三乙胺基SO3H-功能化離子液體催化合成己二酸二丁酯

高　健，郜　蕾，尹　銀，廉紅蕾，雒廷亮

(1. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001; 2. 鄭州大學(xué) 國(guó)際學(xué)院，河南 鄭州 450000)

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三乙胺基SO3H-功能化離子液體催化合成己二酸二丁酯

高健1，郜蕾2，尹銀1，廉紅蕾1，雒廷亮1

(1. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001; 2. 鄭州大學(xué) 國(guó)際學(xué)院，河南 鄭州 450000)

摘要：以三乙胺為主要原料合成了5種Br?nsted酸性離子液體，考察了不同結(jié)構(gòu)離子液體對(duì)合成己二酸二丁酯的催化活性，并將離子液體酸性強(qiáng)弱與酸催化活性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)優(yōu)化反應(yīng)溫度、原料配比、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量等反應(yīng)條件。結(jié)果表明，以N-(4-磺酸基)丁基三乙胺硫酸氫鹽離子液體為催化劑，添加帶水劑環(huán)己烷，在反應(yīng)溫度110℃、n(1-Butanol)/n(Adipic acid)=6、m(Catalyst)/m(Adipic acid)=0.01、m(Cyclohexane)/m(Raw materials)=0.15、反應(yīng)時(shí)間3 h的條件下，己二酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%；經(jīng)連續(xù)重復(fù)使用7次，該催化劑仍可保持很高的催化活性。

關(guān)鍵詞：三乙胺；離子液體；酸催化；己二酸二丁酯

己二酸二丁酯是一種重要有機(jī)合成中間體，可用作香精、香精控制劑、特種溶劑及常溫下乙烯基類及纖維素類樹脂的增塑劑。與所有的酯化反應(yīng)一樣，傳統(tǒng)方法合成己二酸二丁酯主要采用濃硫酸作為催化劑，雖反應(yīng)活性高，但副產(chǎn)物多，濃硫酸與產(chǎn)物難分離，且腐蝕設(shè)備，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。為解決這些問題，人們陸續(xù)研究了離子交換樹脂、雜多酸、固體超強(qiáng)酸等作為酯化反應(yīng)催化劑來(lái)取代濃硫酸的可能性。Jagadeeshbabu等[1]以乙酸和甲醇為原料，采用Indion130、Indion190 和Amberlyet15-wet(負(fù)載量均為0.025 g/cm3)3種離子交換樹脂作為催化劑，在醇/酸摩爾比1、反應(yīng)溫度70℃的條件下進(jìn)行反應(yīng)，乙酸轉(zhuǎn)化率分別為68%、66%和56%。Bhorodwaj等[2]則以乙酸和正丁醇為原料，負(fù)載型雜多酸為催化劑，酯化率可達(dá)88%，選擇性接近100%。Fan等[3]研究了S2O8/ZrO2-CeO2固體酸催化劑在不同反應(yīng)條件下對(duì)乳酸和正丁醇酯化反應(yīng)的催化作用，發(fā)現(xiàn)在最佳反應(yīng)條件下，乳酸酯化率最高為96.6%。這些催化劑雖在不同的酯化反應(yīng)中均具有較高的催化活性、與反應(yīng)底物易于分離、低污染、低腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，但各自仍存在一些缺陷難以克服[4-5]。比如，離子交換樹脂耐高溫性能較差(一般小于120℃)，對(duì)反應(yīng)條件要求苛刻；雜多酸在反應(yīng)體系中存在明顯的溶脫性問題，回收重復(fù)使用性能不好；固體超強(qiáng)酸則需解決制備工藝復(fù)雜、成本較高、活性下降較快等多個(gè)問題。

SO3H-功能化離子液體作為一種新型綠色催化材料，因其在水和空氣中及較高溫度下可穩(wěn)定存在，且兼具液體酸高活性和固體酸易回收的雙重特點(diǎn)，故被廣泛用于酯化反應(yīng)研究[6-12]。Xie等[13-15]將SO3H-功能化離子液體用于催化合成鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯和癸二酸二辛酯等酯類增塑劑，取得很好的酯化效果。但是將SO3H-功能化離子液體用于己二酸二丁酯增塑劑的合成還未見相關(guān)報(bào)道。筆者以三乙胺為原料合成出幾種不同結(jié)構(gòu)的酸性離子液體，分別考察了它們對(duì)己二酸二丁酯合成的催化活性，選出最佳離子液體催化材料，并對(duì)其合成工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　原料與試劑

1,4-丁烷磺內(nèi)酯，工業(yè)品，武漢風(fēng)帆化工有限公司產(chǎn)品；4-硝基苯胺，分析純，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；三乙胺、硫酸、乙醚、無(wú)水甲醇、乙酸乙酯、環(huán)己烷、正丁醇，均為分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品；磷鎢雜多酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；己二酸，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心產(chǎn)品；對(duì)甲苯磺酸，分析純，廣東汕頭市西隴化工廠產(chǎn)品。

1.2　離子液體的制備

根據(jù)文獻(xiàn)介紹方法進(jìn)行制備。于60℃下，三乙胺與1,4-丁烷磺內(nèi)酯反應(yīng)制得前驅(qū)體，然后，將前驅(qū)體分別與硫酸、對(duì)甲苯磺酸或雜多酸等強(qiáng)酸等摩爾混合，在80℃下攪拌反應(yīng)8 h。溶劑洗滌除去未反應(yīng)的非離子液體雜質(zhì)，真空干燥(真空度<133 Pa，100~120℃)8 h。除經(jīng)雜多酸酸化后得到的樣品為固體(IL3)外，其余均為無(wú)色透明或淺黃色黏稠狀液體，即為三乙胺基離子液體[16-20](IL1、IL 2、IL4、IL 5)。

1.3　離子液體表征

采用Brucker DRX-400核磁共振波譜儀獲得離子液體的1H NMR和13C NMR數(shù)據(jù)。采用WQF-510 FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)對(duì)樣品IL3進(jìn)行FT-IR分析。采用德國(guó)TGALSDTA851差熱-熱重分析儀測(cè)定樣品的熱穩(wěn)定性，N2氣氛下，設(shè)定流量30 mL/min，升溫速率10℃/min。

1.4　樣品酸性檢測(cè)

將待測(cè)樣品分別配制為相同濃度的水溶液(32 mmol/L)，以4-硝基苯胺為指示劑(2.9×10-2mmol/L)，采用島津UV-1750紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定指示劑與樣品作用后的吸光度。

1.5　己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)

將離子液體(0.1 g)、己二酸(10.0 g)、正丁醇(30.2 g)依次加入到裝有回流裝置的100 mL燒瓶中，在110℃下磁力攪拌反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束，反應(yīng)液靜置一段時(shí)間并冷卻至室溫，進(jìn)行分析。

采用電噴霧(ESI)質(zhì)譜技術(shù)，通過美國(guó)Agilent公司的高效液相色譜(Agilent 1290)配有Eclipse Plus C18反相填料色譜柱(2.1 mm×50 mm×1.8 μm)和高性能三重串聯(lián)四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀(Triple quad LC/MS 6430)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性分析。以ESI離子源電離，進(jìn)樣量為5~20 μL。流動(dòng)相分別為含0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)甲酸的甲醇溶液(ESI+)和純甲醇溶液(ESI-)，流速為0.2 mL/min。對(duì)產(chǎn)物液檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)除反應(yīng)原料及目標(biāo)產(chǎn)物以外的任何其他新物質(zhì)的存在，故筆者將參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]采用酸堿滴定方法得到的己二酸轉(zhuǎn)化率直接用于計(jì)算酯化率。

2結(jié)果與討論

2.1　制備的三乙胺基離子液體樣品的表征結(jié)果

2.1.11H NMR和13C NMR數(shù)據(jù)

(1) IL1樣品

1H NMR (400 MHz，D2O，δ)：3.10 (q，6H)，3.05~2.97 (m，2H)，2.78 (t，2H)，1.72~1.55 (m，4H)，1.08 (t，9H)。

13C NMR (400 MHz，D2O，δ)：55.78 (s)，52.43 (s)，49.87 (s)，21.03 (s)，19.73 (s)，6.48 (s)。

以上結(jié)果符合[(CH3CH2)3N(CH2)4SO3H][HSO4]結(jié)構(gòu)式。

(2) IL2樣品

1H NMR (400 MHz，D2O，δ)：7.65 (d，J=8.1 Hz，2H)，7.33 (d，J=8.0 Hz，2H)，3.20 (q，J=7.3 Hz，6H)，3.17~3.05 (m，2H)，2.93 (t，J=6.8 Hz，2H)，2.35 (s，3H)，1.76 (d，J=9.4，5.8 Hz，4H)，1.20 (t，J=7.1 Hz，9H)。

13C NMR (400 MHz，D2O，δ)：142.37 (s)，139.60 (s)，129.43 (s)，125.35 (s)，55.92 (s)，52.56 (s)，50.00 (s)，21.19 (s)，20.46 (s)，19.88 (s)，6.57 (s)。

以上結(jié)果符合[(CH3CH2)3N(CH2)4SO3H][CH3PhSO3]結(jié)構(gòu)式。

(3) IL4樣品

1H NMR (400 MHz，D2O，δ)：3.15 (q，J=7.3 Hz，2H)，1.23 (t，J=7.4 Hz，3H)。

13C NMR (400 MHz，D2O，δ)：46.56 (s)，8.16 (s)。

以上結(jié)果符合(CH3CH2)3NH-HSO4結(jié)構(gòu)式。

(4) IL5樣品

1H NMR (400 MHz，D2O，δ)：7.69 (d，J=8.2 Hz，2H)，7.37 (d，J=8.0 Hz，2H)， 3.17 (q，J=7.3 Hz，6H)，2.40 (s，3H)，1.26 (t，J=7.3 Hz，9H)。

13C NMR (400 MHz，D2O，δ)：142.45 (s)，139.48 (s)，129.43 (s)，125.35 (s)，46.66 (s)，20.46 (s)，8.22 (s)。

以上結(jié)果符合(CH3CH2)3NH-CH3PhSO3結(jié)構(gòu)式。

2.1.2FT-IR和TG分析結(jié)果

圖1為IL3的FT-IR譜。由圖1可見，在750~1000 cm-1，明顯出現(xiàn)代表Keggin結(jié)構(gòu)的4個(gè)特征吸收峰，這與文獻(xiàn)報(bào)道的H3PW12O40在FT-IR中所出現(xiàn)的特征吸收峰(1080 cm-1(P—O)、990 cm-1(W=O)、890 cm-1(W—O—W)、810 cm-1(W—O—W))位置一致；同時(shí)，在1040 cm-1還檢測(cè)到有SO3H—基團(tuán)的特征峰存在，由此得知，IL3為具有結(jié)構(gòu)式[(CH3CH2)3N(CH2)4SO3H]3[PW12O14]的目標(biāo)產(chǎn)物。

圖1　離子液體IL3的FT-IR譜

TG分析結(jié)果表明，所合成離子液體熱分解溫度均在300℃以上，表明樣品熱穩(wěn)定性均較好。所合成的5種離子液體符合圖2所示的分子結(jié)構(gòu)。

圖2　制備的5種三乙胺基離子液體的分子結(jié)構(gòu)式

2.2　三乙胺基離子液體的Hammett酸度函數(shù)H0

Hammett-UV法是比較質(zhì)子酸相對(duì)酸強(qiáng)度的有效方法[22-23]，可由式(1)計(jì)算。

H0=pKa+log([B+]/[BH+])

(1)

式(1)中，H0為Hammett相對(duì)酸強(qiáng)度；pKa為指示劑的解離常數(shù);[B+]和[BH+]分別表示未被質(zhì)子化的指示劑濃度和質(zhì)子化的指示劑濃度。加入酸性催化劑后，指示劑在溶液中被質(zhì)子化，未被質(zhì)子化的指示劑濃度降低，吸光度值下降，故根據(jù)指示劑吸光度值的變化可計(jì)算[B+]/[BH+]，再利用式(1)計(jì)算各酸性催化劑的H0。

除IL3樣品因不溶于水無(wú)法直接檢測(cè)外，其他三乙胺基離子液體的Hammett相對(duì)酸度H0列于表1。

表1　不同三乙胺基離子液體在水溶液中的

Indicator：4-Nirtoaniline (pKa=0.99)；Concentration of the aqueous solution: 32 mmol/L

2.3　三乙胺基離子液體催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)性能

2.3.1不同三乙胺基離子液體的催化活性

表2　不同三乙胺基離子液體催化己二酸與

m(Catalyst)/m(Adipic acid)=0.01;n(1-Butanol)/n(Adipic acid)=6;T=110℃;t=3 h; Without water-carrying agent

2.3.2反應(yīng)條件對(duì)IL1催化合成己二酸二丁酯反應(yīng)的影響

(1) 反應(yīng)溫度的影響

圖3為未添加帶水劑情況下，反應(yīng)溫度對(duì)IL1催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)性能的影響。由圖3可見，隨著反應(yīng)溫度升高，己二酸轉(zhuǎn)化率逐漸升高。這是由于高溫條件有利于對(duì)經(jīng)酯化反應(yīng)生成的水蒸發(fā)，從而促進(jìn)該酯化反應(yīng)的正反應(yīng)進(jìn)行。當(dāng)反應(yīng)溫度從110℃升至120℃，己二酸轉(zhuǎn)化率無(wú)明顯變化，表明此時(shí)反應(yīng)已趨于平衡，故反應(yīng)溫度選擇110℃為宜。

(2)n(1-Butanol)/n(Adipic acid)的影響

圖4為未添加帶水劑情況下，n(1-Butanol)/n(Adipic acid)對(duì)IL1催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)的影響。由圖4可見，隨著n(1-Butanol)/n(Adipic acid)的增大，己二酸轉(zhuǎn)化率逐漸增加，這是由于醇用量的增加，使得反應(yīng)物濃度增大，有利于酯化反應(yīng)正向進(jìn)行；當(dāng)n(1-Butanol)/n(Adipic acid)>6時(shí)，己二酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，且基本保持不變。增加己二酸用量會(huì)降低離子液體的酸性，使得n(1-Butanol)/n(Adipic acid)<6時(shí)酯化反應(yīng)活性降低。因此，n(1-Butanol)/n(Adipic acid)=6為宜。

圖3　反應(yīng)溫度對(duì)IL1催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)的影響

圖4　n(1-Butanol)/n(Adipic acid)對(duì)IL1催化

(3) 反應(yīng)時(shí)間的影響

圖5為未添加帶水劑情況下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)IL1催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)的影響。由圖5可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，己二酸轉(zhuǎn)化率逐漸上升，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過3 h，己二酸轉(zhuǎn)化率增加緩慢。由于反應(yīng)初期主要由動(dòng)力學(xué)控制反應(yīng)進(jìn)行，己二酸轉(zhuǎn)化率上升較快；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過3 h，反應(yīng)體系接近熱力學(xué)平衡，反應(yīng)速率逐漸下降，導(dǎo)致己二酸轉(zhuǎn)化率緩慢增加。最佳反應(yīng)時(shí)間選擇為3 h。

圖5　反應(yīng)時(shí)間對(duì)IL1催化己二酸與正丁醇酯化

(4) 離子液體用量的影響

圖6為未添加帶水劑條件下，IL1用量對(duì)其己二酸與正丁醇反應(yīng)的影響。從圖6可見，在未加催化劑的情況下，己二酸轉(zhuǎn)化率僅為22.8%，當(dāng)m(IL1)/m(Adipic acid)=0.005時(shí)，己二酸轉(zhuǎn)化率上升至82%，當(dāng)m(IL1)/m(Adipic acid)=0.01時(shí)，己二酸轉(zhuǎn)化率則可達(dá)86%。這是由于隨著離子液體所占比例的增加，反應(yīng)體系的酸性增強(qiáng)，可提供的酸性活性中心數(shù)量增多，促進(jìn)酯化反應(yīng)正向進(jìn)行。而當(dāng)m(IL1)/m(Adipic acid)>0.01，己二酸轉(zhuǎn)化率基本保持不變。當(dāng)m(IL1)/m(Adipic acid)=0.01，即可獲得較高的己二酸轉(zhuǎn)化率。

(5) 帶水劑(環(huán)己烷)用量(m(Cyclohexane)/m(Raw materials))的影響

圖7為m(Cyclohexane)/m(Raw materials)對(duì)IL1催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)的影響。從圖7可見，隨著m(Cyclohexane)/m(Raw materials)增加，己二酸轉(zhuǎn)化率先升高后降低。帶水劑(環(huán)己烷)用量增加，有利于將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水及時(shí)移除，促進(jìn)酯化反應(yīng)正向進(jìn)行；但當(dāng)帶水劑(環(huán)己烷)用量過大時(shí)，會(huì)造成反應(yīng)體系中反應(yīng)物濃度下降，導(dǎo)致酯化反應(yīng)活性降低。因此，m(Cyclohexane)/m(Raw materials)最佳值為 0.15，此時(shí)己二酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%。

圖6　IL1用量對(duì)其催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)的影響

圖7　m(Cyclohexane)/m(Raw materials)對(duì)IL1催化

2.3.3IL1的重復(fù)使用性

在最優(yōu)酯化反應(yīng)條件下，IL1在催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)中的重復(fù)使用情況如圖8所示。從圖8可見，IL1經(jīng)重復(fù)使用7次仍可使己二酸轉(zhuǎn)化率保持在93%以上，表明該離子液體在催化己二酸二丁酯合成反應(yīng)中具有很高的可重復(fù)使用性。

圖8　IL1在催化己二酸與正丁醇酯化反應(yīng)中的重復(fù)使用性

3結(jié)論

(1) 三乙胺基SO3H-功能化離子液體[(CH3CH2)3N(CH2)4SO3H][HSO4](IL1)在催化己二酸二丁酯合成反應(yīng)中顯示出良好催化活性及可重復(fù)使用性，重復(fù)使用7次，仍可保持較高酸催化活性。

(2) 離子液體的酸性由陰、陽(yáng)離子共同決定，陽(yáng)離子中SO3H—功能化對(duì)提升離子液體酸性的影響作用明顯，而隨著陰離子酸性增加，離子液體酸性也有所增強(qiáng)且與酸催化活性呈正相關(guān)性。

(3) 優(yōu)選IL1為催化劑，添加帶水劑環(huán)己烷情況下，在反應(yīng)溫度110℃、n(1-Butanol)/n(Adipic acid)=6、m(IL1)/m(Adipic acid)=0.01、m(Cyclohexane)/m(Raw materials)=0.15、反應(yīng)時(shí)間3 h的最佳反應(yīng)條件下，己二酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%。

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Synthesis of Dibutyl Adipate Overtri-Ethylammonium-Based SO3H-Functionalized Ionic Liquids

GAO Jian1，GAO Lei2，YIN Yin1，LIAN Honglei1，LUO Tingliang1

(1.SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China； 2.InternationalCollege,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450000,China)

Abstract：Several tri-ethylammonium-based acidic ionic liquids were synthesized. Esterification of 1-butanol with adipic acid was carried out by using the prepared Br?nsted acidic ionic liquid as catalyst. The relationship of Br?nsted acidity-catalytic activity and the relative acidity of these prepared catalysts were studied. Moreover, the reaction conditions of temperature, molar ratio of reactants, time and ionic liquid amount were optimized. The results indicated that with cyclohexane as water-carrying agent, [(CH3CH2)3N(CH2)4SO3H][HSO4] acidic ionic liquid as the catalyst and under the optimized reaction conditions of 110℃, 3 h, n(1-Butanol)/n(Adipic acid)=6, m(Catalyst)/m(Adipic acid)=0.01, m(Cyclohexane)/m(Raw materials)=0.15, the conversion of adipic acid could reach 99%, and the high catalytic activity of the catalyst could be also obtained after seven recycles.

Key words：tri-ethylamine; ionic liquid; acid catalysis; dibutyl adipate

中圖分類號(hào)：O643

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.01.007

文章編號(hào)：1001-8719(2016)01-0042-07

基金項(xiàng)目：河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(122300410076)及河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(12A150023)資助

收稿日期：2014-08-29

第一作者： 高健，男，講師，博士，從事功能化離子液體新材料的合成及其催化性能研究；E-mail:gaojian@zzu.edu.cn

通訊聯(lián)系人： 廉紅蕾，女，講師，博士，從事酸性離子液體材料的合成及其催化性能研究；Tel:0371-67781713;E-mail:hongleilian@zzu.edu.cn