CN106674017B - 一种不对称双季铵盐的合成方法及其应用 - Google Patents
一种不对称双季铵盐的合成方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种不对称双季铵盐的制备方法，包括以下步骤：(i)将长链卤代烷烃、二叔胺和助剂加入第一溶剂中，加热进行反应，待反应结束后进行固液分离，任选地洗涤并干燥固体，得到不对称双季铵盐中间体；(ii)将步骤(i)得到的中间体、短链卤代烷烃加入第二溶剂中，加热进行反应，待反应结束后进行固液分离，任选地洗涤并干燥固体，得到不对称双季铵盐。本发明还提供了根据所述方法制备得到的不对称双季铵盐在分子筛合成中的应用。本发明通过两步连续季铵化反应，能够合成一系列的不对称双季铵盐，方法简单，原料易得，反应过程平稳，易操作，以控制，产物纯度和收率较高，且溶剂和未转化的原料可回收利用，基本可达零污染。
Description
技术领域
本发明涉及精细有机合成领域，具体涉及一种不对称双季铵盐的合成方法，还涉及所述不对称双季铵盐在分子筛合成领域的应用。
背景技术
目前，因介微孔复合分子筛既具有强酸位和弱酸位，又具有良好的扩散性能，受到人们的普遍关注。合成介微孔复合分子筛通常需要通过介孔模板剂和微孔模板剂的共同作用，步骤繁多，过程复杂。因此，寻找一种同时具有微孔的导向作用和介孔的导向作用的模板剂，并简化合成过程，成为了合成介微孔复合分子筛的研究热点。
研究表明，不对称双季铵盐既具有微孔导向的作用，又具有介孔导向的作用，还可以通过调整取代基基团的尺寸来控制介孔的尺寸。US 20130184147A1、EP 2592049A2、Nature 416(2009)246-249都报道了采用不对称双季铵盐合成纳米薄片MFI结构分子筛的方法。所合成的纳米薄片MFI结构分子筛的厚度可降至单个晶胞的尺寸，极大地提高了分子筛的扩散性能，且该材料具有良好的(水)热稳定性以及可调节的酸性，具有较强的催化应用前景。
上述专利及文献在合成纳米薄片MFI结构分子筛工艺中所用的模板剂为不对称双季铵盐模板剂，其分子式为：
其中，R1选自C1-C6烷基中的一种，R2选自C10-C22烷基中的一种，X为Br。
不对称双季铵盐的合成过程是连续季铵化反应，一般分两步完成，即中间体和产物的合成两个步骤。在第一步中间体的合成中，控制反应的程度是反应的关键和难点，Br原子的反应活性不能太强烈，既要保证单季铵盐的收率，又要减少副反应的发生。第二步产物的合成则相反，要提高Br原子的反应活性，尽量缩短反应时间。
CN 102784584A公开了一种不对称阳离子Gemini表面活性剂及其制备方法。该方法先将四甲基乙二胺与短链溴代烷烃反应，再将得到的产物与长链溴代烷烃反应，乙醇为溶剂，合成了C6-2-18和C8-2-16两种类型的产品。
CN 200910060443.9公开了一种不对称型阳离子表面活性剂及其制备方法。该方法以二甲基叔胺和二卤代烃为原料，乙腈为溶剂，合成了Cn-s-m类型的不对称型阳离子表面活性剂。
CN 201110226291.2公开了一种阳离子双子表面活性剂及其制备方法。该方法以四甲基己二胺和溴代十八烷为原料，乙腈为溶剂，合成了C6-6-18阳离子表面活性剂。
在现有技术中，不对称双季铵盐的合成均存在步骤长、原料价格昂贵和易造成环境污染等问题。因此，优化合成工艺，降低生产成本，减少环境污染将是今后甚至很长一段时间内的研究重点。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不对称双季铵盐的合成方法，包括长链卤代烷烃与二叔胺的单边反应，以及单边反应产物与短链卤代烷烃的反应。该方法具有合成工艺简单和生产成本可控的优点。
本发明还提供了根据所述方法制得的不对称双季铵盐在合成具有纳米薄片结构的MFI结构分子筛中的应用。所述不对称双季铵盐能够提高所述分子筛在催化反应中的内扩散控制，从而提高其催化活性。
本发明提供了一种不对称双季铵盐的制备方法，包括以下步骤：
(i)将长链卤代烷烃、二叔胺和助剂加入第一溶剂中，加热进行反应，待反应结束后进行固液分离，任选地洗涤并干燥固体，得到不对称双季铵盐中间体；
(ii)将步骤(i)得到的中间体、短链卤代烷烃加入第二溶剂中，加热进行反应，待反应结束后进行固液分离，任选地洗涤并干燥固体，得到不对称双季铵盐。
应理解，所述长链卤代烷烃与短链卤代烷烃是相对而言，长链卤代烷烃比短链卤代烷烃具有更长的碳链。
本发明采用的助剂有效改变了卤代烷烃中碳卤键的电子云分布，增加碳原子的正电性，有利于叔胺的亲核取代反应，从而加快反应速度，并有助于获得较高的产品总收率。
根据本发明，所述长链卤代烷烃优选选自C10-C22氯或溴代烷烃中的一种，更优选选自C14-C18溴代烷烃中的一种。所述短链卤代烷烃优选选自C1-C6氯或溴代烷烃中的一种，更优选选自C2-C4溴代烷烃中的一种。在本发明中，先将二叔胺与长链卤代烷烃进行单边反应，再将单边反应产物与短链卤代烷烃进行反应。所述长链卤代烷烃和短链卤代烷烃在本发明限定的范围内，能够加快步骤(ii)的反应速度，并提高产品收率。
在本发明的一些具体实施方式中，所述长链卤代烷烃可以是溴代癸烷、氯代十二烷、氯代十四烷、溴代十六烷、溴代十八烷、溴代二十烷和溴代二十二烷中的一种。所述短链卤代烷烃可以是溴代甲烷、氯代乙烷、氯代丙烷、溴代丁烷、溴代戊烷和溴代己烷中的一种。
所述二叔胺优选选自C4-C16二叔胺中的一种，更优选C6-C12二叔胺中的一种，最优选N,N,N’,N’-四甲基己二胺。
所述助剂优选包括C2-C10醇类和C2-C10酰胺中的至少一种，更优选包括C2-C5醇类和C2-C6酰胺中的至少一种，还优选为乙醇、正丙醇和二甲基甲酰胺中的至少一种，最优选二甲基甲酰胺。
所述第一溶剂优选包括C3-C6酮类中的一种，更优选丙酮。
在本发明的优选实施方式中，所述二叔胺与长链卤代烷烃的摩尔比为(0.5-16):1，更优选(1-10):1，最优选2:1。所述第一溶剂与二叔胺的摩尔比为(2-20):1，更优选(5-15):1，最优选10:1。所述助剂与第一溶剂的摩尔比为(0.1-3):1，更优选(0.1-1):1，最优选(0.125-0.5):1。
所述加热的温度优选为30-100℃，更优选40-80℃，最优选60℃。所述反应的时间优选为5-20h，更优选8-15h，最优选12h。
在本发明的一个具体实施方式中，步骤(i)包括将所述长链卤代烷烃、二叔胺和助剂加入第一溶剂中混合均匀，搅拌、加热并在冷凝回流下进行反应。待反应液呈粘稠状态时结束反应，冷却至室温，过滤，将剩余粘稠物用有机溶剂优选丙酮萃取3-4次，在40-60℃下真空烘干，即得到不对称季铵盐中间体。
根据本发明，在步骤(ii)中，所述第二溶剂优选包括C3-C6醇类中的至少一种，更优选包括乙醇、正丙醇和异丙醇中的至少一种，最优选正丙醇。
在本发明的优选实施方式中，所述短链卤代烷烃与不对称双季铵盐中间体的摩尔比为(1-8):1，更优选(1-5):1，最优选3:1。所述第二溶剂与中间体的摩尔比为(20-150):1，更优选(50-100):1，最优选80:1。
所述加热的温度优选为50-120℃，更优选85-95℃，最优选90℃。所述反应的时间优选为40-120h，更优选60-90h，最优选72h。
在本发明的一个具体实施方式中，步骤(ii)包括将所述短链卤代烷烃和不对称双季铵盐中间体加入第二溶剂中混合均匀，搅拌、加热并在冷凝回流下进行反应。反应结束后冷却至室温，将溶剂减压蒸出60-90wt％，加入有机溶剂优选丙酮洗涤至有白色沉淀析出，过滤，在40-60℃下真空烘干，得到的白色固体即为不对称双季铵盐。
在本发明中，在步骤(i)和步骤(ii)洗涤时使用的所述有机溶剂优选为酮类溶剂等极性较低的有机溶剂或非极性溶剂。在此范围内，本发明能够获得更高的中间体收率和产品收率。
在本发明提供的不对称双季铵盐的制备过程中，卤代烷烃与双叔胺反应，先生成含有叔胺的单季铵盐，再进一步反应生成双季铵盐，控制不对称双季铵盐中间体合成的是本反应的关键和难点。本发明第一步的合成体系中采用酮类为溶剂，添加酰胺或醇类为助剂。通过调变溶剂的极性，达到控制第一步反应速度的目的，从而提高中间体的收率，并提高本反应的效率和总收率。此外，现有技术中通常使用乙腈和甲苯混合作为溶剂，对环境污染严重。本发明仅使用酮类和醇类作为溶剂，对环境污染小，在优化的反应条件下仍能达到较高的收率。
根据本发明，步骤(i)不对称双季铵盐中间体的收率可达到85％以上，步骤(ii)不对称双季铵盐的收率可达到95％以上。本发明提供的不对称双季铵盐制备方法的收率可达到80％以上。
在本发明的优选实施方式中，所述二叔胺为N,N,N’,N’-四甲基己二胺，此时合成的不对称双季铵盐所制备得到的分子筛具有更高的活性。所述不对称双季铵盐的结构式如(a)所示，其合成过程如(b)所示：
其中，R1优选选自C1-C6烷基中的一种，更优选选自C2-C4烷基中的一种；R2优选选自C10-C22烷基中的一种，更优选选自C14-C18烷基中的一种；X为Cl或Br，更优选Br。
本发明以二叔胺和卤代烷烃为原料，经两步取代反应合成不对称双季铵盐。通过优化取代反应的具体条件，合理控制了卤代烷烃取代的反应时间和反应条件，进一步提高了反应的收率，并且降低了终产品的纯化难度，无需精制即可获得纯度较高的终产品。进一步地，所述不对称双季铵盐表面活性剂能够作为特殊的结构导向剂用于合成新型结构的单晶胞纳米层MFI催化剂，具有广泛的市场应用。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1.制备所需的化工原料均为工业原料，价格低廉，原料无须进行任何除杂处理；
2.合成设备简易，只需常规反应容器配有加热，搅拌，冷凝设施即可；
3.总收率高，一般可达80％以上，具有优秀的经济效益；
4.制备工艺符合环保要求，溶剂和未转化的原料可回收利用，基本达到零污染。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
不对称双季铵盐中间体的制备：向带有温度计的三口烧瓶中加入45mL N',N',N',N-四甲基己二胺、αmL丙酮和βmL二甲基甲酰胺(α和β的具体数值见表1)，缓慢搅拌，升温到60℃，用滴液漏斗缓慢加入36mL 1-溴代二十二烷，滴加完成后，回流反应12h，此时反应液呈粘稠状，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到中间体产物C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6--N(CH3)2。不同配比的丙酮和二甲基甲酰胺得到的中间体产物收率见表1。
表1
| α | β | 丙酮和二甲基甲酰胺摩尔比 | 理论产量/g | 实际产量/g | 收率 |
| 150 | 15 | 10:1 | 50.34 | 31.57 | 62.71％ |
| 150 | 18 | 8:1 | 50.34 | 36.39 | 72.29％ |
| 150 | 30 | 5:1 | 50.34 | 40.82 | 81.09％ |
| 150 | 75 | 2:1 | 50.34 | 38.92 | 77.31％ |
| 150 | 150 | 1:1 | 50.34 | 29.46 | 58.52％ |
实施例2
不对称双季铵盐中间体的制备：向带有温度计的三口烧瓶中加入45mL N',N',N',N-四甲基己二胺、αmL丙酮和βmL乙醇(α和β的具体数值见表2)，缓慢搅拌，升温到60℃，用滴液漏斗缓慢加入36mL 1-溴代二十二烷，滴加完成后，回流反应12h，此时反应液呈粘稠状，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到中间体产物C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2。不同配比的丙酮和乙醇得到的中间体产物收率见表2。
表2
| α | β | 丙酮和乙醇摩尔比 | 理论产量/g | 实际产量/g | 收率 |
| 150 | 12.5 | 10:1 | 50.34 | 23.81 | 47.30％ |
| 150 | 15 | 8:1 | 50.34 | 27.35 | 54.33％ |
| 150 | 25 | 5:1 | 50.34 | 30.59 | 60.77％ |
| 150 | 62.5 | 2:1 | 50.34 | 28.37 | 56.36％ |
| 150 | 125 | 1:1 | 50.34 | 27.63 | 54.89％ |
实施例3
不对称双季铵盐中间体的制备：带有温度计的三口烧瓶中加入45mL N',N',N',N-四甲基己二胺、αmL丙酮和βmL正丙醇(α和β的具体数值见表3)，缓慢搅拌，升温到60℃，用滴液漏斗缓慢加入36mL 1-溴代二十二烷，滴加完成后，回流反应12h，此时反应液呈粘稠状，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到中间体产物C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2。不同配比的丙酮和正丙醇得到的中间体产物收率见表3。
表3
| α | β | 丙酮和正丙醇摩尔比 | 理论产量/g | 实际产量/g | 收率 |
| 150 | 15 | 10:1 | 50.34 | 29.90 | 59.40％ |
| 150 | 30 | 5:1 | 50.34 | 38.42 | 76.32％ |
| 150 | 75 | 2:1 | 50.34 | 35.63 | 70.78％ |
| 150 | 150 | 1:1 | 50.34 | 34.70 | 68.93％ |
实施例4
不对称双季铵盐中间体的制备：向带有温度计的三口烧瓶中加入40mL N',N',N',N-四甲基乙二胺、αmL丁酮和βmL乙酰胺(α和β的具体数值见表4)，缓慢搅拌，升温到80℃，用滴液漏斗缓慢加入32mL 1-氯代十六烷，滴加完成后，回流反应10h，此时反应液呈粘稠状，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到中间体产物C16H33Cl-N(CH3)2-(CH2)2-N(CH3)2。不同配比的丙酮和乙酰胺得到的中间体产物收率见表4。
表4
| α | β | 丁酮和乙酰胺摩尔比 | 理论产量/g | 实际产量/g | 收率 |
| 120 | 16 | 5:1 | 37.52 | 25.73 | 68.58％ |
| 120 | 2540 | 2:1 | X37.52 | 23.69 | 63.14％ |
实施例5
不对称双季铵盐的制备：带有温度计的三口烧瓶中加入20g实施例1的产品C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2、15mL溴代己烷和150mL正丙醇，缓慢搅拌，升温到80℃，回流72h，此时反应液呈棕黄色，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到不对称双季铵盐C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2-C6H13Br，收率84％。
实施例6
不对称双季铵盐的制备：带有温度计的三口烧瓶中加入20g实施例1的产品C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2、15mL溴代己烷和150mL正丙醇，缓慢搅拌，升温到90℃，回流72h，此时反应液呈棕黄色，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到不对称双季铵盐C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2-C6H13Br，收率94％。
实施例7
不对称双季铵盐的制备：带有温度计的三口烧瓶中加入20g实施例1的产品C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2、30mL溴代己烷和150mL正丙醇，缓慢搅拌，升温到80℃，回流72h，此时反应液呈棕黄色，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到不对称双季铵盐C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2-C6H13Br，收率94％。
实施例8
不对称双季铵盐的制备：带有温度计的三口烧瓶中加入20g实施例4的产品C16H33Cl-N(CH3)2-(CH2)2-N(CH3)2、27mL氯代丙烷和150mL乙醇，缓慢搅拌，升温到80℃，回流72h，此时反应液呈棕黄色，冷却至室温，过滤，用丙酮洗涤，50℃烘干。得到不对称双季铵盐C16H33Cl-N(CH3)2-(CH2)2-N(CH3)2-C2H5Cl，收率86％。
实施例9
不对称双季铵盐的制备：与实施例8的不同之处在于，氯代乙烷为50mL，反应温度为90℃。得到不对称双季铵盐C16H33Cl-N(CH3)2-(CH2)2-N(CH3)2-C2H5Cl，收率93％。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，未加入二甲基甲酰胺，回流反应12h。得到中间产物C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2，收率38％。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，未加入丙酮，加入150mL二甲基甲酰胺，回流反应10h。得到中间产物C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2，收率46％。
对比例3
与实施例1的不同之处在于，未加入丙酮和二甲基甲酰胺，加入乙腈150mL。得到中间产物C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2，收率45％。
对比例4
与实施例6的不同之处在于，未加入正丙醇，加入乙腈150mL。得到不对称双季铵盐C22H45Br-N(CH3)2-(CH2)6-N(CH3)2-C6H13Br，收率92％。
通过以上实施例和对比例可以看出，本发明提供的不对称双季铵盐的合成方法在所述溶剂和助剂的协同作用下，能够获得更高的收率。如对比例1-3的中间产物的收率最高不超过50％；而在实施例1-4中，通过溶剂和助剂的联合作用下，其收率明显提高。尤其在实施例1中，当助剂二甲基甲酰胺与丙酮的摩尔比为1:5时，收率能够达到81％。对比例4使用乙腈作为溶剂，获得的产品收率仅为92％；而实施例6使用正丙醇作为溶剂，能够获得94％的收率。由此可见，通过本发明提供的制备方法能够获得收率更高且成本更低的不对称双季铵盐，且对环境的污染更小，具有广泛的应用前景。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (15)
1.一种不对称双季铵盐的制备方法，包括以下步骤：
(i)将长链卤代烷烃、二叔胺和助剂加入第一溶剂中，加热进行反应，待反应结束后进行固液分离，任选地洗涤并干燥固体，得到不对称双季铵盐中间体；
(ii)将步骤(i)得到的中间体、短链卤代烷烃加入第二溶剂中，加热进行反应，待反应结束后进行固液分离，任选地洗涤并干燥固体，得到不对称双季铵盐；
其中，所述长链卤代烷烃选自C10-C22氯或溴代烷烃中的一种；和/或
所述短链卤代烷烃选自C1-C6氯或溴代烷烃中的一种；以及
其中，在步骤(ii)中，所述第二溶剂与中间体的摩尔比为(20-150):1；
在步骤(i)中，所述助剂为乙醇、正丙醇和二甲基甲酰胺中的至少一种；和/或
所述第一溶剂为丙酮；
所述二叔胺为N,N,N’,N’-四甲基己二胺；
所述第二溶剂包括正丙醇和异丙醇中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述助剂与第一溶剂的摩尔比为(0.1-3):1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述助剂与第一溶剂的摩尔比为(0.1-1):1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长链卤代烷烃选自C14-C18溴代烷烃中的一种；和/或
所述短链卤代烷烃选自C2-C4溴代烷烃中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述二叔胺与长链卤代烷烃的摩尔比为(0.5-16):1；和/或
所述第一溶剂与二叔胺的摩尔比为(2-20):1。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述二叔胺与长链卤代烷烃的摩尔比为(1-10):1；和/或
所述第一溶剂与二叔胺的摩尔比为(5-15):1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述加热的温度为30-100℃；所述反应的时间为5-20h。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述加热的温度为40-80℃；所述反应的时间为8-15h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述第二溶剂与中间体的摩尔比为(50-100):1。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二溶剂为正丙醇。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述短链卤代烷烃与不对称双季铵盐中间体的摩尔比为(1-8):1。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述短链卤代烷烃与不对称双季铵盐中间体的摩尔比为(1-5):1。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述加热的温度为50-120℃；和/或
所述反应的时间为40-120h。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述加热的温度为85-95℃；和/或
所述反应的时间为60-90h。
15.一种不对称双季铵盐在分子筛合成中的应用；包括：利用权利要求1-14中任意一项所述的方法制备不对称双季铵盐，然后将所述不对称双季铵盐用于分子筛合成。
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