Lewis酸催化合成雙三羥甲基丙烷丙烯酸酯

孟子恒

（中石油東北煉化吉林設(shè)計(jì)院，吉林吉林市 132022）

雙三羥甲基丙烷丙烯酸酯是丙烯酸酯類(lèi)系列產(chǎn)品中新開(kāi)發(fā)的一個(gè)品種[1-2]，其主要是通過(guò)雙三羥甲基丙烷和丙烯酸直接酯化制得，目前所使用的催化劑大多數(shù)為硫酸或?qū)Ρ交撬醄3]，由于其對(duì)設(shè)備腐蝕和后處理中和、水洗等工序復(fù)雜，在此我們改用Lewis 酸作催化劑[4]，可以使反應(yīng)進(jìn)程比較緩和，安全系數(shù)較高[5]。雙三羥甲基丙烷丙烯酸酯也是紫外光固化阻焊中一種重要的稀釋單體,在紫外光照射下,通過(guò)光引發(fā)劑可參與固化成膜并形成網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu),具有成膜速度快、耐焊性、耐溶劑性、無(wú)揮發(fā)等優(yōu)點(diǎn)[6-9]。由于輻射固化具有固化過(guò)程無(wú)溶劑揮發(fā)，不污染環(huán)境，節(jié)能高效，適合連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近幾年該類(lèi)產(chǎn)品得到迅猛發(fā)展，所以開(kāi)發(fā)雙三羥甲基丙烷丙烯酸酯有很大市場(chǎng)前景[10-11]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

雙三羥甲基丙烷：工業(yè)品，購(gòu)于吉林石化公司；FeCl3：化學(xué)純，購(gòu)于上海試劑一廠(chǎng)；丙烯酸和甲苯：化學(xué)純，購(gòu)于天津富宇精細(xì)化工有限公司。

三口燒瓶、電加熱套、攪拌器、回流冷凝管、分水器、溫度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

雙三羥甲基丙烷丙烯酸酯是由雙三羥甲基丙烷和丙烯酸在酸性條件下直接酯化制的。其中以FeCl3為催化劑，甲苯為溶劑，對(duì)羥基苯甲醚為阻聚劑。雙三羥甲基丙烷是三羥甲基丙烷的二聚物，分子式為C10H26O5,分子量為250.33。外觀(guān)為白色片狀結(jié)晶，熔點(diǎn)106℃～115℃，分子結(jié)構(gòu)式如下:

反應(yīng)方程式如下：

1.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟

在裝有電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)、分水器、冷凝管的500mL 三口燒瓶中,依次加入雙-三羥甲基丙烷、丙烯酸、甲苯、FeCl3、對(duì)羥基苯甲醚加熱回流一段時(shí)間后，改為減壓蒸餾裝置，蒸出甲苯?；旌衔飻嚢杞抵潦覝?加入一定量的5.0% NaOH 溶液攪拌40min,靜置分層,分出油層,水層用乙醚萃取三次后與油層合并。油層用蒸餾水洗至中性, 干燥后, 蒸出溶劑, 得到淺黃色油狀液體。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原料配比對(duì)產(chǎn)品酯化度的影響

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的性質(zhì)與特點(diǎn)，在酯化合成實(shí)驗(yàn)方案中，丙烯酸與雙三羥甲基丙烷的摩爾比分別為4∶1、6∶1、8∶1、10∶1 來(lái)考察其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。其比例與酯化度的關(guān)系如下圖1：

圖1 原料配比對(duì)產(chǎn)物收率的影響 Fig.1 The ratio of raw materials influence on the yield

由圖1 可以看出隨著丙烯酸與雙三羥甲基丙烷的摩爾比的增加，酯化度也相應(yīng)提高。當(dāng)摩爾比達(dá)到8∶1 時(shí)，酯化度達(dá)到最大值，再增大摩爾比，酯化度變化不大。

2.2 催化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響

在上述研究的基礎(chǔ)上,考察了催化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率及顏色的影響,當(dāng)催化劑Lewis 酸FeCl3用量超過(guò)總投料量的1.5%時(shí),產(chǎn)品顏色加深，超過(guò)2%時(shí)顏色過(guò)深呈棕黑色，而FeCl3用量低于0.3%時(shí)產(chǎn)品收率過(guò)低，因此考察催化劑用量在0.3%～2%時(shí)對(duì)產(chǎn)品收率的影響，考察結(jié)果如表1 和圖2 所示。

表1 催化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率及質(zhì)量的影響 Table 1 The amount of catalyst influence on the yield and quality

圖2 催化劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響 Fig.2 The amount of catalyst influence on the yield

結(jié)果表明,當(dāng)催化劑FeCl3用量為1%時(shí)，產(chǎn)品收率較高，且產(chǎn)品呈淡黃色，色澤較為理想。

2.3 帶水劑用量對(duì)產(chǎn)品收率的影響

本實(shí)驗(yàn)中甲苯既是溶劑又是帶水劑，體系中甲苯與酯化反應(yīng)產(chǎn)生的水形成共沸物，汽化蒸出保證酯化反應(yīng)向正方向進(jìn)行，同時(shí)甲苯也為酯化反應(yīng)提供場(chǎng)所，因此溶劑對(duì)反應(yīng)溫度和產(chǎn)品粘度都有很大的影響。影響結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，當(dāng)甲苯用量為52%～57%時(shí)，能較好地解決將水帶出體系，同時(shí)甲苯的存在能夠降低反應(yīng)體系粘度和溫度，使反應(yīng)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行，安全系數(shù)高，且溫度高對(duì)產(chǎn)品色澤有影響。

表2 溶劑用量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及反應(yīng)溫度的影響 Table 2 The amount of solvent influence on the quality and reaction temperature

2.4 阻聚劑產(chǎn)品質(zhì)量的影響

因原料丙烯酸和目標(biāo)產(chǎn)品都是含雙鍵比較容易聚合的物質(zhì)，所以在本產(chǎn)品的合成中，防止原料及產(chǎn)品聚合反應(yīng)的發(fā)生也是非常關(guān)鍵的。在本實(shí)驗(yàn)中我們采用對(duì)羥基苯甲醚為阻聚劑，根據(jù)以下確定的用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如表3 所示。

表3 阻聚劑用量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響 Table 3 The amount of inhibitor influence on the quality

由表3 可知，阻聚劑對(duì)羥基苯甲醚的用量為丙烯酸的8%時(shí)，產(chǎn)品的色澤較淡，質(zhì)量較好。

3 小結(jié)

通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)得出雙三羥甲基丙烷丙烯酸酯的最佳配方及工藝參數(shù)為：雙三羥甲基丙烷與丙烯酸的摩爾配比為8∶1；催化劑lewis 酸FeCl3的用量為投料量的1%；溶劑的用量為投料量的52%～52%；阻聚劑對(duì)羥基苯甲醚的用量為丙烯酸的8%。反應(yīng)溫度為113℃，所得的目標(biāo)產(chǎn)品色澤較好，反應(yīng)較溫和，且產(chǎn)品質(zhì)量好。

[1]李祖林，陳勤勇，吳周華. 三羥甲基丙烷三丙烯酸酯的研制[J]. 浙江化工，2003，34(6)：28-29.

[2]張珍明. 高透明UV 稀釋劑三羥甲基丙烷三丙烯酸酯的制備研究[J]. 化工時(shí)刊，2001(6)：43-45.

[3]方旭升，陳似蕾，陳玉濱.LD412 固體酸催化劑在多元醇-丙烯酸酯化反應(yīng)中的催化作用.涂料工業(yè)，1984(4)：1-4.

[4]唐新德，張其震，周其鳳. 季戊四醇及其衍生物在樹(shù)狀大分子合成中的應(yīng)用[J]. 有機(jī)化學(xué)，2004， 24(6)：585-590.

[5]呂延曉.輻射固化-表面固化新技術(shù)[J]. 精細(xì)與專(zhuān)用化學(xué)品，2001(7)：7-8.

[6]于洪艷，王興利，張連紅. 三羥甲基丙烷丙烯酸酯的合成[J]. 精細(xì)石油化工，2006，23(4)：610-613.

[7]邢鳳蘭，馬文輝，徐群，等. 三羥甲基丙烷酯的合成及其抗乳化性能研究[J]. 化工進(jìn)展，2003， 22(6)：610-613.

[8]姚芳蓮，孫經(jīng)武，王吉平.三羥甲基丙烷三丙烯酸酯合成新工藝[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(3)：403-408.

[9]Rosenkranz H J，Rudoiph H，Apel G. Stabilisierte Acrylsaeureester mehrwertiger Alkohole und verfahren zu inhrer Herstellung：DE，2527005[P]. 1977-01-13.

[10]Schornick G.. Process for the production of (meth)acrylic-acid esters and their use：DE，3316592[P]. 1984-11-08.

[11]劉殿樹(shù)，王獻(xiàn)紅. 三羥甲基丙烷三丙烯酸酯的生產(chǎn)研究[J]. 天津化工，2000(4)：20-21.