CN103288845A - 螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,它的分子式为C9H8O6,结构式为
Description
技术领域
本发明涉及一种螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷及其合成方法。
背景技术
热固性环氧树脂在固化过程中会发生体积收缩,它会造成材料强度下降,甚至导致材料产生微裂纹或开裂、尺寸不稳定或交接接头的脱胶等缺陷。减少环氧树脂体积收缩率的常用方法有:降低反应体系中活性官能团的含量;选择反应温度较低的固化体系;添加无机粉状填料;增韧改性等。但是这些方法都有各自缺点和使用局限性,如不能明显改善环氧树脂体系的体积收缩问题;使反应体系粘度增大,产生气泡难以排除;成本较高难以实现工业化生产等。
膨胀单体的出现从根本上解决了环氧树脂体系体积收缩的问题。迄今为止,已发现的膨胀单体仅仅局限在双环原酸酯、螺环原酸酯和螺环原碳酸酯等结构的化合物上。而其中又以螺环原碳酸酯类聚合时体积膨胀率较为理想。
目前学者们主要通过在环氧树脂体系中加入膨胀单体如3,9-二(2-降冰片烯)-1,5,7,11-四氧杂螺[5,5]十一烷、3,9-二(对甲氧基苯亚甲基)-1,5,7,11-四氧杂螺环[5,5]十一烷等的研究思路进行相关环氧树脂固化收缩的问题,但是这些究还仅局限于实验室阶段,材料研制成本高,实际应用受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷及其合成方法,操作简便,条件温和,易于实现工业化生产。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:
螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,它的分子式为C9H8O6,结构式为
上述螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,分为三步:
(1)由多卤代烃1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷以水为溶剂,在腈化剂的作用下,由相转移催化剂和无配体的铜催化合成1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷;
(2)1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷在无机强酸作用下水解得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷。
(3)由1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷与乙酸酐在催化剂作用下发生交换反应生成对称产物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷。
按上述方案,所述溶剂水与无配体的铜催化剂的摩尔比为5:1~7:1。
按上述方案,所述腈化剂为无水K4Fe(CN)6,无水K4Fe(CN)6与多卤代烃1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为3:2~5:4。
按上述方案,所述相转移催化剂为四丁基溴化铵(TBAB),无配体的铜催化剂为Cu(OAc)2。
按上述方案,所述相转移催化剂TBAB与多卤代烃1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为1:1~1:1.5,无配体的铜催化剂Cu(OAc)2占相转移催化剂总质量的的8%~10%。
按上述方案,所述步骤(1)反应温度160℃~200℃,反应时间50~80min。
按上述方案,所述水解反应步骤通过在无机强酸存在下,1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷与水反应,所述水解反应水的用量与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1.5~1:2.0。
按上述方案,所述无机强酸为98%浓硫酸,浓硫酸与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1~1.5:1。
按上述方案,所述步骤(3)的催化剂为冰醋酸,所述催化剂为反应物1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷投料摩尔量的0.1~0.15倍。
按上述方案,所述步骤(3)中1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷与乙酸酐的投料摩尔比为1:1.5~2.1。
按上述方案,所述步骤(3)中反应温度为90~110℃,反应时间为6~12h。
上述螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,具体步骤如下:
(1)按照摩尔比为3:2~5:4,准备腈化剂无水K4Fe(CN)6与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷备用;按照转移催化剂TBAB与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为1:1~1:1.5准备TBAB;无配体的铜催化剂Cu(OAc)2占相转移催化剂的总质量的8%~10%;按照溶剂水的量与铜催化剂的摩尔比为5:1~7:1取水备用。
将Cu(OAc)2催化剂加入到溶剂水中,搅拌至均相,再加入无水K4[Fe(CN)6]、TBAB以及1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷,将容器密封后于160℃~200℃加热反应50min~80min,反应结束后,使体系自然冷却至室温,用***萃取产物三次,用旋转蒸发仪旋蒸***,GC检测分析,并使产物1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷通过色谱柱纯化;
(2)在氮气氛围下,于室温向装有搅拌器的反应器中,加入所需水总体积的2/3(所需水的总量与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1.5~1:2.0);随后倾倒98%H2SO3,硫酸与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷摩尔比1:1~1.5:1,,使反应体系温度升高至120℃,然后在1h内引入上述步骤所制备得1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷,反应体系温度控制在120℃,随后在此温度下保温20~40min后,在10min内加入所需水总体积余下的1/3,并将温度升高到130℃保持6h,反应结束后停止搅拌,反应介质分层,使之自然冷却至90℃,将上层与下层水相分离,得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷;
(3)按照1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷和乙酸酐的投料摩尔比为1:1.5~2.1,催化剂冰乙酸为1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷投料摩尔量的0.1~0.15倍,将1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷和乙酸酐及冰乙酸置于带有搅拌器、回流冷凝管和温度计的三口烧瓶中,反应温度控制在90~110℃,反应时间为6~12h,至反应液澄清反应结束;反应结束后停止加热,将产物经减压蒸馏后,残余物经三氯甲烷重结晶,抽滤干燥称重,即得2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷。
本发明所述反应过程如下:
与现有技术相比,本发明的优点在于:
第一,2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷是一种高度对称的含氧的多元螺环化合物,其在环氧树脂中作为固化剂在一定条件下由引发剂引发实现开环聚合,生成线形聚合物,发生体积膨胀反应,使得环氧树脂在固化过程中体积不收缩以至于体积膨胀。本发明从酸酐类固化剂着手研发出具有膨胀效果的2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,该方法简便易行,条件温和,产物纯净,产率可达96.2%~98.5%。
第二,本发明将多卤代烃1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷在以水为溶剂,以无毒且廉价的K4[Fe(CN)6]为腈化剂,由TBAB为相转移催化剂和无配体的Cu(OAc)2为催化剂催化合成1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷,再将1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷在无机强酸作用下水解得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷,此方法简便易行,无毒价廉,反应条件温和,产物产率高纯度大,可以得到比原料烃类碳链更长的多元羧酸。
第三,本发明将1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷与乙酸酐在催化剂冰乙酸的作用下发生交换反应生成对称产物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,该发明操作简便,反应条件温和,产物纯净。
附图说明
图1是2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷分子结构图。
图2是2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷制备工艺路线图。
图3是2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的红外光谱图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实例进一步阐明本发明的内容,但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
本发明所述无水K4Fe(CN)6是经过如下方法得到的,将K4Fe(CN)63H2O在研钵中研磨成粉末状颗粒,平铺于表面皿上,表面皿置于真空干燥箱中,75℃干燥即可。当然,其他工艺获得的无水K4Fe(CN)6也适用于本发明。
实施例1
2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的制备方法,步骤如下:
(1)按照摩尔比为3:2,准备腈化剂无水K4Fe(CN)6与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷备用;按照转移催化剂TBAB与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为1:1准备TBAB;无配体的铜催化剂Cu(OAc)2占相转移催化剂的总质量的10%,按照溶剂水的量与铜催化剂的摩尔比为5:1取水备用;
将Cu(OAc)2催化剂加入到溶剂水中,搅拌至均相,再加入无水K4[Fe(CN)6]、TBAB以及1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷,将容器密封后于180℃加热反应50min,反应结束后,使体系自然冷却至室温,用***萃取产物三次,用旋转蒸发仪旋蒸***,GC检测分析,并使产物1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷通过色谱柱纯化;
反应式:
(2)在氮气氛围下,于室温向装有搅拌器的反应器中,加入所需水总体积的2/3(所需水的总量与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1.5);随后倾倒98%H2SO3,硫酸与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷摩尔比1:1,,使反应体系温度升高至120℃,然后在1h内引入上述步骤所制备得1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷,反应体系温度控制在120℃,随后在此温度下保温20min后,在10min内加入所需水总体积余下的1/3,并将温度升高到130℃保持6h,反应结束后停止搅拌,反应介质分层,使之自然冷却至90℃,将上层与下层水相分离,得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷。经过蒸馏、萃取、重结晶,产率为91%,反应式如下:
(3)按照1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷、乙酸酐和催化剂冰乙酸的摩尔比为1:2.1:0.15,将1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷和乙酸酐及冰乙酸置于带有搅拌器、回流冷凝管和温度计的三口烧瓶中,反应温度控制在90℃,反应时间为12h,至反应液澄清反应结束;反应结束后停止加热,将产物经减压蒸馏后,残余物经三氯甲烷重结晶,抽滤干燥称重,即得2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,产率96.2%。
反应式如下:
图3为所得产物红外图谱,分析如下表,因此证实按照本发明所述方法得到的产物为2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷。
实施例2
2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的制备方法,步骤如下:
(1)按照摩尔比为4:3,准备腈化剂无水K4Fe(CN)6与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷备用;按照转移催化剂TBAB与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为1:1.5准备TBAB;无配体的铜催化剂Cu(OAc)2占相转移催化剂的总质量的9%,按照溶剂水的量与铜催化剂的摩尔比为7:1取水备用;
将Cu(OAc)2催化剂加入到溶剂水中,搅拌至均相,再加入无水K4[Fe(CN)6]、TBAB以及1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷,将容器密封后于200℃加热反应75min,反应结束后,使体系自然冷却至室温,用***萃取产物三次,用旋转蒸发仪旋蒸***,GC检测分析,并使产物1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷通过色谱柱纯化;
(2)在氮气氛围下,于室温向装有搅拌器的反应器中,加入所需水总体积的2/3(所需水的总量与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:2.0);随后倾倒98%H2SO3,硫酸与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷摩尔比1.5:1,,使反应体系温度升高至120℃,然后在1h内引入上述步骤所制备得1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷,反应体系温度控制在120℃,随后在此温度下保温40min后,在10min内加入所需水总体积余下的1/3,并将温度升高到130℃保持6h,反应结束后停止搅拌,反应介质分层,使之自然冷却至90℃,将上层与下层水相分离,得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷,经过蒸馏、萃取、重结晶,产率为92.5%。
(3)按照1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷、乙酸酐和催化剂冰乙酸的摩尔比为1:1.8:0.1,将1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷和乙酸酐及冰乙酸置于带有搅拌器、回流冷凝管和温度计的三口烧瓶中,反应温度控制在100℃,反应时间为8h,至反应液澄清反应结束;反应结束后停止加热,将产物经减压蒸馏后,残余物经三氯甲烷重结晶,抽滤干燥称重,即得2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,产率97.6%。
实施例3
2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的制备方法,步骤如下:
(1)按照摩尔比为5:4,准备腈化剂无水K4Fe(CN)6与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷备用;按照转移催化剂TBAB与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为1:1.2准备TBAB;无配体的铜催化剂Cu(OAc)2占相转移催化剂的总质量的8%,按照溶剂水的量与铜催化剂的摩尔比为6:1取水备用;
将Cu(OAc)2催化剂加入到溶剂水中,搅拌至均相,再加入无水K4[Fe(CN)6]、TBAB以及1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷,将容器密封后于160℃加热反应80min,反应结束后,使体系自然冷却至室温,用***萃取产物三次,用旋转蒸发仪旋蒸***,GC检测分析,并使产物1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷通过色谱柱纯化;
(2)在氮气氛围下,于室温向装有搅拌器的反应器中,加入所需水总体积的2/3(所需水的总量与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1.7);随后倾倒98%H2SO3,硫酸与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷摩尔比1.3:1,,使反应体系温度升高至120℃,然后在1h内引入上述步骤所制备得1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷,反应体系温度控制在120℃,随后在此温度下保温30min后,在10min内加入所需水总体积余下的1/3,并将温度升高到130℃保持6h,反应结束后停止搅拌,反应介质分层,使之自然冷却至90℃,将上层与下层水相分离,得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷。经过蒸馏、萃取、重结晶,产率为91.6%。
(3)按照1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷、乙酸酐和催化剂冰乙酸的摩尔比为1:1.5:0.12,将1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷和乙酸酐及冰乙酸置于带有搅拌器、回流冷凝管和温度计的三口烧瓶中,反应温度控制在110℃,反应时间为6h,至反应液澄清反应结束;反应结束后停止加热,将产物经减压蒸馏后,残余物经三氯甲烷重结晶,抽滤干燥称重,即得2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,产率98.5%。
应用例:
该新型螺环化合物-螺环四甲酸二酐(2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5.5]十一烷)是一种新型的用于环氧树脂体系的膨胀固化剂,主要应用于环氧树脂浇注及其纤维增强复合材料领域,用以降低环氧树脂及其复合材料在固化过程中的体积收缩率,该环氧树脂体系体积收缩率降低至0~0.5%。
应用方法如下:按重量份数计,E51环氧树脂100份;螺环四甲酸二酐33份,混合均匀、浇注、排泡,加热至150℃固化4h;170℃后固化2h;190℃后固化2h;210℃后固化2h,采用膨胀计跟踪测量反应体系的体积变化,测定环氧树脂在固化过程中的体积收缩率低于0.5%。
Claims (10)
1.螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷,其特征在于它的分子式为C9H8O6,结构式为
2.权利要求1所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于它分为三步:
(1)由多卤代烃1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷以水为溶剂,在腈化剂的作用下,由相转移催化剂和无配体的铜催化剂催化合成1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷;
(2)1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷在无机强酸作用下水解得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷。
(3)由1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷与乙酸酐在催化剂作用下发生交换反应生成对称产物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷。
3.根据权利要求2所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于所述溶剂水与无配体的铜催化剂的摩尔比为5:1~7:1。
4.根据权利要求2所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于所述腈化剂为无水K4Fe(CN)6,无水K4Fe(CN)6与多卤代烃1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为3:2~5:4。
5.根据权利要求2所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于所述相转移催化剂为四丁基溴化铵,无配体的铜催化剂为Cu(OAc)2。
6.根据权利要求5所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于所述相转移催化剂TBAB与多卤代烃1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为1:1~1:1.5,无配体的铜催化剂Cu(OAc)2占相转移催化剂总质量的的8%~10%。
7.根据权利要求2所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于所述步骤(1)反应温度160℃~200℃,反应时间50~80min。
8.根据权利要求2所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于所述水解反应步骤通过在无机强酸存在下,1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷与水反应,所述水解反应水的用量与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1.5~1:2.0;所述无机强酸为98%浓硫酸,浓硫酸与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1~1.5:1。
9.根据权利要求2所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于所述步骤(3)的催化剂为冰醋酸,所述催化剂为反应物1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷投料摩尔量的0.1~0.15倍;所述步骤(3)中1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷与乙酸酐的摩尔投料比为1:1.5~2.1;所述步骤(3)中反应温度为90~110℃,反应时间为6~12h。
10.根据权利要求2所述的螺环化合物2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷的合成方法,其特征在于具体步骤如下:
(1)按照摩尔比为3:2~5:4,准备腈化剂无水K4Fe(CN)6与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷备用;按照转移催化剂TBAB与1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷的摩尔比为1:1~1:1.5准备TBAB;无配体的铜催化剂Cu(OAc)2占相转移催化剂的总质量的8%~10%;按照溶剂水的量与铜催化剂的摩尔比为5:1~7:1取水备用。
将Cu(OAc)2催化剂加入到溶剂水中,搅拌至均相,再加入无水K4[Fe(CN)6]、TBAB以及1,3-二溴-2,2-二(溴甲基)丙烷,将容器密封后于160℃~200℃加热反应50min~80min,反应结束后,使体系自然冷却至室温,用***萃取产物三次,用旋转蒸发仪旋蒸***,GC检测分析,并使产物1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷通过色谱柱纯化;
(2)在氮气氛围下,于室温向装有搅拌器的反应器中,加入所需水总体积的2/3(所需水的总量与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷的摩尔比为1:1.5~1:2.0);随后倾倒98%H2SO3,硫酸与1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷摩尔比1:1~1.5:1,,使反应体系温度升高至120℃,然后在1h内引入上述步骤所制备得1,3-二腈基-2,2-二(腈甲基)丙烷,反应体系温度控制在120℃,随后在此温度下保温20~40min后,在10min内加入所需水总体积余下的1/3,并将温度升高到130℃保持6h,反应结束后停止搅拌,反应介质分层,使之自然冷却至90℃,将上层与下层水相分离,得到1,3-二羧基-2.2-二(乙酸基)丙烷;
(3)按照1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷和乙酸酐的摩尔投料比为1:1.5~2.1,催化剂冰乙酸为1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷投料摩尔量的0.1~0.15倍,将1,3-二羧基-2,2-二(乙酸基)丙烷和乙酸酐及冰乙酸置于带有搅拌器、回流冷凝管和温度计的三口烧瓶中,反应温度控制在90~110℃,反应时间为6~12h,至反应液澄清反应结束;反应结束后停止加热,将产物经减压蒸馏后,残余物经三氯甲烷重结晶,抽滤干燥称重,即得2,4,8,10-四羰基-3,9-二氧杂螺环[5,5]十一烷。
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