CN102250352A - 一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,本发明涉及合成聚天冬氨酸的方法。本发明解决了现有的采用氯铝酸型离子液体作为反应溶剂合成聚天冬氨酸的方法产率低、产物分离过程困难及反应温度高的技术问题。本方法:将咪唑类离子液体和L-天冬氨酸加入容器中,升温至145℃~158℃并保持0.5h~6h得到聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体;将混合液体冷却后加入去离子水使聚琥珀酰亚胺析出,聚琥珀酰亚胺洗涤后,用氢氧化钠水溶液溶解,再用盐酸调节pH值至3.0~3.5,用乙醇沉析,得到聚天冬氨酸沉淀,再经过滤干燥后得到聚天冬氨酸。本发明聚天冬氨酸的产率为50%~70%,本发明可用于水处理阻垢剂聚天冬氨酸的合成。
Description
技术领域
本发明涉及合成聚天冬氨酸的方法。
背景技术
聚天冬氨酸是阻垢分散剂更新换代产品。液相聚合方法合成聚天冬氨酸具有反应均匀,合成温度低,反应时间短,产物分子量较高等优点。但传统液相聚合使用的有机溶剂具有对L-天冬氨酸溶解性能差,自身没有催化性能,易挥发、热稳定性差等缺点。现有的采用氯铝酸型离子液体作为反应溶剂合成聚天冬氨酸,虽改善了对反应单体的溶解性以及聚合反应的催化性能,但其合成产物产率较低,仅为30%~40%,同时,由于此种离子液体与水发生反应,反应过程需严格控制,增大了产物与离子液体分离处理难度,反应温度需达到200℃以上方能得到阻垢率高的产物,难以应用此种方法对聚天冬氨酸大规模投入生产。
发明内容
本发明是要解决现有的采用氯铝酸型离子液体作为反应溶剂合成聚天冬氨酸的方法产率低,反应温度高及产物分离过程困难的技术问题,而提供一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法。
本发明的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法按以下步骤进行:一、按咪唑类离子液体与L-天冬氨酸的质量比为1∶0.25~1.5比例称取咪唑类离子液体和L-天冬氨酸,加入到具有搅拌装置的容器中,在搅拌条件下,升温至145℃~158℃并保持0.5h~6h,得到聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体;二、将步骤一得到的聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体冷却至15℃~30℃,在搅拌作用下,加入去离子水,有固体析出,抽滤分离出固体,再用去离子水洗涤,得到聚琥珀酰亚胺;三、用质量浓度为10%~50%的氢氧化钠水溶液将步骤四得到的聚琥珀酰亚胺完全溶解,然后再用质量浓度为10%~50%的盐酸溶液调节pH值至3.0~3.5,再加入乙醇沉析,将得到的沉淀过滤后,再干燥,得到聚天冬氨酸;步骤一中咪唑类离子液体的阴离子为Br-离子。
本发明采用咪唑类离子液体作为反应溶剂,其热稳定性较其他类型离子液体好;阳离子咪唑为强极性离子,阴离子Br-能与咪唑阳离子形成稳定的离子对结构,同时亦能形成氢键结构,使离子对更加稳定,进一步增强离子液体热稳定性,解决了液相聚合体系易挥发、对环境有害等缺点。本发明中所用离子液体阴离子Br-接受氢键的能力较强,可以与L-天冬氨酸上的羟基形成氢键,从而破坏原有组织的氢键,促进有机物溶解,使反应单体均匀溶解于溶剂中。随着温度升高,离子液体中阴离子与L-天冬氨酸羟基形成氢键的相互作用得以加强,增大了单体在反应溶剂中的溶解度,解决了液相聚合反应对单体溶解性能不够优良的缺点,有利于反应过程传质传热以及聚合反应的进行。本发明中咪唑类离子液体阴离子Br-为吸电子基团,能够增加反应单体羧酸基团上羰基碳的碳正性,使亲核试剂氨基倾向于向羧基进攻,发生脱水缩合反应,对反应过程有催化作用,无需外加催化剂,处理过程简单,不会造成环境污染。反应温度155℃即可得到阻垢率较高的产物,较以往液相聚合反应温度降低30℃~50℃左右。本发明中所用反应介质与水不发生反应,分离过程只需加入去离子水即可将离子液体与聚合物分离,操作简单,无污染。本发明的方法聚天冬氨酸的产率为50%~70%。本发明方法制作得到的聚天冬氨酸阻垢性能优异,通过静态阻垢性能试验(GBT 16632-2008碳酸钙沉积法)可知,其阻垢率为90%~95%,与以往液相聚合方法相比,在相同条件下阻垢率可提高7%左右。
本发明可用于水处理阻垢剂聚天冬氨酸的合成。
附图说明
图1是具体实施方式十四的聚天冬氨酸的红外吸收光谱图,图中a为固相合成方法合成的聚天冬氨酸的红外吸收光谱,b为具体实施方式十四利用咪唑类离子液体合成的聚天冬氨酸的红外吸收光谱;图2是具体实施方式十四的聚天冬氨酸的核磁共振氢谱谱图,图中a为固相合成方法合成聚天冬氨酸的核磁共振氢谱谱图,b为具体实施方式十四利用咪唑类离子液体合成的聚天冬氨酸的核磁共振氢谱谱图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法按以下步骤进行:一、按咪唑类离子液体与L-天冬氨酸的质量比为1∶0.25~1.5比例称取咪唑类离子液体和L-天冬氨酸,加入到具有搅拌装置的容器中,在搅拌条件下,升温至145℃~158℃并保持0.5h~6h,得到聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体;二、将步骤一得到的聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体冷却至15℃~30℃,在搅拌作用下,加入去离子水,有固体析出,抽滤分离出固体,再用去离子水洗涤,得到聚琥珀酰亚胺;三、用质量浓度为10%~50%的氢氧化钠水溶液将步骤四得到的聚琥珀酰亚胺完全溶解,然后再用质量浓度为10%~50%的盐酸溶液调节pH值至3.0~3.5,再加入乙醇沉析,将得到的沉淀过滤后,再干燥,得到聚天冬氨酸;步骤一中咪唑类离子液体的阴离子为Br-离子。
本实施方式所述的咪唑类离子液体按现有技术的方法制备。
本实施方式采用咪唑类离子液体作为反应溶剂,其热稳定性较其他类型离子液体好;阳离子咪唑为强极性离子,阴离子Br-能与咪唑阳离子形成稳定的离子对结构,同时亦能形成氢键结构,使离子对更加稳定,进一步增强离子液体热稳定性,解决了液相聚合体系易挥发、对环境有害等缺点。本实施方式中所用离子液体阴离子Br-接受氢键的能力较强,可以与L-天冬氨酸上的羟基形成氢键,从而破坏原有组织的氢键,促进有机物溶解,使反应单体均匀溶解于溶剂中。随着温度升高,离子液体中阴离子与L-天冬氨酸羟基形成氢键的相互作用得以加强。增大了单体在反应溶剂中的溶解度,解决了液相聚合反应对单体溶解性能不够优良的缺点,有利于反应过程传质传热以及聚合反应的进行。本实施方式中咪唑类离子液体阴离子Br-为吸电子基团,能够增加反应单体羧酸基团上羰基碳的碳正性,使亲核试剂氨基倾向于向羧基进攻,发生脱水缩合反应,对反应过程有催化作用,无需外加催化剂,处理过程简单,不会造成环境污染。反应温度155℃即可得到阻垢率较高的产物,较以往液相聚合反应温度降低30℃~50℃。本实施方式中所用反应介质与水不发生反应,分离过程只需加入去离子水即可将离子液体与聚合物分离,操作简单,无污染。本发明的方法聚天冬氨酸的产率为50%~70%。本实施方式方法制作得到的聚天冬氨酸阻垢性能优异,通过静态阻垢性能试验(GBT 16632-2008碳酸钙沉积法)可知,其阻垢率为90%~95%,与以往液相聚合方法相比,在相同条件下阻垢率可提高7%左右。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中咪唑类离子液体与L-天冬氨酸的质量比为1∶0.30~1.2。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中咪唑类离子液体与L-天冬氨酸的质量比为1∶0.8。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤一中咪唑类离子液体和L-天冬氨酸加入到具有搅拌装置的容器中后,升温至148℃~155℃并保持1h~5h。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤一中咪唑类离子液体和L-天冬氨酸加入到具有搅拌装置的容器中后,升温至152℃并保持3h。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤二中将混合液体冷却至18℃~26℃。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤二中将混合液体冷却至20℃。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤三中氢氧化钠水溶液的质量浓度为15%~45%。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤三中氢氧化钠水溶液的质量浓度为30%。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤三中盐酸溶液的质量浓度为15%~45%。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤三中盐酸溶液的质量浓度为30%。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是:步骤三中调节pH值至3.1~3.4。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是:步骤三中调节pH值至3.3。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十四:本实施方式的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法按以下步骤进行:一、称取20mL咪唑类离子液体和10gL-天冬氨酸,加入到具有搅拌装置的容器中,在搅拌条件下,升温至155℃并保持2h,得到聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体;二、将步骤一得到的聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体冷却至20℃,在搅拌作用下,加入去离子水,有固体析出,抽滤分离出固体,再用去离子水洗涤,得到聚琥珀酰亚胺;三、用质量浓度为10%的氢氧化钠水溶液将步骤四得到的聚琥珀酰亚胺完全溶解,然后再用质量浓度为10%的盐酸溶液调节pH值至3.5,再加入乙醇沉析,得到聚天冬氨酸沉淀,将聚天冬氨酸沉淀过滤出来,在温度80℃的条件下干燥6h,得到聚天冬氨酸。
本实施方式的步骤一中咪唑类离子液体的制备方法如下:一、按N-甲基咪唑与溴丁烷的摩尔比为1∶1.2的比例称取N-甲基咪唑和溴丁烷并加入到具有搅拌回流装置的反应器中,在搅拌条件下,加热至沸腾回流反应12h;二、将反应器降温至20℃,有固体析出,将析出的固体过滤出来,用乙酸乙酯洗涤,然后再将该固体加入到旋转蒸发仪中,在温度为70℃、真空度为0.095MPa的条件下旋转蒸发2h,得到咪唑类离子液体。
用传统固相合成方法合成聚天冬氨酸的方法如下:将L-天冬氨酸加入到容器中,加热至220℃并保持4h,得到中间体聚琥珀酰亚胺,再用质量浓度为10%的氢氧化钠水溶液将中间体聚琥珀酰亚胺完全溶解,然后再用质量浓度为10%的盐酸溶液调节pH值至3.5,再加入乙醇沉析,得到聚天冬氨酸沉淀,将聚天冬氨酸沉淀过滤出来,在温度80℃的条件下干燥6h,得到聚天冬氨酸。
将本实施方式的利用咪唑类离子液体合成的聚天冬氨酸与传统固相合成方法合成聚天冬氨酸做为样品,测试两种样品的红外吸收光谱图如图1所示,图中a为固相合成方法合成的聚天冬氨酸的红外吸收光谱,b为利用咪唑类离子液体合成的聚天冬氨酸的红外吸收光谱;从图1的a中可以看出在3410cm-1处有明显的吸收峰,为二级酰胺中的N-H键的伸缩吸收峰,说明聚合物中含大量的二级酰胺键;在1656cm-1为酰胺基吸收峰的酰胺I带,即酰胺中羰基的吸收峰,在1531cm-1和1280cm-1为酰胺基δNH和vC-N之间偶合造成酰胺II、III带,表明聚合物水解开环后具有仲酰胺结构;1720cm-1和1392cm-1处的吸收峰分别为羧酸根-COO-中C=O振动偶合产生的反对称伸缩振动和对称伸缩振动吸收峰,3000-3600cm-1的宽峰是羧基的羟基峰和酰氨基的氨基峰的叠加。
从图1的b中可以看出利用咪唑类离子液体合成的聚天冬氨酸具有酰胺结构,对比传统方法合成的聚天冬氨酸谱图,特征吸收峰位置相同,证明了利用咪唑类离子液体合成的聚合物均具有聚天冬氨酸结构特征。
将本实施方式的利用咪唑类离子液体合成聚天冬氨酸得到的聚天冬氨酸与固相合成方法合成聚天冬氨酸做为样品,测试两种样品的核磁共振氢谱谱图如图2所示,图中a为固相合成方法合成的聚天冬氨酸的核磁共振氢谱谱图,b为利用咪唑类离子液体合成的聚天冬氨酸的核磁共振氢谱谱图;从图2的a中可以看出传统固相缩合所得聚天冬氨酸中α体的亚甲基(-CH2-)和次甲基(-CH-)上的氢质子峰在位移为δ=3.102ppm、δ=4.947ppm处;β体的亚甲基(-CH2-)和次甲基(-CH-)上的氢质子峰在位移为δ=2.780ppm、δ=4.597ppm处;从图2的b可以看出,本实施方式的在离子液体中合成的聚天冬氨酸中α体的-CH2-和-CH-上的氢质子峰在位移为δ=3.132ppm、δ=4.914ppm处;β体的-CH2-和-CH-上的氢质子峰在δ=2.760ppm、δ=4.514ppm处。咪唑类离子液体中合成的聚合产物经水解后存在-CH2-和-CH-的氢质子峰,与传统热缩聚合方法得到的聚天冬氨酸对比,峰位置基本一致,结合红外谱图分析可以得到最终结论:咪唑类离子液体能使L-Asp发生聚合生成最终产物聚天冬氨酸。
本实施方式的方法聚天冬氨酸的产率为67%。
本实施方式利用咪唑类离子液体合成聚天冬氨酸通过静态阻垢性能试验(GBT16632-2008碳酸钙沉积法)可知,其阻垢率可为95%,与以往液相聚合方法相比,在相同条件下阻垢率可提高7%。
Claims (10)
1.一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法按以下步骤进行:一、按咪唑类离子液体与L-天冬氨酸的质量比为1∶0.25~1.5比例称取咪唑类离子液体和L-天冬氨酸,加入到具有搅拌装置的容器中,在搅拌条件下,升温至145℃~158℃并保持0.5h~6h,得到聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体;二、将步骤一得到的聚琥珀酰亚胺与离子液体的混合液体冷却至15℃~30℃,在搅拌作用下,加入去离子水,有固体析出,抽滤分离出固体,再用去离子水洗涤,得到聚琥珀酰亚胺;三、用质量浓度为10%~50%的氢氧化钠水溶液将步骤四得到的聚琥珀酰亚胺完全溶解,然后再用质量浓度为10%~50%的盐酸溶液调节pH值至3.0~3.5,再加入乙醇沉析,将得到的沉淀过滤后,再干燥,得到聚天冬氨酸;步骤一中咪唑类离子液体的阴离子为Br-离子。
2.根据权利要求1所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤一中咪唑类离子液体与L-天冬氨酸的质量比为1∶0.30~1.2。
3.根据权利要求1所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤一中咪唑类离子液体与L-天冬氨酸的质量比为1∶0.8。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤一中咪唑类离子液体和L-天冬氨酸加入到具有搅拌装置的容器中后,升温至148℃~155℃并保持1h~5h。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤一中咪唑类离子液体和L-天冬氨酸加入到具有搅拌装置的容器中后,升温至152℃并保持3h。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤二中将混合液体冷却至18℃~26℃。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤三中氢氧化钠水溶液的质量浓度为15%~45%。
8.根据权利要求1、2或3所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤三中盐酸溶液的质量浓度为15%~45%。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤三中调节pH值至3.1~3.4。
10.根据权利要求1、2或3所述的一种利用咪唑类离子液体催化合成聚天冬氨酸的方法,其特征在于步骤三中调节pH值至3.3。
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