CN103319314A - 盐浴体系下双酚f的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种盐浴体系下双酚F的合成方法，其是用苯酚和甲醛在盐水浴和催化剂作用下进行反应，通过调控工艺参数，获得收率较高、4,4-二羟基二苯基甲烷的含量高、选择性好的双酚F，而且制备方法简单，合成过程未使用有机溶剂，环境污染小。

Description

盐浴体系下双酚F的合成方法
技术领域
本发明属于树脂合成的技术领域，具体涉及一种盐浴体系下双酚F的合成方法。
背景技术
双酚F（BPF）是由苯酚和甲醛在酸性催化剂作用下经缩合而成的一类双酚系化合物。在合成过程中除了生成4,4-二羟基二苯基甲烷外也同样生成2,4-或2,2-二羟基二苯基甲烷等同分异构体或多聚物。其中性能最佳的是4,4-二羟基二苯基甲烷，但至今单独合成4,4-二羟基二苯基甲烷的合成方法尚未见有报道。
双酚F作为化工基本原料，其主要用途有以下几个方面：⑴合成双酚F型环氧树脂，由双酚F合成的双酚F型环氧树脂是近几年来发展的一种新的优良的化工产品。代替双酚A生产双酚F型环氧树脂是双酚F的重要用途之一。双酚F型环氧树脂是由双酚F和环氧氯丙烷缩合而成，它可以降低树脂的粘度，具有优异的综合性能。⑵合成聚酯树脂，环氧烷与双酚F加成后制得的聚酯树脂，二苯甲烷型二醇与二元酸等反应制备的聚酯树脂，具有机械性能、低粘度和化学性能均优异的特点，尤其适用于耐腐蚀材料。⑶合成聚碳酸酯（PC)树脂，合成PC树脂是双酚F的另一重要用途。双酚F与光气合成的聚碳酸酯，非常易溶于二氯甲烷等低沸点的有机溶剂，合成聚碳酸酯的软化点高，加工成型性好，受非常大的破坏时有伸缩性。因此它较双酚A型聚碳酸酯树脂具有更好的综合性能，适于制造成型材料或薄膜等。⑷酚醛树脂改性，由双酚F改性的酚醛树脂，其加工性能、力学性能和电性能优于酚醛树脂，扩大了双酚F的应用领域。
双酚F的合成方法，一般是以苯酚，甲醛为原料，在催化剂的作用下生成。反应机理如下：甲醛与水结合先生成二醇，在酸性介质的作用下又生成羟甲基正离子+CH2OH，+CH2OH随后进攻苯酚对位的C原子，生成羟甲基苯酚，然后脱水生成中间体HO(C6H4)C+，HO(C6H4)C+再与苯酚对位的C原子反应，最终生成4,4-二羟基二苯基甲烷。但在实际的反应过程中，亲电试剂不仅能进攻苯酚的对位，同时有可能进攻苯酚中电荷密度较大的邻位，形成2,2-和2,4-二羟基二苯基甲烷。另外，在合成双酚F的过程中，苯酚和甲醛在酸性条件下也可以发生缩聚反应，显示很强的缩聚反应的倾向，可生成类似于Novolak型酚醛树脂的低聚物。因此，提高反应选择性，获得纯度较高的以4,4-二羟基二苯基甲烷为主的双酚F，是化工生产急待解决的问题。
双酚F合成反应过程中，由于苯酚的熔点为45℃，故其最低反应温度的下线为45℃。文献US44000554以及本实验室的研究结果得出，反应温度越高，双酚F中的4,4-二羟基二苯基甲烷的选择性越低。故要提高双酚F的选择性，可以通过降低反应温度的方法，来提高4,4-二羟基二苯基甲烷的选择性。文献US44000554报道了在有机溶剂甲苯中反应制备双酚F。但此反应在有机溶剂中进行，污染环境，对人体危害很大。因此，在合成双酚F技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种低温、污染小同时4,4-二羟基二苯基甲烷选择性高的双酚F合成方法。
发明内容
为了克服现有技术中的双酚F合成方法所存在的不足，本发明提供了一种双酚F收率高、选择性高、环境污染小的盐浴体系下合成双酚F的方法。
解决上述技术问题的技术方案是由以下步骤实现：
（1）配料
称取甲醛与苯酚、催化剂、盐按摩尔比为1:2～25:0.2～2:0.5～3.0加入到三口烧瓶中混合，优选1:10～17:0.8～1.4:1.0～2.0，最佳选1:13.5:1.1:1.5，搅拌均匀；
上述的催化剂为盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、硼酸、乙酸、草酸或柠檬酸；
上述的盐为草酸钾、氯化钾、溴化钾、氯化钠、硝酸钠、亚硝酸钠、溴化锂或氯酸锂；
（2）反应
将步骤（1）的混合物在恒温循环器中搅拌状态下5～75℃反应2～36小时；
（3）干燥
将步骤（2）的反应液置于分液漏斗中，静置10～13小时分离水相和油相，取油相放入0～-0.096MPa的真空干燥箱内，50～190℃干燥1～4小时，制备成粗制双酚F；
（4）重结晶
将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的三口烧瓶中，加入等体积的水、甲苯或苯，在搅拌情况下，加热至沸腾，并回流10～15分钟，倒入烧杯，-20℃～26℃放置1～5天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在55～65℃真空烘箱中干燥10～12小时，得到双酚F。
上述的优选方案是：在步骤（2）中，将步骤（1）的混合物在搅拌状态下在恒温循环器中15～65℃反应12～26小时；在步骤（3）中，将反应液置于分液漏斗中，静置12小时分离水相和油相，取油相放入真空度为-0.4～-0.8MPa的真空干燥箱内，80～90℃干燥2～3小时，制备成粗制双酚F；在步骤（4）中，将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的水、甲苯或苯，在搅拌情况下，加热至沸腾，并回流10～15分钟，倒入烧杯，-5～15℃放置2～3天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥10～12小时。
上述的较佳方案是：在步骤（2）中，将步骤（1）的混合物在搅拌状态下在恒温循环器中40℃反应19小时；在步骤（3）中，将反应液置于分液漏斗中，静置12小时分离水相和油相，取油相放入真空度为-0.6MPa的真空干燥箱内，85℃干燥2.5小时；在步骤（4）中，将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的水、甲苯或苯，在搅拌情况下，加热至沸腾，并回流13分钟，倒入烧杯，5℃放置1.5天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥11小时。
本发明的盐浴体系下双酚F的合成方法，其是用苯酚和甲醛在盐水浴和催化剂作用下进行反应，通过调控工艺参数，获得收率较高、4,4-二羟基二苯基甲烷的含量高、选择性好的双酚F，而且制备方法简单，合成过程未使用有机溶剂，环境污染小。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
以原料中取质量浓度为37%的甲醛8.12g为例，在盐浴体系下合成双酚F的方法由如下步骤：
（1）配料
称取质量浓度为37%的甲醛8.12g、苯酚127.05g、质量浓度为37%的盐酸10.85g，草酸钾27.63g，装入250mL三口烧瓶混合，甲醛与苯酚、催化剂、盐按摩尔比为1:13.5:1.1:1.5，搅拌均匀。
（2）反应
将步骤（1）的混合物在恒温循环器中搅拌状态下40℃反应19小时。
（3）干燥
将反应液置于分液漏斗中，静置12小时分离水相和油相，取油相放入-0.6MPa的真空干燥箱内，85℃干燥2.5小时，制备成粗制双酚F。
（4）重结晶
将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的甲苯，加热至沸腾，搅拌回流13分钟，倒入烧杯，5℃放置1.5天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥11小时，得到含有质量分数为96%的4,4-二羟基二苯基甲烷的精制双酚F。
通过高效液相色谱分析法（HPLC）对上述的步骤（2）的反应液和步骤（4）的最终产物的成份和含量进行定性和定量的分析，具体如下：
分析仪器：SHB-Ⅲ高效液相色谱
色谱柱：ODS-SP
Figure BDA00003332833300041
进样量：15μL
流动相：甲醇/水（V/V）为65/35，使用前超声波处理30分钟
检测波长：270nm
流速：0.5mL/分钟
灵敏度：0.06
响应时间：0.5秒
柱温：室温
上述条件下得到的各组分保留时间分别为：
苯酚：9.8分钟
4,4-二羟基二苯基甲烷：12.5分钟
2,4-二羟基二苯基甲烷：13.59分钟
2,2-二羟基二苯基甲烷：18.357分钟
反应结果以甲醛计双酚F的收率Y和反应过程4,4-二羟基二苯基甲烷的选择性S来评价。
计算公式如下：
Figure BDA00003332833300051
4,4-二羟基二苯基甲烷的选择性
Figure BDA00003332833300052
得出本实施例的双酚F（BPF）的收率Y为98%，4,4-二羟基二苯基甲烷的选择性S为96%。
实施例2
以原料中取质量浓度为37%的甲醛8.12g为例，在盐浴体系下合成双酚F的方法由如下步骤：
（1）配料
称取质量浓度为37%的甲醛8.12g、苯酚94.11g、质量浓度为37%的盐酸7.89g，草酸钾18.42g，装入250mL三口烧瓶混合，甲醛与苯酚、催化剂、盐按摩尔比为1.0:10.0:0.8:1.0，搅拌均匀。
其它的步骤与实施例1相同。
实施例3
以原料中取质量浓度为37%的甲醛8.12g为例，在盐浴体系下合成双酚F的方法由如下步骤：
（1）配料
称取质量浓度为37%的甲醛8.12g、苯酚160.00g、质量浓度为37%的盐酸13.81g，草酸钾36.85g，装入250mL三口烧瓶混合，甲醛与苯酚、催化剂、盐按摩尔比为1.0:17.0:1.4:2.0，搅拌均匀。
其它的步骤与实施例1相同。
实施例4
以原料中取质量浓度为37%的甲醛8.12g为例，在盐浴体系下合成双酚F的方法由如下步骤：
（1）配料
取质量浓度为37%的甲醛8.12g、苯酚18.82g、质量浓度为37%的盐酸1.97g，草酸钾9.21g，装入250mL三口烧瓶混合，甲醛与苯酚、催化剂、盐按摩尔比为1.0:2.0:0.2:0.5，搅拌均匀。
其它的步骤与实施例1相同。
实施例5
以原料中取质量浓度为37%的甲醛8.12g为例，在盐浴体系下合成双酚F的方法由如下步骤：
（1）配料
称取质量浓度为37%的甲醛8.12g、苯酚235.28g、质量浓度为37%的盐酸19.73g，草酸钾55.27g，装入250mL三口烧瓶混合，甲醛与苯酚、催化剂、盐按摩尔比为1.0:25.0:2.0:3.0，搅拌均匀。
其它的步骤与实施例1相同。
实施例6
在上述实施例1～5的盐浴体系下双酚F的合成方法中，步骤（2）是将步骤（1）的混合物在恒温循环器中搅拌状态下15℃反应26小时；步骤（3）是将反应液置于分液漏斗中，静置12h分离水相和油相，取油相放入-0.4MPa的真空干燥箱内，80℃干燥3小时，制备成粗制双酚F；步骤（4）将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的甲苯，加热至沸腾，搅拌回流10分钟，倒入烧杯，-5℃放置3天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥10小时；其它步骤与相应实施例相同，得到精制双酚F。
实施例7
在上述实施例1～5的盐浴体系下双酚F的合成方法中，步骤（2）是将步骤（1）的混合物在恒温循环器中搅拌状态下65℃反应12小时；步骤（3）是将反应液置于分液漏斗中，静置12h分离水相和油相，取油相放入-0.8MPa的真空干燥箱内，90℃干燥2小时，制备成粗制双酚F；步骤（4）是将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的甲苯，加热至沸腾，搅拌回流15分钟，倒入烧杯，15℃放置2天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥12小时；其它步骤与相应实施例相同，得到精制双酚F。
实施例8
在上述实施例1～5的盐浴体系下双酚F的合成方法中，步骤（2）是将步骤（1）的混合物在恒温循环器中搅拌状态下5℃反应36小时；步骤（3）是将反应液置于分液漏斗中，静置10h分离水相和油相，取油相放入-0.096MPa的真空干燥箱内，50℃干燥4小时，制备成粗制双酚F；步骤（4）是将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的甲苯，加热至沸腾，搅拌回流10分钟，倒入烧杯，-20℃放置5天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在55℃真空烘箱中干燥12小时；其它步骤与相应实施例相同，得到精制双酚F。
实施例9
在上述实施例1～5的盐浴体系下双酚F的合成方法中，步骤（2）是将步骤（1）的混合物在恒温循环器中搅拌状态下75℃反应2小时；步骤（3）是将反应液置于分液漏斗中，静置13h分离水相和油相，取油相放入0MPa的真空干燥箱内，190℃干燥1小时，制备成粗制双酚F；步骤（4）是将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的甲苯，加热至沸腾，搅拌回流15分钟，倒入烧杯，26℃放置1天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在65℃真空烘箱中干燥10小时；其它步骤与相应实施例相同，得到精制双酚F。
实施例10
在上述实施例1～9的盐浴体系下双酚F的合成方法中，在步骤（1）中，催化剂盐酸用等摩尔数的硫酸、磷酸、硝酸、硼酸、乙酸、草酸以及柠檬酸中的任意一种来替换，其它的步骤与相应的实施例相同。
实施例11
在上述实施例1～9的盐浴体系下双酚F的合成方法中，在步骤（1）中，草酸钾用等摩尔数的氯化钾、溴化钾、氯化钠、硝酸钠、亚硝酸钠、溴化锂以及氯酸锂中的任意一种来替换，其它的步骤与相应的实施例相同。
实施例12
在上述的实施例1～11的盐浴体系下双酚F的合成方法中，在步骤（4）中，甲苯用等体积的水或者苯替换，其它的操作与相应的实施例相同。
为了验证本发明的合成方法的有益效果，发明人将现有的非盐浴体系合成的双酚F与实施例1的盐浴体系下合成的双酚F进行对比，具体如下：
1）非盐浴体系合成的双酚F
取与实施例1等量的甲醛与苯酚、盐酸，装入250mL的三口烧瓶中，搅拌均匀后在恒温循环器中40℃反应19小时，将反应液置于分液漏斗中，静置12小时分离水相和油相，取油相放入-0.6MPa的真空干燥箱内，85℃干燥2.5小时，装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的甲苯，加热至沸腾，搅拌回流10分钟，倒入烧杯，5℃放置1.5天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥10小时，通过高效液相色谱分析法（HPLC）对其最终产物进行定性和定量分析，得到4,4‐二羟基二苯基甲烷含量为43%的双酚F。
2）盐浴体系合成的双酚F
与上述同样条件下在原料中加入草酸钾，通过高效液相色谱分析法（HPLC）对其最终产物进行定性和定量分析，得到4,4‐二羟基二苯基甲烷含量为96%的双酚F。
由此可以看出，与非盐浴体系相比，在有盐的情况下，能获得4,4‐二羟基二苯基甲烷含量较高的双酚F。

Claims (5)

1.一种盐浴体系下双酚F的合成方法，其特征在于由以下步骤组成：
（1）配料
称取甲醛与苯酚、催化剂、盐按摩尔比为1:2～25:0.2～2:0.5～3.0加入到三口烧瓶中混合，搅拌均匀；
上述的催化剂为盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、硼酸、乙酸、草酸或柠檬酸；
上述的盐为草酸钾、氯化钾、溴化钾、氯化钠、硝酸钠、亚硝酸钠、溴化锂或氯酸锂；
（2）反应
将步骤（1）的混合物在恒温循环器中搅拌状态下5～75℃反应2～36小时；
（3）干燥
将步骤（2）的反应液置于分液漏斗中，静置10～13小时分离水相和油相，取油相放入0～-0.096MPa的真空干燥箱内，50～190℃干燥1～4小时，制备成粗制双酚F；
（4）重结晶
将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的三口烧瓶中，加入等体积的水、甲苯或苯，在搅拌情况下，加热至沸腾，并回流10～15分钟，倒入烧杯，-20℃～26℃放置1～5天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在55～65℃真空烘箱中干燥10～12小时，得到双酚F。
2.根据权利要求1所述的盐浴体系下双酚F的合成方法，其特征在于：所述步骤（1）中，甲醛、苯酚、催化剂和盐的摩尔比为1:10～17:0.8～1.4:1.0～2.0。
3.根据权利要求2所述的盐浴体系下双酚F的合成方法，其特征在于：所述步骤（1）中，甲醛、苯酚、催化剂和盐的摩尔比为1:13.5:1.1:1.5。
4.根据权利要求1所述的盐浴体系下双酚F的合成方法，其特征在于：所述步骤（2）中，将步骤（1）的混合物在搅拌状态下在恒温循环器中15～65℃反应12～26小时；在步骤（3）中，将反应液置于分液漏斗中，静置12小时分离水相和油相，取油相放入真空度为-0.4～-0.8MPa的真空干燥箱内，80～90℃干燥2～3小时，制备成粗制双酚F；在步骤（4）中，将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的水、甲苯或苯，在搅拌情况下，加热至沸腾，并回流10～15分钟，倒入烧杯，-5～15℃放置2～3天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥10～12小时。
5.根据权利要求4所述的盐浴体系下双酚F的合成方法，其特征在于：所述步骤（2）中，将步骤（1）的混合物在搅拌状态下在恒温循环器中40℃反应19小时；在步骤（3）中，将反应液置于分液漏斗中，静置12小时分离水相和油相，取油相放入真空度为-0.6MPa的真空干燥箱内，85℃干燥2.5小时；在步骤（4）中，将粗制双酚F装入带有回流冷凝管的入三口烧瓶中，加入等体积的水、甲苯或苯，在搅拌情况下，加热至沸腾，并回流13分钟，倒入烧杯，5℃放置1.5天，用G4砂芯漏斗过滤，抽滤物在60℃真空烘箱中干燥11小时。
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