N-烃基-N’-烃基双醚型双邻苯二甲酰亚胺的制备方法
技术领域
本发明涉及N-烃基-N’-烃基双醚型双邻苯二甲酰亚胺的制备方法,属于双醚四甲酸二酐合成技术领域。
背景技术
双醚四甲酸二酐是合成特种材料聚醚酰亚胺的一种重要中间体。使用双醚四甲酸二酐制备的聚酰亚胺材料具有高韧性、高强度等特点,可以长期在230℃下使用。
美国专利US5068353中介绍了N-烃基-N’-烃基双醚型双邻苯二甲酰亚胺的制备方法,其方法是以N-烃基-硝基取代邻苯二甲酰亚胺或N-烃基-卤取代邻苯二甲酰亚胺、碳酸钾和二元酚为原料,在非质子极性溶剂中进行亲核取代反应,生成N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺,其反应过程如下:
式中的R指代脂肪烃和芳香烃的烃基,如CH3-、等;Y指代芳香基团,如 等;催化剂指代无水碳酸钾、无水碳酸钠、无水碳酸锂等;X-指代NO2-、Cl-、Br-、F-、I-等。
多数N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺在非质子极性溶剂中的溶解度不大,但是仍有一定的溶解度,尤其是在NMP、DMAC、DMSO等溶剂中,而当二元酚是双酚A、双酚S或间苯二酚时,或是N原子上的取代烃基是脂肪烃基团时,N-烃基-N’-烃基双邻苯二甲酰亚胺在溶剂中的溶解度便很大,需要将反应液加入水中析出至少两遍后再进行过滤,才能得到产物,并且由于产物晶体形状的原因,过滤过程非常慢,严重影响了提纯过程的效率。
针对非质子极性溶剂中溶解度较大的N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺在合成、分离上出现的问题,需要寻求一种新的制备方法解决所述的问题。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺的制备方法,解决了N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺在非质子极性溶剂中溶解度过高而无法得到大量固体的问题,而且本发明的方法还具有产品收率高,反应效率高的优势。
为了实现以上发明目的,本发明的技术方案如下:
一种N-烃基-N’-烃基-双醚型双邻苯二甲酰亚胺的制备方法,以水为溶剂先行合成二元酚盐,即通过弱水溶性溶剂与水的共沸物回流,排出体系中的水制备二元酚盐。再在体系中加入N-烃基-单取代邻苯二甲酰亚胺和相转移催化剂进行亲核反应,得到N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺。由于N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺在弱水溶性溶剂中的溶解度很小,因此产物以固体形式析出。将固体过滤、洗涤、干燥即得到目标产物。
具体地,一种N-烃基-N’-烃基-双醚型双邻苯二甲酰亚胺的制备方法,包括以下步骤:
a)在惰性气体保护下,二元酚和碱金属氢氧化物水溶液(二元酚、碱金属氢氧化物和水质量比为1:2:5-1:2.5:10)在加热条件下回流反应生成双酚盐水溶液,并用弱水溶性溶剂带出体系中的水,制得双酚盐的浆化料;
b)向步骤a)得到的浆化料中加入二倍摩尔量的N-烃基-单取代邻苯二甲酰亚胺,在相转移催化剂及助催化剂存在下加热进行亲核反应,得到N-烃基-N’-烃基-双醚型双邻苯二甲酰亚胺粗品;
c)将N-烃基-N’-烃基-双醚型双邻苯二甲酰亚胺粗品降温、过滤、用低沸点极性溶剂洗涤后,再用水洗涤和常压干燥,得到N-烃基-N’-烃基-双醚型双邻苯二甲酰亚胺固体。
本发明中,步骤a)所述惰性气体包括但不限于氮气、氦气、氖气、氩气等惰性气体。所述二元酚包括但不限于对苯二酚、间苯二酚、双酚A、双酚F、双酚S等。所述步骤a)中,所述碱金属氢氧化物包括但不限于氢氧化钠、氢氧化钾等。
本发明中,步骤a)中,所述弱水溶性溶剂为20℃在水中的溶解度小于2.4g/100g、沸点为130-181℃之间酮、醛类溶剂中的一种或多种,包括但不限于环己酮、2-辛酮、环庚酮、3-辛酮、环戊酮、正庚醛、香茅醛、苯甲醛等中的一种或多种。二元酚与弱水溶性溶剂的质量比为1:15-1:30,优选1:20-1:25。
本发明中,步骤a)中,所述反应时间为1-7小时,优选3-5小时,所述反应温度为130-170℃,优选140-165℃。
本发明中,步骤b)中,所述N-烃基-单取代邻苯二甲酰亚胺,所述取代为硝基取代或卤素取代,取代基包括但不限于-NO2、-Cl、-Br、-F、-I等;所述烃基包括但不限于脂肪烃和/或芳香烃。
本发明中,步骤b)中,所述反应时间为4-12小时,优选6-8小时,所述反应温度为130-179℃,优选152-174℃。
本发明中,步骤b)中,所述相转移催化剂为冠醚、季铵盐、季膦盐等,包括但不限于四丁基溴化铵、苄基三乙基氯化铵、18-冠醚-6、15-冠醚-5、四苯基溴化膦中一种或多种;所述助催化剂为氯化锂、溴化锂、氯化铯、溴化铯等碱金属卤素盐。
本发明中,步骤a)和步骤b)中所述二元酚、碱金属氢氧化物和N-烃基-单取代邻苯二甲酰亚胺的摩尔比为1:2:2-1.2.5:2;所述二元酚与碱金属氢氧化物水溶液中的水的质量比为1:5-1:10,优选1:6-1:8;所述相转移催化剂与二元酚的质量比为2:100-7:100,优选4:100-6:100;所述助催化剂与二元酚的质量比为1:100-8:100,优选4:100-7:100。
本发明中,步骤c)中所述的过滤方式为普通过滤,所述低沸点极性溶剂指溶于水的醇、醚、酮、腈等,包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、丙酮、乙腈中的一种或多种;所述干燥时间为3-12小时,优选4-7小时,所述干燥温度为100-150℃,优选120-140℃。
本发明的有益效果如下:
1、本发明的方法解决了某些N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺在非质子极性溶剂中溶解度过高而无法得到大量固体的问题。
2、本发明方法中亲核反应加入了相转移催化剂,提高了N-烃基-N’-烃基双醚双邻苯二甲酰亚胺的收率,可实现原料转化率达到97-99.5%,产品收率93-95%,纯度可达到99.0wt%以上。
3、本发明方法中亲核反应优选地使用了碱金属盐作为助催化剂,有效地加快了反应速率,提高了反应效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的产物色谱图。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明予以进一步的说明,但本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明申请所附权利要求书定义的技术方案的等效改进和变形。
分析方法
本发明的实施例与对比例中所采用的分析方法为HPLC方法,其条件如下:
C-18色谱柱;乙腈:水=7:3(实施例3、4和5)或四氢呋喃:水=6:4(实施例1和2),流速1ml/min;UVD检测器,波长254nm;实施例1和2可以直接用四氢呋喃或流动相溶解样品;实施例3、4、和5需使用NMP溶解样品后直接进样分析。
实施例1
N-甲基-N’-甲基-3,3’,4,4’-双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氮气保护后,开启搅拌,以此加入114g水、8.0g氢氧化钠、22.8g双酚A和342g环己酮,加热至回流温度150℃,加热反应3小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的41.2gN-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、0.465g四丁基溴化铵和0.228g氯化锂。将反应体系升温至152℃,反应7小时后,降温至常温。
将体系中的固体过滤,用乙腈进行洗去环己酮,并用水洗去乙腈,将固体在120℃常压干燥4小时,得到白色的N-甲基-N’-甲基双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率95.4%。
实施例2
N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氮气保护后,开启搅拌,以此加入228g水、10.0g氢氧化钠、22.8g双酚A和570g正庚醛,加热至回流温度150℃,加热反应4小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5gN-苯基-4-氯代邻苯二甲酰亚胺、1.596g苄基三乙基氯化铵和0.912克溴化锂,将反应体系升温至155℃,反应4小时后,降温至常温。
将体系中的固体过滤,用乙醇进行洗去正庚醛,并用水洗去乙醇,将固体在150℃常压干燥7小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率94.2%。
实施例3
N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚F二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氮气保护后,开启搅拌,以此加入120g水、8.8g氢氧化钠、20.0g双酚F和400g环戊酮,加热至回流温度130℃,加热反应5小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5g N-苯基-4-氯代邻苯二甲酰亚胺、0.8g18冠6和0.40g氯化铯,将反应体系升温至130℃,反应9小时后,降温至常温。
将体系中的固体过滤,用甲醇进行洗去环戊酮,并用水洗去甲醇,将固体在140℃常压干燥3小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚F二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率97.0%。
实施例4
N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-间苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氩气保护后,开启搅拌,以此加入88g水、11.2g氢氧化钾、11.0g间苯二酚和330g苯甲醛,加热至回流温度170℃,加热反应1小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5g N-苯基-3-氯代邻苯二甲酰亚胺、0.55g15冠5和0.77g溴化铯,将反应体系升温至179℃,反应10小时后,降温至常温。
将体系中的固体过滤,用丙酮进行洗去苯甲醛,并用水洗去丙酮,将固体在140℃常压干燥3小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-间苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率95.7%。
实施例5
N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-联苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氦气保护后,开启搅拌,以此加入130.34g水、4.8g氢氧化锂、18.62g联苯二酚和335.16g2-辛酮,加热至回流温度165℃,加热反应7小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5g N-苯基-3-氯代邻苯二甲酰亚胺、1.12g四苯基溴化膦和0.88g氯化锂,将反应体系升温至179℃,反应12小时后,降温至常温。
将体系中的固体过滤,用四氢呋喃进行洗去2-辛酮,并用水洗去四氢呋喃,将固体在100℃常压干燥12小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-联苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率94.1%。
对比例1
N-甲基-N’-甲基-3,3’,4,4’-双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氮气保护后,开启搅拌,以此加入8.0g氢氧化钠、22.8g双酚A和342g甲苯,加热至回流温度110℃,加热反应3小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,蒸干甲苯,并将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的41.2gN-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺和342克DMF。将反应体系升温至152℃,反应7小时后,降温至常温。
将溶液加入二倍体积的水中,产物析出,将析出的固体产物过滤,用水洗去DMF和盐,将固体在120℃常压干燥4小时,得到白色的N-甲基-N’-甲基双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率88.4%。
对比例2
N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氮气保护后,开启搅拌,以此加入228g水、10.0g氢氧化钠、22.8g双酚A和570g甲苯,加热至回流温度110℃,加热反应4小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,将甲苯蒸干,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5gN-苯基-4-氯代邻苯二甲酰亚胺和570gNMP,将反应体系升温至175℃,反应4小时后,降温至常温。
将反应液加入二倍量的水中析出,过滤,用水洗去NMP和盐,将固体在150℃常压干燥7小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚A二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率85.3%。
对比例3
N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚F二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氮气保护后,开启搅拌,以此加入120g水、8.8g氢氧化钠、20.0g双酚F和400g邻二甲苯,加热至回流温度144℃,加热反应5小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,蒸干邻二甲苯,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5g N-苯基-4-氯代邻苯二甲酰亚胺和400gDMAC,将反应体系升温至130℃,反应9小时后,降温至常温。
将反应液加入二倍量体积的水中,将产物析出过滤,用水洗去DMAC和盐,将固体在140℃常压干燥3小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-3,3’,4,4’-双酚F二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率83.7%。
对比例4
N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-间苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氩气保护后,开启搅拌,以此加入88g水、11.2g氢氧化钾、11.0g间苯二酚和330g二甲苯,加热至回流温度142℃,加热反应1小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,蒸干二甲苯,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5g N-苯基-3-氯代邻苯二甲酰亚胺和330gDMSO,将反应体系升温至179℃,反应10小时后,降温至常温。
将反应液加入二倍量的水中,析出固体并过滤,用水进行洗去DMSO和盐,将固体在140℃常压干燥3小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-间苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率90.1%。
对比例5
N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-联苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺的合成
在1000ML的四口烧瓶中通入高纯氦气保护后,开启搅拌,以此加入130.34g水、4.8g氢氧化锂、18.62g联苯二酚和335.16g邻二甲苯,加热至回流温度144℃,加热反应7小时。之后逐渐将分水器中的水分出反应体系,待分水器中看不到水滴时,将邻二甲苯蒸干,将反应体系降温至100℃以下并始终保持氮气畅通。
在反应体系中快速地加入事先称量的51.5g N-苯基-3-氯代邻苯二甲酰亚胺和335.16gDMI,将反应体系升温至179℃,反应12小时后,降温至常温。
由于联苯二酚型的双酞酰亚胺在极性溶剂中溶解度不高,因此产物呈析出状态。将体系中的固体过滤,用水洗去DMI和盐,将固体在100℃常压干燥12小时,得到白色的N-苯基-N’-苯基-2,2’,3,3’-联苯二酚二醚双邻苯二甲酰亚胺固体,摩尔收率88.6%。
如对比例所示,按照US5068353中介绍了N-烃基-N’-烃基双醚型双邻苯二甲酰亚胺的制备方法,使用DMF、NMP、DMAC、DMSO和DMI为溶剂分别合成实施例1-5中的五种N-烃基-N’-烃基双醚型双邻苯二甲酰亚胺,其收率分别为88.4%、85.3%、83.7%、90.1%和88.6%。从收率来看,本发明方法的收率要明显高于非质子极性溶剂法。