							2,1
	0,01	4	8,06	2,81	65,2	2,1
0,01	4	8,06	2,62	67,5	2,2
	0,01	4	21,05	1,52	92,8	7,8
0,01	4	22,33	0,84	96,3	8,6
ТРОО							81
	0,01	4	22,33	1,13	95,0	8,5
0,01	4	22,33	1,24	94,5	8,4
	0,001	7	88,03	0,47	99,5	612,9
CR	0,001	10	73,04	10,62	85,5	624,2	625,0
	0,001	10	73,04	9,25	87,3	637,9

Таким образом, предложено новое амидоаминное производное тетраметилоксифенилкаликс[4]арена, обладающее свойством сорбции азо-красителей из водных растворов. Наилучшие сорбционные свойства заявляемое соединение проявляет в отношении Конго Красного.

1. Производное тетраметилоксифенилкаликс[4]арена формулы

2. Производное тетраметилоксифенилкаликс[4]арена по п.1, обладающее свойством сорбции азо-красителей из водных растворов.

3. Производное тетраметилоксифенилкаликс[4]арена по п.2, где азо-красителями являются Метиловый Оранжевый, Тропеолин OO, Конго Красный.