Фосфорилированные каликс[n]арены как перспективные экстрагенты для выделения актинидных и некоторых осколочных элементов из азотнокислых сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.14, кандидат химических наук Караван, Мария Дмитриевна

• Караван, Мария Дмитриевна
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Караван, Мария Дмитриевна

Список условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Историческая справка.

1.2 Номенклатура.

1.3 Структура каликсаренов.

1.4 Физические свойства каликсаренов.

1.5 Конформации каликсаренов.

1.6 Комплексообразование в твёрдом состоянии.

1.7 Комплексообразоване в растворах.

1.8 Производные для извлечения цезия.

1.9 Каликсарены для извлечения стронция.

1.10 Каликсарены для ихвлечения латанидов и актинидов.

1.11 Фосфорилированные каликсарены.

1.12 Смеси каликсаренов с ПАВ.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

• Методика измерения коэффициентов распределения америция, европия и технеция между водной и органической фазами.

• Методика измерения коэффициентов распределения урана и плутония между водной и органической фазами.

• Методика измерения коэффициентов распределения палладия между водной и органической фазами.

• Распределение экстрагента между водной и органической фазами.

• Методика выделения катионов металлов с помощью мицеллярной экстракции.

ГЛАВА 3. ЭКСТРАКЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ И НЕКОТОРЫХ СТАБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ФОСФОРИЛИРОВАННЫМИ КАЛИКСАРЕНАМИ.

3.1 Зависимость экстракционных свойств фосфорилированных каликсаренов от их строения.

3.2 Определение стехиометрии комплексов фосфорилированных каликсаренов с радионуклидами, образующихся в процессе жидкостной экстракции.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фосфорилированные каликс[n]арены как перспективные экстрагенты для выделения актинидных и некоторых осколочных элементов из азотнокислых сред»

Один из хорошо известных методов извлечения радионуклидов из высокоактивных отходов (ВАО) - это жидкостная экстракция; где в качестве экстрагентов используются различные моно- и бидентатные фосфо-рорганические соединения. Перспективным направлением в развитии и совершенствовании данного метода может стать переход от моно- и биден-татных к структурно-жёстким полифункциональным макроцикли-ческим экстрагентам - каликс[п]аренам.

Актуальность работы.

Актуальность представленной работы обусловлена- необходимостью поиска таких замещённых различными функциональными группами, соединений, которые были бы способны эффективно извлекать радионуклиды из азотнокислых сред.

Макроциклическая платформа каликсаренов позволяет при функ-ционализации их различными, в частности, фосфорорганическими; заместителями, получить производные, обладающие предорганизацией, необходимой для повышения эффективности экстракции. В каликсаренах имеются реакционные центры, позволяющие легко проводить модификацию структуры.

Данная работа посвящена изучению экстракционной способности каликс[п]аренов, замещённых фосфиноксидными или карбамоилметил-фосфин-оксидными (КМФО) группами по верхнему или нижнему ободу, по отношению к актинидам и долгоживущим продуктам деления, таким как технеций и лантаниды.

Каликс[п]арены с фосфиноксидными заместителями представляют интерес из-за возможности более эффективного: извлечения актинидов и продуктов деления из кислых ВАО по сравнению с известными фосфорорганическими экстрагентами, а также - из-за простоты синтеза (в отдельных случаях - в одну стадию). Адамантильные каликсарены были выбраны для исследования, так как присутствие объёмного липофильного ядра адаман-тана повышает растворимость данных соединений в органических разбавителях и, таким образом, повышается экстракционная способность лиган-дов.

Функционализация каликсаренов должна приводить к изменению ряда физико-химических характеристик исходных соединений. В случае замещения каликс[4]аренов по верхнему ободу диалкилфосфиноксидными группами гидрофильность полученных соединений по сравнению с исходными возросла многократно, что < позволило разработать принципиально отличный от жидкостной экстракции метод выделения и концентрирования актинидов и продуктов деления из азотнокислых сред, представляющий собой разновидность мицеллярной экстракции или так называемой «экстракции в точке помутнения».

Цель исследования

• изучение экстракции Am3+, Eu3+, U022+, Ри4+, Тс04" и Pd2+ из азотнокислых сред функционализированными по верхнему или нижнему ободу каликс[п]аренфосфиноксидами,

• установление корреляции «структура - свойства» в ряду ка-ликс[п]арен-фосфиноксидов и адамантильных ка-ликс[п]аренкарбамоилфосфиноксидов, сравнении экстракционной способности данных каликсаренов и их монодентатных аналогов,

• разработка нового метода концентрирования актинидов и продуктов деления из В АО.

Направления исследования:

• изучение зависимости экстракционных свойств ка-ликс[п]аренов с фосфинок-сидными или КМФО-группами от размера полости каликсарена, положения и основности фосфорильных групп,

• определение стехиометрии комплексов фосфорилированных каликсаренов с Am3+, Eu3+, U022+, Ри4+, Тс04" и Pd2+, образующихся в процессе жидкостной и мицеллярной экстракции,

• поиск соединений, проявляющих регулируемую гидрофиль-ность, изучение взаимодействия данных соединений с водой и их межфазного распределения в системах «азотная кислота - органический растворитель», определение состава образующихся комплексов данных каликсаренов с азотной кислотой и европием,

• разработка метода извлечения. и концентрирования актинидов и продуктов деления из азотнокислых сред с помощью каликс[4]аренов с диалкилфосфиноксидными заместителями в верхнем- ободе, обладающих регулируемой гидрофильностью.

Научная новизна работы

1. Впервые получены данные по экстракции и составу сольватов фосфорилированных каликс[п]аренов с U022+, Pu4+, TcCV и Pd2+. Для ранее изучавшихся уже в качестве экстрагентов америция и европия ка-ликс[п]аренов с диалкилфосфиноксидными группами получены данные по стехиометрии образующихся комплексов с Аш3+ и Еи3+.

2. Установлены зависимости эффективности экстракции радионуклидов от размера полости каликс[п]арендиалкилфосфиноксидов [п = 4 -6], положения функциональной группы в верхнем или нижнем ободе, основности фосфорильных групп и длины «мостика», соединяющего фосфо-рильную группу с каликсареновой платформой.

3. Сравнение эффективности экстракции изучаемых каликсаренов в каждой из выбранных групп (с диалкилфосфионксидными группами и с КМФО-группами) показало, что размер кольца и положение функциональных групп в верхнем или нижнем ободе оказывают значительное влияние на экстракцию америция и европия, повышая экстракционную способность отдельных замещённых каликсаренов в 10 -104 раз. Эти структурные особенности изучаемых каликсаренов мало отражаются на эффективности экстракции технеция и палладия (отмечено повышение эффективности экстракции в среднем в 2 - 4 раза), и основную роль играет основность фосфорильных групп экстрагентов (установлена слабо выраженная корреляция lgD = Г(аф), г2 = 0,93 в случае палладия). В случае экстракции плутония и, в случае некоторых изучаемых производных, урана эффективность экстракции каликсаренов не превышает эффективность моноаналогов.

5. Обнаружена высокая растворимость калике[4]аренов с диал-килфосфин-оксидными заместителями в верхнем ободе, обусловленная сильным взаимодействием Р=0-групп с молекулами воды.

Практическая значимость работы связана с демонстрацией возможности использования фосфорилированных ка-ликс[п]аренфосфиноксидов в процессах жидкостной и мицеллярной экстракции актинидов и продуктов деления из кислых ВАО и заключается в том, что:

• каликс[п]арены с диалкилфосфиноксидными группами являются более эффективными экстрагентами таких радионуклидов, как 241 Am 1 и "Ей, извлекая их в 100 - 250 раз эффективнее соответствующих моноаналогов;

• каликс[п]арены с диалкилфосфиноксидными группами обеспечивают совместное извлечение актинидов, РЗЭ, технеция и палладия и их отделение от других компонентов ОЯТ, что представляет интерес для переработки ВАО;

• был разработан принципиально новый метод выделения и концентрирования актинидов и продуктов деления из азотнокислых сред с использованием фосфорилированных по верхнему ободу ка-ликс[4]арендиалкилфосфиноксидов, обладающих регулируемой гидро-фильностью, представляющий интерес для аналитической химии.

На защиту выносятся:

• корреляция «структура каликсарена - его экстракционная способность» в процессе жидкостной экстракции америция, европия, урана, плутония, технеция и палладия фосфорилированными каликсаренами из азотнокислых сред;

• сравнение эффективности экстракции актинидов и продуктов деления каликсаренами и соответствующими моноаналогами. Демонстрация влияния макроциклической платформы каликсарена на эффективность экстракции актинидов и продуктов деления;

• корреляция «основность фосфорильных групп - экстракционная способность»; состав экстрагирующихся комплексов америция, европия, технеция, урана, плутония и палладия с фосфорилированными каликсаренами;

• новый метод выделения и концентрирования актинидов и продуктов деления из азотнокислых сред с помощью ка-ликс[4]арендиалкилфосфиноксидов с регулируемой гидрофильностью, замещённых по верхнему ободу.

Заключение диссертации по теме «Радиохимия», Караван, Мария Дмитриевна

выводы

1. Изучена экстракции Am3+, Eu3+, Tc04" U022+, Pu4+ и Pd2+ диал-килфосфин-оксидными и адамантильными каликсаренами; для замещённых по верхнему ободу диалкилфосфиноксидных калике[4]аренов выявлена регулируемая гидрофильность.

2. Эффективность экстракции Аш3+ и Еи3+ определяется структурой каликсарена; диалкилфосфиноксидные каликсарены с заместителями в верхнем ободе демонстрируют более высокие коэффициенты распределения Аш3+ и Еи3+, чем их замещённые по нижнему ободу аналоги или соответствующий моноаналог; адамантил-каликсарены демонстрируют более высокие коэффициенты распределения Аш3+ и Еи3+, чем КМФО; замещённые по нижнему ободу диалкилфосфиноксидные каликсарены в целом экстрагируют U022+ и Ри4+ так же, как моноаналог, либо хуже; несимметричные адмантил-каликсарены, содержащие КМФО-группы в нижнем ободе, менее эффективно извлекают плутоний, чем их симметричный аналог, и менее эффективно, чем замещённые по верхнему ободу производные данного типа. л ,

3. Эффективность экстракции Тс04" и Pd диалкилфосфиноксид-ными каликсаренами определяется основностью фосфорильных групп; выявлена слабо выраженная корреляция между основностью фосфорильных групп данного типа каликсаренов и значениями коэффициентов распределения технеция и палладия.

4. Изучаемые каликсарены образуют с Аш3+ и Еи3+ как моно-, так и дисольваты; замещённые по верхнему ободу адамантил-каликсарены обп, разуют с U02 смесь моно- и дисольватов; замещённые по верхнему ободу диалкилфосфиноксидные каликс[п]арены образуют с U02 преимущественно моносольваты; показано, что в экстракции одного пертехнетат-иона замещёнными по верхнему ободу диалкилфосфиноксидными каликсаре-нами принимают участие две фосфорильные группы каликсарена.

5. Выявлено, что диалкилфосфиноксидные каликсарены могут эффективно извлекать одновременно Am3+, Еи3+, Тс04" и Pd2+ из растворов ВАО; разработан метод извлечения и концентрирования катионов металлов из азотнокислых сред с помощью калике [4] аренов с регулируемой гидрофильностью; при этом образуются преимущественно полусольваты каликсарена с европием М2Ь. Разработанный метод испытан на реальных ВАО.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Караван, Мария Дмитриевна, 2009 год

1. Gutsche С., Stoddart J. F. / Calixarenes. Monographs in Supramo-lecular Chemistry. № 1. The Royal Society of Chemistry. Cambridge. 1989.

2. Антипин И. С., Казакова Э. X., Хабихер В. Д., Коновалов А. И. Фосфор-содержащие каликсарены // Успехи химии. 1998. 67(11). С. 995 -1012.

3. Gutsche С., Stoddart J. F. / Calixarenes Revisited. Monographs in Supramolecular Chemistry. № 1. The Royal Society of Chemistry. Cambridge. 1998.

4. Andreetti G. D., Ungaro R. and Pochini A. Crystal and Molecular Structure of cyclo{quarter(5-t-butyl-2-hydroxy-l,3-phenylene)-methylene.} Toluene (1 : 1) Clathrate //J. Chem. Soc. Commun. 1979. P. 1005.

5. Arduini A., Pochini A., Reverberi S., Ungaro R. p-t-butylcalix4.arene Tetracarboxylic Acid. A Water Soluble Calixarene in a Cone Structure // J. Chem. Soc. Commun. 1984. P. 981.

6. Gutsche C. D., Dhawan В., Levine J. A., Kwang H. N., Bauer L. J. Calixarenes. 9. Conformational Isomers of the Ethers and Esters of ca-lix4.arenes // Tetrahedron, 1983. 39. P. 409 426.

7. Gutsche С. D., Bauer L. J. Calixarenes. 5. Dynamic NMR Characteristics of p-t-butylcalix4.arene and p-t-butylcalix[8]arene // Tetrahedron Lett. 1981.22. P. 4763 4766.

8. Gutsche C. D., Bauer L. J. Calixarenes. 13. The Conformational Properties of Calix4.arenes, Calix[6]arenes, Calix[8]arenes and Oxacalixarenes // J. Chem. Soc. Commun., 1985. 107. P. 6052 6059.

9. Iwamoto K., Araki K., Sinkai S. Conformations and Structures of tetra-0-alkyl-p-t-butylcalix4.arenes. How is the conformation of calix[4]arenes immobilized? // J. Org. Chem. 1991. 56. P. 4955 4962.

10. Maskal M., Naven R. Т., Warmuth R. Conformational Restriction of Calixarenes by 'meta'-Substitution // Tetrahedron Lett. 1995. 36. P. 9361 -9364.

11. Gutsche C. D., Dhawan В., No K. N., Muthukrishnan R. Calixarenes. 4. The Synthesis, Characterization and Properties of the Calixarenes from p-t-butylphenol // J. Am. Chem. Soc. 1981. 103: P. 3782.

12. Gutsche C. D., Gutsche A. E., Karaulov A. I. Calixarenes. 11. Crystal anad Molecular Structure of p-t-butylcalix8.arene // J. Incl. Phenom. 1985. 3. P 447.

13. Lumetta G. J., Rogers R. D., Gopalan A. S. Calixarenes for separation / ACS Symposium Series. 757. Am. Chem. Soc. Washington. DC. 2000.

14. Sinkai S., Mori S., Tsubaki Т., Sone Т., Manabe O. Water-soluble Host Molecules derived from calix6.arene // Tetrahedron Lett. 1984. 25 P. 5315-5318.

15. Sinkai S., Araki K., Tsubaki Т., Arimura Т., Manabe O. New Synthesis of Calixarenes p-Sulphonates and p-Nitrocalixarenes // Chem. Soc., Per-kin. Trans. 1. 1987. P. 2297.

16. Izatt R. M., Christensen J. J., Hawkins R. T. / US Patent 4,477,377, 16 Oct 1984 (Chem. Abstr., 101:21833m).

17. Moyer B. // 5th Int. Symp. on Exhibition Environmental Contamination in Central Eastern Europe. Prague. 2000. Sept. 12.

18. Grunder M., Dozol J. F., Asfari Z., Vicens J. Simultaneous removal of technetium and cesium by functionalized calixarenes from acidic liquid waste //J. Radioanal. Nucl. Chem. 1999. 59. P. 241.

19. Yamamoto H., Shinkai S. Molecular Design of Calix4.arene-hosted Sodium Selective Electrodes which show remarkably high 10 (5,0)-10(5,3) Sodium/Potassium Selecti-vity // Chem. Lett. 1994. P. 1115 1118.

20. Ungaro R., Dozol J. F., Arnaud F., Schwing M. J., Wipff G., Reinhoudt D. N. // Fourth Conference of the European Commission on the Management and Disposal of Radioactive Waste. Luxembourg. 1996. P. 119 133.

21. Dozol J. F., Asfari Z., Hill C., Vicens J. / French patent number 92 14245. international number WO 94 12502. 1992. Nov. 26.

22. Dozol J. F., Rouquette H., Ungaro R., Casnati A. / French patent number 93 04566. international number WO 94 24138. 1993. Apr. 19.

23. Dozol J. F., Lamare V., Bressot C., Ungaro R., Casnati A., Vicens J., Asfari Z. / French patent number 97 02490. international number W098 39321. 1997. Mar. 3.

24. Haverlock T. J., Sachleben R. A., Bonnesen P. V., Moyer B. A. Analysis of equilibria in the extraction of cesium nitrate by calix4.arene-bis(t-octylbenzo-crown-6) in 1,2-dichloroethane // J. Incl. Phenom. 2000. 36. P. 21 -37.

25. Dozol J. F., Simon N., Lamare V., Rouquette H., Eymard S., Tour-nois В., De Marc D. A solution for cesium removal from high-salinity acidic or alkaline liquid waste: The crown calix4.arenes // Sep. Sci. Technol. 1999. 34. P. 877 909.

26. Sachleben R. A., Urvoas A., Bryan J. C., Haverlock T. J., Hay B. J., Moyer B. A. Dideoxygenated calix4.arene crown-6 ethers enhanced selectivity for cesium over potassium and rubidium // Chem. Commun. 1999. P. 17511752.

27. Arduini A., Pochini A., Reverberi S., Ungaro R., Andreetti G. D., Ugozzoli F. The Preparation and Properties of a New Lipophilic Sodium Selective Ether Eater Ligand Derived from p-tert-butyl-calix4.arene // Tetrahedron. 1986. 42. P. 2089-2100.

28. Arnaud-Neu F., Schwing-Weil M. J., Ziat K., Cremin S., Harris S. J., McKervey M. A. Selective Alkali and Alkaline Earth Cation Complexation by Calixarene Amides // New J. Chem. 1995. 15. P. 33 37.

29. Ludwig R., Nguyen Т. K. D., Kunogi K., Tachimory S. // Proc. 2nd Intern. Symp. NUCEF'98 on Safety Research and Development of Base Technology on Nucl. Fuel Cycle. Hitachivaha. Ibaraki. 1998. Nov. 16.

30. Malkhede D. D., Dhadke P. M., Khopkar S. M. Liquid-liquid extraction of thorium(IV) with hexaacetato calix(6)arene // J. Radioanal. Nucl. Chem. 1999. 241. P. 179.

31. Nagasaki Т., Arimura Т., Shinkai S. A New Calix6.arene-based • Uranophyle with Phosphonate Groups as Ligands // Bull. Chem. Soc. Japan. 1991.64. P. 2575-2577.

32. Babain V. A., Kamachev V. A. et al. // Project INCOPERNICUS. Contract IC15-CT98-0208.

33. Eggert J. P. W., Harrowfield J. M., Liming U., Skelton B. W., White A. H. Lanthanide(III) ion coordination by a concave reagent // Polihe-dron. 2006. 25. P. 910-914.

34. Ludwig R., Lentz D., Nguen Т. K. D. Trivalent lanthanide and acti-nide extraction by calixarenes with different ring sizes and different molecular flexibility // Radiochimica Acta. 2000. 88(6). P. 335 343.

35. Романовский В. H., Шадрин А. Ю., Зильберман Б. Я., Бабаин В. А., Смирнов И. В., Шмидт О. В. Экстракционное извлечение долгожи-вущих радионуклидов из ВАО. Ч. 1 // Вопросы радиационной безопасности 2004, 2004. 1(33). С. 6.

36. Schulz W. W., Navratil J. D. Bifunctional organophosphorus liquid-liquid extraction reagents: development and applications // Sep. Sci. Tech-nol. 1984. 19. P. 927-941.

37. Yaftian M. R., Burgard M., Matt D., Dieleman С. В., Rastegar F. Solvent extraction of the rare-earth metal ions by a cone-shaped calix4.arene substituted at the lower rim by four -CH2P(0)Ph2 ligands // Solv. Extr. Ion Exch. 1997. 15. P. 975 989.

38. Розен A. M., Волк В. И., Бахрушин А. Ю., Захаркин Б. С., Кар-ташева Н. А., Крупнов Б. В., Николотова 3. И. Экстрагенты для глубокого извлечения ТПЭ из отходов радиохимических процессов // Радиохимия. 1999.41(3). С. 205-211.

39. Horwitz Е. P., Diamond Н., Martin К. A. Extraction of selected ас-tinides in the (III), (IV) and (VI) oxidation states from hydrochloric acid by O-phi D(iB)-CMPO: the TRUEX-chloride process // Solvent Extr. Ion Exch. 1987. 5. p. 447 470.

40. Barboso S., Garcia Carrera A., Matthews S. E., Arnaud-Neu F., Bohmer V., Dozol J. F., Rouquette H., Schwing-Weill M. J. Calix4.arenes with

41. CMPO functions at the narrow rim. Synthesis and extraction properties // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1999. P. 719 723.

42. Paleologos E. K., Giokas D. L., Karayannis M. I. Micelle-mediated separation and cloud-point extraction // Trends in Analytical Chemistry. 2005. 24(5). P. 426 436.

43. Silva M. F., Fernandes L., Olsina R. A., Stacchiola D. Cloud point extraction, preconcentration and spectrophotometric determination of er-bium(III)-2(3,5-dichloro-2-pyridylazo)-5-dimethylaminophenol // Anal. Chim. Acta. 1997. 342. P. 229 238.

44. Smirnov I., Karavan M., Babain V., Kvasnitskiy I., Stoyanov E., Miroshnichenko S. Effect of alkyl substituents on extraction properties and solubility of calix4.arene dialkylphosphine oxides // Radiochimica Acta. 2007. V'. 95. P. 97-102.

45. Николаев А. В., Яковлев И. И. Клатратооборазование / Наука. Новосибирск. 1975. С. 46-51.

46. Якимова JI. С. Клатратообразование бета-циклодекстрина и производных калике4.арена с парообразными органическими гостями в бинарных и тройных системах. // Автореферат дисс. канд. хим. наук. Казань. 2008.20 С.

47. Nielsch W. // Mikrochim. Acta. 1954. P. 532

48. Марченко 3. Фотометрическое определение элементов / Мир. Москва. 1971. С. 429-431

49. Смирнов И. В., Караван М. Д., Ефремова Т. И., Бабаин В. А., Мирошниченко С. И., Черенок С. А., Кальченко В. И. Экстракция америция, европия, технеция и палладия из азотнокислых сред // Радиохимия. 2007. Т. 49 (5). С. 423-431.

50. Караван M. Д., Смирнов И. В., Бабаин В. А., Ефремова Т. И., Кальченко В. И. Фосфорилированные каликсарены для переработки В АО // Труды XIII Российской конференции по экстракции. Москва. 19-24'сентября 2004. С. 95-97.

51. Смирнов И. В., Караван М. Д. Калике4.арены, фосфорилированные по нижнему ободу, для извлечения РН из ЖРО // Труды IX Международной студенческой научной конференции «Полярное Сияние -2006». Санкт-Петербург. 30 января 4 февраля 2006. С. 315-318.

52. Смирнов И. В., Бабаин В. А., Караван М. Д., Кальченко В. И. Способ выделения' металлов из растворов (варианты) / Патент РФ № 2.343.164, 28.09.2007, опубликовано 10.01.2009.

53. Smirnov I. V., Karavan М. D. Cloud-Point Extraction Of Radionuclides By Phosphorylated Calix4.arenes // Труды Международной летнейшколы "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology" Tuapse-2006. Туапсе. 25-29 сентября 2006. P. 38.

54. Караван M. Д., Смирнов И. В., Ефремова Т. И. Экстракция технеция и урана замещёнными каликсаренами из азотнокислых сред // Труды V Российской конференции «Радиохимия 2006». Дубна. 23-28 октября 2006. С. 100-101.

55. Stojanov Е., Mikhailov V. A., Chekmarev А. М., Chizhevskaya S. V. //J. Inorg. Chem. 1990. 35(6). P. 1451 1459.

56. Климчук О. В. Дизайн, синтез и ионофорные свойства фосфорилированных калике4.аренов // Автореферат дисс. канд. хим. наук. Киев. 2004.18 С.

57. Gao В., Feng Y., Zhou L., Ma X. Progress of inclusion property of calixarene // Chinese Journal of Organic Chemistry. 2004. 24(7). P. 713 721.