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CN102617849A - 烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法 - Google Patents

烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法 Download PDF

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CN102617849A
CN102617849A CN201210041196XA CN201210041196A CN102617849A CN 102617849 A CN102617849 A CN 102617849A CN 201210041196X A CN201210041196X A CN 201210041196XA CN 201210041196 A CN201210041196 A CN 201210041196A CN 102617849 A CN102617849 A CN 102617849A
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CN
China
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polyoxyethylene ether
alkyl polyoxyethylene
reaction
acid
resin solid
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Pending
Application number
CN201210041196XA
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English (en)
Inventor
任碧野
蓸贤武
冯润强
高明
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South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
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  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
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Abstract

本发明公开烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法。该方法先将烷基聚氧乙烯醚通过共沸剂脱水,然后加入阻聚剂、树脂固体酸催化剂以及丙烯酸或甲基丙烯酸,加热控制反应温度为70-120℃,搅拌,反应,共沸脱去酯化反应生成的水;过滤,滤液经减压蒸馏,得到目标产物。本发明的反应过程中,选用了树脂固体酸作为催化剂,该催化剂不溶于反应体系,在反应结束后,易于通过固液分离脱除,且可重复使用,降低了成本,提高了产品质量。另外,本发明选用具有生态环保性的烷基聚氧乙烯醚为原料,制备的烷基聚氧乙烯醚丙烯酸(甲基丙烯酸)酯类非离子型可聚合表面活性剂具有很好的应用前景。

Description

烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法,属于可聚合表面活性剂的制备技术领域。
背景技术
烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯是一类非离子可聚合表面活性剂。烷基聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂是由具有活泼氢的脂肪醇(亲油基)和环氧乙烷(亲水基)聚合制得,并且可通过调整亲油基团(脂肪醇基)和亲水基团(聚氧化乙烯基团)的比例调整自身的亲水亲油平衡值。由于烷基聚氧乙烯醚具有良好的乳化性、去污性、水溶性、耐盐性、耐酸碱性和抗静电性,可作增溶剂、分散剂、抗静电剂、乳化剂,广泛应用于工业清洗及乳化分散,印染工业中还可用作匀染剂。
将丙烯酸或甲基丙烯酸引入烷基聚氧乙烯醚中,合成了具有聚合活性的非离子表面活性剂。以烷基聚聚氧乙烯醚丙烯酸酯或聚聚氧乙烯醚甲基丙烯酸烷基酯为单体,通过均聚合或共聚合制备出不同应用需求的涂料,增稠剂,絮凝剂,纺织印染稳定剂,化妆品悬浮剂。
公开号为CN1316398的中国发明专利公开了一种甲酯聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法,该方法将甲基聚氧乙烯醚,对苯二酚、对苯磺酸放人反应器内,在85±3℃的温度下,搅拌使对苯二酚和对甲苯磺酸完全溶解后,向容器内滴加甲基丙烯酸甲酯,控制滴加速度,在15±5分钟内滴完,然后保持温度在85±3℃范围内,反应8±0.5小时,反应生成甲酯聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯。但是该专利采用有机酸催化剂,产品分离提纯后处理复杂。
公开号为CN101215118的中国发明专利公开了共聚型聚羧酸类减水剂及其大分子单体的制备方法,它以不同分子量的甲氧基单封端聚氧乙烯醚与丙烯酸或甲基丙烯酸为原料,采用固体超强酸SO4 2-/Fe2O3或SO4 2-/TiO2为催化剂,通过烷基聚氧乙烯醚与丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸酯或甲基丙烯酸,经酯化或酯交换反应制备烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯。该专利所采用的固体超强酸容易与产物分离,提高了产品的质量,且可重复使用,但是固体超强酸制备麻烦,使用成本也较高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题,提出了一种树脂固体酸催化剂制备烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的新工艺,该方法生产成本低,环保,烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯收率和质量高。
本发明结合有机强酸和固体超强酸催化酯化反应的工艺优点,采用树脂固体酸作为催化剂催化烷基聚氧乙烯醚与丙烯酸或甲基丙烯酸酯化反应合成烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯。所采用的树脂固体酸催化剂成本低廉,既具有很高的酯化催化活性,不溶于反应体系,在反应结束后,易于通过固液分离脱除,又可重复使用,显著提高烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的收率和质量,而其减少了环境污染,降低了生产成本,便于工业化。
本发明所指的烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的结构式如下:
Figure BDA0000137539700000021
式中,R1代表H或CH3;R2代表碳原子个数为1-30的烷基;n为分子中聚氧乙烯重复单元数,n取1-80。
本发明的烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯采用酯化反应合成,即用丙烯酸或甲基丙烯酸,烷基聚氧乙烯醚为原料,在树脂固体酸催化剂、脱水剂和共沸剂的存在下制备,反应方程式如下:
Figure BDA0000137539700000031
式中,R1代表H或CH3;R2代表碳原子个数为1-30的烷基;n为分子中聚氧乙烯重复单元数,n取1-80。
本发明目的通过如下技术方案实现:
一种烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法,包括以下步骤:
(1)原料脱水:将烷基聚氧乙烯醚通过共沸剂脱水;
(2)反应:待混合物脱水结束后,降温,加入阻聚剂、树脂固体酸催化剂以及丙烯酸或甲基丙烯酸,加热控制反应温度为70-120℃,搅拌,反应,共沸脱去酯化反应生成的水;通过薄层色谱法点板跟踪反应进程,展开剂为体积比2~10∶1的氯仿和异丙醇;当硅胶点板上烷基聚氧乙烯的点消失即停止反应;阻聚剂的用量为丙烯酸或甲基丙烯酸质量的0.01-1%,阻聚剂选用对苯二酚、对苯醌、酚噻嗪、β-苯基萘胺、对叔丁基邻苯二酚和亚甲基蓝中的一种或多种;丙烯酸或甲基丙烯酸的用量为烷基聚氧乙烯醚的摩尔质量的1-10倍;树脂固体酸催化剂的用量为反应物总质量的1%-50%;
(3)分离提纯:反应体系降至室温,过滤,收集树脂固体酸催化剂;滤液经减压蒸馏抽出共沸溶剂、丙烯酸或甲基丙烯酸,得到目标产物烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯。
进一步地,所述的树脂固体酸催化剂是用苯乙烯和二乙烯苯在制孔剂的作用下经悬浮共聚成的珠体,再经磺化反应得到的具有大孔网状,平均孔径为30-55nm,平均粒径为0.30-1.40mm,质量全交换容量大于5.00mmol/g[H+],带有磺酸基团的褐色球状高分子聚合物颗粒。
所述的将烷基聚氧乙烯醚通过共沸剂脱水是指把烷基聚氧乙烯醚和共沸剂加入反应器中,加热使烷基聚氧乙烯醚溶解,搅拌,再加热使反应混合物共沸脱水,控制共沸脱水的反应温度为60-120℃,直至回流澄清,水相液位不再升高;所述共沸剂用量为烷基聚氧乙烯醚质量的50-150%。
所述的共沸剂优先选用正己烷、环己烷、石油醚、苯、甲苯和二甲苯中的一种或多种。
所述的丙烯酸或甲基丙烯酸的用量优选为烷基聚氧乙烯醚的摩尔质量的2-8倍。
相对于现有技术,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明采用的是树脂固体酸催化剂,该催化剂不溶于反应体系,因此对设备腐蚀性小,此外,反应完毕后产品容易通过固液相分离,不用水洗和中和,催化剂经再处理可重复使用,从而降低了成本,减少环境污染,提高了产品的质量;
(2)本发明采用了有机溶剂共沸脱水技术,能有效的除去反应物中及反应生成的水,促进酯化反应的顺利进行,缩短了反应时间,节约了成本。溶剂可重复使用,也降低了成本。
(3)本发明在反应中投入过量的丙烯酸或甲基丙烯酸,提高了烷基聚氧乙烯醚的转化率,烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的转化率可达95%以上。
(4)本发明制备的烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯是一类非离子可聚合表面活性剂,可用作乳液聚合的乳化剂,也可通过与其它单体共聚合制备出不同应用需求的涂料、增稠剂、絮凝剂,纺织印染稳定剂、化妆品悬浮剂。
附图说明
图1为月桂醇聚氧乙烯醚(1)与月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯(2)的红外光谱(FTIR)。
图2为月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯的磁共振氢谱(1HNMR)谱。
图3是月桂醇聚氧乙烯醚(1)与月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯(2)的用差示扫描量热法(DSC)图。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明,但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
树脂固体酸的制备:在1L的三口烧瓶中加入500g水和5g明胶,开动搅拌,升温至50℃使明胶溶解。然后加入100g苯乙烯,18g二乙烯基苯(80wt%),1.2gBPO和85g液体石蜡,升温至80℃反应3小时,再升温至95℃反应1小时,冷却到室温后过滤,水洗,烘干后得到白色小球。接着用石油醚萃取致孔剂,筛分出直径0.20~1.40mm的交联苯乙烯-二乙烯基苯树脂白色小球。
取上述制得的交联苯乙烯-二乙烯基苯树脂白色小球100g置于1L三口瓶中,用100g二氯乙烷溶胀2小时,搅拌下加入300g浓硫酸,升温至90℃回流4.5小时,接着升温至110℃蒸去二氯乙烷,再滴加30%发烟硫酸400g后在115℃下保温12小时,取样测定树脂交换量,当树脂交换量大于5.00mmol/g[H+]后降温结束反应;用蒸馏水洗涤树脂至流出液呈中性后制得树脂固体酸催化剂;经检测,树脂酸催化剂的性能为:质量全交换容量为5.30mmol/g[H+],平均孔径为38nm,平均粒径为0.5mm,带有磺酸基团的褐色球状高分子聚合物颗粒。
在装有搅拌器、温度计及分水器的500ml四口烧瓶中,加入月桂基聚氧乙烯醚200g,加入甲苯150g,加热溶解,启动搅拌,保持温度110℃,使混合物共沸,分水,直至馏出液澄清。
降温至45℃,然后向四口烧瓶内加入丙烯酸20g,阻聚剂酚噻嗪0.5g,树脂固体酸催化剂5g,加热,保持瓶内温度在110℃,取样采用薄层色谱法跟踪反应的进程,用展开剂为氯仿∶异丙醇=5∶1(体积比),当硅胶点板上观察不到烷基聚氧乙烯得点时,反应结束。
反应完毕,冷却到室温,减压过滤,树脂固体酸经收集再处理后备用。滤液则加入另一装有减压蒸馏装置500ml的圆底烧瓶中,60℃减压旋转蒸馏,得到月桂基聚氧乙烯醚丙烯酸酯产品。产品的红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1HNMR)以及示差扫描量热分析(DSC)证实为目标产物月桂基聚氧乙烯醚丙烯酸酯,见附图1-3。经液相色谱检测,烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯转化率及产物纯度可达95%以上。
图1为月桂醇聚氧乙烯醚1与月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2的红外光谱(FTIR)。红外光谱采用Bruker公司Vector 33测试,溴化钾压片。月桂醇聚氧乙烯醚1与月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2均在1062~1146cm-1出现三重峰,此为聚乙二醇链段中醚键-CH2-O-CH2的特征峰。与月桂醇聚氧乙烯醚1相比,月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2的谱图中1635cm-1为丙烯酸-C=C键的伸缩振动峰,989cm-1为-CH=CH2的面外变形振动峰。1726cm-1为酯羰基的伸缩振动峰,而3400cm-1处的羟基峰已消失,则表明丙烯酸与月桂醇聚氧乙烯醚1发生了酯化反应生成了月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2。
图2为月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯的磁共振氢谱(1HNMR)谱。1HNMR采用BrukerAvance Digital 400MHz测定,溶剂为DMSO-d6。在δ=5.95~6.34之间出现的三重峰为CH=CH2中3个氢的化学位移。δ=4.20处的吸收峰为与酯羰基(-CH2-O-C=O)相邻亚甲基上的氢的化学位移。而δ=3.29~3.65之间的多重峰为聚乙二醇分子链(-CH2-CH2-O)中亚甲基中氢的化学位移。δ=1.25处为月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯中长链亚甲基氢的化学位移。δ=0.83处为月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯中烷基链甲基氢的化学位移。
图3是月桂醇聚氧乙烯醚1与月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2的用差示扫描量热法(DSC)图。DSC采用TA公司DSC 204C测定,图中所示为第二次升温曲线,加热速率为5℃/min。从图3中可以看出,月桂醇聚氧乙烯醚1的熔点为40℃,而两亲性单体月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2的熔点略低,为39℃。这是因为化合物桂醇聚氧乙烯醚1中的羟基与丙烯酸发生酯化反应后,生成的化合物月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2中的氢键相互作用减弱了,导致月桂醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯2的熔点低于未酯化的化合物月桂醇聚氧乙烯醚1。
实施例2
在装有搅拌器、温度计及分水器的500ml四口烧瓶中,加入硬脂基聚氧乙烯醚150g,加入环己烷120g,加热溶解,启动搅拌,保持温度80℃,使混合物共沸,分水,直至馏出液澄清。
降温至45℃,然后向四口烧瓶内加入丙烯酸40g,阻聚剂对苯二酚0.2g,树脂固体酸催化剂(制备方法同实施例1)50g,加热,保持内温在80℃,取样采用薄层色谱法测试反应进程,展开剂为氯仿∶异丙醇=3∶1(体积比),当TLC点板上观察不到烷基聚氧乙烯得点时,反应结束。
反应完毕,冷却到室温,减压过滤,树脂固体酸经收集再处理后备用。滤液加入另一装有减压蒸馏装置500ml的圆底烧瓶中,在50℃下减压旋转蒸馏,得到硬脂基聚氧乙烯醚丙烯酸酯产品,经FTIR、1HNMR证实为目标产物(附图情况类似图2)。经液相色谱检测,产物纯度为98.2%。
实施例3
树脂固体酸的制备:在1L的三口烧瓶中加入500g水和5g明胶,开动搅拌,升温至50℃使明胶溶解。然后加入120g苯乙烯,14g二乙烯基苯(80wt%),1.4gBPO和95g液体石蜡,升温至80℃反应3小时,再升温至95℃反应1小时,冷却到室温后过滤,水洗,烘干后得到白色小球。接着用石油醚萃取致孔剂,筛分出直径0.20~1.40mm的交联苯乙烯-二乙烯基苯树脂白色小球。
上述制得的交联苯乙烯-二乙烯基苯树脂白色小球按照实例1的方法磺化,最后得到的树脂酸催化剂的性能为:质量全交换容量为5.35mmol/g[H+],平均孔径为46nm,平均粒径为0.8mm,带有磺酸基团的褐色球状高分子聚合物颗粒。
在装有搅拌器、温度计及分水器的500ml四口烧瓶中,加入辛基聚氧乙烯醚120g,加入甲苯180g,加热溶解,启动搅拌,保持温度110℃,使混合物共沸,分水,直至馏出液澄清。
降温至45℃,然后向烧瓶内内加入丙烯酸45g,阻聚剂酚噻嗪0.3g,树脂固体酸催化剂8g,加热,保持内温在110℃,取样采用薄层色谱法测试反应进程,展开剂为氯仿∶异丙醇=6∶1(体积比),当硅胶点板上观察不到烷基聚氧乙烯得点时,反应结束。
反应完毕,冷却到室温,减压过滤,树脂固体酸经收集再处理后备用。滤液加入另一装有减压蒸馏装置500ml的圆底烧瓶中,50℃减压旋转蒸馏得到辛基聚氧乙烯醚丙烯酸酯产品,经FTIR、1HNMR证实为目标产物(附图情况类似图2)。经液相色谱检测,产物纯度95.4%。
实施例4
在装有搅拌器、温度计及分水器的500ml四口烧瓶中,加入山嵛基聚氧乙烯醚150g,加入正己烷150g,加热溶解,启动搅拌,保持温度70℃,使混合物共沸,分水,直至馏出液澄清。
降温至45℃,然后向反应瓶内加入甲基丙烯酸30g,阻聚剂对苯醌0.8g,树脂固体酸催化剂(制备方法同实施例3)40g,加热,保持内温在70℃,取样采用薄层色谱法测试反应进程,展开剂为氯仿∶异丙醇=3∶1(体积比),当硅胶点板上观察不到烷基聚氧乙烯得点时,反应结束。
反应完毕,冷却到室温,减压过滤,树脂固体酸经收集再处理后备用。滤液加入另一装有减压蒸馏装置500ml的圆底烧瓶中,70℃减压旋转蒸馏得到山嵛基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯产品,经FTIR、1HNMR证实为目标产物(附图情况类似图2)。液相色谱测定产物纯度为97.3%。
实施例5
在装有搅拌器、温度计及分水器的500ml四口烧瓶中,加入甲基聚氧乙烯醚150g,加入甲苯40g,环己烷80g,加热溶解,启动搅拌,保持温度90℃,使混合物共沸,分水,直至馏出液澄清。
降温至45℃,然后向烧瓶内加入甲基丙烯酸25,阻聚剂对苯醌0.5g,树脂固体酸催化剂(制备方法同实施例3)15g,加热,保持内温在90℃,取样测试反应进程,采用薄层色谱法测试,展开剂为氯仿∶异丙醇=2∶1(体积比),当硅胶点板上观察不到烷基聚氧乙烯得点时,反应结束。
反应完毕,冷却到室温,减压过滤,树脂固体酸经收集再处理后备用。滤液加入另一装有减压蒸馏装置500ml的圆底烧瓶中,减压蒸馏,得到甲基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯产品,经FTIR、1HNMR证实为目标产物(附图情况类似图2)。液相色谱测定其纯度为96.1%。

Claims (5)

1.一种烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)原料脱水:将烷基聚氧乙烯醚通过共沸剂脱水;
(2)反应:待混合物脱水结束后,降温,加入阻聚剂、树脂固体酸催化剂以及丙烯酸或甲基丙烯酸,加热控制反应温度为70-120℃,搅拌,反应,共沸脱去酯化反应生成的水;通过薄层色谱法点板跟踪反应进程,展开剂为体积比2~10∶1的氯仿和异丙醇;当硅胶点板上烷基聚氧乙烯的点消失即停止反应;阻聚剂的用量为丙烯酸或甲基丙烯酸质量的0.01-1%,阻聚剂选用对苯二酚、对苯醌、酚噻嗪、β-苯基萘胺、对叔丁基邻苯二酚和亚甲基蓝中的一种或多种;丙烯酸或甲基丙烯酸的用量为烷基聚氧乙烯醚的摩尔质量的1-10倍;树脂固体酸催化剂的用量为反应物总质量的1%-50%;
(3)分离提纯:反应体系降至室温,过滤,收集树脂固体酸催化剂;滤液经减压蒸馏抽出共沸溶剂、丙烯酸或甲基丙烯酸,得到目标产物烷基聚氧乙烯醚丙烯酸酯或烷基聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的树脂固体酸催化剂是用苯乙烯和二乙烯苯在制孔剂的作用下经悬浮共聚成的珠体,再经磺化反应得到的具有大孔网状,平均孔径为30-55nm,平均粒径为0.30-1.40mm,质量全交换容量大于5.00mmol/g[H+],带有磺酸基团的褐色球状高分子聚合物颗粒。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的将烷基聚氧乙烯醚通过共沸剂脱水是指把烷基聚氧乙烯醚和共沸剂加入反应器中,加热使烷基聚氧乙烯醚溶解,搅拌,再加热使反应混合物共沸脱水,控制共沸脱水的反应温度为60-120℃,直至回流澄清,水相液位不再升高;所述共沸剂用量为烷基聚氧乙烯醚质量的50-150%。
4.根据权利要求1或3所述的方法,其特征在于:所述的共沸剂选用正己烷、环己烷、石油醚、苯、甲苯和二甲苯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的丙烯酸或甲基丙烯酸的用量为烷基聚氧乙烯醚的摩尔质量的2-8倍。
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