本發(fā)明屬于功能多孔材料領(lǐng)域，具體涉及咪唑烷酮類化合物、多孔有機聚合物凝膠及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、開發(fā)具有高效離子傳導(dǎo)的材料對于高性能電化學(xué)應(yīng)用十分重要，如燃料電池、電解質(zhì)、超級電容器等。燃料電池是一種電化學(xué)裝置，可直接將燃料的化學(xué)能（例如氫氣或甲醇）轉(zhuǎn)化為電能。其中堿性燃料電池采用陰離子傳導(dǎo)，與質(zhì)子傳導(dǎo)的酸性燃料電池相比具有許多優(yōu)點，包括快速反應(yīng)動力學(xué)和不需要使用貴金屬催化劑。盡管有這些優(yōu)點，但開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)高效陰離子傳導(dǎo)的材料仍然是一個挑戰(zhàn)。

2、目前大多數(shù)用于陰離子傳導(dǎo)的多孔有機聚合物都是通過膜的形式，例如，2023年，jiang等人通過相轉(zhuǎn)移聚合工藝制備了一系列自支撐的cof膜，制備的qa-cof膜具有較高的氫氧根離子電導(dǎo)率。能夠高效傳導(dǎo)陰離子（如oh?和cl?）的聚合物在分子結(jié)構(gòu)上通常是含有帶正電的基團，陽離子官能團可以通過共價鍵直接或間接的結(jié)合到聚合物主鏈上。2024年，zhu等人利用液固界面聚合成功地制備了厚度可調(diào)的連續(xù)多孔芳香骨架（paf）膜，其中剛性骨架和穩(wěn)定的c?c偶聯(lián)使其具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在80°c和98%相對濕度下表現(xiàn)出356.6ms?cm1的oh?電導(dǎo)率，這也是目前為止報道的陰離子交換膜（aems）中的最高值。

3、然而對于膜而言，需要考慮離子交換容量和尺寸穩(wěn)定性之間的平衡，因為水的存在有利于陰離子傳導(dǎo)可以使陰離子交換膜（aem）具有高度的解離和離子交換能力（iec），從而提高陰離子的遷移率和電導(dǎo)率。然而，在目前報道的大多數(shù)鏈狀聚合物陰離子導(dǎo)體中，過量的含水會導(dǎo)致鏈狀聚合物溶脹的問題，而低含水量會導(dǎo)致氫氧根遷移緩慢。而凝膠則不需要考慮這一點，因為凝膠在形成過程中會隨機的生成不同形狀和大小的空隙，這為促進客體分子的遷移和擴散提供了可能。

4、離子型多孔有機聚合物（ipop）是一種框架或孔道中具有離子位點的新型多孔有機聚合物。與中性多孔有機聚合物相比，在聚合物結(jié)構(gòu)中引入電荷可為這些材料提供靜電相互作用，增強其分子識別和傳導(dǎo)能力。目前，大多數(shù)?ipop?都是通過帶電單體的直接聚合或合成后使用帶電分子進行后修飾獲得的，許多合成方法都存在反應(yīng)效率不理想、單體結(jié)構(gòu)可調(diào)性有限、合成后帶電分子的修飾會堵塞多孔通道等問題。此外，大多數(shù)ipop?均是以粉末的形式存在，加工性較差，限制了它們的實際應(yīng)用。一般來說，溶液加工的方法可以使ipop具有一定的加工性，但需要對樣品進行繁瑣的處理，而且有些方法高度依賴對ph?值的調(diào)節(jié)來保持離子性質(zhì)，限制了其潛在的用途。因此，開發(fā)高效的合成化學(xué)方法，用于原位制備具有可調(diào)化學(xué)結(jié)構(gòu)的可加工?ipop?凝膠，可為?ipop?的潛在應(yīng)用帶來新的機遇。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種采用氨基酸酰胺和吡啶醛為原料的制備方法以及采用該方法制備得到帶正電荷的咪唑烷酮類化合物。本發(fā)明進一步將該類型的反應(yīng)引入到聚合物的合成中，得到了五元環(huán)狀帶正電荷的離子型多孔有機聚合物凝膠，該凝膠展現(xiàn)出良好的可加工性和氫氧根傳導(dǎo)性等性能。

2、本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種咪唑烷酮類化合物的制備方法。該制備方法包括以下步驟：將氨基酸酰胺鹽酸鹽與吡啶醛在有機溶劑中反應(yīng)制得所述咪唑烷酮類化合物；其中，所述氨基酸酰胺鹽酸鹽結(jié)構(gòu)式為，r1選自h、c1-8烷基、苯基取代的c1-4烷基、羥基取代的c1-4烷基、羧基取代的c1-4烷基、-c1-4烷基-conh2、甲硫基取代的c1-4烷基、巰基取代的c1-4烷基；r2選自c1-12烷基、c1-4鹵代烷基、c3-6環(huán)烷基、苯基、c1-4烷氧基取代的苯基、硝基取代的苯基、羧基取代的c1-4烷基、、去掉1個氨基的單個氨基酸基團、去掉1個氨基的由2-10個氨基酸形成的多肽基團，n=1-500；所述吡啶醛結(jié)構(gòu)式為，r3選自h、鹵素、c1-4烷基、c1-4烷氧基、c1-4鹵代烷基、酰胺基、酯基、苯基。

3、進一步的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，r1選自h、甲基、異丙基、i-bu、羥甲基、芐基，r2選自甲基、-ch2cf3、環(huán)丙基、苯基、對甲氧基苯基、對硝基苯基、、。

4、優(yōu)選的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，所述氨基酸酰胺鹽酸鹽選自：甘氨酸-n-甲基酰胺鹽酸鹽、(s)-2-氨基-n-甲基丙酰胺鹽酸鹽、(s)-2-氨基-3-甲基-n-苯基丁酰胺鹽酸鹽、(s)-2-氨基-n-甲基-3-苯基丙酰胺鹽酸鹽、(r)-2-氨基-n-甲基-3-苯基丙酰胺鹽酸鹽、2-氨基-n-(2,2,2-三氟乙基)乙酰胺鹽酸鹽、2-氨基-n-環(huán)丙基乙酰胺鹽酸鹽、n1-苯基甘氨酰胺鹽酸鹽、2-氨基-n-(4-甲氧基苯基)乙酰胺鹽酸鹽、l-亮氨酸-4-硝基苯胺鹽酸鹽、l-丙氨酸-4-硝基苯胺鹽酸鹽、雙甘氨肽鹽酸鹽。

5、進一步的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，r3選自h、甲基、cl、甲氧基、-cf3。

6、優(yōu)選的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，所述吡啶醛選自：吡啶-2-甲醛、5-甲基吡啶-2-甲醛、5-甲氧基吡啶-2-甲醛、5-氯吡啶-2-甲醛、5-三氟甲基吡啶-2-甲醛。

7、進一步的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，所述氨基酸酰胺鹽酸鹽與吡啶醛的摩爾比為1?:?1-10。

8、進一步的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，所述有機溶劑選自乙酸（hoac）、二甲基亞砜（dmso）、n,n-二甲基甲酰胺（dmf）、n,n-二甲基乙酰胺（dmac）、乙醇（etoh）、正丁醇（n-buoh）。優(yōu)選為乙酸（hoac）。

9、進一步的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，所述氨基酸酰胺鹽酸鹽與有機溶劑的摩爾體積比為1?mmol?:?1-15?ml。

10、進一步的，上述咪唑烷酮類化合物的制備方法中，所述反應(yīng)溫度為25-80?℃。反應(yīng)時間為10分鐘-24小時。優(yōu)選10分鐘-12小時。

11、本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供由上述咪唑烷酮類化合物的制備方法制備得到的咪唑烷酮類化合物。

12、具體的，上述咪唑烷酮類化合物，結(jié)構(gòu)式如式（）所示：

13、

14、式（）

15、其中，r1選自h、c1-8烷基、苯基取代的c1-4烷基、羥基取代的c1-4烷基、羧基取代的c1-4烷基、-c1-4烷基-conh2、甲硫基取代的c1-4烷基、巰基取代的c1-4烷基；r2選自c1-12烷基、c1-4鹵代烷基、c3-6環(huán)烷基、苯基、c1-4烷氧基取代的苯基、硝基取代的苯基、羧基取代的c1-4烷基、、去掉1個氨基的單個氨基酸基團、去掉1個氨基的由2-10個氨基酸形成的多肽基團，n=1-500，r3選自h、鹵素、c1-4烷基、c1-4烷氧基、c1-4鹵代烷基、酰胺基、酯基、苯基。

16、優(yōu)選的，上述咪唑烷酮類化合物中，r1選自h、甲基、異丙基、i-bu、羥甲基、芐基，r2選自甲基、-ch2cf3、環(huán)丙基、苯基、對甲氧基苯基、對硝基苯基、、，r3選自h、甲基、cl、甲氧基、-cf3。

17、更進一步的，上述咪唑烷酮類化合物，選自以下具體結(jié)構(gòu)：

18、?。

19、本發(fā)明還提供了一種式（）所示結(jié)構(gòu)的咪唑烷酮類化合物或其立體異構(gòu)體：

20、

21、式（）

22、其中，r1選自h、c1-8烷基、苯基取代的c1-4烷基、羥基取代的c1-4烷基、羧基取代的c1-4烷基、-c1-4烷基-conh2、甲硫基取代的c1-4烷基、巰基取代的c1-4烷基；r2選自c1-12烷基、c1-4鹵代烷基、c3-6環(huán)烷基、苯基、c1-4烷氧基取代的苯基、硝基取代的苯基、羧基取代的c1-4烷基、、去掉1個氨基的單個氨基酸基團、去掉1個氨基的由2-10個氨基酸形成的多肽基團，n=1-500，r3選自h、鹵素、c1-4烷基、c1-4烷氧基、c1-4鹵代烷基、酰胺基、酯基、苯基。

23、優(yōu)選的，上述咪唑烷酮類化合物或其立體異構(gòu)體中，r1選自h、甲基、異丙基、i-bu、羥甲基、芐基，r2選自甲基、-ch2cf3、環(huán)丙基、苯基、對甲氧基苯基、對硝基苯基、、，r3選自h、甲基、cl、甲氧基、-cf3。

24、更進一步的，上述咪唑烷酮類化合物或其立體異構(gòu)體，選自以下具體結(jié)構(gòu)：

25、。

26、本發(fā)明所要解決的第三個技術(shù)問題提供一種離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法。該制備方法包括以下步驟：將氨基酸酰胺單體和吡啶醛單體在有機溶劑中反應(yīng)制得所述離子型多孔有機聚合物凝膠；其中，所述氨基酸酰胺單體結(jié)構(gòu)式為，r1選自h、c1-8烷基、苯基取代的c1-4烷基、羥基取代的c1-4烷基、羧基取代的c1-4烷基、-c1-4烷基-conh2、甲硫基取代的c1-4烷基、巰基取代的c1-4烷基；r2選自c1-12烷基、c1-4鹵代烷基、c3-6環(huán)烷基、苯基、c1-4烷氧基取代的苯基、硝基取代的苯基、羧基取代的c1-4烷基、、、去掉1個氨基的單個氨基酸基團、去掉1個氨基的由2-10個氨基酸形成的多肽基團，n=1-500；所述吡啶醛單體選自[3,3’-聯(lián)吡啶]-6,6’-二甲醛或1,3,5-三(2-甲酰基吡啶-5基)苯。

27、進一步的，上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法中，r1選自h、甲基、異丙基、i-bu、羥甲基、芐基，r2選自甲基、-ch2cf3、環(huán)丙基、苯基、對甲氧基苯基、對硝基苯基、、、。

28、優(yōu)選的，上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法中，所述氨基酸酰胺單體選自：甘氨酸-n-甲基酰胺鹽酸鹽、(s)-2-氨基-n-甲基丙酰胺鹽酸鹽、(s)-2-氨基-3-甲基-n-苯基丁酰胺鹽酸鹽、(s)-2-氨基-n-甲基-3-苯基丙酰胺鹽酸鹽、(r)-2-氨基-n-甲基-3-苯基丙酰胺鹽酸鹽、2-氨基-n-(2,2,2-三氟乙基)乙酰胺鹽酸鹽、2-氨基-n-環(huán)丙基乙酰胺鹽酸鹽、n1-苯基甘氨酰胺鹽酸鹽、2-氨基-n-(4-甲氧基苯基)乙酰胺鹽酸鹽、l-亮氨酸-4-硝基苯胺鹽酸鹽、l-丙氨酸-4-硝基苯胺鹽酸鹽、、雙甘氨肽鹽酸鹽。

29、優(yōu)選的，上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法中，所述吡啶醛單體選自：[3,3’-聯(lián)吡啶]-6,6’-二甲醛（結(jié)構(gòu)式為）或1,3,5-三(2-甲酰基吡啶-5基)苯（結(jié)構(gòu)式為）。

30、進一步的，上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法中，所述氨基酸酰胺單體與吡啶醛單體的摩爾比為1?-?4?:?2。優(yōu)選為3?:?2、1?:?2?或3?:?4。

31、進一步的，上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法中，所述有機溶劑為二甲基亞砜（dmso）。

32、進一步的，上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法中，所述氨基酸酰胺單體與有機溶劑的摩爾體積比為0.1?-?0.3?mmol?:?1?ml。

33、進一步的，上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法中，所述反應(yīng)溫度為90?-120℃。反應(yīng)時間為3小時?-?3天。

34、本發(fā)明所要解決的第四個技術(shù)問題是提供由上述離子型多孔有機聚合物凝膠的制備方法制備得到的離子型多孔有機聚合物凝膠。

35、本發(fā)明所要解決的第五個技術(shù)問題是提供由上述離子型多孔有機聚合物凝膠制備得到的干凝膠。

36、進一步的，是將所得的離子型多孔有機聚合物濕凝膠加工為干凝膠。通過溶劑交換和超臨界二氧化碳干燥可獲得干凝膠。例如：將濕的含有機溶劑的凝膠放入溶劑（例如dmf）中浸泡一段時間（例如2天），取出后再放入溶劑（例如乙醇）中一段時間（例如2天），然后進行超臨界二氧化碳干燥得到干凝膠。

37、本發(fā)明所要解決的第六個技術(shù)問題是將上述所得的離子型多孔有機聚合物凝膠或干凝膠用于陰離子傳導(dǎo)、重金屬吸附或氣體分離。

38、本發(fā)明所要解決的第七個技術(shù)問題是提供一種陰離子傳導(dǎo)材料。該陰離子傳導(dǎo)材料是將上述制得的離子型多孔有機聚合物凝膠或干凝膠在含有氫氧根的溶液中進行溶劑交換制得。優(yōu)選的，所述含氫氧根的溶液為氫氧化鈉溶液（1?mol/l）或氫氧化鉀溶液（1mol/l）。

39、本發(fā)明的有益效果：

40、本發(fā)明提供了一種方法學(xué)可普遍適用于一種新的五元環(huán)狀帶正電荷物質(zhì)的合成，該方法具有一鍋反應(yīng)、反應(yīng)操作簡單、反應(yīng)時間短、反應(yīng)條件溫和、不需要無水無氧等嚴苛條件、產(chǎn)率基本高達95%等優(yōu)點。且進一步采用該方法合成五元環(huán)狀帶正電荷的離子型多孔有機聚合物凝膠，合成的凝膠不僅具有優(yōu)異的加工性，而且為原位生成帶電荷的物質(zhì)，無需后修飾，合成方法簡便。聚合物骨架帶正電荷，其反離子為氯離子，可通過簡單的溶劑交換，將氯離子替換為氫氧根離子，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的陰離子傳導(dǎo)性能。所獲得的陰離子傳導(dǎo)材料在80?℃?100%rh的條件下陰離子電導(dǎo)率為186?ms?cm-1?，在目前報道的無定型多孔有機聚合物材料中其電導(dǎo)率處于領(lǐng)先水平。