CN114163449B - 1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备及表征方法 - Google Patents

1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备及表征方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种1,2,4,5‑环己烷四羧酸二酐的制备及表征方法，属于精细化工技术领域。该方法采用1,2,4,5‑均苯四甲酸与三乙胺在水中成盐后直接氢化，经乙酸酸化结晶分离的中间体通过球磨粉碎方式降低粒径，再进行脱水环合，程序降温得到单一船式构象1,2,4,5‑环己烷四羧酸二酐，使用高效液相色谱‑正相系统与热分析手段对产品进行了充分表征。本发明得到的产品纯度高达99.5％以上且立体结构为单一的船式构象，能够满足微电子及光电工程领域耐热性、透光度的需求。

Description

1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备及表征方法
技术领域
本发明涉及一种1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备及表征方法，属于精细化工技术领域。
背景技术
1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐作为聚酰亚胺的关键中间体，其脂环结构破坏了传统聚酰亚胺链段的共轭结构，减少了电荷转移络合物的形成，大大提升了聚亚酰胺的耐热性、透光性。由于脂环族的立体化学性质，高纯度单一构象的二酐与较强的电子供体二胺聚合得到的聚酰亚胺薄膜在微电子及光电工程领域独具优势，尤其柔性显示基板材料、非线性光敏材料等。
目前文献专利报道1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备方法主要有以下两条路线：
路线一：使用贵金属铑对均苯四甲酸直接加氢得到1,2,4,5-环己烷四羧酸，再脱水环合进行生成1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐(CN1428324)。该方法使用铑炭时空收率较低且并未提及所得二酐的立体构象如何和相应的表征方法。虽然该方法路线简便、快捷，但单一构象纯度不高，后续高分子聚合应用时会影响薄膜的延展性、透光率。
路线二：均苯四甲酸二酐经酯化来保护羧基、使用贵金属进行核氢化、后水解脱保护得到1,2,4,5-环己烷四羧酸并同时脱水环合生成1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐(CN108069978)。该方法将水解脱保护与脱水环合合并后有效地减少了操作工序和三废，但总收率仅68％-70％,且同样未提及如何控制二酐的立体构象。
固体烷基酸酐在保持结构的前提下难溶于大多数有机溶剂，因此对其直接分析的表征方法在国内一直处于空白阶段。目前已有的方法为间接手段：使用甲醇对产品进行酯化衍生得到二酸二酯衍生物进行高效液相色谱分析，利用强酸高水相与乙腈进行梯度洗提，从保留时间上区别残留的1,2,4,5-环己烷四羧酸，锚定相对浓度，以归一化法所得残留酸百分比计为残留酸含量，最后以100％减去残留酸含量评定脱水率(CN110494437)。
上述表征方法衍生的重现性较差，且最后计算方式存在问题，仅以1,2,4,5- 环己烷四羧酸作为唯一残留酸不够全面，反应中产生的半酐半酸中间态经衍生生成三酸一酯衍生物应一起纳入残留酸范畴，但衍生化试剂选用甲醇，甲基对此类强酸物质持弱保留，三酸一酯衍生物与二酸二酯衍生物在该分析方法下无法得到有效分离。往往分析测试纯度要偏大，给后续聚酰亚胺高分子聚合带来影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高纯度立体构象单一1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备和表征方法。本发明采用较低成本负载镍催化剂，使用三乙胺与1,2,4,5- 均苯四甲酸成盐，对其进行直接氢化，得到1,2,4,5-环己烷四羧酸有机胺盐；通过加入乙酸置换，使1,2,4,5-环己烷四羧酸盐发生水溶液中置换-析出过程从而锁定立体构象，最后进行脱水环合得到高纯度单一船式构象1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐；其不仅简化了传统复杂的羧基保护过程还使催化剂时空收率得到大幅度提高，并且最后可控制单一立体构象，为后续聚酰亚胺合成提供了更为优质的聚合单体。另外，对于1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐难以直接表征的问题提供了解决方案：高效液相色谱-正相分离系统配合热分析手段，可以直接对1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的各种立体构象、杂质进行分析，避免了间接衍生带来的重现性、准确性误差。
一种1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备及表征方法，实现本发明的技术方案，包括如下步骤：
1)将1,2,4,5-均苯四甲酸与三乙胺在水中成盐，采用负载镍催化剂进行氢化；反应液经乙酸酸化、结晶分离得单一船式构象1,2,4,5-环己烷四羧酸；
2)将1,2,4,5-环己烷四羧酸进行干燥粉碎，在非极性有机溶剂中与乙酸酐进行脱水环合反应，所得固液混合物经程序降温、离心分离，固体干燥，得单一船式构象1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐；
3)采用高效液相色谱-正相系统对1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐立体构象进行分离，通过热分析手段对物质键能差别进行表征即可完成不同立体构象间的确证。
进一步地，在上述技术方案中，更为具体操作步骤和反应条件如下：
1)1,2,4,5-环己烷四羧酸的合成：
将1,2,4,5-均苯四甲酸与三乙胺在水中成盐，并稀释成均相的水溶液。将负载镍催化剂先加入高压釜高温氢气吹扫进行活化，在氮气氛中用泵打入稀释好的料液，通入氢气进行催化加氢反应；所得反应液经乙酸酸化、结晶分离得单一船式构象1,2,4,5-环己烷四羧酸。
进一步地，在上述技术方案中，1,2,4,5-均苯四甲酸与三乙胺摩尔比为1:2.5-8，优选1:3-5；成盐时需要使用水作为溶剂，用量为1mol 1,2,4,5-均苯四甲酸对应 0.2-0.45L水，优选0.3-0.4L水；成盐后悬浊液采用水稀释成15-30wt％水溶液，优选20-25wt％。
进一步地，在上述技术方案中，负载镍催化剂制备选用碱式碳酸镍作为原料，与氨水升温络合后浸渍于载体上，载体可选氧化铝或氧化硅，经高温焙烧、氢气吹扫还原、表面钝化后，镍负载量在2-20wt％，优选10-15wt％。
进一步地，在上述技术方案中，负载镍加入量为1,2,4,5-均苯四甲酸2-15wt％，优选5-10wt％；以0.1-0.5L/h通入氢气进行吹扫，优选0.2-0.35L/h；活化时采取程序升温，每30g负载镍催化剂在氢气吹扫下，以20℃/h速度升温至100±10℃，保持2h，再以10℃/h速度升温至180±5℃，保持2h，最后以5℃/h速度升温至 230±2℃，保持1h，完成活化，在氮气氛中降至适宜温度即可投料。
进一步地，在上述技术方案中，加氢反应温度为120-280℃，优选140-200℃；反应氢气压力为3.0-8.0MPa，优选5.5-6.5MPa；反应时间为15-30h，优选20-24h。
进一步地，在上述技术方案中，氢化反应液在60-90℃加入乙酸进行酸化，优选70-85℃；置换出1,2,4,5-环己烷四羧酸，乙酸与三乙胺摩尔比为1:0.5-0.9，优选1：0.7-0.85；以盐形态酸化从三乙胺乙酸盐-水混合液中降温结晶析出1,2,4,5- 环己烷四羧酸晶粒，立体结构为单一船式构象。
2)1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的合成
将1,2,4,5-环己烷四羧酸晶粒进行干燥，球磨粉碎后，在非极性有机溶剂中与乙酸酐进行脱水环合反应，所得固液混合物经降温、离心分离，固体干燥，得单一船式构象的1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐。
进一步地，在上述技术方案中，1,2,4,5-环己烷四羧酸在进行脱水环合前需要进行干燥，干燥失重小于0.5％，优选小于0.1％；干燥后固体进行球磨粉碎，粉碎程度为80-100目过筛率85％以上，优选过筛率95％以上。
进一步地，在上述技术方案中，粉碎后1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐与乙酸酐摩尔比为1:2-4，优选1:2.5-3；1,2,4,5-环己烷四羧酸与非极性有机溶剂的质量比为1:1-5，优选1:2-3.5；非极性有机溶剂为二甲苯、氯苯、乙苯、均三甲苯的一种或多种，优选二甲苯；脱水环合的反应温度为100-140℃，优选115-125℃；反应时间为8-16h，优选10-12h。
进一步地，在上述技术方案中，上述反应结束后所得固液混合物需缓慢降温，降温速度为8℃/h以下，优选5℃/h以下；降至常温后经离心分离、固体干燥可得1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐，立体结构为单一船式构象。
3)1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的表征
通过高效液相色谱仪对2)所得产品进行定量分析，并使用差示扫描量热仪对其进行构象确证。
进一步地，在上述技术方案中，定量分析样品预处理为：称取1g于50.00mL 容量瓶中，使用移液管准确移取25.00mL丙酮于容量瓶中，超声30min以上，待容量瓶内固体全部溶解后，使用流动相B定容至刻度，取2mL过0.45um尼龙膜，待测。
色谱柱：安捷伦SB-CN柱，柱长250mm，内径4.6mm，粒径4um，或等效色谱柱。流动相：A+B＝70+30，流速:1mL/min，检测波长215nm，进样量10uL，柱温30℃。
流动相A应为含有0.5-2％乙酸非极性有机溶剂，乙酸含量优选1-1.2％，非极性有机溶剂为正己烷、异辛烷、环己烷的一种或多种，优选正己烷；流动相B 应为乙酸乙酯、氯仿、四氢呋喃、丙酮、异丙醇，优选乙酸乙酯、氯仿。
立体构象的确证:称取10mg差示扫描量热仪中按照15-30℃/min程序升温，优选20-25℃/min；根据热流率与温度关系函数体现的键能差别来确证环脂酸酐的立体构象。
本发明有益效果：
1、使用三乙胺对1,2,4,5-均苯四甲酸进行保护，直接进行核氢化，由于三乙胺同时起到缚酸作用，由此可以使用成本较低却不耐酸的金属镍作催化剂；使用碱式碳酸镍制备的负载型催化剂在三乙胺的保护下时空收率可超过雷尼镍，制备此负载催化剂使用传统的浸渍法即可；使用相对低的反应温度操作压力即可完成核氢化进程，简化了工序，降低了成本。
2、采用乙酸-三乙胺-水体系，使1,2,4,5-环己烷四羧酸盐在体系内发生了有机盐置换与重结晶析出双重过程，锁定了单一立体构象，最后得到高纯度单一船式构象的1,2,4,5-环己烷四羧酸作为下步脱水环合的原料，为后续反应以及下游产品提供了高质量保证。
3、采用高效液相色谱-正相系统对1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的立体构象-船式、椅式等进行分离，立体化学性质在正相系统中具有良好的分离效果，通过热分析手段如DSC、TG等同时对物质的键能差别进行表征即可完成不同立体构象间的确证。避免了间接衍生方法产生的重现性、准确性的误差，并且没有使用传统的强酸高水相，延长了色谱柱及仪器的使用寿命。
附图说明
图1为实施例1中1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的液相谱图；
图2为实施例1中1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的DSC谱图；
图3为实施例1中1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的核磁氢谱；
图4为实施例2中1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的液相谱图；
图5为实施例2中1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的DSC谱图；
图6为实施例2中1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的核磁氢谱。
具体实施方式
实施例1
1)1,2,4,5-环己烷四羧酸的合成
向装有温度计、回流冷凝管、机械搅拌的500mL四口瓶中，加入26.3g市售98％以上纯度1,2,4,5-均苯四甲酸，30mL去离子水，开启搅拌，向四口瓶内滴加35.7g三乙胺，保持温度不超过50℃。滴加完毕后，向四口瓶内加入190mL 去离子水搅拌至澄清透明，得到282g22wt％1,2,4,5-均苯四甲酸-三乙胺水溶液。
负载镍催化剂的制备：称取7.8g碱式碳酸镍于装有温度计、回流冷凝管的 100mL四口瓶中，加入20mL去离子水，置于带有磁力搅拌的水浴锅内。开启搅拌，水浴加热至70℃，向烧杯内悬浊液滴加10mL25％氨水溶液，滴加结束后升温至90℃保温搅拌直至体系澄清透明，90℃进行保温待用。向旋转蒸发设备的茄形瓶中加入12g直径为3-5mm，比表面积大于230m2/gγ-Al2O3小球，设置 -0.08MPa减压，95℃热源，开启旋转，使用长管以每小时3-5mL的速度向茄形瓶内堆积的氧化铝小球中心滴加制备好的含镍水溶液，滴加结束继续加热旋转至瓶内无肉眼可见液滴，出料常温放置12h进行晾干。将晾干的氧化铝小球放入马弗炉中在氮气吹扫下以20℃/h速度升温至200℃，保持2h，再以15℃/h速度升温至450℃，保持2h。自然降温至300℃以下换成高纯氢气吹扫，并以5℃/h速度升温至400℃，保持5h，完成催化剂的焙烧还原过程。自然降温至50℃以下，换成95％高纯氮气与5％压缩空气混合气进行缓慢吹扫控制马弗炉内催化剂中心温度始终小于50℃，保持2h，在混合气吹扫下降至室温，可得到14g负载量为 15wt％负载镍催化剂。
称取2.5g上述15wt％负载镍催化剂加入装有插底管500mL高压釜中，向釜内插底管管路通流量为0.2L/h高纯氢气对催化剂进行吹扫，并由釜顶阀门排出。在氢气吹扫下，以20℃/h速度升温至100℃，保持2h，再以10℃/h速度升温至 180℃，保持2h，最后以5℃/h速度升温至230℃，保持1h，完成活化。将氢气流路切换为高纯氮气，在氮气吹扫下降至室温。
使用泵将预先制好的282g料液打入高压釜中，通入氢气使釜内压力始终维持6MPa，升温至160℃，反应20h。反应结束后开始降至80℃时，将釜内料液滤除催化剂转移至500mL四口瓶中，趁热加入27g乙酸继续搅拌降至室温。将四口瓶内固液混合物抽滤，可得到23.9g 1,2,4,5-环己烷四羧酸，液相色谱含量 99％，收率93％，立体结构为单一的船式构象。
2)1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的合成
使用球磨机将23.9g干燥失重小于0.1％，纯度大于99％且为单一船式构象 1,2,4,5-环己烷四羧酸粉碎成80-100目过筛率大于95％固体粉末，加入装有温度计、回流冷凝管、机械搅拌500mL四口瓶中。向四口瓶内加入23.5g乙酸酐， 70g二甲苯，开启搅拌并升温至120℃，保温10h。反应结束后，所得固液混合物通过调整外层保温棉以4-7℃/h速度缓慢降温，降至常温后经离心分离、固体干燥可得18g 1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐，液相色谱含量99.6％，收率88％，立体结构为单一船式构象，核磁氢谱为附图3。
3)1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的表征
称取1g于50.00mL容量瓶中，使用移液管准确移取25.00mL丙酮于容量瓶中，超声30min以上，待容量瓶内固体全部溶解后，使用乙酸乙酯定容至刻度，取2mL过0.45um尼龙膜，待测。
使用正己烷与乙酸乙酯作为正相系统流动相，预先调整流动相比例为正己烷/乙酸乙酯＝70/30，等度以1mL/min的流速冲洗包括SB-CN色谱柱在内的液相系统。待基线平稳后，开始进样，进样量10uL，谱图为附图1。
称取10mg差示扫描量热仪中进行25℃/min程序升温(见附图2)，可确证此样品立体结构为船式构象。
实施例2
1)1,2,4,5-环己烷四羧酸的合成
向装有温度计、回流冷凝管和机械搅拌500mL四口瓶中，加入26.3g市售 98％以上纯度1,2,4,5-均苯四甲酸，50mL去离子水，开启搅拌，向四口瓶内滴加 35.7g三乙胺，保持温度不超过50℃。滴加完毕后，向四口瓶内加入200mL去离子水搅拌至澄清透明，得到312g19.9wt％1,2,4,5-均苯四甲酸-三乙胺水溶液。
负载镍催化剂的制备：称取5.6g碱式碳酸镍于装有温度计、回流冷凝管的 100mL四口瓶中，加入15mL去离子水,置于带有磁力搅拌的水浴锅内。开启搅拌，水浴加热至70℃，向烧杯内悬浊液滴加7mL25％氨水溶液，滴加结束后升温至90℃保温搅拌直至体系澄清透明，90℃进行保温待用。向旋转蒸发设备的茄形瓶中加入15g直径为3-5mm，比表面积大于230m2/g的γ-Al2O3小球，设置 -0.08MPa减压，95℃热源，开启旋转，使用长管以每小时2-4mL的速度向茄形瓶内堆积的氧化铝小球中心滴加制备好的含镍水溶液，滴加结束继续加热旋转至瓶内无肉眼可见液滴，出料常温放置10h进行晾干。将晾干的氧化铝小球放入马弗炉中在氮气吹扫下以20℃/h速度升温至230℃，保持2h，再以15℃/h速度升温至450℃，保持1h。自然降温至280℃以下换成高纯氢气吹扫，并以8℃/h速度升温至380℃，保持3h，完成催化剂的焙烧还原过程。自然降温至45℃以下，换成95％高纯氮气与5％压缩空气混合气进行缓慢吹扫控制马弗炉内催化剂中心温度始终小于45℃，保持2h，在混合气吹扫下降至室温，可得到17g负载量为 10wt％负载镍催化剂。
称取3g上述10wt％负载镍催化剂加入装有插底管500mL高压釜中，向釜内插底管管路通流量为0.2L/h高纯氢气对催化剂进行吹扫，并由釜顶阀门排出。在氢气吹扫下，以20℃/h速度升温至100℃，保持2h，再以10℃/h速度升温至 180℃，保持2h，最后以5℃/h速度升温至230℃，保持1h，完成活化。将氢气流路切换为高纯氮气，在氮气吹扫下降至室温。
使用泵将预先制好的312g料液打入高压釜中，通入氢气使釜内压力始终维持6MPa，升温至150℃，反应22h。反应结束后开始降至90℃时，将釜内料液滤除催化剂转移至500mL四口瓶中，趁热加入27g乙酸继续搅拌降至室温。将四口瓶内固液混合物抽滤，可得到22.8g 1,2,4,5-环己烷四羧酸，液相色谱含量 99％，收率89％，立体结构为单一的船式构象。
2)1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的合成
使用球磨机将22.8g干燥失重小于0.08％，纯度大于99％且为单一船式构象 1,2,4,5-环己烷四羧酸粉碎成80-100目过筛率大于95％固体粉末，加入装有温度计、回流冷凝管、机械搅拌500mL四口瓶中。向四口瓶内加入26g乙酸酐，60g 二甲苯，开启搅拌并升温至115℃，保温12h。反应结束后，所得固液混合物通过调整外层保温棉以5-6℃/h速度缓慢降温，降至常温后经离心分离、固体干燥可得17g 1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐，液相色谱含量99.7％，收率87％，立体结构为单一船式构象，核磁氢谱为附图6。
3)1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的表征
称取1g于50.00mL容量瓶中，使用移液管准确移取25.00mL丙酮于容量瓶中，超声30min以上，待容量瓶内固体全部溶解后，使用氯仿定容至刻度，取 2mL过0.45um尼龙膜，待测。
使用正己烷与氯仿作为正相系统流动相，预先调整流动相比例为正己烷/乙酸乙酯＝70/30，等度以1mL/min流速冲洗包括SB-CN色谱柱在内的液相系统。待基线平稳后，开始进样，进样量10uL，谱图见附图4。
称取10mg差示扫描量热仪中进行20℃/min程序升温(见附图5)，可确证此样品立体结构为船式构象。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1) 将1,2,4,5-均苯四甲酸与三乙胺在水中成盐，采用负载镍催化剂进行氢化；反应液经乙酸酸化、结晶分离得单一船式构象1,2,4,5-环己烷四羧酸；所述负载镍催化剂选用碱式碳酸镍作为原料，与氨水升温络合后浸渍于载体上，载体选自氧化铝或氧化硅，经高温焙烧、氢气吹扫还原、表面钝化后，镍负载量在2-20wt%；负载镍加入量为1,2,4,5-均苯四甲酸2-15 wt%，加氢反应温度为120-280℃，反应氢气压力为3.0-8.0MPa，反应时间为15-30h；氢化反应结束后，反应液在60-90℃加入乙酸进行酸化，置换出1,2,4,5-环己烷四羧酸，乙酸与三乙胺摩尔比为1: 0.5-0.9，以盐形态酸化从三乙胺乙酸盐-水混合液中降温结晶析出1,2,4,5-环己烷四羧酸晶粒，立体结构为单一船式构象；所述1,2,4,5-均苯四甲酸与三乙胺摩尔比为1: 2.5-8，成盐时采用水作为溶剂，用量为1mol 1,2,4,5-均苯四甲酸对应0.2-0.45L水； 所述1,2,4,5-均苯四甲酸与三乙胺成盐后悬浊液采用水稀释成15-30wt%水溶液；
2) 将1,2,4,5-环己烷四羧酸进行干燥粉碎，在非极性有机溶剂中与乙酸酐进行脱水环合反应，所得固液混合物经程序降温、离心分离，固体干燥，得单一船式构象1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐。
2.根据权利要求1所述1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备方法，其特征在于：步骤2)所述干燥后固体进行球磨粉碎，粉碎程度为80-100目过筛率85%以上再进行接续投料反应。
3.根据权利要求1所述1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐的制备方法，其特征在于：步骤2)所述反应结束后所得固液混合物需缓慢降温，降温速度为8℃/h以下，降至常温后经离心分离、固体干燥可得1,2,4,5-环己烷四羧酸二酐，立体结构为单一船式构象。
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