一种烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯的合成方法
技术领域
本发明涉及精细化工技术领域,具体为一种烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯的合成方法。
背景技术
烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯的的分子中含有碳碳双键和环氧键二个活性位点,使其具有较好的反应活性,能够得到广泛应用,主要可应用于环氧树脂稀释剂、催化剂、交联剂及链转移剂、氯化物稳定剂、织物整理剂和改性硅油等方面,是合成各种表面活性剂所需的重要中间体以及重要的聚合中间体。
缩水甘油酯的合成方法较多,如酸-环氧氯丙烷法、酸酐-环氧氯丙烷法、羧酸酰氯-环氧氯丙烷法、羧酸盐-环氧氯丙烷法以及酯交换法。
通过酰氯的方法来制备会产生大量的盐酸,会严重腐蚀设备,并对环境有不利影响。酯交换法的原料缩水甘油价格高,催化剂分离困难,因此该方法也不够经济。
酸-环氧氯丙烷法和酸酐-环氧氯丙烷法,是将酸溶于环氧氯丙烷中,在催化剂作用下先开环酯化得到中间产物,然后在碱的水溶液作用下脱除氯化氢闭环得到最终产物。
现有技术公布了一种合成内亚甲基四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯的方法。在相转移催化剂的存在下,内亚甲基四氢邻苯二甲酸酐和环氧氯丙烷进行混合反应得到中间产物,然后加入二氯甲烷和质量分数为20%~40% 的氢氧化钠溶液反应得到内亚甲基四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯。反应中加入的过量的环氧氯丙烷及溶剂二氯甲烷,后续处理中也需要使用二氯甲烷作为萃取剂萃取产品,产品最终的环氧基封端率不大于83%。
现有技术提供了一种双酚A 缩水甘油酯型环氧树脂的其制备方法,将该双酚一元酸与环氧氯丙烷搅拌混合,加入氢氧化钠水溶液反应,双酚一元酸与环氧氯丙烷的摩尔比为1:2-100,环氧封端率最高不超过80%。
可以看出该方法反应步骤多,反应时间长,操作繁琐,而且闭环反应时,生产的缩水甘油酯在碱性水溶液中会发生水解,从而影响产品的产率,因此,在实际生产中该方法使用较少。
国内外企业大多采用羧酸盐-环氧氯丙烷法,即酸与碱在溶液中发生酸碱中和反应,生成相应的盐,然后在相转移催化剂的存在下与环氧氯丙烷反应生产缩水甘油酯产物。该方法催化剂易得,产品质量好,反应时间短。
现有技术还公布了一种甲基丙烯酸缩水甘油酯的制备方法,以甲基丙烯酸和环氧氯丙烷为原料,首先用甲基丙烯酸与氢氧化钠的水溶液反应,通过喷雾干燥制备得到无水的甲基丙烯酸盐,再与大量过量的环氧氯丙烷在相转移催化剂存在下反应,最后通过水洗、分层精馏等工序获得产品。
现有技术还提供了甲基丙烯酸甘油酯的生产方法,甲基丙烯酸与碳酸钠在过量的环氧氯丙烷中发生中和反应,然后用共沸剂除去水,最后加入相转移催化剂反应得到甲基丙烯酸缩水甘油酯。
在目前制备缩水甘油酯的的方法中,主要采用羧酸盐-环氧氯丙烷法,但是在制备羧酸盐时,由于反应底物分子量小,所需碱量大,为了降低瞬时反应速率、控制酸碱反应放热速度,避免反应过于剧烈,需要使用碱的水溶液,然而羧酸盐含水大于0.5%以上就很难获得超过90%以上的产物收率,另一方面,体系水分如果含量高,环氧氯丙烷在水环境中会被碱催化开环自聚,导致副产物增加,产品品质下降。因此,采用已报道工艺,增加了反应体系达到无水条件的难度,如需要喷雾干燥、有机物共沸除水等复杂的工艺除去体系水分。而且,由于封端底物很多是与环氧氯丙烷不互溶,而且反应放热严重,因此存在需要大量使用环氧氯丙烷或者有机溶剂,存在非绿色化工的环境污染弊端以及环氧氯丙烷副反应较多的问题。现有的报道大多是小分子的封端底物,封端率基本没有超过90%,而长链高分子聚醚类的缩水甘油酯的封端报道则没有。在精制过程中,小分子类的产品可以通过蒸馏等方式提纯,而不会被反应中自聚形成高分子副产物困扰,而聚醚类产品不能与环氧氯丙烷自聚等副产物有效分离,因而更需要避免副产物的产生菜能获得高质量的产品。
为了克服上述现有技术的缺点,做出本发明。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明开发了一种烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯的合成方法。
一种烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯的合成方法,其特征在于包括以下工艺步骤:
(1)向反应釜中加入烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸、碱和阻聚剂,升温脱除烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸与碱反应生产的水、氢气、二氧化碳或醇等小分子副产物,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐;
(2)将催化剂加入通过步骤(1)得到的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐中,在一定温度下加入环氧氯丙烷后,反应一段时间,降温过滤除去固体;
(3)将通过步骤(2)得到的液体减压蒸馏回收未反应的环氧氯丙烷,结束后降低温度到室温,加入中和剂中和,再加入吸附剂,精制得到成品。
所述步骤(1)中的反应温度为80-150 ℃、压力为-0.09-0.10MPa,反应时间为1-5h,烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸与碱的摩尔比为1:1-5。
所述步骤(1)中的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐为烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠盐、烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钾盐或烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸锂盐中的一种或几种的混合物。
所述步骤(1)中的碱为Na、K、NaH、NaOCH3,、NaOH、KOH、NaCO3中的一种或几种物质的混合物。
所述步骤(1)中的阻聚剂是用于阻止双键之间聚合反应,所述阻聚剂为对羟基苯甲醚、2-叔丁基对苯二酚、甲基氢醌、对苯醌或硝基苯中的一种或几种物质的混合物,其添加量是聚醚质量的0.1-1.0%。
所述步骤(2)中的反应温度为40-120 ℃,反应时间为1-8 h,烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐与环氧氯丙烷的摩尔比为1:1-5。
所述步骤(2)中的催化剂是相转移催化剂,所述的催化剂为十六烷基三甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丁基溴化铵,其添加量为烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸质量的0.1-1.0%。
所述步骤(3)中的中和剂为盐酸、冰醋酸和磷酸中的一种或几种的混合物。
所述步骤(3)中的吸附剂为酸性白土、活性炭、硅酸镁或硅酸铝中的一种或几种的混合物,其添加质量为回收环氧氯丙烷后剩下液体质量的0.5%-5%。
本发明的工作原理及有益效果如下:
1、本发明采用先制备烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐再与环氧氯丙烷反应的方法获得烯丙醇聚氧乙烯醚缩水甘油醚,反应条件温和、可控性高、选择性高、副产物少、操作简单,产品具有封端率高(>95%)、色泽好(≤50,铂-钴比色法)的优点,很好的实现了封端率与色泽之间的平衡点。
2、采用固碱的优点:(1)不会因为是液碱而强烈腐蚀设备;(2)不需要使用额外液碱配置和加料装置,减少设备投资;(3)没有额外水分引入,可制得含水量极低的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐,从而获得更高封端率(>95%)的产物;(4)可以在有限釜里投下更多的反应物,因为没有溶剂占体积,提高设备体积利用率。
4、由于封端底物烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐与环氧氯丙烷互溶,令人意想不到的,由于聚醚摩尔质量大,不但可以起到溶解环氧氯丙烷的作用,还能起到散热的作用,因此可以大大减少使用环氧氯丙烷,并且不用使用溶剂,避免大量溶剂回收造成的能耗,以及可能存在非绿色化工的环境污染弊端,或者存在使用的催化剂不利于在工业上生产的缺点。
5、在有氧条件下,烯丙醇聚氧乙烯醚能与氧气在酸或碱的条件下发生过氧化和自氧化等副反应,生成一些醛酮类和有颜色类物质,这将影响产品自身质量、色泽及下游产品应用性能。本发明中,反应中采用隔绝氧气来避免烯丙醇聚氧乙烯醚与氧气反生反应影响,产品的色泽得到良好保护,色泽≤50(铂-钴比色法),能够达到高端产品要求。
6、反应中过量的环氧氯丙烷可以通过减压蒸馏回收,通过处理能继续使用,反应不需要添加水或其它有机溶剂,满足绿色化工要求,也减少了溶剂回收的能耗。
7、反应为密闭操作,避免易挥发的环氧氯丙烷对工人造成伤害,降低了生产过程的环境污染,极大改善生产操作环境;
8、本发明反应条件温和、可控,制备方法简单,单套装置的生产能力极易放大,更适合于规模化生产。
因此,同现有工艺相比,由于烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸分子量大,与固碱反应慢、放热少,因此,本发明先采用固碱与烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸反应制得烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐,由于使用固碱没有引入水分,更容易获得无水的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐,从而有利于提高产品封端率。另外,环氧氯丙烷与烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐是互溶的,聚醚能起到溶剂的作用,不需要使用溶剂或提高环氧氯丙烷的使用量,提高设备利用率,减少溶剂回收成本以及环境污染风险。
具体实施方式
本实施例一种烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯的合成方法,以烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸和环氧氯丙烷为原料,采用固体碱与烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸制备得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐,然后烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐与环氧氯丙烷反应得到产品,其合成基本路线如下:
(1)向反应釜中加烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸、碱、阻聚剂,升温脱除小分子产物,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐;
(2)将催化剂加入到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐,在一定温度下加入环氧氯丙烷反应一段时间,降温过滤除去固体;
(3)将液体减压蒸馏回收未反应的环氧氯丙烷,结束后降低温度到室温,加入中和剂中和,再加入吸附剂,精制得到合格成品。
其中,烯丙基聚氧乙烯醚羧酸具有以下通式:
CH2=CHCH2(OCH2-CH2)nOCH2COOH (I),1<n<30 ;
烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯具有以下通式:
以下通过具体实施例来对本发明作进一步说明,但以下实施例不应理解为对本发明权利要求的保护范围所做出的限制。
本发明中使用的原料,如烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸、氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠、碳酸钠、氢化钠、碳酸钾、环氧氯丙烷、对羟基苯甲醚、2-叔丁基对苯二酚、甲基氢醌、对苯醌、十六烷基三甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丁基溴化铵、盐酸、冰醋酸、磷酸水溶液和酸性白土、活性炭、硅酸镁、硅酸铝等均可以采用本领域常规的方法制得,也可以采用市售产品。
本发明的反应原理如下:
CH2=CHCH2(OCH2CH2)nOCH2COOH+NaOCH3→CH2=CHCH2(OCH2CH2)nOCH2COONa+CH3OH
本发明采用 GB1664-1981(铂-钴比色法)所述方法测定产品色泽,采用GBT1677-1981所述方法测定产 品环氧值,对实施例中的封端率和收率定义如下:
其中,VO1:烯丙基聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯封端后,产品的环氧值;VO0:烯丙基聚氧 乙烯醚羧酸缩水甘油酯100%封端时的理论环氧值;环氧值为100g样品中环氧基团上的氧 的质量。
以下通过具体实施例来对本发明作进一步说明,但以下实施例不应理解为对本发明权利要求的保护范围所做出的限制。其中实施例1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8为制取烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐,实施例2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8为制备得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯。
以下实施例为烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐的制备。
实施例1-1
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量542 g/ mol,n=10)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入2.7g对羟基苯甲醚,1.5mol固体甲醇钠,升温搅拌,在压力为-0.095Mpa,温度110℃条件下脱除甲醇3 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.01%,通入氮气保存。
实施例1-2
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量982 g/ mol,n=20)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入2.7g对羟基苯甲醚,2mol固体甲醇钠,升温搅拌,在压力为-0.095Mpa,温度130℃条件下脱除甲醇4 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.02%,通入氮气保存。
实施例1-3
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量1422 g/ mol,n=30)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入3.5g对羟基苯甲醚,5mol固体甲醇钠,升温搅拌,在压力为-0.095Mpa,温度150℃条件下脱除甲醇5 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.02%,通入氮气保存。
实施例1-4:
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量542 g/ mol,n=10)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入2.7 g对羟基苯甲醚,3 mol固体氢氧化钠,升温搅拌,在压力为-0.095 Mpa,温度130 ℃条件下脱除水4 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.03%,通入氮气保存。
实施例1-5:
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量542 g/ mol,n=10)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入2.7 g对羟基苯甲醚,2 mol固体氢氧化钾,升温搅拌,在压力为-0.095 Mpa,温度130 ℃条件下脱除水4 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.03%,通入氮气保存。
实施例1-6:
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量542 g/ mol,n=10)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入2.7 g对羟基苯甲醚,2 mol固体碳酸钠,升温搅拌,在压力为-0.095Mpa,温度150 ℃条件下反应5 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.03%,通入氮气保存。
实施例1-7:
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量542 g/ mol,n=10)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入2.7 g对羟基苯甲醚,1 mol金属Na,升温搅拌,在压力为-0.095 Mpa,温度80 ℃条件下脱除氢气1 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.01%,通入氮气保存。
实施例1-8:
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量146 g/mol,n=1)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入0.2 g对羟基苯甲醚,1 mol NaH,升温搅拌,在压力为-0.090 Mpa,温度80 ℃条件下脱除氢气1 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.01%,通入氮气保存。
可以看出,使用固体碱可以得到水分含量很低的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐的。
以下实施例是使用实施例1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8中得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸盐制备烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸缩水甘油酯。
实施例2-1:
向实施例1-1中得到的1 mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠中加入5.0 g四丁基溴化铵,然后加入1.5 mol环氧氯丙烷,在氮气保护下40℃搅拌反应4 h,反应完毕,降至室温,获得产物粗品;粗品经过滤除盐后,加入磷酸中和,减压蒸馏回收过量的ECH,冷却到室温,加入10.8 g酸性白土精制。所得产品封端率97.6%,色泽24。
实施例2-2
方法完全按照实施例2-1,区别在于使用实施例1-2制备的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,加入6.0 g四丁基溴化铵,加入3 mol 环氧氯丙烷,反应温度为80℃,所得产品封端率96.9%,色泽29。
实施例2-3
方法完全按照实施例2-1,区别在于使用实施例1-3制备的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,加入8.0 g四丁基溴化铵,加入5 mol环氧氯丙烷, 反应温度为120℃,所得产品封端率97.8%,色泽33。
实施例2-4
方法完全按照实施例2-1,区别在于使用实施例1-4制备的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,所得产品封端率96.4%,色泽37。
实施例2-5
方法完全按照实施例2-1,区别在于使用实施例1-5制备的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,所得产品封端率97.1%,色泽35。
实施例2-6
方法完全按照实施例2-1,区别在于使用实施例1-6制备的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,所得产品封端率97.3%,色泽29。
实施例2-7
方法完全按照实施例2-1,区别在于使用实施例1-7制备的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,所得产品封端率98.1%,色泽21。
实施例2-8
方法完全按照实施例2-1,区别在于使用实施例1-8制备的烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,加入0.7 g四丁基溴化铵,减压蒸馏回收过量的ECH,冷却到室温,加入1.2 g酸性白土精制。所得产品封端率98.5%,色泽27。
通过实施例可以发现,聚醚分子大小对封端率有影响,但是只要烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠水分低,均能保持封端率在95%以上,产品色泽<50。
通过实施例2-4、2-5、2-6、2-7、2-8可以发现,使用不同的固体碱,只要烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠水分低,均能保持封端率在95%以上,产品色泽<50。
对比实施例1
将1mol烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸(分子量542 g/ mol,n=10)加入到反应釜中,用氮气置换空气,然后加入2.7 g对羟基苯甲醚,2 mol 50 wt%氢氧化钠水溶液,升温搅拌,在压力为-0.095 Mpa,温度130 ℃条件下脱除水4 h,得到烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠,水分0.7%。加入4.9 g四丁基溴化铵,然后加入1.5 mol环氧氯丙烷,在氮气保护下110℃搅拌反应4 h,反应完毕,降至室温,获得产物粗品;粗品经过滤除盐后,加入磷酸中和,减压蒸馏回收过量的ECH,冷却到室温,加入10.8 g酸性白土精制。所得产品封端率78.5%,色泽106。
通过实施例1-4、2-4和对比实施例1,可以看出,在同样的物料比和反应条件下,采用固体碱获得产品封端率更低,色泽也较好。这是因为液体碱引入了水分,一方面增加了脱水的难度,使得烯丙醇聚氧乙烯醚羧酸钠的含水量较高,另一方面水中含有氧气,容易使聚醚被氧化成醛酮等还有颜色的物质,从而使产品色泽增加。
根据以上实施例和对比例,可以得到一个对照表格,如表1所示。
表1 不同工艺条件下成品质量对照表
| 封端率/% | 色泽(铂-钴比色法) |
实施例2-1 | 97.6 | 24 |
实施例2-2 | 96.9 | 29 |
实施例2-3 | 97.8 | 33 |
实施例2-4 | 96.4 | 37 |
实施例2-5 | 97.1 | 35 |
实施例2-6 | 97.3 | 29 |
实施例2-7 | 98.1 | 21 |
实施例2-8 | 98.5 | 27 |
对比实施例1 | 78.5 | 106 |
以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明,不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明,对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明创造的保护范围。