Cryptophane A，E合成与表征及其甲烷敏感特性

【摘要】： 甲烷是易燃易爆气体,是矿井瓦斯主要成分,瓦斯爆炸易引起重大经济损失和安全事故。因此,对矿井中甲烷进行监测十分必要。目前,矿井甲烷监测主要有热催化燃烧型、气敏半导体型、红外吸收型和光干涉型瓦斯传感器,但它们有检测周期长、精度差、易中毒、维护不便等明显不足。因此,研究一种安全、可靠、高灵敏度的甲烷传感系统具有重大现实意义。笼形超分子材料是一类重要的新材料,其在生命科学、材料科学、分子电子学、传感器等领域具有重要作用。近年来研究发现,笼形超分子材料Cryptophane A和E对甲烷敏感,有望将它们用于新一代甲烷传感器。 采用三步法合成Cryptophane A和E;通过核磁共振、紫外吸收和荧光光谱等技术表征其结构和理化性质;设计制作纤芯失配型光纤甲烷传感器,评价传感性能;探讨Cryptophane A和E对甲烷敏感机理。取得如下结论: (1)综述国内外甲烷气体监测技术应用现状,新型矿井瓦斯监测技术研究情况,Cryptophanes A和E合成方法及其甲烷敏感特性研究进展。 (2)以香草醛为原料采用三步法合成Cryptophane A和E,得到最终合成产率分别为3.08%和9.79%。最优合成和分离工艺为:第一步,香草醛过量,80℃下回流22h;1,2-二(4-甲酰-2-甲氧基苯氧基)乙烷分离先用溶剂溶解固体,然后抽滤、真空干燥,1,3-二(4-甲酰-2-甲氧基苯氧基)丙烷分离经重结晶、抽滤、真空干燥;第二步,缓慢多次加入NaBH_4(M_(NaBH_4) /M_(compound2)=6:1),60℃下回流25h,反应完全后用稀HCl和甲醇/水溶液(体积比为1:1)充分洗涤抽滤;第三步,甲酸(90%)中70℃下回流4h,并蒸干,经CH_2Cl_2萃取,最后硅胶色谱柱过柱(V_(二氯甲烷)/V_(丙酮)=10:1)。 (3)核磁表征中4.41(d, 6H, CH_a)、3.41(d, 6H, CH_e)及36.78(C_(a,e))的存在证明成功合成了Cryptophane A;而4.65(d, 6H, CH_a)、3.43(d, 6H, CH_e)及36.13(C_(a,e))则证明成功合成了Cryptophane E。Cryptophane A和E最大荧光发射波长分别在440nm和435nm。在CH_2Cl_2溶剂中,Cryptophane A和E紫外吸收峰分别在λ_1=236nm,λ_2=284nm和λ_1=234nm,λ_2=286nm。 (4)甲烷光纤传感器敏感实验结果表明,最佳入射角为15°,对Cryptophane A长度为3mm的传感器其响应灵敏度好,而对Cryptophane E,长度为8mm的效果好;敏感膜的吸附和解吸时间约80s。 【关键词】：笼形分子 合成 甲烷传感器 纤芯失配 倏逝波
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-6
• 目录6-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 矿井的安全性与瓦斯危害性9-10
• 1.1.1 矿井的安全性分析9
• 1.1.2 瓦斯来源及其危害9
• 1.1.3 预防瓦斯事故发生的方法途径9-10
• 1.2 矿井瓦斯监测技术研发现状分析10-17
• 1.2.1 矿井瓦斯监测技术应用现状10-14
• 1.2.2 新型矿井瓦斯监测技术研究情况14-17
• 1.3 CRYPTOPHANE A 和E 合成方法及其甲烷敏感特性研究进展17-19
• 1.3.1 Cryptophane A 和E 合成方法17-18
• 1.3.2 基于Cryptophane A 和E 的甲烷传感技术研究进展18-19
• 1.4 论文的目的和主要研究内容19-20
• 2 实验部分20-32
• 2.1 实验原料20
• 2.2 主要实验仪器20
• 2.3 笼形分子的合成20-21
• 2.3.1 化合物2 的合成21
• 2.3.2 化合物3 合成21
• 2.3.3 Cryptophane A 和E 合成21
• 2.4 CRYPTOPHANE A 和E 表征过程21-22
• 2.5 甲烷传感性能评价22-32
• 2.5.1 纤芯失配型光纤甲烷气体传感器的制作22-25
• 2.5.2 光纤甲烷气体传感系统25-30
• 2.5.3 甲烷传感器的实验过程30-32
• 3 结果与讨论32-47
• 3.1 CRYPTOPHANE A 和E 合成工艺条件优化和合成机理探讨32-35
• 3.1.1 Cryptophane A 和E 合成工艺条件优化32-34
• 3.1.2 合成机理探讨34-35
• 3.2 CRYPTOPHANE A 和E 组成与结构分析35-40
• 3.2.1 核磁共振谱（NMR）35-37
• 3.2.2 荧光光谱（Fluorescence Spectra）37-38
• 3.2.3 紫外光谱（UV）38-39
• 3.2.4 红外光谱(FT-IR)39-40
• 3.2.5 质谱（MS）40
• 3.3 含CRYPTOPHANE A 和E 的光纤甲烷传感实验结果分析40-45
• 3.3.1 入射角确定40-42
• 3.3.2 传感器长度对光信号影响42-43
• 3.3.3 敏感膜厚度对光信号影响43-44
• 3.3.4 敏感膜对甲烷吸附与解吸44-45
• 3.4 CRYPTOPHANE A 和E 对甲烷敏感机理探讨45-47
• 4 结论及展望47-49
• 4.1 结论47
• 4.2 展望47-49
• 致谢49-50
• 参考文献50-53
• 附录53-56
• A.核磁共振图谱53-56
• B. 作者攻读硕士学位期间发表论文目录56

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