CN101659634A - 阴离子磺酸型双子表面活性剂dtm的合成方法 - Google Patents

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李俊秀
冯玉军
高冬梅
王碧清
黄晶
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Abstract

本发明公开了一种阴离子磺酸型双子表面活性剂DTM的合成方法,包括以下步骤:(1)在反应釜中加入催化剂水溶液,然后分别加入乙二胺和适量2-氯乙基磺酸钠,搅拌均匀;(2)在40-100℃下反应4-12h后,恢复室温;(3)加入适量溶剂后,搅拌下缓慢加入适量月桂酰氯CnH2n+1COCl,所述月桂酰氯CnH2n+1COCl中的n分别为7、9、11、13、15;加完酰氯后,升温至40-80℃下反应2-12小时,趁热出料;(4)反应体系冷却后成膏体,加入适量溶剂后过滤,干燥后为该表面活性剂。本发明所提供的方法所需原料价廉易得,反应条件温和,操作更加简便,反应进行完全,无须中间体的提纯,产物易于纯化,真正实现了一锅反应。

Description

阴离子磺酸型双子表面活性剂DTM的合成方法
技术领域
本发明涉及一种新的一锅大规模合成具有下列式(1)的阴离子磺酸型双子表面活性剂(DTM)的方法:
Figure G2009100928349D00011
其中,
n=6,8,10,12,14;
该表面活性剂具有广泛用于洗涤、化妆品、采油等领域的前景。
背景技术
双子表面活性剂(gemini或dimeric surfactant)是通过一个连接基以化学键的方式将两个传统表面活性剂分子连接而成,分子中含有2个亲水基团及2个亲油链。
1936年,Kreimeier等报导了以乙炔作为连接基将两个醇分子连接在一起的双亲化合物,该结构被后世公认为最早的双子表面活性剂,但当时并未引起足够的重视。直到1971年,Bunton等才首先对烷基-α,ω-双烷基双甲基烷基溴化铵的合成以及表面性质、临界胶束浓度等方面的研究进行了报导。1974年,Deinega等合成了一组新型两亲分子,离子头分别与一个亲油性的长链碳氢连接。1991年,Menger等合成了双烷基表面活性剂,由于其结构类似于天文学上的双子星座,因此给这种两亲分子命名为“Gemini(天文学上的‘双子星座’)表面活性剂”。后来,美国纽约城市大学的Rosen小组和Zana小组等采用这一命名系统研究了PEO和PPO作为连接基的双子表面活性剂的合成及其表面性能。
近年来,世界各国多个研究小组都对双子表面活性剂的研究兴趣异常高涨,目前,国外已经合成了阴离子、阳离子、非离子及两性离子型的多种Gemini表面活性剂。例如上世纪90年代,日本的Okahara研究小组率先合成了双磺酸盐阴离子Gemini表面活性剂,与传统单链表面活性剂相比,这些新型表面活性剂不仅具有良好的水溶性,并且能在极低的浓度下形成胶束,也能更有效地降低溶液的表面张力。
尽管国内外对双子表面活性剂进行了大量的研究,但是由于双子表面活性剂的结构特点,其合成方法一般都条件苛刻、操作繁复,从而导致合成成本高昂,大规模工业化缺乏必要的经济性,这使得真正工业化生产的双子表面活性剂品种稀少,特别是具有良好综合性能(表面活性、耐温耐盐性等)的阴离子类双子表面活性剂的品种更少。
对于本发明所提到的DTM阴离子磺酸型双子表面活性剂,可广泛用于洗涤、增溶、乳化以及三次采油等领域。在2006年,西南石油大学的胡星琪、赵田红等报导了其合成方法(一种双酰胺双磺酸盐双子表面活性剂及其合成方法,CN1935346),如下面反应方案1显示:
反应方案1
Figure G2009100928349D00021
其中,
n=6,8,10,12,14;
根据上面的反应方案1,1分子化合物(2)与2分子的2-溴乙基磺酸钠在碱性水条件下,50-70℃,6-8小时缩合,然后向反应体系中加入大量乙醇,从而析出中间体化合物(3)。该中间体化合物(3)进一步在丙酮水溶液中,在三乙胺的作用下与所述酰氯CnH2n+1COCl酰胺化,其中n分别为7、9、11、13、15,在滴加酰氯的过程中,同时滴加三乙胺/丙酮溶液,在一定温度下反应5-8h后,冷却析出,过滤,用无水乙醇洗涤,干燥后为目标产物DTM。
同时,赵田红等还报导了另外一种合成方法(彭国峰,蒋燕武,赵田红等。阴离子型Gemini表面活性剂的合成与表征[J]。精细石油化工进展,2007,8(3):50-53。),如下面反应方案2显示:
反应方案2
Figure G2009100928349D00031
其中,
n=6,8,10,12,14;
根据上面的反应方案2,1分子的化合物(2)与两分子的所述酰氯CnH2n+1COCl(其中n分别为7、9、11、13、15)在甲苯中三乙胺作用下酰胺化得到一个双酰胺(4),该双酰胺经丙酮纯化后,在碳酸钠作用下与2-溴乙基磺酸钠发生取代反应后,经乙醇纯化后得到目标化合物DTM。
在上述方案1中,其中第一步骤中使用了昂贵的2-溴乙基磺酸钠,并且还涉及中间体(3)的提纯,这对于成本控制和实际工业操作带来了不利之处。在第二步骤中多个原料同时滴加,也给实际的操作控制带来了不稳定因素。而且,两个步骤无法在一锅中实现,因此,该方法不适合于大规模工业化。
在上述方案2中,同样也存在两个无法在一锅中实现的两个步骤,也用到了昂贵的2-溴乙基磺酸钠,而且还用到了较昂贵且有毒的甲苯溶剂,因此将此方法用于大规模生产也是不适当的。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种更加方便、便宜和有效的方法来制备双子表面活性剂DTM。
本发明所采用的技术方案如下,包括以下步骤:
(1)在反应釜中加入催化剂水溶液,然后分别加入乙二胺和适量2-氯乙基磺酸钠,搅拌均匀;
(2)在40-100℃下反应4-12h后,恢复室温;
(3)加入适量溶剂后,搅拌下缓慢加入适量月桂酰氯CnH2n+1COCl,所述月桂酰氯CnH2n+1COCl中的n分别为7、9、11、13、15;加完酰氯后,升温至40-80℃下反应2-12小时,趁热出料;
(4)反应体系冷却后成膏体,加入适量溶剂后过滤,干燥后为该表面活性剂。
优选地,在所述步骤(1)~(3)中的物料配比(摩尔比)为:乙二胺∶催化剂∶2-氯乙基磺酸钠∶月桂酰氯=1∶4~5∶2~3∶2~3。
优选地,所述催化剂是选自氢氧化钠、三乙胺、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化锂等的一种或多种。
优选地,所述溶剂是选自丙酮、水、四氢呋喃、2-丁酮等的一种或多种。
与现有技术相比,本发明所提供的方法所需原料价廉易得,反应条件温和,操作更加简便,反应进行完全,无须中间体的提纯,产物易于纯化,真正实现了一锅反应,大幅提高了产率,降低了生产成本,极易实现工业化,具有极高的市场化前景。本发明的目标物表面活性优良,以DTM-12为例,其在临界胶束浓度下的表面张力为25.4mN/m,其临界胶束浓度为0.007wt%。
附图说明
图1是本发明DTM-12的γ-C曲线(30℃);
图2是本发明双子表面活性剂DTM-12的红外谱图。
具体实施方式
本发明所合成的阴离子磺酸型双子表面活性剂为乙撑-双(N-乙磺酸盐基-烷基酰胺)简记为DTM,当n=6、8、10、12、14时分别简记为DTM-6、DTM-8、DTM-10、DTM-12、DTM-14,其结构式如下:
其中;
n=6,8,10,12,14。
该表面活性剂的合成原理采用的是先取代后酰胺化方法,其原理如下:
Figure G2009100928349D00052
其中;
n=6,8,10,12,14。
实施例1制备DTM-12:
在200L反应釜中,加入NaOH(6kg,150mol),溶于50kg水搅拌溶解,再倒入乙二胺(1.8kg,29.95mol),随后加入2-氯乙基磺酸钠(12.92kg,70mol),在60℃,反应8h后,将体系温度降至室温后,向体系加入15kg丙酮或丁酮,随后通过高位加料槽缓慢加入月桂酰氯(15.27kg,70mol),大约1-3h滴完。滴加完毕后,再将体系温度升至40-80℃反应4-6h结束。趁热出料放置冷却。向冷却后的膏体加入适当的水和丙酮,过滤抽干,烘箱烘干至衡重得白色固体粉末(DTM-12)18.5kg(产率达到89.5%)。
实施例2制备DTM-12:
在200L反应釜中,加入NaOH(5.4kg,135mol),溶于50kg水中搅拌溶解,再倒入乙二胺(1.8kg,29.95mol),随后加入2-氯乙基磺酸钠(13.83kg,75mol),在60℃,反应8h后,将体系温度降至室温后,向体系加入15kg丙酮或丁酮,随后通过高位加料槽缓慢加入月桂酰氯(16.36kg,75mol),大约1-3h滴完。滴加完毕后,再将体系温度升至40-80℃反应4-6h结束。趁热出料放置冷却。向冷却后的膏体加入适当的水和丙酮,过滤抽干,烘箱烘干至衡重得白色固体粉末(DTM-12)17.77kg(产率达到86.2%)。
实施例3制备DTM-12:
在200L反应釜中,加入NaOH(4.8kg,120mol),溶于50kg水中搅拌溶解,再倒入乙二胺(1.8kg,29.95mol),随后加入2-氯乙基磺酸钠(11.07kg,60mol),在60℃,反应8h后,将体系温度降至室温后,向体系加入15kg丙酮或丁酮,随后通过高位加料槽缓慢加入月桂酰氯(13.09kg,60mol),大约1-3h滴完。滴加完毕后,再将体系温度升至40-80℃反应4-6h结束。趁热出料放置冷却。向冷却后的膏体加入适当的水和丙酮,过滤抽干,烘箱烘干至衡重得白色固体粉末17kg(产率达到82.5%)。
对DTM-12的表面活性测定如下:
表面张力是表面活性剂降低水的表面张力的能力,其是评价其表面活性的重要参数。我们对实施例1中合成表面活性剂DTM-12的表面张力进行了测定,其水溶液表面张力随浓度变化曲线见图1。通过实验发现,DTM-12的临界胶束浓度和临界胶束浓度下的表面张力都非常低,如DTM-12的临界胶束浓度为0.007wt%,在临界胶束浓度下表面张力(γcmc)为25.4mN/m。
通过实施例1得到的DTM-12表面活性剂的红外谱图见图2,由谱图解析得知:954.1cm-1和1465.1cm-1分别为CH3的反对称伸缩和平面摇摆振动峰;1375.8cm-1为CH3的面内剪式振动峰;2917.9cm-1和2848.8cm-1为-CH2-的反对称和对称伸缩振动峰;1465.1cm-1和718.6cm-1分别为-CH2-的面内剪式振动和平面摇摆振动峰;1638.4cm-1为其叔酰胺的特征峰;1431.0cm-1为羰基对称伸缩振动峰;1184.8cm-1和1061.3cm-1为产物中-S=O的反对称伸缩和对称伸缩振动峰;625.0cm-1为-SO的反对称伸缩振动峰。
虽然本发明仅举例了n为12的DTM,但根据上述方法也可以很容易地制备出n为6、8、10、14的DTM。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围,因此,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种阴离子磺酸型双子表面活性剂DTM的合成方法,包括以下步骤:
(1)在反应釜中加入催化剂水溶液,然后分别加入乙二胺和适量2-氯乙基磺酸钠,搅拌均匀;
(2)在40-100℃下反应4-12h后,恢复室温;
(3)加入适量溶剂后,搅拌下缓慢加入适量月桂酰氯CnH2n+1COCl,所述月桂酰氯CnH2n+1COCl中的n分别为7、9、11、13、15;加完酰氯后,升温至40-80℃下反应2-12小时,趁热出料;
(4)反应体系冷却后成膏体,加入适量溶剂后过滤,干燥后为该表面活性剂。
2、如权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述步骤(1)~(3)中的物料配比(摩尔比)为:乙二胺∶催化剂∶2-氯乙基磺酸钠∶月桂酰氯=1∶4~5∶2~3∶2~3。
3、如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述催化剂是选自氢氧化钠、三乙胺、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化锂等的一种或多种。
4、如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述溶剂是选自丙酮、水、四氢呋喃、2-丁酮等的一种或多种。
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