CN102898308A

CN102898308A - 一种双氟烷基衣康酸酯及其制备方法

Info

Publication number: CN102898308A
Application number: CN2011102109274A
Authority: CN
Inventors: 李战雄; 叶皓华; 陈国强; 蔡露
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开了一种双氟烷基衣康酸酯及其制备方法，利用不饱和二元羧酸与含氟醇反应合成双氟烷基不饱和酸酯，具体是以含氟醇和衣康酸为原料，以质子酸为催化剂，通过酯化反应制得双氟烷基衣康酸酯。本发明制备的双氟烷基衣康酸酯，其分子中含有不饱和双键，可用作自由基聚合的原料制备碳链聚合物，两个氟烷基处于密集堆积状态，且氟烷基的氟碳链长度比全氟辛基短，不存在极端惰性和累积毒性，不属于禁用含氟化学品范围，本发明的双氟烷基衣康酸酯以含氟醇和衣康酸为原料合成，通过常规酯化反应制备，合成工艺条件温和、设备要求低、收率高，极易实现工业化生产。

Description

一种双氟烷基衣康酸酯及其制备方法

技术领域

本发明涉及化学品合成领域，具体涉及一种双氟烷基衣康酸酯及其制备方法。

背景技术

在含氟长链烷基取代聚合物的应用过程中，全氟长碳链存在着生物累积和对环境的危害等一系列问题，这是因为全氟长碳链的持久性极强，它在大多数环境条件测试中都不会出现水解、光解或生物降解。已知在毒性评价预测的171种已研究的全氟化物质中，超过99％的物质将由于生物降解而成为持久性极强的全氟化酸，包括全氟辛烷磺酸(PFOS)。正是因为考虑到这类材料的极端惰性带来的废物持久性和累积性，这些物质对于生物体和环境的污染越来越受到人们的重视。美国环保局提出在2006年3月出台的《有毒物质控制法》第5部分(a)(2)中添加重大新用途规则，将其它183种带有大于6个碳原子或更长碳链的全氟烃基磺酸盐纳入该法案的规定范围。正是因为越来越多的法规限制，目前欧盟国家已经全面禁止生产、使用和进***全氟长碳链的产品。日本则已经有相关替代产品的技术储备，不久之后也会停止生产含全氟辛基等全氟长碳链的材料。

因此，在各种材料和助剂中禁用PFOS已经成为全球氟材料研究者的共识。如何通过分子结构设计得到可提供极低表面能、同时又不含全氟辛基的聚合物材料早已成为当前材料表面处理的关注热点。

2001年美国EPA提出禁止使用PFOS后，3M公司于2002年声明不生产PFOS相关产品。同时研发全氟丁基磺酸(PFBS，Perfluorobutane Sulfonate)，由PFBS生产新的含氟聚合物助剂。但是，PFBS类产品形成的聚合物膜临界表面张力δ为15mN/m，达不到全氟辛基(-C₈F₁₇)临界表面张力δ等于10mN/m的水平。究其原因，是因为短氟碳链烷基产品在用于表面处理时，不能有效提供氟烷基屏蔽效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双氟烷基衣康酸酯及其制备方法，以解决现有全氟辛基类产品存在的累积毒性和面临全球禁用的问题。

本发明提供的一种双氟烷基衣康酸酯，其结构式为：

其中，Rf为-CH₂(CF₂)₂H或-CH₂(CF₂)₄H或-CH₂CH₂(CF₂)₅CF₃

所述双氟烷基衣康酸酯是以含氟醇和衣康酸为原料，以质子酸为催化剂，通过酯化反应制得的，制备所述双氟烷基衣康酸酯的配方、酯化反应条件和后处理条件，具体如下：

1、酯化反应制备双氟烷基衣康酸酯的配方：

2、酯化反应条件：

酯化反应使用的设备为配备有搅拌器、加热装置、温度计、回流冷凝装置和分水器的反应釜。

将上述配方中的含氟醇、衣康酸、质子酸、烃类溶剂和阻聚剂依次加入到反应器中，搅拌形成均一的溶液，在60-142℃下回流分水、反应3-48小时。

3、后处理条件

反应结束后，将反应液过滤得到清亮滤液，将滤液水洗至中性，然后加入干燥剂干燥2-24小时。

干燥结束后过滤除去干燥剂，得到的滤液减压蒸馏除溶剂得到产物。

上述所涉及的含氟醇为1，1，3-三氢四氟丙醇、1，1，5-三氢八氟戊醇和1，1，2，2-四氢十三氟辛醇中的一种。

所涉及的质子酸为硫酸、对甲苯磺酸和磷酸中的一种。

所涉及的阻聚剂为对苯二酚或间苯二酚中的一种。

所涉及的烃类溶剂为苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、甲酸乙酯和环己烷中的一种，或其中任意两种的混合物，混合时重量比为1-5∶5-1。

上述所涉及的干燥剂为无水硫酸钠、无水氯化钙或无水硫酸镁中的一种，干燥剂用量相当于含氟醇质量的5％-20％。

上述减压蒸馏除溶剂的蒸馏，是在40-140℃的温度和133.3Pa-1333.0Pa的真空度下进行减压蒸馏。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明的双氟烷基衣康酸酯单分子中含有两个氟烷基，用于聚合可得到侧基两个氟烷基处于密集堆积状态的大分子，从而提供更有效的氟烷基屏蔽效应和低表面能作用；

2.本发明采用了碳链长度比全氟辛基短的氟烷基，不存在极端惰性和累积毒性，不属于PFOS类禁用含氟化学品范围；

3.本发明的双氟烷基衣康酸酯制备是以含氟醇与羧酸为原料，通过常规酯化反应合成，制备工艺条件温和、设备要求低、收率高，极易实现工业化生产。

附图说明

图1是根据本发明实施例1技术方案制备的双(1，1，5-三氢八氟戊基)衣康酸酯的红外光谱图。

图2是根据本发明实施例2技术方案制备的双(1，1，2，2-四氢十三氟辛基)衣康酸酯的红外光谱图。

图3是根据本发明实施例1技术方案制备的双(1，1，5-三氢八氟戊基)衣康酸酯的质谱图。

图4是根据本发明实施例2技术方案制备的双(1，1，2，2-四氢十三氟辛基)衣康酸酯的质谱图。

具体实施方式

本发明提供的一种双氟烷基衣康酸酯，其结构式为：

所述双氟烷基衣康酸酯是以含氟醇和衣康酸为原料，以质子酸为催化剂，通过酯化反应制得的，下面以实施例进行进一步的详细说明。

实施例1

双(1，1，5-三氢八氟戊基)衣康酸酯的制备

在装有搅拌、回流冷凝管、分水器、温度计的反应器中，加入环己烷150g、衣康酸26.0g、1，1，5-三氢八氟戊醇92.8g、对苯二酚1.9g和对甲苯磺酸3.0g。氮气保护下搅拌加热至81℃，反应6小时至不再有水生成，分出水约6.5g，停止反应。

反应混合物冷却后，过滤得到清亮滤液，水洗至中性，加入10g干燥剂干燥6小时，干燥结束后过滤除去干燥剂，滤液在50℃、真空度1333.0Pa下减压蒸馏除溶剂得到淡黄色透明油状产物双(1，1，5-三氢八氟戊基)衣康酸酯，反应收率85.6％。产物结构式如下：

双(1，1，5-三氢八氟戊基)衣康酸酯结构表征：¹H NMR(CDCl₃，δ)：6.497(m，1H，C＝C-H)，6.054(tt，1H，J＝51.6Hz，and 5.2Hz)，6.045(tt，1H，J＝52Hz，and 5.2Hz，CF₂H)，4.665(t，2H，J＝13.6Hz，COOCH₂)，4.602(t，2H，J＝13.6Hz，COOCH₂)，3.483(s，2H，C＝C-CH₂)ppm。FT-IR(KBr，v)：2977.8，1762.2，1740.8，1644.7，1403.3，1322.7，1291.0，1171，1129.7，1084.7，1059.0，975.0，903.2，809.4。¹⁹F NMR(CDCl₃，300MHz)δ：-120.414(m，4F)，-125.996(m，2F)，-126.089(m，2F)，-130.715-130.768(m，4F)，-137.963(t，J＝3Hz，2F)，-138.147(t，J＝3Hz，2F)。双(1，1，5-三氢八氟戊基)衣康酸酯分子式M为C₁₅H₁₀F₁₆O₄，HRMS测试计算：[M+NH₄]⁺：576.0662实测：576.0661。

如图1所示，所制备产物在1730-1760cm^-1附近出现了羰基的伸缩振动吸收峰，在1640cm^-1附近出现了碳碳双键C＝C的特征吸收峰，在1100-1300cm^-1之间出现-CF₂和-CF₃的伸缩振动吸收峰。

如图3所示，双(1，1，5-三氢八氟戊基)衣康酸酯分子式M为C₁₅H₁₀F₁₆O₄，HRMS测试计算：[M+NH₄]⁺：576.0662，实测：576.0661，实测试与计算值吻合。

实施例2

双(1，1，2，2-四氢十三氟辛基)衣康酸酯的制备

在装有搅拌、回流冷凝管、分水器、温度计的反应器中，加入甲苯200g、衣康酸26.0g、1，1，2，2-四氢十三氟辛醇145.6g、对苯二酚1.9g和对甲苯磺酸3.0g。搅拌加热至112℃，反应8小时至不再有水生成，分出水约7.2g，停止反应。

反应混合物冷却后，过滤得到清亮滤液，水洗至中性，加入15g干燥剂无水硫酸钠干燥8小时，干燥结束后过滤除去干燥剂，滤液在60℃、真空度666.5Pa下减压蒸馏除溶剂得到微黄色透明油状产物双(1，1，2，2-四氢十三氟辛基)衣康酸酯，反应收率73.2％。产物结构式如下：

反应收率85.0％。双(1，1，2，2-四氢十三氟辛基)衣康酸酯结构表征：¹H NMR(CDCl₃，δ)：6.377(1H，m)，5.804(1H，m)，4.449(2H，t，J＝10.4Hz)，4.377(2H，t，J＝10.4Hz)，3.359(2H，m)，2.559(2H，t，J＝10.0Hz)，2.521(2H，t，J＝10.8Hz)ppm。FT-IR(KBr，v)：3001.9，1750.7，1726.8，1642.2，1330.3，1317.9，1269.7，1217.2，1157.8，1096.2，1048.6，734.8cm^-1。¹⁹FNMR(CDCl₃，300MHz)δ：-64.786(m，12F)，-81.134(m，6F)，-108.508(m，4F)，-124.117(m，4F).MS(ESI，175V)m/z(％)：840.0656([M+NH₄]⁺，100)，1667.0552([2M+NH₄]⁺，10)。双(1，1，2，2-四氢十三氟辛基)衣康酸酯分子式为C₂₁H₁₂F₂₆O₄，HRMS测试计算：[M+NH₄]⁺为840.0659，实测：840.0656。

如图2所示，所制备产物在1730-1760cm^-1附近出现了羰基的伸缩振动吸收峰，在1640cm^-1附近出现了碳碳双键C＝C的特征吸收峰，在1100-1300cm^-1之间出现-CF₂和-CF₃的伸缩振动吸收峰。

如图4所示，双(1，1，2，2-四氢十三氟辛基)衣康酸酯分子式为C₂₁H₁₂F₂₆O₄，HRMS测试计算：[M+NH₄]⁺为840.0659，实测：840.0656，实测试与计算值吻合。

实施例3

双(1，1，3-三氢四氟丙基)衣康酸酯的制备

在装有搅拌、回流冷凝管、分水器、温度计的反应器中，加入苯100g、衣康酸26.0g、1，1，3-三氢四氟丙醇52.8g、对苯二酚2.5g和对甲苯磺酸3.0g。氮气保护下搅拌加热至80℃，反应5小时至不再有水生成，分出水约6.0g，停止反应。

反应混合物冷却后，过滤得到清亮滤液，水洗至中性，加入5g干燥剂干燥5小时，干燥结束后过滤除去干燥剂，滤液在50℃、真空度1333.0Pa下减压蒸馏除溶剂得到微黄色透明油状产物双(1，1，3-三氢四氟丙基)衣康酸酯，反应收率88.6％。产物结构式如下：

产物结构表征：¹H NMR(CDCl₃，δ)：6.232(m，2H，CH₂＝C)，5.263(m，2H，CF₂H)，4.336(t，2H，COOCH₂)，4.018(t，2H，COOCH₂)，3.483(s，2H，C＝C-CH₂)ppm。FT-IR(KBr，v)：2985.6，1760.1，1739.8，1646.6，1400.9，1169.6，1130.8，1096.9，1089.3。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种双氟烷基衣康酸酯，其特征在于，它的结构式为：

其中，Rf为-CH₂(CF₂)₂H或-CH₂(CF₂)₄H或-CH₂CH₂(CF₂)₅CF₃。

2.一种制备如权利要求1所述的双氟烷基衣康酸酯的方法，其特征在于，以含氟醇和衣康酸为原料，以质子酸为催化剂，通过酯化反应制备一种双氟烷基衣康酸酯。

3.根据权利要求1所述的双氟烷基衣康酸酯的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：

步骤1)准备原料：

步骤2)酯化反应：

按步骤1)中所述配比，将含氟醇、衣康酸、质子酸、烃类溶剂和阻聚剂依次加入到反应器中，搅拌形成均一的溶液，在60-142℃下回流分水、反应3-48小时；

步骤3)后处理：

反应结束后，将反应液过滤得到清亮滤液，将滤液水洗至中性，然后加入干燥剂干燥2-24小时；

干燥结束后过滤除去干燥剂，得到的滤液减压蒸馏除溶剂得到产物，即是双氟烷基衣康酸酯。

4.根据权利要求3所述的双氟烷基衣康酸酯的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的含氟醇为1，1，3-三氢四氟丙醇、1，1，5-三氢八氟戊醇和1，1，2，2-四氢十三氟辛醇中的一种。

5.根据权利要求3所述的双氟烷基衣康酸酯的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的质子酸为硫酸、对甲苯磺酸和磷酸中的一种。

6.根据权利要求3所述的双氟烷基衣康酸酯的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的阻聚剂为对苯二酚或间苯二酚中的一种。

7.根据权利要求3所述的双氟烷基衣康酸酯的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的烃类溶剂为苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、甲酸乙酯和环己烷中的一种，或其中任意两种的混合物，混合时重量比为1-5∶5-1。

8.根据权利要求3所述的双氟烷基衣康酸酯的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的干燥剂为无水硫酸钠、无水氯化钙或无水硫酸镁中的一种，干燥剂用量相当于含氟醇质量的5％-20％。

9.根据权利要求3所述的双氟烷基衣康酸酯的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的减压蒸馏除溶剂的蒸馏，是在40-140℃的温度和133.3Pa-1333.0Pa的真空度下进行减压蒸馏。