CN102731348A - 一种双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域,具体是指一种双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体及其制备方法。
背景技术
含氟聚合物是目前已知表面能最低的高分子材料,侧链被氟碳链取代的丙烯酸酯(FA)聚合物不仅保持着普通丙烯酸酯的原有特性,同时还赋予其特殊的低表面能特性,含较长氟碳侧基的丙烯酸酯均聚物的临界表面张力可达10-11mN/m,这是因为由-CF3紧密堆积的表面的临界表面张力(6mN/m),远低于由-CF2-堆积的表面(18mN/m),热力学平衡的驱动力迫使-CF3在表面发生相分离而形成表面富集,表现出极低的表面能、良好的化学稳定性,特殊的光学和电学性能等,这类材料被广泛用作表面改性材料,如不同基材表面织物、纸张、皮革、地毯等的拒水、拒油、防污整理剂。
氟代丙烯酸酯聚合物中低表面能及其稳定性主要受氟碳侧链的结构组成决定,氟碳侧链堆积得越紧密,这样表面上的末端基团-CF3就排列得越密集。氟碳链长为8的丙烯酸全氟烷基酯聚合物的表面能可低至10mN/m,是最为理想的低表面能聚合物的合成原料。但是,目前普遍使用的含氟单体具有较长的全氟烷基链(≥8),它们在自然环境中容易氧化降解生成对应的全氟羧酸或磺酰化物(如PFOA、PFOS等)。广泛的调查研究表明链长数≥8的全氟化合物是目前发现的最难降解的有机污染物之一,存在生物体累积性和远距离迁移可能性,对人类健康和生存环境有一定危害。研究表明,氟碳链长数小于7的全氟烷基衍生物不存在明显的生物累积现象。因此,如何利用短链的全氟烷基丙烯酸酯为原料,通过分子设计合成新型结构的含氟丙烯酸酯单体是制备具有持久低表面能的拒水拒油涂层材料的关键因素。
专利号如US 2007015867、US 2007023216、CN 101006149的很多专利文献指出氟碳链长数≤6的含氟衍生物基本不会给环境带来负面效应。目前已有很多文献研究了环境友好型侧链含氟单体、以及聚合物的合成、表征和应用。但是由于含氟碳链的缩短,侧链的结晶性受到破坏,由全氟己基(C6)或者全氟丁基(C4)作为氟碳侧链合成的含氟丙烯酸酯共聚物的拒水拒油性能都不够理想(如Macromolecules, 2005, 38: 5699-5705所述)。
发明内容
本发明的目的是根据上述不足提供一种不仅拒水拒油性好,而且可以降解的双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体。
优选的,所述Rf1和Rf2是分子式为C4F9的全氟丁基。
本发明的另一个目的是提供上述双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体的制备方法。
一种制备权利要求1所述双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体的方法,其步骤包括:1)将结构式为Rf1SO2F的全氟烷基磺酰氟与液氨反应,得到结构式为Rf1SO2NH2的全氟烷基磺酰胺;2)将结构式为Rf1SO2NH2的全氟烷基磺酰胺与结构式为Rf2SO2F的全氟烷基磺酰氟反应,得到结构式为的双全氟烷基磺酰亚胺;3)将结构式为的双全氟烷基磺酰亚胺与2-溴乙醇反应得到结构式为的氟醇;4)最后将结构式为的氟醇与丙烯酰氯反应得到结构式为的双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体;其中,Rf1和Rf2是分子式为CnF2n+1的全氟烷基,n是1-6的正整数。
所述第1)步反应是将结构式为Rf1SO2F的全氟烷基磺酰氟加入过量液氨中,室温反应1-5小时,分离并纯化后得到所述结构式为Rf1SO2NH2的全氟烷基磺酰胺。优选的,所述第1)步反应室温反应时间为2-3小时。
所述第2)步反应是将摩尔比为1:(1-2):(1-3)的结构式为Rf1SO2NH2的全氟烷基磺酰胺、结构式为Rf2SO2F的全氟烷基磺酰氟和三乙胺在乙腈中回流反应24-48小时,分离并纯化后得到所述结构式为的双全氟烷基磺酰亚胺。优选的,所述第2)步反应中结构式为Rf1SO2NH2的全氟烷基磺酰胺、结构式为Rf2SO2F的全氟烷基磺酰氟和三乙胺的摩尔比为1:(1-1.5):(1.1-2)。
所述第3)步反应是将摩尔比为1:(1-2):(1-3)的结构式为的双全氟烷基磺酰亚胺、2-溴乙醇和K2CO3,及催化量的NaI在丙酮中加热回流反应2-3小时,分离并纯化后得到结构式为的氟醇。优选的,所述第3)步反应中结构式为的双全氟烷基磺酰亚胺和2-溴乙醇的摩尔比为1:(1.1-1.8)。
所述第4)步反应是将摩尔份数为1-3的丙烯酰氯在冷水浴中滴入摩尔份数为1的结构式为的氟醇、摩尔份数为1-4的三乙胺及催化量的对苯二酚的***混合溶液中,然后加热回流12-20小时,分离纯化后即得到结构式为的双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体。优选的,所述第4)步反应结构式为的氟醇和丙烯酰氯的摩尔比为1:(1.2-2.5),加热回流反应时间为15-18小时。
本发明的双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体不仅表面能低、拒水拒油性好,同时也可以降解,高效环保。本发明双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体中的双全氟侧链可有效保证含氟基团在表面的富积密度,同时本发明在全氟侧链与丙烯酸酯主链间引入了磺酰胺基,进一步促进含氟短侧链在表面的结晶性,提高拒水拒油性能。本发明的双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体可用于制备拒水拒油性能优异的环保型含氟三防整理剂。
附图说明
图1-7为本发明实施例产品的气相色谱(GC)图。
具体实施方式
以下通过具体实施例来进一步说明本发明:
实施例1
1)将全氟丁基磺酰氟(30.2g,0.1mol)逐滴加入100mL液氨中,搅拌反应3h,室温挥发液氨;加入无水***和稀硫酸,搅拌至固体溶解;分去水相,用蒸馏水洗涤数次,并用无水硫酸钠干燥;蒸馏除去溶剂,用乙醇/水重结晶并升华得白色全氟丁基磺酰胺(22g,0.073mol),收率为73%;
2)将全氟丁基磺酰胺(20g,0.066mol)与三乙胺(6.67g,0.066mol)溶于50mL乙腈中,常温下逐渐滴加全氟丁基磺酰氟(20.2g,0.066mol)于乙腈溶液中,加热回流反应48h。蒸馏除去溶剂,加入二氯甲烷溶解,用蒸馏水洗涤数次,以无水硫酸镁干燥,并减压除去溶剂。再加浓硫酸酸化,油泵减压升华得到白色双(全氟丁基磺酰)亚胺(30g,0.052mol),收率约为80%;
3)将双(全氟丁基磺酰)亚胺(10g,0.017mol)与2-溴乙醇(2.4g,0.019mol),干燥K2CO3(4.7g,0.034mol),少量NaI溶解在丙酮溶剂中,在搅拌条件下加热回流反应2h。然后降温至常温,过滤除去固体,固体用丙酮洗涤数次。蒸馏除去滤液的溶剂,粗产物用乙醇/水重结晶提纯,得到氟醇(9.6g,0.015mol),收率为90%。
4)将步骤3)中得到的氟醇(9.6g,0.015mol)、三乙胺(6.06g,0.06mol)和少量对苯二酚溶于***中,在冰水浴下,逐渐滴加丙烯酰氯(1.78g,0.02mol)于***溶液中,加热回流12h。混合物分别用水和盐酸溶液洗涤几次,然后用饱和碳酸氢钠溶液中和。静置,分离有机层,蒸馏除去***溶剂。产物以甲醇/水重结晶纯化,得到双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体1的目标产物8.3g。气相色谱(GC)分析如图1所示,产物纯度96.4%,收率为80%。
实施例2
1)将全氟丁基磺酰氟(30.2g,0.1mol)逐滴加入100mL液氨中,搅拌反应2h,室温挥发液氨;加入无水***和稀硫酸,搅拌至固体溶解;分去水相,用蒸馏水洗涤数次,并用无水硫酸钠干燥;蒸馏除去溶剂,用乙醇/水重结晶并升华得白色全氟丁基磺酰胺(21g,0.07mol),收率为70%;
2)将全氟丁基磺酰胺(20g,0.066mol)与三乙胺(6.67g,0.066mol)溶于50mL乙腈中,常温下逐渐滴加全氟丁基磺酰氟(30.3g,0.1mol)于乙腈溶液中,加热回流反应24h。蒸馏除去溶剂,加入二氯甲烷溶解,用蒸馏水洗涤数次,以无水硫酸镁干燥,并减压除去溶剂。再加浓硫酸酸化,油泵减压升华得到白色双(全氟丁基磺酰)亚胺(35g,0.06mol),收率约为92%;
3)将双(全氟丁基磺酰)亚胺(10g,0.017mol)与2-溴乙醇(2.4g,0.019mol),干燥K2CO3(2.4g,0.017mol),少量NaI溶解在丙酮溶剂中,在搅拌条件下加热回流反应3h。然后降温至常温,过滤除去固体,固体用丙酮洗涤数次。蒸馏除去滤液的溶剂,粗产物用乙醇/水重结晶提纯,得到氟醇(9.6g,0.015mol),收率为90%。
4)将步骤3)中得到的氟醇(9.6g,0.015mol)、三乙胺(3.03g,0.03mol)和少量对苯二酚溶于***中,在冰水浴下,逐渐滴加丙烯酰氯(1.63g,0.018mol)于***溶液中,加热回流18h。混合物分别用水和盐酸溶液洗涤几次,然后用饱和碳酸氢钠溶液中和。静置,分离有机层,蒸馏除去***溶剂。产物以甲醇/水重结晶纯化,得到双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体2的目标产物8.1g。气相色谱(GC)分析如图2所示,产物纯度97.2%,收率为78%。
实施例3
1)将全氟丁基磺酰氟(30.2g,0.1mol)逐滴加入100mL液氨中,搅拌反应1h,室温挥发液氨;加入无水***和稀硫酸,搅拌至固体溶解;分去水相,用蒸馏水洗涤数次,并用无水硫酸钠干燥;蒸馏除去溶剂,用乙醇/水重结晶并升华得白色全氟丁基磺酰胺(20g,0.066mol),收率为66%;
2)将全氟丁基磺酰胺(20g,0.066mol)与三乙胺(20.2g,0.2mol)溶于50mL乙腈中,常温下逐渐滴加全氟丁基磺酰氟(40.4g,0.134mol)于乙腈溶液中,加热回流反应36h。蒸馏除去溶剂,加入二氯甲烷溶解,用蒸馏水洗涤数次,以无水硫酸镁干燥,并减压除去溶剂。再加浓硫酸酸化,油泵减压升华得到白色双(全氟丁基磺酰)亚胺(35g,0.06mol),收率约为92%;
3)将双(全氟丁基磺酰)亚胺(10g,0.017mol)与2-溴乙醇(3.9g,0.031mol),干燥K2CO3(7g,0.051mol),少量NaI溶解在丙酮溶剂中,在搅拌条件下加热回流反应2.5h。然后降温至常温,过滤除去固体,固体用丙酮洗涤数次。蒸馏除去滤液的溶剂,粗产物用乙醇/水重结晶提纯,得到氟醇(10.2g,0.016mol),收率为96%。
4)将步骤3)中得到的氟醇(10.2g,0.016mol)、三乙胺(1.62g,0.016mol)和少量对苯二酚溶于***中,在冰水浴下,逐渐滴加丙烯酰氯(2.9g,0.032mol)于***溶液中,加热回流15h。混合物分别用水和盐酸溶液洗涤几次,然后用饱和碳酸氢钠溶液中和。静置,分离有机层,蒸馏除去***溶剂。产物以甲醇/水重结晶纯化,得到双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体3的目标产物9.5g。气相色谱(GC)分析如图3所示,产物纯度96.8%,收率为85%。
实施例4
1)将三氟甲基磺酰氟(15.2g,0.1mol)逐滴加入100mL液氨中,搅拌反应3h,室温挥发液氨;加入无水***和稀硫酸,搅拌至固体溶解;分去水相,用蒸馏水洗涤数次,并用无水硫酸钠干燥;蒸馏除去溶剂,用乙醇/水重结晶并升华得白色三氟甲基磺酰胺(10.73g,0.072mol),收率为72%;
2)将三氟甲基磺酰胺(10g,0.067mol)与三乙胺(10.1g,0.1mol)溶于50mL乙腈中,常温下逐渐滴加全氟甲基磺酰氟(20.2g,0.133mol)于乙腈溶液中,加热回流反应48h。蒸馏除去溶剂,加入二氯甲烷溶解,用蒸馏水洗涤数次,以无水硫酸镁干燥,并减压除去溶剂。再加浓硫酸酸化,油泵减压升华得到白色双(三氟甲基磺酰)亚胺(30g,0.052mol),收率约为84%;
3)将双(三氟甲基磺酰)亚胺(10g,0.036mol)与2-溴乙醇(6.7g,0.054mol),干燥K2CO3(5g,0.036mol),少量NaI溶解在丙酮溶剂中,在搅拌条件下加热回流反应2h。然后降温至常温,过滤除去固体,固体用丙酮洗涤数次。蒸馏除去滤液的溶剂,粗产物用乙醇/水重结晶提纯,得到氟醇(11g,0.034mol),收率为94%。
4)将步骤3)中得到的氟醇(11g,0.034mol)、三乙胺(6.06g,0.06mol)和少量对苯二酚溶于***中,在冰水浴下,逐渐滴加丙烯酰氯(7.7g,0.085mol)于***溶液中,加热回流20h。混合物分别用水和盐酸溶液洗涤几次,然后用饱和碳酸氢钠溶液中和。静置,分离有机层,蒸馏除去***溶剂。产物以甲醇/水重结晶纯化,得到双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体4的目标产物11.4g。气相色谱(GC)分析如图4所示,产物纯度96.3%,收率为85%。
实施例5
1)将全氟己基磺酰氟(50g,0.124mol)逐滴加入100mL液氨中,搅拌反应3h,室温挥发液氨;加入无水***和稀硫酸,搅拌至固体溶解;分去水相,用蒸馏水洗涤数次,并用无水硫酸钠干燥;蒸馏除去溶剂,用乙醇/水重结晶并升华得白色三氟甲基磺酰胺(36.23g,0.091mol),收率为73%;
2)将全氟己基磺酰胺(30g,0.075mol)与三乙胺(15.2g,0.15mol)溶于60mL乙腈中,常温下逐渐滴加全氟己基磺酰氟(36.3g,0.09mol)于乙腈溶液中,加热回流反应48h。蒸馏除去溶剂,加入二氯甲烷溶解,用蒸馏水洗涤数次,以无水硫酸镁干燥,并减压除去溶剂。再加浓硫酸酸化,油泵减压升华得到白色双(全氟己基磺酰)亚胺(56.2g,0.072mol),收率约为96%;
3)将双(全氟己基磺酰)亚胺(10g,0.013mol)与2-溴乙醇(3.25g,0.026mol),干燥K2CO3(5g,0.036mol),少量NaI溶解在丙酮溶剂中,在搅拌条件下加热回流反应2.5h。然后降温至常温,过滤除去固体,固体用丙酮洗涤数次。蒸馏除去滤液的溶剂,粗产物用乙醇/水重结晶提纯,得到氟醇(10g,0.012mol),收率为94%。
4)将步骤3)中得到的氟醇(10g,0.012mol)、三乙胺(3.64g,0.036mol)和少量对苯二酚溶于***中,在冰水浴下,逐渐滴加丙烯酰氯(3.26g,0.036mol)于***溶液中,加热回流15h。混合物分别用水和盐酸溶液洗涤几次,然后用饱和碳酸氢钠溶液中和。静置,分离有机层,蒸馏除去***溶剂。产物以甲醇/水重结晶纯化,得到双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体5的目标产物8.8g。气相色谱(GC)分析如图5所示,产物纯度95.6%,收率为80%。
实施例6
1)将全氟己基磺酰氟(50g,0.124mol)逐滴加入100mL液氨中,搅拌反应5h,室温挥发液氨;加入无水***和稀硫酸,搅拌至固体溶解;分去水相,用蒸馏水洗涤数次,并用无水硫酸钠干燥;蒸馏除去溶剂,用乙醇/水重结晶并升华得白色三氟甲基磺酰胺(36.23g,0.091mol),收率为73%;
2)将全氟己基磺酰胺(30g,0.075mol)与三乙胺(8.33g,0.083mol)溶于60mL乙腈中,常温下逐渐滴加全氟己基磺酰氟(36.3g,0.09mol)于乙腈溶液中,加热回流反应48h。蒸馏除去溶剂,加入二氯甲烷溶解,用蒸馏水洗涤数次,以无水硫酸镁干燥,并减压除去溶剂。再加浓硫酸酸化,油泵减压升华得到白色双(三氟己基磺酰)亚胺(58g,0.074mol),收率约为99%;
3)将双(全氟己基磺酰)亚胺(20g,0.026mol)与2-溴乙醇(3.25g,0.026mol),干燥K2CO3(5g,0.036mol),少量NaI溶解在丙酮溶剂中,在搅拌条件下加热回流反应2h。然后降温至常温,过滤除去固体,固体用丙酮洗涤数次。蒸馏除去滤液的溶剂,粗产物用乙醇/水重结晶提纯,得到氟醇(20.8g,0.025mol),收率为97%。
4)将步骤3)中得到的氟醇(20.8g,0.025mol)、三乙胺(3.64g,0.036mol)和少量对苯二酚溶于***中,在冰水浴下,逐渐滴加丙烯酰氯(2.26g,0.025mol)于***溶液中,加热回流16h。混合物分别用水和盐酸溶液洗涤几次,然后用饱和碳酸氢钠溶液中和。静置,分离有机层,蒸馏除去***溶剂。产物以甲醇/水重结晶纯化,得到双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体6的目标产物19.4g。气相色谱(GC)分析如图6所示,产物纯度96.2%,收率为85%。
实施例7
1)将三氟甲基磺酰氟(15.2g,0.1mol)逐滴加入100mL液氨中,搅拌反应4h,室温挥发液氨;加入无水***和稀硫酸,搅拌至固体溶解;分去水相,用蒸馏水洗涤数次,并用无水硫酸钠干燥;蒸馏除去溶剂,用乙醇/水重结晶并升华得白色三氟甲基磺酰胺(10.73g,0.072mol),收率为72%;
2)将三氟甲基磺酰胺(10g,0.067mol)与三乙胺(10.1g,0.1mol)溶于50mL乙腈中,常温下逐渐滴加全氟丁基磺酰氟(30.2g,0.1mol)于乙腈溶液中,加热回流反应48h。蒸馏除去溶剂,加入二氯甲烷溶解,用蒸馏水洗涤数次,以无水硫酸镁干燥,并减压除去溶剂。再加浓硫酸酸化,油泵减压升华得到结构式为的亚胺(23.1g,0.0536mol),收率约为80%;
3)将结构式为的亚胺(10g,0.023mol)与2-溴乙醇(5.6g,0.045mol),干燥K2CO3(5g,0.036mol),少量NaI溶解在丙酮溶剂中,在搅拌条件下加热回流反应2h。然后降温至常温,过滤除去固体,固体用丙酮洗涤数次。蒸馏除去滤液的溶剂,粗产物用乙醇/水重结晶提纯,得到氟醇(10g,0.021mol),收率为92%。
4)将步骤3)中得到的氟醇(10g,0.021mol)、三乙胺(6.06g,0.06mol)和少量对苯二酚溶于***中,在冰水浴下,逐渐滴加丙烯酰氯(4g,0.045mol)于***溶液中,加热回流20h。混合物分别用水和盐酸溶液洗涤几次,然后用饱和碳酸氢钠溶液中和。静置,分离有机层,蒸馏除去***溶剂。产物以甲醇/水重结晶纯化,得到双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体7的目标产物9.3g。气相色谱(GC)分析如图7所示,产物纯度97.1%,收率为83%获得。
其中,气相色谱仪型号为GC-1690,柱类型为毛细管柱,进样量为0.2ul。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体,其特征在于:所述Rf1和Rf2是分子式为C4F9的全氟丁基。
4.根据权利要求3所述制备双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体的方法,其特征在于:所述第1)步反应是将结构式为Rf1SO2F的全氟烷基磺酰氟加入过量液氨中,室温反应1-5小时,分离并纯化后得到所述结构式为Rf1SO2NH2的全氟烷基磺酰胺。
6.根据权利要求5所述制备双全氟烷基磺酰亚胺基丙烯酸乙酯单体的方法,其特征在于:所述第2)步反应中结构式为Rf1SO2NH2的全氟烷基磺酰胺、结构式为Rf2SO2F的全氟烷基磺酰氟和三乙胺的摩尔比为1:(1-1.5):(1.1-2)。
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