三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯的酯交換合成工藝研究

宋國(guó)強(qiáng)，李貝貝，王瑞瑞，馮筱晴，唐龍

(常州大學(xué) 制藥與生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯TMPT(M)A雙鍵含量高，固化速度快，其形成的固化膜耐磨、耐溶劑，是輻射固化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的多官能丙烯酸酯活性稀釋劑，主要用于油漆、柔性印刷品、阻焊劑、光刻膠、光固化涂料及光固化油墨等方面［1-2］。

工業(yè)上，合成三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯多采用直接酯化反應(yīng)得到，使該法反應(yīng)較順利且速度快，多以有機(jī)或無(wú)機(jī)強(qiáng)酸為催化劑，工藝成熟，但強(qiáng)酸催化劑的去除，不僅會(huì)導(dǎo)致大量廢水的排放，而且強(qiáng)酸催化劑也會(huì)導(dǎo)致多種副產(chǎn)物的產(chǎn)生。近年來(lái)，文獻(xiàn)報(bào)道多關(guān)注酯交換合成法，以(甲基)丙烯酸酯為原料，加入三羥甲基丙烷及溶劑進(jìn)行反應(yīng)［3-7］。隨著反應(yīng)進(jìn)行，由于三羥甲基丙烷空間位阻對(duì)反應(yīng)的影響增大，使得產(chǎn)物的產(chǎn)率逐漸降低，因此國(guó)內(nèi)外此方法的工業(yè)化生產(chǎn)報(bào)道較少。

研究以三羥甲基丙烷及(甲基)丙烯酸甲酯為原料，在無(wú)溶劑情況下，酯交換法合成三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯，探索適用于工業(yè)化生產(chǎn)的合成路線。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

三羥甲基丙烷(TMP)、甘油、丙烯酸甲酯(MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、氫氧化鉀、氫氧化鈉、無(wú)水碳酸鉀、無(wú)水碳酸鈉均為分析純;草酸亞錫、單丁基氧化錫、二丁基二月桂酸錫、對(duì)羥基苯甲醚、二乙基羥胺均為化學(xué)純。

DF-101S 型集熱恒溫油浴鍋;YLD-2000 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;島津GC-2010 氣相色譜儀;島津LCMS-2020 液質(zhì)聯(lián)用儀。

1.2 分析條件

1.2.1 氣相色譜分析條件 氫火焰離子檢測(cè)器(FID)，SRL 300 ℃，柱溫80 ℃，F(xiàn)ID 240 ℃，H2流量40.0 mL/min，尾吹流量30. 0 mL/min，空氣流量400.0 mL/min;色譜柱型號(hào)Restek，Stabilwax-DA，填料為聚乙二醇，0.32 mm 內(nèi)徑，1.0 μm 膜厚，柱長(zhǎng)30.0 m。

1.2.2 LC-MS 聯(lián)用儀分析條件 液譜柱Shim-pack CLC-ODS 6.0 mm×150 mm，5 μm，柱溫25 ℃，流動(dòng)相70%甲醇，流速1.0 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm;MS 分析條件，采用四極桿質(zhì)量分析器，ESI+電噴霧離子化。

氣相和液相色譜分析，通過(guò)面積歸一法得出各物質(zhì)的含量。

1.3 合成方法

1.3.1 反應(yīng)原理 TMP 與MA(MMA)的反應(yīng)，反應(yīng)原理如下:

在該可逆反應(yīng)體系中，三羥甲基丙烷與(甲基)丙烯酸甲酯反應(yīng)過(guò)程中會(huì)有副產(chǎn)物三羥甲基丙烷單(甲基)丙烯酸酯和三羥甲基丙烷雙(甲基)丙烯酸酯的生成，在一定的反應(yīng)條件下，三羥甲基丙烷單(甲基)丙烯酸酯和三羥甲基丙烷雙(甲基)丙烯酸酯可以繼續(xù)與丙烯酸甲酯反應(yīng)，生成目標(biāo)產(chǎn)物三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯。因?yàn)槿u甲基丙烷雙(甲基)丙烯酸酯擁有雙官能團(tuán)，黏度低于TMPTA(TMPTMA)，兩者混合使用既可以加快交聯(lián)固化速度，又可以保持良好的稀釋能力，所以大部分TMPTA(TMPTMA)產(chǎn)品中會(huì)含有相應(yīng)雙酯。

1.3.2 TMPT(M)A 的合成 向有溫度計(jì)套管、空氣通入口和銅網(wǎng)填料精餾柱的250 mL 四口燒瓶中加入磁力攪拌子，加入TMP 13.4 g、阻聚劑對(duì)羥基苯甲醚0.07 g 和無(wú)水碳酸鉀0.50 g，升溫至TMP 熔融后，滴加MA 77.5 g(MMA 90.1 g)，2 h 左右，通入空氣并升溫至反應(yīng)液回流，反應(yīng)期間定時(shí)取樣進(jìn)行氣相色譜分析，以確定反應(yīng)終點(diǎn)。反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)后加入0.1 g 中性活性炭，在50 ℃左右回流1 h。抽濾，濾液旋蒸得到產(chǎn)品31.1 g(35.1 g)。旋蒸除掉的過(guò)量MA(MMA)經(jīng)回收再利用。

TMPTA 的液質(zhì)表征MS(m/z):329［M +1 +32］+。

TMPTMA 的液質(zhì)表征MS(m/z):361［M +23］+。

1.3.3 甘油(甲基)丙烯酸酯的合成 向有溫度計(jì)、空氣通入口和銅網(wǎng)填料精餾柱的250 mL 四口燒瓶中加入磁力攪拌子，加入9.21 g 甘油、無(wú)水碳酸鉀0.50 g 和0.05 g 對(duì)羥基苯甲醚，升溫至反應(yīng)液60 ℃，滴加MA 77.5 g(MMA 90.1 g)，2 ～3 h 內(nèi)，通入空氣并升溫至反應(yīng)液回流，反應(yīng)過(guò)程中定時(shí)取樣進(jìn)行氣相色譜分析，以確定反應(yīng)終點(diǎn)。反應(yīng)后處理操作見(jiàn)1.3.2 節(jié)。

甘油三丙烯酸酯的液質(zhì)表征MS(m/z):255［M+1］+。

甘油三甲基丙烯酸酯的液質(zhì)表征MS(m/z):319［M+23］+。

2 結(jié)果與討論

2.1 TMPT(M)A 的合成

2.1.1 催化劑種類對(duì)反應(yīng)的影響 反應(yīng)液溫度為酯回流溫度，分別選用草酸亞錫、單丁基氧化錫、二丁基二月桂酸錫、無(wú)水碳酸鉀、無(wú)水碳酸鈉、氫氧化鉀和氫氧化鈉作催化劑，考察不同催化劑對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 催化劑種類對(duì)反應(yīng)的影響Table 1 Effect of the catalyst species on reaction

由表1 可知，無(wú)水碳酸鉀催化時(shí)，效果最為顯著，TMP 剩余量均較低，與MA、MMA 反應(yīng)生產(chǎn)的三酯與雙酯總含量均為最高，分別為77. 1% 及90.1%。

2.1.2 催化劑用量對(duì)TMP 與MMA 反應(yīng)的影響回流反應(yīng)，催化劑為無(wú)水碳酸鉀，對(duì)羥基苯甲醚為阻聚劑，催化劑用量對(duì)TMP 和MMA 反應(yīng)結(jié)果的影響見(jiàn)表2。

表2 催化劑用量對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響Table 2 Effect of the catalyst amount on reaction

由表2 可知，碳酸鉀用量為0. 50 g 時(shí)，原料TMP 幾乎反應(yīng)完全，三酯與雙酯含量為90.1%，其中TMPTMA 含量為55.8%。選用無(wú)水碳酸鉀用量為0.50 g 較合適。

2.1.3 阻聚體系對(duì)反應(yīng)的影響 氧在單體中的溶解度達(dá)10－3mol/L 時(shí)，就有強(qiáng)烈的阻聚作用［8-9］，因而，反應(yīng)過(guò)程中除了加入定量阻聚劑外，還通入一定量干燥空氣進(jìn)行阻聚。

回流反應(yīng)，分別選用對(duì)羥基苯甲醚和氯化亞銅阻聚體系，阻聚劑對(duì)反應(yīng)的影響見(jiàn)表3。

表3 阻聚劑對(duì)反應(yīng)的影響Table 3 Effect of the polymerization inhibitor on reaction

由表3 可知，以氯化亞銅為阻聚劑時(shí)，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，三羥甲基丙烷雙(甲基)丙烯酸酯含量較高;以對(duì)羥基苯甲醚為阻聚劑時(shí)，三羥甲基丙烷在短時(shí)間內(nèi)幾乎可以反應(yīng)完全，TMPTMA 與對(duì)應(yīng)的雙酯總含量為90.1%。因此，從反應(yīng)時(shí)間及產(chǎn)物含量方面考慮，通氣條件下采用對(duì)羥基苯甲醚作為該反應(yīng)體系的阻聚劑。

2.1.4 投料方式對(duì)反應(yīng)的影響 無(wú)水碳酸鉀為催化劑，對(duì)羥基苯甲醚為阻聚劑，回流反應(yīng)，固定醇酯用量，酯投料方式對(duì)反應(yīng)的影響見(jiàn)表4。

表4 投料方式對(duì)反應(yīng)的影響Table 4 Effect of the way of feeding on reaction

由表4 可知，當(dāng)催化劑沒(méi)有溶解于TMP 中，或溶解于TMP 中時(shí)，無(wú)論滴加MA 還是MMA，反應(yīng)得到的TMPTA 或TMPTMA 含量均高于MA 或MMA全部一次性加入。所以，原料酯加入反應(yīng)體系中要采用滴加方式。當(dāng)采用滴加原料酯時(shí)，碳酸鉀是否溶解于原料醇中，對(duì)于三酯含量沒(méi)有很大影響。所以物料投料可以采用碳酸鉀加入到原料醇中后，滴加原料酯的方式。

2.2 甘油三(甲基)丙烯酸酯的合成

將無(wú)水碳酸鉀及對(duì)羥基苯甲醚加入原料醇反應(yīng)液中，將MA(MMA)滴加進(jìn)入反應(yīng)體系，考察甘油及三羥甲基丙烷與(甲基)丙烯酸甲酯反應(yīng)情況，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 催化劑對(duì)不同反應(yīng)的影響Table 5 Effect of the catalyst on different reaction

由表5 可知，在不同反應(yīng)體系中，碳酸鉀的催化效果不同。在以MMA 為原料的反應(yīng)體系中，反應(yīng)液溫度100 ℃高于MA 為原料的反應(yīng)液溫度80 ℃，TMP 和甘油幾乎反應(yīng)完全，目標(biāo)產(chǎn)物TMPTMA 及甘油三甲基丙烯酸酯含量均高于TMPTA 和甘油三丙烯酸酯，其中甘油三甲基丙烯酸酯與對(duì)應(yīng)雙酯總含量高達(dá)92.8%，只是反應(yīng)時(shí)間略長(zhǎng)。在以MA 為原料酯的反應(yīng)體系中，雖然甘油與TMP 均未反應(yīng)完全，MA 與TMP 反應(yīng)生成的TMPTA 含量為53.5%，甘油與MA 反應(yīng)得到的甘油三丙烯酸酯含量41.5%，但兩反應(yīng)體系中生成的三酯與雙酯總含量分別為77.1%與75.1%。所以總體來(lái)講，溫度升高，無(wú)水碳酸鉀催化效果會(huì)提升;同一反應(yīng)溫度下，無(wú)水碳酸鉀對(duì)TMP 與MA(MMA)反應(yīng)體系催化生成相應(yīng)三酯的效果要好于甘油與MA(MMA)的反應(yīng)體系。

3 結(jié)論

(1)以三羥甲基丙烷與(甲基)丙烯酸甲酯為原料，反應(yīng)液溫度為(甲基)丙烯酸甲酯回流溫度，以無(wú)水碳酸鉀為催化劑，用量0.50 g，對(duì)羥基苯甲醚為阻聚劑，在TMP 熔融狀態(tài)下滴加MA(MMA)，并通氣進(jìn)行反應(yīng)，5 h 后原料TMP 幾乎反應(yīng)完全，三酯TMPTA 與相應(yīng)雙酯總含量為77.1%，TMPTMA 與相應(yīng)雙酯總含量為90.1%。

(2)以無(wú)水碳酸鉀為催化劑，不同原料醇TMP和甘油分別與MA(MMA)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)液溫度升高，無(wú)水碳酸鉀催化效果會(huì)提升;同一反應(yīng)溫度下，無(wú)水碳酸鉀對(duì)TMP 與MA(MMA)反應(yīng)體系的催化生成相應(yīng)三酯的效果要好于甘油與MA(MMA)的反應(yīng)體系。

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