CN110483454B - 一种芳香族二醚二酐的制备方法 - Google Patents

一种芳香族二醚二酐的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种芳香族二醚二酐的制备方法,包括以下步骤:(1)将双酚化合物、N‑取代的邻苯二甲酰亚胺和催化剂倒入混合溶剂中,加热回流并去水,发生取代反应,得到N‑取代的二醚酰亚胺;(2)向步骤(1)所得N‑取代的二醚酰亚胺中加入碱金属氢氧化物和水,加热,发生水解反应,冷却,加入质子酸,固体析出,收集固体后干燥;(3)将干燥后的固体溶于乙酸、乙酸酐的混合溶液中,加热回流,冷却、过滤、收集固体,将收集后的固体用乙腈和甲苯混合溶液重结晶,过滤,收集固体,干燥,即成。本发明之芳香族二醚二酐的制备方法,步骤精简,耗时少,所使用的溶剂易于回收,可重复使用,且制得的产品芳香族二醚二酐纯度高,产率高。

Description

一种芳香族二醚二酐的制备方法
技术领域
本发明涉及一种芳香族二醚二酐的制备方法。
背景技术
芳香族二醚二酐是一类重要的化工原料,可作为热固性树脂的固化剂、热塑性树脂的原料、耐高温粘合剂的组分等。芳香族二醚二酐中由于含有刚性的苯环,作为热固性树脂的固化剂或改性树脂的原料时,可以增加树脂的玻璃化转变温度,提高树脂的使用温度上限,并显著提升树脂的冲击强度、耐热性能,同时芳香族二醚二酐中柔性的醚键使树脂具有更强的韧性。
芳香族二醚二酐最重要的应用是作为制备聚醚酰亚胺及其复合材料的原料。聚醚酰亚胺及其复合材料具有优良的力学性能,并且耐高温,稳定性好,可以通过静电纺丝,注塑成型、压延成型等方式制备纤维、型材、薄膜等制品,广泛用于运载工具、电气电子、医疗等领域。
现有制备芳香族二醚二酐的方法,一般是,先在无水条件下制备二酚碱金属盐,然后在相转移催化剂存在的情况下与N-取代的邻苯二甲酰亚胺反应生成相应的N-取代二醚酰亚胺,再经碱金属氢氧化物水溶液水解,得到二醚四酸碱金属盐,随后加入质子酸将其酸化为二醚四酸,最后脱水成环生成二醚二酐。过程中的中间产物均需要分离纯化以进行下一步操作,因而制备过程繁琐低效、产率低下。
US3957826公开了一种双酚A型二醚二酐的制备方法,在制备双酚A型二醚酰亚胺时,双酚A钠盐与N-苯基-3-硝基邻苯二甲酰亚胺反应后经历了萃取、过滤、蒸发等分离提纯步骤,由于溶剂为二氯甲烷,毒性大沸点低,还需加装置以防止其扩散污染环境,在之后的二醚酰亚胺水解酸化过程中,还采用了蒸汽蒸馏、过滤等步骤,整个制备过程繁琐耗时,而总产率却仅为57.6%。
CN108148029A公开了一种双酚A型二醚二酐的制备方法,首先将双酚A制成双酚A钠盐,再与4-氯代苯酐反应生成双酚A型二醚二酐,虽然机理简单,但反应耗时长,双酚A钠盐与4-氯代苯酐的反应时间需要20~24h,制备过程中还需要进行3次过滤、2次洗涤操作,最后的二醚二酐产率也仅为80-85%。
CN108698993A公开了一种制备双(醚酐)和聚醚酰亚胺的方法,将N-取代的二醚酰亚胺在碱金属氢氧化物的水溶液中水解成盐,然后加入非极性、高沸点芳族溶剂与酸,最后高温下除水环化以生成二醚二酐。此方法使用了大量的有机溶剂和水,进行了多次萃取、洗涤,二醚二酐存在于溶液中,而高沸点的溶剂除去困难,在应用上有很大的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服现有技术存在的上述缺陷,提供一种高效省时、产品纯度高、产率高的芳香族二醚二酐的制备方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是:一种芳香族二醚二酐的制备方法,包括以下步骤:
(1)将双酚化合物、N-取代的邻苯二甲酰亚胺和催化剂倒入混合溶剂中,加热回流并去水,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中加入碱金属氢氧化物和水,加热,发生水解反应,冷却,加入质子酸,固体析出,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入乙酸、乙酸酐的混合溶液中,加热回流,冷却、过滤、收集固体,将所述固体用乙腈和甲苯混合溶液重结晶,再过滤,收集固体,干燥,即成。
进一步,步骤(1)中,所述催化剂为碱金属碳酸盐和/或碱金属碳酸氢盐。
进一步,步骤(1)中,所述双酚化合物:N-取代的邻苯二甲酰亚胺:催化剂的摩尔比优选为1:1.5~2.5:1.5~3.0;更优选1:2:2.4,催化剂的摩尔以碱金属的物质的量计算。
进一步,步骤(1)中,所述混合溶剂为极性有机溶剂与带水剂的混合物。
进一步,步骤(1)中,所述极性有机溶剂是N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜等中的一种或几种。
进一步,步骤(1)中,所述带水剂为甲苯、苯、二甲苯等中的一种或几种。
进一步,步骤(1)中,步骤(1)中,所述极性有机溶剂与带水剂的体积比为1:1.0~2.0,优选为1:1.0~1.2。
进一步,步骤(2)中,所述碱金属氢氧化物为NaOH和/或KOH。
进一步,步骤(2)中,所述双酚化合物与碱金属氢氧化物的摩尔比为1:17.5~25.0。
进一步,步骤(2)中,所述水的用量为碱金属氢氧化物质量的2.5~4.0倍。
进一步,步骤(2)中,所述质子酸为盐酸和/或硫酸。
进一步,步骤(2)中,所述酸化溶液的pH值为2~3。
进一步,步骤(2)中,所述加热温度为140~200℃,优选加热温度为180℃。
进一步,步骤(3)中,所述乙酸的用量为双酚化合物质量的9.1~22.8倍。
进一步,步骤(3)中,所述乙酸酐的用量为双酚化合物质量的1.1~2.3倍。
进一步,步骤(3)中,所述反应时间为2~4h。
进一步,步骤(3)中,所述混合溶液中乙腈与甲苯的质量比为1~5:5~9,优选的质量比为2:8。
步骤(1)中,由于反应充分,不存在影响下一步水解反应的杂质,所以无需对步骤(1)的产物进行分离纯化。
步骤(2)中,优选方案:过量的碱金属氢氧化物水溶液,在一定反应温度和时间下使二醚酰亚胺彻底水解;再加入质子酸使二醚四酸碱金属盐转变为二醚四酸,二醚四酸包覆无机盐成固体析出,而无机盐不影响二醚四酸的脱水关环反应,因此不用分离纯化二醚四酸。
步骤(3)中,过滤的目的是,除去溶于乙酸的杂质,如二醚四酸、二醚酰亚胺,其滤饼成分为二醚二酐、无机盐、二醚四酸。
步骤(3)中,重结晶的目的是,除去剩余杂质,得到纯度大于99.7%的二醚二酐。
本发明反应机理如下:
制备N-取代的二醚酰亚胺:
Figure BDA0002194477890000041
其中N-取代的邻苯二甲酰亚胺的硝基可以在苯环上的3位或者4位;制备二醚四酸:
Figure BDA0002194477890000042
制备二醚二酐:
Figure BDA0002194477890000051
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:步骤精简,耗时少,所使用的溶剂易于回收,可重复使用,制得的产品芳香族二醚二酐纯度高、产率高,具有很好的工业化前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的双酚A型二醚二酐HPLC色谱图;
图2是本发明实施例2制得的双酚F型二醚二酐HPLC色谱图;
图3是本发明实施例3制得的双酚S型二醚二酐HPLC色谱图;
图4是本发明实施例4制得的双酚A型二醚二酐HPLC色谱图;
图5是本发明实施例5制得的双酚F型二醚二酐HPLC色谱图;
图6是本发明实施例6制得的双酚S型二醚二酐HPLC色谱图;
图7是本发明实施例7制得的双酚A型二醚二酐HPLC色谱图;
图8是本发明实施例8制得的双酚S型二醚二酐HPLC色谱图;
图9是本发明实施例9制得的双酚F型二醚二酐HPLC色谱图;
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围并不限于以下实施例。本发明中,所用原料如无特殊说明,均从常规商业途径获得。
实施例1
(1)称取114.15g双酚A、206.16g N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、82.93g碳酸钾,倒入1kg DMF与甲苯(体积比1:1)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入350g NaOH、1.3kg水,加热至180℃,水解反应5h;冷却,加入盐酸,调节pH值为2,大量固体析出,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入1.2kg乙酸、170g乙酸酐的混合溶液中,加热回流2h,冷却,过滤,收集固体,用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤,收集固体,干燥,得到双酚A型二醚二酐242.40g(产率93.23%),HPLC纯度为99.78%。
实施例2
(1)称取100.12g双酚F、206.16g N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、82.93g碳酸钾倒入1.2kg DMF与甲苯(体积比1:1)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入400g NaOH、1.5kg水,加热至180℃,水解反应7h,冷却,加入盐酸,调节pH值为3,大量固体析出,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入1.5kg乙酸、170g乙酸酐的混合溶液中,加热回流4h,冷却,过滤,收集固体,用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤,收集固体,干燥即成,得到双酚F型二醚二酐224.05g(产率91.08%),HPLC纯度为99.75%。
实施例3
(1)称取62.57g双酚S、103.08g N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、41.46g碳酸钾,倒入630g DMAC与甲苯(体积比1:1.2)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入250g NaOH、1kg水,加热至180℃,水解反应10h,冷却,加入浓盐酸,调节pH值为2,析出大量固体,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入1.2kg乙酸、113g乙酸酐的混合溶液中,加热回流4h,冷却,过滤,收集固体,并用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤,收集固体,干燥即成,得到双酚S型二醚二酐123.93g(产率91.46%),HPLC纯度为99.77%。
实施例4
(1)称取11.42g双酚A、20.62g N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、8.3g碳酸钾,倒入100g回收的DMF与甲苯(体积比为1:1)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入35g NaOH、130g水,加热至180℃,水解反应5h;冷却,加入盐酸,调节pH值为2,大量固体析出,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入160g乙酸、18g乙酸酐的混合溶液中,加热回流2h,冷却,过滤,收集固体,用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤,收集固体,干燥即成,得到双酚A型二醚二酐23.75g(产率91.35%),HPLC纯度为99.73%。
实施例5
(1)称取40.05g双酚F、82.46g N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、33.17g碳酸钾,倒入480g回收的DMF与甲苯(体积比为1:1)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入160g NaOH、600g水,加热至180℃,水解反应7h;冷却,加入盐酸,调节pH值为3,大量固体析出,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入620g乙酸、70g乙酸酐的混合溶液中,加热回流4h,冷却,过滤,收集固体,用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤,收集固体,干燥即成,得到双酚F型二醚二酐90.89g(产率92.37%),HPLC纯度为99.70%。
实施例6
(1)称取50.05g双酚S、82.46g N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、33.17g碳酸钾,倒入504g回收的DMAC与甲苯(体积比为1:1.2)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入200g NaOH、800g水,加热至180℃,水解反应10h;冷却,加入浓盐酸,调节pH值为2,析出大量固体,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入950g乙酸、90g乙酸酐的混合溶液中,加热回流并4h,冷却,过滤,收集固体,并用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤,收集固体,干燥即成,得到双酚S型二醚二酐98.20g(产率90.59%),HPLC纯度为99.84%。
实施例7
(1)称取86.75g双酚A、203.85g N-苯基-3-硝基邻苯二甲酰亚胺、48.33g碳酸钠倒入910g DMSO与二甲苯(体积比1:1.1)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入400g KOH、1kg水,加热至180℃,水解反应8h;冷却,加入硫酸,调节pH值为2,大量固体析出,收集固体,干燥;
(3)将干燥后的固体倒入1.4kg乙酸、130g乙酸酐的混合溶液中,加热回流3h;冷却,过滤,收集固体,用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤收集固体,干燥即成,得到双酚A型二醚二酐182.18g(产率92.11%),HPLC纯度为99.77%。
实施例8
(1)称取42.55g双酚S、91.20g N-苯基-3-硝基邻苯二甲酰亚胺、40.85g碳酸氢钾,倒入400g DMSO与苯(体积比1:1)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入136g NaOH、490g水,加热至180℃,水解反应5h;冷却,加入硫酸,调节pH值为2,大量固体析出,收集固体,干燥。
(3)将干燥后的固体倒入810g乙酸、77g乙酸酐的混合溶液中,加热回流4h,冷却,过滤,收集固体,用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤收集固体,干燥即成,得到双酚S型二醚二酐84.51g(产率91.64%),HPLC纯度99.83%。
实施例9
(1)称取86.10g双酚F、177.30g N-甲基-4-硝基邻苯二甲酰亚胺、86.70g碳酸氢钠,倒入1.1kg DMAC与二甲苯(体积比1:1.2)混合溶液中,加热回流并去水6h,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中,加入520g KOH、1.4kg水,加热至180℃,水解反应8h;冷却,加入硫酸,调节pH值为2,大量固体析出,收集固体,干燥;
(3)向干燥后的固体倒入1.3kg乙酸、145g乙酸酐的混合溶液中,加热回流3h,冷却,过滤,收集固体,用乙腈和甲苯混合溶液对固体重结晶,再过滤收集固体,干燥即成,得到双酚F型二醚二酐194.28g(产率91.75%),HPLC纯度99.76%。

Claims (9)

1.一种芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将双酚化合物、N-取代的邻苯二甲酰亚胺和催化剂倒入混合溶剂中,加热回流并去水,发生取代反应,得到N-取代的二醚酰亚胺;发生的化学反应为:
(2)向步骤(1)所得N-取代的二醚酰亚胺中加入碱金属氢氧化物和水,加热,发生水解反应,冷却,加入质子酸,固体析出,收集固体,干燥;发生的化学反应为:
(3)将干燥后的固体倒入乙酸、乙酸酐的混合溶液中,加热回流,冷却、过滤、收集固体,将所述固体用乙腈和甲苯混合溶液重结晶,再过滤,收集固体,干燥,即成;发生的化学反应为:
步骤(1)中,所述混合溶剂为极性有机溶剂与带水剂的混合物;
步骤(1)中,所述催化剂为碱金属碳酸盐和/或碱金属碳酸氢盐;
步骤(2)中,所述碱金属氢氧化物为NaOH和/或KOH,双酚化合物与碱金属氢氧化物的摩尔比为1:17.5~25;
步骤(2)中,加入质子酸至溶液的pH值为2~3。
2.根据权利要求1所述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或几种;所述带水剂为甲苯、苯、二甲苯中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述极性有机溶剂与带水剂的体积比为1:1.0~2.0。
4.根据权利要求1述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述双酚化合物:N-取代的邻苯二甲酰亚胺:催化剂的摩尔比为1:1.5~2.5:1.5~3.0;催化剂的摩尔以碱金属的物质的量计算。
5.根据权利要求1所述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述水的用量为碱金属氢氧化物质量的2.5~4倍。
6.根据权利要求1所述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述质子酸为盐酸和/或硫酸。
7.根据权利要求1所述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述乙酸的用量为双酚化合物质量的9.1~22.8倍,所述乙酸酐的用量为双酚化合物质量的1.1~2.3倍。
8.根据权利要求1或7所述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,加热回流时间为2~4h。
9.根据权利要求1或7所述芳香族二醚二酐的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述混合溶液中乙腈与甲苯的质量比为1~5:5~9。
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