方酸菁染料的合成与近红外吸收性能研究

论文摘要

作为一种近红外吸收染料,方酸菁在大于800nm的近红外区域吸收强度高、吸收带宽窄,特别适宜于1.06μm近红外激光的防护与隐身。因此,本文针对激光隐身技术发展的迫切需求,以应用于激光隐身的方酸菁染料为研究目标,开展了六种方酸菁染料的合成与近红外吸收性能的研究工作。首先从近红外吸收染料分子设计理论出发,通过调整分子结构设计了一系列化合物。经过比较选定其中六种作为研究对象,利用Hyper Chem软件模拟了IR、NMR谱图,计算了基本热力学性能,制定了合成技术路线。即以间氨基苯酚为原料,通过硝化、硝基还原、苯环上的取代、氮原子上的取代、氧氮杂萘酮的合成、氧氮杂萘酮与方酸的缩合等反应制得目标染料。研究了溶液配比、反应温度、反应时间、催化剂种类与用量、重结晶溶剂等工艺条件对方酸菁染料的产率、结晶形貌的影响,利用IR、NMR、SEM等手段对产物进行了分析表征。结果发现比较适宜的反应温度约为108℃,反应时间为3753h,对称型方酸菁染料所需反应时间比非对称型方酸菁染料少。与喹啉相比,以吡啶为催化剂,产物产率高但反应速率小。在最佳合成条件下所得目标产物的产率为3646%。丙酮重结晶可以获得足够纯度的产物,根据产物与结晶条件的不同,晶体呈现羽毛状、松针状、条状等不同形貌。在经典缩合研究的基础上,尝试了微波激励合成方法。结果发现,在微波功率为900W的条件下,反应20min即可获得23.7%的产率,大大缩短了反应时间,提高了合成效率。研究了所得方酸菁染料分子结构对近红外吸收性能的影响。结果表明,在N,N-端基引入甲基和乙基,或者在桥链处引入甲基,促使最大吸收波长红移;对称型方酸菁比非对称型方酸菁的吸收强度大2035%,非对称型方酸菁在380780nm有可见光吸收峰存在。研究了溶剂、浓度、温度等外界条件对方酸菁染料NIRSQ-01和NIRSQ-05近红外吸收性能的影响。发现极性溶剂可以降低对称型方酸菁染料的吸收强度,促使最大吸收波长蓝移;近红外测试最佳浓度为0.01g/ml,测试温度不高于50℃。所得方酸菁染料最大吸收波长在9651120nm之间,与设计值基本吻合。其中端基为N,N-2乙基的NIRSQ-02和端基为N,N-2甲基并在桥链处引入甲基的NIRSQ-05,最大吸收波长分别为1055nm和1100nm,满足1.06μm激光隐身的要求。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 方酸菁染料的结构与特性
• 1.1.1 基本结构
• 1.1.2 基本性能
• 1.2 方酸菁染料研究进展
• 1.2.1 分子设计
• 1.2.2 合成与表征
• 1.2.3 光谱特性
• 1.2.4 应用现状
• 1.3 论文的选题和意义
• 1.4 论文的研究目的和内容
• 第二章 分子设计
• 2.1 设计思路
• 2.1.1 设计机理
• 2.1.2 设计流程
• 2.2 设计结果
• 第三章 实验部分
• 3.1 主要试剂与仪器
• 3.2 技术路线
• 3.3 实验过程
• 3.3.1 实验装置示意图
• 3.3.2 实验流程
• 3.4 分析表征方法
• 第四章 合成条件研究与产物分析表征
• 4.1 合成条件研究
• 4.1.1 丙酮酸乙酯的合成
• 4.1.2 2-丁酮酸乙酯的合成
• 4.1.3 间-N,N-二烷氨基苯酚的合成
• 4.1.4 2-亚硝基-5-N,N-二烷氨基苯酚的合成
• 4.1.5 氢气还原亚硝基制备3-烷基-7-二烷氨基-1,4-氧氮杂萘-2-酮
• 4.1.6 水合肼还原亚硝基制备3-烷基-7-二烷氨基-1,4-氧氮杂萘-2-酮
• 4.1.7 经典缩合法制备方酸菁染料
• 4.1.8 微波激励合成法制备方酸菁染料
• 4.2 结构与形貌分析
• 4.2.1 红外光谱分析
• 4.2.2 核磁共振谱分析
• 4.2.3 电子扫描电镜分析
• 4.3 近红外吸收性能研究
• 4.3.1 结构对近红外吸收性能的影响
• 4.3.2 外界环境对近红外吸收性能的影响
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果