CN104311455B - 一种2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙(烷)磺酸的制备方法 - Google Patents
一种2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙(烷)磺酸的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙(烷)磺酸的制备方法,属于有机合成制备领域,步骤为:(1)将丙烯腈加入配液釜,降温,加发烟硫酸,得丙烯腈、硫酸混合液;(2)将混合液部分转入恒温加料罐备用;余量加入反应釜,加有机酸,升温,通异丁烯,同时加备用的丙烯腈、硫酸混合液,控制温度、加料时间及速度;(3)待异丁烯通完后,保温搅拌,降温,离心或过滤分离出生成的产品粗结晶,滤液打入储罐;(4)将产品粗结晶与丙烯腈混合搅拌,离心分离,真空干燥,得2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙(烷)磺酸产品,滤液打入储罐;(5)滤液合并与生石灰接触,蒸馏回收丙烯腈。本发明产品纯度高,聚合活性高,易得到相对高分子量的聚合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸制备方法,属于有机合成制备领域。
背景技术
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸(2-Acrylamido-2-MethylpropanesulfonicAcid,AMPS)是一种多功能的水溶性阴离子单体,极易自聚或与其他烯类单体共聚。含有2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸单体的水溶性高分子材料,由于分子中含有对盐不敏感的-SO3 -基团,赋予了共聚物许多特殊性能。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的特殊结构也可用于改善非水溶性高分子材料的综合性能。可广泛用于化纤、塑料、印染、涂料、表面活性剂、抗静电剂、水处理剂、陶瓷、照相、洗涤助剂、离子交换树脂、气体分离膜、电子工业和油田化学等领域。高纯度2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸用作腈纶纤维合成的第三单体,可显著提高纤维的可纺性、染色性、抗静电性、阻燃性、耐磨性、透明性和白度等指标,使腈纶纤维可用于制备高档织物、人造毛皮、玩具和装饰材料。含有2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的共聚物涂层具有抗静电性、耐磨耐腐蚀等优点,用于涂料工业具有良好的前景。用于制备高吸水材料,可明显改善树脂吸盐水的能力。用于合成油田化学剂,可使研制应用水平迈上新台阶。
早在1961年,美国专利2,983,712公开了丙烯酰胺型磺酸单体的合成方法,该专利是用丙烯酰氯(CH2=CH-CO-Cl)同脂肪族伯胺(RNH2)和磺酸(R-SO3H)为原料按通常反应合成。1965年的英国专利995802和1967年的美国专利3332904也报导了类似的合成方法。1970年的美国专利3544597、1971年的德国专利2105030,1976年的2523616都报导了用发烟硫酸同丙烯腈和异丁烯反应制备2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的方法。1970年的美国专利3506707提出用SO3与醋酸的混合物同溶在醋酸与二氯甲烷中的异丁烯先反应,然后再加入水、丙烯腈及硫酸继续反应的两步法制取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的方法。这些专利所报导的方法均得到高纯度的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸单体。日本日东化学公司改进了美国润滑油公司和1971年德国专利2,105,030的方法,并分别申请了德国专利2904444,2904465及日本专利JP81-53306,53307,其所述的方法是将过量 的丙烯腈兼作反应溶剂,在氦气保护下于低温下加入发烟硫酸,在搅拌下通入异丁烯,使其反应,产物2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸从反应混合液中析出,得到泥浆状产物,然后加入醋酸升温,蒸出过量丙烯腈,再加入一定量水,升温至90℃以上使其溶解,再放入冷水中,使产物结晶析出,并用醋酸洗净,再用60℃热风干燥,即得高纯单体。此法虽然是目前较好的方法,但在合成时,极易生成黄色副产物,醋酸难以从产物中除掉,发烟硫酸和醋酸又具有很强的腐蚀性和挥发性,很容易污染环境和腐蚀设备。
我国从20世纪80年代末开始2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸单体的研究工作,到20世纪90年代初形成工业规模,本专利发明人先后于《化工时刊》1995(8):3-9;《化学世界》1996(8):422-423;《陕西化工》1995(4):31-34;《精细石油化工进展》2003(8):33-35公开了不同的合成方法,采用上述方法于1992年建成了1000吨/年的工业生产装置。CN1072406A、CN101284805A公开了2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的合成与精制方法,但从保证产品的纯度方面,仍然不能满足需要。结合生产实践,开展了新的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸合成方法探索。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中生产2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸时易产生副产物或污染环境和腐蚀设备,产品纯度不能满足需要而提供一种高纯度的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸单体的制备方法。
本发明2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸单体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温,然后在-10~-3℃下加入硫酸原料,待其加完后,继续搅拌0.5~2小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;
(2)将步骤(1)得到的混合液的4/5~9/10量转入-7~-2℃的恒温加料罐备用;混合液余量加入反应釜,向反应釜中加入有机酸,并将反应釜温度升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入异丁烯,同时慢慢加入加料罐中备用的丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在15℃~70℃,控制加料时间在1~2小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前5~20分钟加完;
(3)待异丁烯通完后,继续保温搅拌0.5~2小时,将反应产物降温至10℃以下,离心或过滤分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸粗结晶,滤液打入储罐;
(4)将步骤(3)得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸粗结晶与3~5倍质量的丙烯腈在10~25℃混合搅拌0.5~1.5小时,离心分离,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸在35~50℃下真空干燥,得2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸产品,滤液打入储罐。
(5)将步骤(3)和步骤(4)的滤液合并,与占丙烯腈质量的1%~5%的生石灰粉接触3~6小时,蒸馏回收丙烯腈。
上述制备方法步骤中所述的原料配比是:
所述的异丁烯:丙烯腈:硫酸原料=1:5~11:0.98~1.10。
所述的丙烯腈为工业品,可以为含水≤1.0%(重量百分比)的工业品,优选为工业品重新蒸馏的丙烯腈,含水在0.2%~0.7%(重量百分比)。
所述的硫酸原料由20%~50%的发烟硫酸与98%的硫酸配制而成,所用的硫酸为铁≤0.00005%(重量百分比)的精制硫酸,所述的发烟硫酸游离三氧化硫含量为3.5%~14%。
所述的有机酸为丙烯酸、乙酸或丙酸,以丙烯腈为100质量份计,其加量为0.37~11.66份。
所述与丙烯腈接触的生石灰粉为工业生石灰粉碎,过40~60目筛得到。
所述有机酸可以加入丙烯腈硫酸混合液中,也可以加入到反应釜中的丙烯腈硫酸混合液余量中,优选的为加入到反应釜中的丙烯腈硫酸混合液余量中。
所述的异丁烯为工业品,异丁烯含量大于98.5%,优选的大于99.5%。
所述步骤(4)中丙烯腈的量为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸粗结晶质量的3~5倍。
根据本发明的合成方法,所述的丙烯腈的回收并无特殊要求,可以采用本领域人员熟知的蒸馏或精馏的方法,优选的为减压蒸馏。为了减少滤液回收中丙烯腈的损耗,提高回收率,蒸馏前可以将滤液按照常规的方法先与生石灰粉接触一定时间,然后过滤、蒸馏。
本发明是通过分别加料的方式,由丙烯腈、发烟硫酸和异丁烯接触制备得2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸单体,与传统的将异丁烯通入丙烯腈硫酸混合液中的方法相比:(1)可以减少丙烯腈和硫酸在较高温度下接触的时间,减少副反应的发生;(2)由于储存于加料罐中的丙烯腈硫酸混合液温度在-2℃以下,其加入时有利于控制反应温度,缩短加料(以异丁烯为准)的时间;(3)结晶产品着色低,产品精制纯度高,不需要冰醋酸处理即可以满足聚合反应的需要;(4)本发明得到的产品聚合活性高,易得到相对高分子量的聚合物。
附图说明
图1为本发明制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的方法做进一步的说明。
实施例1
(1)按照异丁烯、丙烯腈和硫酸原料摩尔比1:7:1.0的比例,将371份含水0.5%的丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温至在-10℃,然后在-10℃下加入96份质量分数8.75%的发烟硫酸,待其加完后,继续搅拌1小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;将4/5量的混合液转至入恒温加料罐备用;将1/5量的混合液加入反应釜,向釜中加入9.275乙酸,并将反应釜温升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入56份异丁烯,同时慢慢加入加料罐中备用的丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度20℃,控制加料时间2小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前20分钟加完;待异丁烯通完后,继续保温搅拌0.5小时,将反应产物降温至10℃,离心分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶;滤液打入储罐;
(2)将上述得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶与3倍量的丙烯腈在10℃混合搅拌1.5小时,离心分离,合并滤液回收丙烯腈,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶在40℃下真空干燥,得到186.9克产品。
实施例2
(1)按照异丁烯、丙烯腈和硫酸原料摩尔比1:5:1.0的比例,将265份含水0.5%的丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温至-10℃,然后在-8℃下加入97份质量分数6.1%的发烟硫酸,待其加完后,继续搅拌0.5小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;将4/5量的混合液转至入恒温加料罐备用;将1/5量的混合液加入反应釜,向釜中加入5.3份丙酸,并将釜温升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入56份异丁烯,同时慢慢加入加料罐中备用的丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在40℃,控制加料时间在2小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前5分钟加完。等异丁烯通完后,继续保温搅拌2小时,将反应产物降温至8℃,过滤分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶;滤液打入储罐;
(2)将上述得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶与5倍量的丙烯腈在20℃混合搅拌1小时,离心分离,合并滤液回收丙烯腈,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶在35℃下真空干燥,得到181.4克产品。
实施例3
(1)按照异丁烯、丙烯腈和硫酸原料摩尔比1:11:1.02的比例,将583份丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温至在-10,然后在-6℃下加入97份质量分数13.65%的发烟硫酸,待其加完后,继续搅拌2小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;将9/10量的混合液转至入恒温 加料罐备用;将1/10量的混合液加入反应釜,向釜中加入2.915份丙烯酸,并将釜温升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入56份异丁烯,同时慢慢加入丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在25℃,控制加料时间在2小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前10分钟加完。等异丁烯通完后,继续保温搅拌1.5小时,将反应产物降温至7℃,离心分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶;滤液打入储罐;
(2)将得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶与4倍量的丙烯腈在25℃混合搅拌0.5小时,离心分离,合并滤液回收丙烯腈,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶在40℃下真空干燥,得到178.7克产品。
实施例4
(1)按照异丁烯、丙烯腈和硫酸原料摩尔比1:7:0.98的比例,将371份含水0.5%的丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温至在-10,然后在-5℃下加入94份质量分数8.75%的发烟硫酸,待其加完后,继续搅拌1小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;将4/5量的混合液转至入恒温加料罐备用;将1/5量的混合液加入反应釜,向釜中加入0.37份丙烯酸,并将釜温升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入56份异丁烯,同时慢慢加入丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在35℃,控制加料时间在1小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前15分钟加完。等异丁烯通完后,继续保温搅拌1.5小时,将反应产物降温至5℃,过滤分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶;滤液打入储罐;
(2)将得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶与4倍量的丙烯腈在10℃混合搅拌1.5小时,离心分离,合并滤液回收丙烯腈,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶在40℃下真空干燥,得到184.7克产品。
实施例5
(1)按照异丁烯、丙烯腈和硫酸原料摩尔比1:11:1.1的比例,将583份含水0.56%的丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温至在-10,然后在-7℃下加入104.5份质量分数14%的发烟硫酸,待其加完后,继续搅拌2小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;将8/10量的混合液转至入恒温加料罐备用;将1/5量的混合液加入反应釜,向釜中加入11.66份乙酸,并将釜温升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入56份异丁烯,同时慢慢加入丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在70℃,控制加料时间在1.5小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前15分钟加完。等异丁烯通完后,继续 保温搅拌1.5小时,将反应产物降温至2℃,过滤分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶;滤液打入储罐;
(2)将得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶与4倍量的丙烯腈在20℃混合搅拌1.5小时,离心分离,合并滤液回收丙烯腈,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶在45℃下真空干燥,得到190.9克产品。
实施例6
(1)按照异丁烯、丙烯腈和硫酸原料摩尔比1:7:0.987比例,将371份含水0.2%的丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温至在-10,然后在-3℃下加入96份质量分数3.5%的发烟硫酸,待其加完后,继续搅拌0.5小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;将8/10量的混合液转至入恒温加料罐备用;将1/5量的混合液加入反应釜,向釜中加入9.275份丙烯酸,并将釜温升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入56份异丁烯,同时慢慢加入丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在45℃,控制加料时间在1.5小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前15分钟加完。等异丁烯通完后,继续保温搅拌1.5小时,将反应产物降温至2℃以下,过滤分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶;滤液打入储罐;
(2)将得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶与3倍量的丙烯腈在25℃混合搅拌1小时,离心分离,合并滤液回收丙烯腈,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶在50℃下真空干燥,得到180.8克产品。
实施例7
(1)按照异丁烯、丙烯腈和硫酸原料摩尔比1:7:1.01的比例,将371份含水0.7%的丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温至在-10,然后在-10~-5℃下加入96份质量分数12%的发烟硫酸,待其加完后,继续搅拌2小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;将8/10量的混合液转至入恒温加料罐备用;将1/5量的混合液加入反应釜,向釜中加入0.37份丙酸,并将釜温升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入56份异丁烯,同时慢慢加入丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在30℃,控制加料时间在1.5小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前15分钟加完。等异丁烯通完后,继续保温搅拌1小时,将反应产物降温至1℃以下,离心分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶;滤液打入储罐;
(2)将得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶与4倍量的丙烯腈在25℃混合搅拌1小时,离心分离,合并滤液回收丙烯腈,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸 结晶在48℃下真空干燥,得到187.1克产品。
对比例
原料配比及方法同实施例1,只是将丙烯腈、硫酸混合液先全部加入反应釜,然后直接通异丁烯,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸结晶在45~60℃下真空干燥,得到183.7克产品。
上述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的纯度、铁离子含量、色号测定按照文献方法(钻井液化学品设计与新产品开发,陕西西安:西北大学出版社,2006:70-73.)。
本发明中,2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的收率是根据异丁烯的用量及2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸的质量计算得到。
本发明的产品质量通过其与丙烯酰胺的聚合物黏度来考察,方法是:将8.6克氢氧化钠溶于185毫升水中,然后慢慢加入45克2-丙烯酰胺基-2-甲基丙(烷)磺酸,待其加完后加入55克丙烯酰胺,待丙烯酰胺溶解后,用氢氧化钠溶液将体系的pH调至8~9,通氮5~10分钟,加入0.075克过硫酸铵和0.075克亚硫酸氢钠,然后在40~50℃下反应12小时,得到粘弹性产物,烘干粉碎得到聚合物样品。将得到的聚合物样品配成质量分数1%的水溶液,用fann35流速旋转粘度计测定表观粘度。
表1实施例和对比例性能参数比较表
从表1对比结果看,实施例的产品纯度略高于对比例,但实施例平均色号5、平均铁离子含量4×10-6远低于对比例色号30、铁离子含量15×10-6;从聚合物的1%水溶液表观粘度看,实施例产品的黏度75.4mPa.s均远远高于对比例的黏度28.5mPa.s,说明本发明得到的产品聚合活性高,可以与其他单体共聚,得到相对高分子量的聚合物。
Claims (6)
1.一种2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的制备方法,其特征是:包括如下步骤:
(1)将丙烯腈加入配液釜,通冷冻盐水降温,然后在-10~-3℃下加入硫酸原料,待其加完后,继续搅拌0.5~2小时,得到丙烯腈、硫酸混合液;
(2)将步骤(1)得到的混合液的4/5~9/10量转入-7~-2℃的恒温加料罐备用;混合液余量加入反应釜,向反应釜中加入有机酸,并将反应釜温度升至10℃;待温度达到后,通过异丁烯导管向反应釜中通入异丁烯,同时慢慢加入加料罐中备用的丙烯腈、硫酸混合液,加入中控制反应温度在15℃~70℃,控制加料时间在1~2小时,并控制丙烯腈、硫酸混合液加入速度,使其比异丁烯提前5~20分钟加完;
(3)待异丁烯通完后,继续保温搅拌0.5~2小时,将反应产物降温至10℃以下,离心或过滤分离出生成的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸粗结晶,滤液打入储罐;
(4)将步骤(3)得到的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸粗结晶与3~5倍质量的丙烯腈在10~25℃混合搅拌0.5~1.5小时,离心分离,将得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸在35~50℃下真空干燥,得2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸产品,滤液打入储罐;
所述的有机酸为丙烯酸、乙酸或丙酸,以丙烯腈为100质量份计,其添加量为0.37~11.66份。
2.根据权利要求1所述的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸的制备方法,其特征是:将权利要求1中步骤(3)和步骤(4)所得的滤液合并,与占丙烯腈质量的1%~5%的生石灰粉接触3~6小时,蒸馏回收丙烯腈。
3.根据权利要求1所述的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸的制备方法,其特征是:所述异丁烯、丙烯腈和硫酸摩尔比为1:5~11:0.98~1.10。
4.根据权利要求1或2所述的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸的制备方法,其特征是:所述的丙烯腈含水0.2%~0.7%。
5.根据权利要求1或2所述的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸的制备方法,其特征是:所述的硫酸原料由20%~50%的发烟硫酸与98%的硫酸配制而成,所用的硫酸为铁≤0.00005%(重量百分比)的精制硫酸,所述的发烟硫酸游离三氧化硫含量为3.5%~14%。
6.根据权利要求1所述的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸的制备方法,其特征是:所述与丙烯腈接触的生石灰粉为工业生石灰粉碎,过40~60目筛得到。
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