ההפרדה סולפט ידי סלקטיבי התגבשות עם ליגנד Bis-iminoguanidinium
Summary
פרוטוקול עבור בסינתזה מימית באתרו של ליגנד bis (iminoguanidinium) וניצול שלה בהפרדה סלקטיבית של סולפט מוצג.
Abstract
A simple and effective method for selective sulfate separation from aqueous solutions by crystallization with a bis-guanidinium ligand, 1,4-benzene-bis(iminoguanidinium) (BBIG), is demonstrated. The ligand is synthesized as the chloride salt (BBIG-Cl) by in situ imine condensation of terephthalaldehyde with aminoguanidinium chloride in water, followed by crystallization as the sulfate salt (BBIG-SO4). Alternatively, BBIG-Cl is synthesized ex situ in larger scale from ethanol. The sulfate separation ability of the BBIG ligand is demonstrated by selective and quantitative crystallization of sulfate from seawater. The ligand can be recycled by neutralization of BBIG-SO4 with aqueous NaOH and crystallization of the neutral bis-iminoguanidine, which can be converted back into BBIG-Cl with aqueous HCl and reused in another separation cycle. Finally, 35S-labeled sulfate and β liquid scintillation counting are employed for monitoring the sulfate concentration in solution. Overall, this protocol will instruct the user in the necessary skills to synthesize a ligand, employ it in the selective crystallization of sulfate from aqueous solutions, and quantify the separation efficiency.
Introduction
הפרדה סלקטיבי של oxoanions הידרופילי (למשל, סולפט, כרומטי, פוספט) מפתרונות מימיים תחרותיים מהווה אתגר יסוד עם רלוונטיות תיקון הסביבה, ייצור אנרגיה, ועל בריאות אדם. 1,2 סולפט בפרט קשה לחלץ מן המים עקב שלה רצון פנימי לשפוך בתחום הידרציה שלה ולהעביר לתוך סביבות קוטב פחות. 3 ביצוע חילוץ סולפט מימי יותר יעיל בדרך כלל דורש קולטנים מורכבים שקשים ומייגע לסנתז ולטהר, לעתים קרובות מעורב חומרים כימיים ממסים רעילים. 4,5
התגבשות סלקטיבי מציעה אלטרנטיבה פשוטה אך יעילה סולפט הפרדה ממים. 6-9 למרות שכמה קטיונים מתכת כגון Ba 2 +, Pb 2+, או מלחים סולפט מאוד מסיס טופס 2+ Ra, השימוש בהם הפרדה סולפט הוא לא תמיד מעשית בשל toxi הגבוהה שלהםעיר ולפעמים נמוכה סלקטיביות. העסקת הליגנדים אורגניים כמו מזרזי סולפט מנצלת את הגיוון amenability המבניים לעצב מאפיין מולקולות אורגניות. ליגנד אורגני אידיאלי התגבשות סולפט מימית צריך להיות מסיס במים, עדיין מהווים מלח סולפט מסיס או מורכבים בתוך זמן יחסית קצר בנוכחות ריכוזים גבוהים של יונים מתחרים. בנוסף, זה צריך להיות קל לסנתז מחזור. אחת ליגנד, 1,4-בנזן-bis (iminoguanidinium) (BBIG), עצמית התאספו באתרו משני זמינים מסחרית מבשרי, terephthalaldehyde ו aminoguanidinium כלוריד, נמצא לאחרונה כיעיל מאוד בהפרדה סולפט מימית. 10 ליגנד כזה מסיסים במים הוא בצורה כלוריד, ומגבש באופן סלקטיבי עם סולפט לתוך מלח מסיס מאוד כי ניתן להסיר בקלות מפתרון על ידי סינון פשוט. ליגנד BBIG מכן, ניתן לשחזר על ידי דה-פרוטונציה עםqueous NaOH וגיבוש של BIS-iminoguanidine נייטרלי, אשר ניתן להמיר בחזרה לתוך כלורידי עם HCl מימית, ולעשות בהם שימוש חוזר במחזור פרידה אחרת. יעילותה של ליגנד זה בהסרת סולפט ממים היא כה גדולה עד כי ניטור ריכוז סולפט שנותר פתרון הוא כבר לא משימה טריוויאלית, הדורש טכניקה מתקדמת יותר המאפשרת מדידה מדויקת של כמויות זעירות של אניון. לעניין זה, נותב סולפט 35 S radiolabeled בשיתוף עם ספירת נצנץ נוזלת β הועסק, טכניקה בשימוש נרחבת ב פרדות עקורות-נוזלים נוזליים, ומפגין לאחרונה כיעיל התגבשות סולפט ניטור. 8
פרוטוקול זה מדגים את סיר אחד בסינתזה באתרו של ליגנד BBIG וגיבוש שלה כמו מלח סולפט מ תמיסות מימיות. הסינתזה באתרו לשעבר של ליגנד 11 מוצגת גם שיתוףשיטת nvenient לייצור כמויות גדולות יותר של BBIG-Cl, אשר ניתן לאחסן בצורה גבישית עד מוכן לשימוש. הסרת סולפט ממי הים באמצעות ליגנד BBIG-Cl הכין בעבר מודגם מכן. לבסוף, השימוש 35 S שכותרתו סולפט ועוד יד נטויה נצנץ נוזלת β למדידת ריכוז סולפט במי ים מודגם. פרוטוקול זה מיועד לספק הדרכה למעוניינים בהרחבה בוחן את השימוש של התגבשות סלקטיבית להפרדת אניון מימית.
Protocol
Representative Results
Discussion
טכניקה זו היא די סובלנית כלפי חריגות רבות מן הנוהל הכתוב, מה שהופך את זה די חזק. עם זאת ישנם שני שלבים קריטיים שיש אחריו. ראשית, ליגנד BBIG-Cl צריך להיות טהור ככל האפשר. זיהומים לא ישפיעו רק על הגיבוש המסיסות של מלח סולפט וכתוצאה מכך, אלא גם יעשו את זה קשה לחשב את הכמות הנדרש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences, Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences Division. We thank the University of North Carolina Wilmington for providing the seawater.
Materials
| Terephthalaldehyde | Sigma | T2207 | |
| Aminoguanidinium Chloride | Sigma | #396494 | |
| Sodium Sulfate | Sigma | #239313 | |
| Barium Chloride | Sigma | #342920 | Highly Toxic |
| Ethanol | Any | Reagent Grade (190 proof) | |
| Sodium Hydroxide | EMD | SX0590-1 | |
| Hydrochloric Acid | Sigma | #258148 | |
| Filter Paper | Any | – | Any qualitative or analytical filter paper will work |
| Syringe Filter (0.22 um) | Any | – | Nylon filter |
| 35S Labeled Sulfate | Perkin Elmer | NEX041005MC | |
| Ultima Gold Scintillation Cocktail | Perkin Elmer | #6013329 | |
| Polypropylene Vials | Any | – | |
| Disposable Syringe (2-3 mL) | Any | – | Any disposable plastic syringe works |
References
- 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., 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. , (2005).
- Goldenberg, D. P. . Principles of NMR Spectroscopy: An Illustrated Guide. , (2016).
