改性環(huán)烷酸咪唑啉的合成與性能評價

摘 要：以乙酸、二乙烯三胺、甲醛、無水乙醇等作為原料，在高溫環(huán)境下合成改性環(huán)烷酸咪唑啉，確定改性環(huán)烷酸咪唑啉的最佳合成條件，分析改性環(huán)烷酸咪唑啉的脫水方法，對其性能進(jìn)行研究。研究表明改性環(huán)烷酸咪唑啉具有非常好的緩蝕性能，在鍋爐酸洗和油田水處理等方面發(fā)揮著重要的緩蝕作用。

關(guān)鍵詞：改性環(huán)烷酸咪唑啉；環(huán)烷酸咪唑啉合成；環(huán)烷酸咪唑啉性能

中圖分類號：TS211.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

咪唑啉化學(xué)學(xué)名為二氮雜環(huán)戊烯，存在形式為白色針狀固體或白色乳狀液體。早期咪唑啉被用于印刷產(chǎn)業(yè)和紡織產(chǎn)業(yè)，隨著近年來對咪唑啉的研究逐漸深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)咪哩琳在酸性條件下具有非常好的緩蝕性能 ，可以被用作緩蝕劑。咪唑啉不能被直接用為緩蝕劑，要以其為中間體進(jìn)行改性，形成衍生物。 目前改性咪唑啉已經(jīng)成為最常用的緩蝕劑之一，被廣泛應(yīng)用在鍋爐酸洗和油田水處理之中[1]。

1 改性環(huán)烷酸咪唑啉的合成

改性環(huán)烷酸咪唑啉合成需要的主要儀器有：燒杯、攪拌器、加熱機(jī)、冷凝回流管、三口燒瓶、溫度計等。需要的主要藥品有：乙酸、二乙烯三胺、甲醛、無水乙醇、活性劑、有機(jī)溶劑等。合成制備過程如下：將溫度計、電動攪拌器和冷凝回流管放入三口燒瓶中，然后再將三口燒瓶放入加熱機(jī)中；固定好燒瓶后滴入10g乙酸，接通冷凝水，開動攪拌器，對燒瓶進(jìn)行加熱，使溫度升至60℃；反應(yīng)一段時間后緩慢滴入30g二乙烯三胺，繼續(xù)升溫到160℃，在160℃的恒溫下反應(yīng)4小時；再次升溫到200℃，在200℃的恒溫下繼續(xù)反應(yīng)4小時[2]；最后冷卻得到乙酸咪唑啉。高溫環(huán)境下，乙酸與二乙烯三胺、三乙烯四胺、多乙烯多胺在有機(jī)溶劑中進(jìn)行縮合反應(yīng)得到乙烯酸咪唑啉。化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示：

CH3COOH +H2N （CH2）2NH （CH2）2NH2 →

CH3CONH（CH2）2NH（CH2 ）2NH2 +H2O →CH3（CH2）7CH

分析上述化學(xué)公式可以發(fā)現(xiàn)，這一反應(yīng)可以劃分為兩步：高溫條件下乙酸與二乙烯三胺產(chǎn)生縮合反應(yīng)，分子脫去一個水分子得到酰胺，溫度進(jìn)一步升高使酰胺脫去一分子水形成咪唑啉五元環(huán)。

在生成咪唑啉五元環(huán)后進(jìn)行脫水處理，這是因為生成的水會阻礙反應(yīng)向正方向進(jìn)行，減慢反應(yīng)速度，甚至?xí)偈股晌锼饣蛘呦蚱渌?fù)方向反應(yīng)，降低產(chǎn)品純度。目前常用的脫水方法有兩種：（1）真空法。對反應(yīng)溶劑進(jìn)行降壓處理，使其在較低壓強(qiáng)下混合加熱，完成脫水。（2）溶劑法。溶劑法需要進(jìn)行兩次脫水處理，第一次是在常壓下，在反應(yīng)溶劑中滴入甲苯或二甲苯，讓其與水分子溶解，推動脫水反應(yīng)。完成第一次脫水后，減壓升溫進(jìn)行第二次脫水。真空法和溶劑法擁有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，溶劑法不需要過高的反應(yīng)溫度，產(chǎn)生的物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不容易變質(zhì)，但是反應(yīng)時間很長，而且收率低；真空法反應(yīng)時間很短，但是成本較高，需要整個反應(yīng)在真空環(huán)境下進(jìn)行，不然得到的產(chǎn)物很容易變質(zhì)。鑒于兩種方法的各自特性，相關(guān)學(xué)者提出在化學(xué)反應(yīng)前期階段使用溶劑法，后期反應(yīng)階段結(jié)合真空法的混合法制備咪哩琳類物質(zhì)，這樣不僅能節(jié)省成本，而且能夠加快反應(yīng)時間，得到的反應(yīng)物不容易變質(zhì)，具有很好的緩蝕效果[3]。

2 改性環(huán)烷酸咪唑啉的性能

改性環(huán)烷酸咪唑啉是一種陽離子緩蝕劑，具有極高的緩蝕性能，也可以被用作兩性緩蝕劑。將改性環(huán)烷酸咪唑啉與金屬反應(yīng)，會在金屬表面形成單分子保護(hù)膜，吸附外界物質(zhì)。研究改性環(huán)烷酸咪唑啉的吸附性能可以從物理吸附、化學(xué)吸附和π鍵吸附三個方面來分析： （1）物理吸附。改性環(huán)烷酸咪唑啉中的季胺基團(tuán)離子與金屬表面離子相互作用產(chǎn)生靜電力和范德華力，靜電引力具有很強(qiáng)的吸附作用，而N+的正電性很強(qiáng)，能夠?qū)⒔饘俦砻娴亩嘤嚯x子吸附到一起從而形成穩(wěn)定的吸附膜，起到緩蝕作用。（2）化學(xué)吸附。改性環(huán)烷酸咪唑啉的性質(zhì)是由極性集團(tuán)和非極性基團(tuán)兩部分決定的，極性集團(tuán)中心原子N、O、S中沒有被用到的孤對電子會在金屬表面存在形成空的d軌道，軌道內(nèi)部會形成配位鍵，以供電型緩蝕劑分子的形式存在。（3）π鍵吸附。π鍵吸附只針對分子結(jié)構(gòu)含有π電子的物質(zhì)，很容易受到附近基團(tuán)因子的影響。π鍵的吸附能力與空間位阻有很大關(guān)系，空間位阻越大，π鍵的吸附能力越強(qiáng)。極性集團(tuán)的孤對電子還可以與π鍵作用形成共軛π鍵，提高緩蝕能力[4]。

3 結(jié)語

通過本文的研究發(fā)現(xiàn)改性環(huán)烷酸咪唑啉必須在高溫情況下才能制成，具有非常好的緩蝕效果，而且制備步驟簡單容易，制作時產(chǎn)生的環(huán)境污染較小，消耗的成本很低，是一種經(jīng)濟(jì)綠色環(huán)保的緩蝕劑。目前，國內(nèi)外科學(xué)家對改性環(huán)烷酸咪唑啉的研究越來越深入，改性環(huán)烷酸咪唑啉的應(yīng)用范圍越來越廣，在化學(xué)清洗、油田酸洗、油田緩蝕等多種行業(yè)都能用到改性環(huán)烷酸咪唑啉。但是在其合成與制備方面了解還不夠完善，必須要進(jìn)行更加仔細(xì)的研究，這樣才能帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅哲媛， 屈人偉.改性咪唑啉緩蝕劑在H2S—3%NaCl—H2O體系中緩蝕性能的研究[J].腐蝕與防護(hù)， 2000， 21（8）：345346.

[2] 李邦.水溶性咪唑啉季銨鹽型緩蝕劑的合成及性能評價[J].精細(xì)石油化工， 2005（4）：4446.

[3]石順存，方茹苕，蔣華鵬，等.環(huán)烷酸咪唑啉膦酰胺緩蝕性能的研究[J]. 材料保護(hù)， 2008， 41（3）：6264.

[4]雷良才，肖愷，沈愚，等.咪唑啉緩蝕劑的合成與緩蝕性能研究[J].腐蝕與防護(hù)， 2001，22（10）：420423.

作者簡介：曾崢嶸（1981），男，陜西洛川縣人，本科，實(shí)驗師，研究方向為石油實(shí)驗。