一种光致变色化合物及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种光致变色化合物及其制备方法与应用 (Photochromic compound and preparation method and application thereof ) 是由 孙昌 薛惊理 柳赟雯 金光 王潮霞 陈文浩 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光致变色化合物及其制备方法与应用,属于染整化学领域。本发明通过将吲哚衍生物和卤代烷溶于有机溶剂,加入水杨醛衍生物、叔胺和相转移催化剂,加热来制备光致变色化合物。该光致变色化合物有效成分为螺吡喃,经紫外光照射后迅速发生开环反应,由无色体变为呈色体。在质子型溶剂中消色速率远高于非质子型溶剂。本发明所述光致变色化合物光响应快,溶解性好,染色过程中避免使用有机溶剂,降低生产成本和对人体健康危害,染色后羊毛纺织品抗菌性能好、水洗色牢度高。(The invention relates to a photochromic compound and a preparation method and application thereof, belonging to the field of dyeing and finishing chemistry. The invention prepares the photochromic compound by dissolving indole derivatives and alkyl halides in organic solvent, adding salicylaldehyde derivatives, tertiary amine and phase transfer catalyst, and heating. The photochromic compound contains spiropyran as effective component, and can be irradiated by ultraviolet ray to make ring-opening reaction quickly, and can be changed into chromogen from colorless body. The rate of decolorization in protic solvents is much higher than in aprotic solvents. The photochromic compound disclosed by the invention is quick in photoresponse and good in solubility, avoids using an organic solvent in the dyeing process, reduces the production cost and harm to human health, and is good in antibacterial performance and high in washing color fastness of dyed wool textiles.)
技术领域
本发明涉及染整化学技术领域，尤其涉及一种光致变色化合物及其制备方法与应用。
背景技术
光致变色材料是指在特定波长的光刺激下可以引起其最大吸收波长发生改变的一类材料。这种变色现象是由于这种物质在特定波长光下的光物理效应或光化学反应导致的，光物理效应是指其受到特定波长光刺激时物质内部的电子发生能级跃迁或物质粒子价态发生改变，而光化学反应是指该物质受到特定波长光的照射下，自身结构发生了转变。
这类材料普遍具有良好的化学稳定性以及光变选择性，有利于商业化应用，具有广阔的发展前景。目前以光致变色材料为基础的功能性材料在各个领域都有应用与发展，对其变色机理也有了更全面的研究。光致变色材料种类繁多，最初的研究对象主要是顺反异构类及偶氮类光致变色材料，它们的合成相对容易，但是稳定性和耐疲劳性较差。而二噻吩基乙烯、螺吡喃、螺噁嗪等光致变色材料因具有更优秀的抗疲劳性及稳定性受到了人们的青睐，成为了光致变色材料研究的新热点、新方向。
在近些年来迅速发展的具有高附加值的变色纺织品，在各个领域也越来越受到了人们的重视。能够变颜色的纺织品在服饰和纺织等领域的需求也迅速扩大，尤其是大家日渐增强的求异心理，对时尚孜孜不倦的追求，促使了变色纺织品的发展，织物服饰的颜色也越来越丰富多彩，越来越个性化，时尚潮流的服装极大地满足了人们的这种对视觉感官地追求。
光致变色材料应用于织物可获得新颖的视觉冲击，为织物提供装饰性以及功能性，但这种材料对整理加工过程中的溶剂和助剂以及使用过程中外界因素的作用较敏感，容易因溶剂导致显色，也易受到pH值、氧气、光照和温度等条件影响，使其被氧化或导致耐疲劳和光稳定性变差。且传统工艺处理后的面料的化学试剂的残留量过高，难以达到卫生安全需求。
螺吡喃类光致变色染料具有快速的反应时间，且无论是开环还是闭环状态都具有优秀的稳定性.利用这些性能，可生产出一系列功能性变色织物。目前光致变色染料存在的问题在于种类较少，实现着色的方式通常为胶粘剂涂料印花或变成活性染料染棉和粘胶，针对羊毛纺织品的染料较少，且存在抗菌性差、光响应慢、染色纺织品水洗色牢度低等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光致变色化合物及其制备方法与应用。本发明从螺吡喃的合成工艺入手，制备出抗菌性能好、光响应快、染色后水洗色牢度高的新型螺吡喃化合物，可以作为性能更优的光致变色染料对羊毛染色。
本发明的第一个目的是提供一种光致变色化合物C，结构式如下：
其中，R1为双取代的C2-C4烷基；R2为-CH3或-CH2-CH3；R3为-NO2或-Cl；
X为Cl、Br或I。
进一步地，所述化合物C选自以下化合物：
本发明的第二个目的是提供一种光致变色化合物C的制备方法，包括如下步骤：
将吲哚衍生物和卤代烷溶于有机溶剂，加入水杨醛衍生物、叔胺和相转移催化剂，加热，反应得到所述化合物C。
进一步地，所述制备方法具体包括如下步骤：
S1：将吲哚衍生物、卤代烷溶于有机溶剂，加热，保护气氛下回流，反应4-8h得到化合物A；
S2：将S1步骤所述化合物A溶于有机溶剂，加入水杨醛衍生物，加热，保护气氛下回流，反应12-24h得到化合物B；
S3：将S2步骤所述化合物B溶于有机溶剂，加入叔胺和相转移催化剂，保护气氛下回流，反应48-72h得到所述化合物C。
进一步地，所述吲哚衍生物为2,3,3-三甲基-3H-吲哚。
进一步地，所述卤代烷为二溴乙烷、二氯乙烷、二碘乙烷、二溴丙烷、二氯丙烷、二碘丙烷、二溴丁烷、二氯丁烷或二碘丁烷。
进一步地，所述有机溶剂为甲醇、乙醇和乙腈中的一种或多种。
进一步地，所述水杨醛衍生物为5-硝基水杨醛或5-氯水杨醛。
进一步地，所述叔胺为三甲胺或三乙胺。
进一步地，所述相转移催化剂为四正丁基碘化铵或苄基三乙基氯化铵。
进一步地，吲哚衍生物、卤代烷、水杨醛衍生物、叔胺和相转移催化剂的摩尔比为1：0.8-5：1-5：1.2-3.5：0.01-1.6。
进一步地，所述加热温度为70-80℃。
本发明的第三个目的是提供一种光致变色化合物C在羊毛纺织品染色中的应用。
本发明的第四个目的是提供一种光致变色羊毛纺织品，利用所述的光致变色化合物C对羊毛纺织品进行染色整理得到的。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的光致变色化合物中的螺吡喃分子在不同有机溶剂中最大吸收波长有所差异。随着溶剂极性的增加，最大吸收波长蓝移，而极性减小时最大吸收波长红移。溶剂极性越小，溶液颜色越蓝，反之越红。螺吡喃分子在不同有机溶剂中经紫外光照射“开环”后消色时间有所区别。在非质子型溶剂中的消色过程符合一级动力学方程，非质子溶剂中的消色速率远高于质子性溶剂中的消色速率。
(2)本发明所述的光致变色化合物利用季铵盐的抗菌性，在给羊毛织物染色同时引入抗菌基团，提高羊毛抗菌性能，减少后续抗菌整理工序，降低成本。细菌细胞壁带负电荷，季铵盐呈电正性，可以与细菌细胞壁以库仑力结合，将亲脂侧链尾部插入细菌胞膜，使胞膜的电平衡受到干扰，导致胞膜的完整性受到破坏，胞内容物外泄，细菌死亡达到抗菌的目的。对金黄色葡萄球菌ATCC6538和大肠杆菌8099的抑菌性能达到97％。
(3)本发明所述的光致变色化合物利用强吸电子基团硝基，将其引入吡喃环相邻的苯环上，酚氧负离子稳定性提高，增加了螺吡喃分子光响应的速度。当苯并吡喃环上引入吸电子基，C-O的不稳定性增加，从而使光致变色化合物的光致变色性能增强，并且引入的吸电子基吸电子能力越强，则相应的光响应也越强。硝基为强吸电子基团，氯为若吸电子基团，因此硝基的光响应强于氯。使用标准光源灯箱模仿室外日光，染色后羊毛纺织品经照射后立即发生“开环”反应，由螺吡喃无色状态变为部花菁有色状态，苯并吡喃环中取代基为硝基在90s左右就达到了转换平衡，而取代基为氯则需要150s才能达到转换平衡。
(4)本发明所述的光致变色化合物通过吲哚啉环氮原子取代基改变，引入短链季铵盐，改变螺吡喃分子极性，增强了螺吡喃分子在水中的溶解度，染色过程中避免使用有机溶剂，降低生产成本和对人体健康危害。
(5)本发明提供一种可供羊毛低温染色的化合物。在低温60℃下染色，羊毛纺织品的上染率可以达到65％以上。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是实施例2的1,3,3-二甲基-N-溴丙基-6-硝基吲哚啉螺吡喃核磁共振氢谱。
图2是实施例2的SPTEA的质谱图。
图3是测试例1的各溶剂中消光过程一级动力学拟合图。
图4是测试例2的pH值对SPTEA乙酸乙酯溶液变色性能影响图。
图5是测试例3的羊毛变色前后K/S值曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
一种光致变色化合物及其制备方法，包括如下步骤：
1.将2,3,3-三甲基-3H-吲哚(5.0g,31mmol)与1,3-二溴丙烷(19.0g,94mmol)溶于甲醇中，在圆底烧瓶中加热到80℃，氮气气氛保护下回流，反应4h。
2.使用乙酸乙酯与环己烷(v/v,1:1)洗涤固体，减压抽滤得到1-(3-溴丙基)-2,3,3-三甲基-3H-吲哚-1-溴化铵。
3.将1-(3-溴丙基)-2,3,3-三甲基-3H-吲哚-1-溴化铵(1.8g,5mmol)溶于乙醇中，滴加入5-硝基水杨醛(0.83g,5mmol)和三甲胺(0.77mL,5.5mmol),在圆底烧瓶中加热到80℃，氮气气氛保护下回流，避光反应12h，过滤。
4.滤液经过柱层析(v/v，乙酸乙酯:石油醚＝1:9)，得到1'-(3'-溴丙基)-3',3'-二甲基-6-硝基吡咯[(2H)-1-苯并吡喃-2,2’-吲哚]a。
5.将a(1.2g,2.8mmol)与三甲胺(0.33g,5.6mmol)溶于乙醇中，滴加相转移催化剂四正丁基碘化铵(0.1g,0.28mmol)，在圆底烧瓶中加热到70℃，氮气气氛保护下回流，避光反应48h。
6.过滤后用乙酸乙酯洗涤固体，得到1'-(3'-三甲基氨丙基)-3',3'-二甲基-6-硝基吡咯[(2H)-1-苯并吡喃-2,2'-吲哚]溴(SPTMA)。
实施例2
一种光致变色化合物及其制备方法，包括如下步骤：
1.将2,3,3-三甲基-3H-吲哚(5.0g,31mmol)与1,3-二溴丙烷(19.0g,94mmol)溶于甲醇中，在圆底烧瓶中加热到80℃，氮气气氛保护下回流，反应4h。
2.使用乙酸乙酯与环己烷(v/v,1:1)洗涤固体，减压抽滤得到1-(3-溴丙基)-2,3,3-三甲基-3H-吲哚-1-溴化铵。
3.将1-(3-溴丙基)-2,3,3-三甲基-3H-吲哚-1-溴化铵(1.8g,5mmol)溶于乙醇中，滴加入5-硝基水杨醛(0.83g,5mmol)和三乙胺(0.77mL,5.5mmol),在圆底烧瓶中加热到80℃，氮气气氛保护下回流，避光反应12h，过滤。
4.滤液经过柱层析(v/v，乙酸乙酯:石油醚＝1:9)，得到1'-(3'-溴丙基)-3',3'-二甲基-6-硝基吡咯[(2H)-1-苯并吡喃-2,2’-吲哚]a。
5.将a(1.2g,2.8mmol)与三乙胺(0.56g,5.6mmol)溶于乙醇中，滴加相转移催化剂苄基三乙基氯化铵(0.1g,0.28mmol)，在圆底烧瓶中加热到70℃，氮气气氛保护下回流，避光反应48h。
6.过滤后用乙酸乙酯洗涤固体，得到1'-(3'-三乙基氨丙基)-3',3'-二甲基-6-硝基吡咯[(2H)-1-苯并吡喃-2,2'-吲哚]溴(SPTEA)。
图1为实施例2的a核磁共振氢谱。其中化学位移为1.19、1.29ppm处为-CH3中6H的质子信号，3.48–3.36,3.29,2.34–2.20,2.14–2.02ppm处为-CH2-中6H的质子信号，5.87,6.64,6.75,6.97-6.86,7.10,7.20,8.04-8.00ppm处为苯环中9H的质子信号，说明合环反应生成了所需中间产物1,3,3-二甲基-N-溴丙基-6-硝基吲哚啉螺吡喃)。
图2为实施例2的SPTEA的质谱图。可看到450.2791m/z处有峰，计算SPTEA的相对分子质量为450.60，与质谱结果吻合，可证明生成物中存在目标物SPTEA。
实施例3
一种光致变色化合物及其制备方法，包括如下步骤：
1.将2,3,3-三甲基-3H-吲哚(5.0g,31mmol)与2,2-二溴丙烷(19.0g,94mmol)溶于甲醇中，在圆底烧瓶中加热到80℃，氮气气氛保护下回流，反应4h。
2.使用乙酸乙酯与环己烷(v/v,1:1)洗涤固体，减压抽滤得到2-(2-溴丙基)-2,3,3-三甲基-3H-吲哚-1-溴化铵。
3.将2-(2-溴丙基)-2,3,3-三甲基-3H-吲哚-1-溴化铵(1.8g,5mmol)溶于乙醇中，滴加入5-氯水杨醛(0.83g,5mmol)和三甲胺(0.77mL,5.5mmol),在圆底烧瓶中加热到80℃，氮气气氛保护下回流，避光反应12h，过滤。
4.滤液经过柱层析(v/v，乙酸乙酯:石油醚＝1:9)，得到2'-(2'-溴丙基)-3',3'-二甲基-6-氯吡咯[(2H)-1-苯并吡喃-2,2'-吲哚]b。
5.将b(1.2g,2.8mmol)与三甲胺(0.33g,5.6mmol)溶于乙醇中，滴加相转移催化剂四正丁基碘化铵(0.1g,0.28mmol)，在圆底烧瓶中加热到70℃，氮气气氛保护下回流，避光反应48h。
6.过滤后用乙酸乙酯洗涤固体，得到2'-(2'-三甲基氨丙基)-3',3'-二甲基-6-氯吡咯[(2H)-1-苯并吡喃-2,2'-吲哚]溴(SPBMA)。
测试例1
将实施例2合成的SPTEA化合物分别使用石油醚、乙酸乙酯、丙酮和甲醇四种溶剂配制成1×10-4mol/L稀溶液，使用365nm紫外灯照射3min，立即使用紫外可见分光光度仪测定其吸收曲线，再次照射3min，然后每10s在最大吸收波长处测定其吸收强度变化，测试结果如表1所示：
表1
石油醚
乙酸乙酯
丙酮
甲醇
照射前颜色
淡黄色
淡黄色
黄色
淡粉色
照射后颜色
蓝色
蓝色
蓝紫色
粉色
最大吸收波长/nm
602
590
576
538
褪色快慢
快
快
较快
慢
由表1可以看出：随着溶剂极性的增加，SPTEA的最大吸收波长蓝移，而极性减小时最大吸收波长红移。溶剂极性越小，溶液颜色越蓝，反之越红。
消色过程动力学拟合结果如图3所示，SPTEA在石油醚、乙酸乙酯、丙酮中的消色过程符合一级动力学方程：
ln[(At-Ae)(A0-Ae)]＝-kt
其中A0、At和Ae分别为溶液在0时刻、t时刻和无穷时刻的吸光度，k为消光系数。
SPTEA在石油醚中的消光系数为ka＝1.63×10-2S-1，丙酮中的消光系数为kb＝1.16×10-2S-1，乙酸乙酯中的消光系数为kc＝3.29×10-2S-1，甲醇中的消光系数为5.00×10-3S-1。据此可看出非质子溶剂中的消色速率远高于质子性溶剂中的消色速率，而在这三种非质子性溶剂中乙酸乙酯的变色速率最快。
测试例2
将实施例2合成的SPTEA化合物溶于乙酸乙酯中，配置成1×10-4mol/L溶液，用HCl/TEA调节pH值，使用365nm紫外灯照射3min，观察溶液变化，测试结果如图4所示。
由图4可看出，在SPTEA乙酸乙酯溶液中滴加稀盐酸溶液后，其颜色立刻变为黄色，并失去光致变色能力。随后加入TEA稀溶液，溶液立即变为深蓝色，并在30s后褪为无色。因为螺吡喃开环位置上带有氧负离子，在酸性环境下会与氢离子结合，使其无法合环，从而失去光致变色能力；而在碱性条件下会增强氧负离子的稳定性，起到助色作用。
测试例3
将实施例1、2、3制备的光致变色化合物分别溶解于超纯水中，配置成o.w.f2％的染液，pH为7，将在70℃热水中预处理5min的羊毛投入染浴，60℃染色1h，取出羊毛试样，水洗后避光自然晾干。分别测试并计算得到上染率为70.13％、78.92％、65.35％。
测试SPTEA染色织物变色前后的K/S值变化，根据标准AATCC 139-2005RA50上染羊毛织物后的变色等级，使用Datacolor 650内建变色色卡测试。根据标准GB/T 3921-2008测试上染羊毛织物后的耐洗牢度，测试结果如下图5。
由图5可看出，染色羊毛经紫外照射后，布样K/S值在500-600nm处有增强，在550nm处增强最大，K/S值由0.3882增至0.8044，证明该布样在这个波段的色深度变深。根据Datacolor内建变色色卡进行评级，GS评级数值为2.25，GS评价级别为2-3。证明其上染织物后具有明显的变色能力。且SPTMA和SPTEA在光照90s左右能达到螺吡喃和部花菁的转换平衡，SPBMA在光照150s后达到转换平衡。根据标准GB/T3921-2008中的方法对该织物进行耐洗色牢度测试，经过30min洗涤后，两侧衬布与洗涤液经365nm紫外照射后均未发生变色现象，该化合物与织物具有良好的结合牢度。
测试例4
将测试例3中SPTMA、SPTEA染色织物按照GB/T 20944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分振荡法》，采用振荡烧瓶法测定处理前后羊毛织物对金黄色葡萄球菌ATCC6538和大肠杆菌8099的抗菌性能，并按下式计算抑菌率，测试结果如表2所示：
表2
试样
金黄色葡萄球菌
大肠杆菌
未整理
60.2％
62.3％
SPTMA
97.7％
97.1％
SPTEA
99.2％
99.5％
由表2可以看出，虽然羊毛本身具有一定抗菌性能，但经过SPTMA和SPTEA染色后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率得到大幅度提升，其中经SPTEA染色的羊毛纺织品对两种菌种的抑制率都高达99％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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