第2l卷第4期2004年12月
吉林化工学院学报
V01.2lDec.
No.42004
j0URNAL0FJILININSTlTUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY
文章编号:1007—2853(2004)04一O001.03
对甲基苄基三甲基氯化铵(PBA)的合成
张
龙,刘雪雁,徐宇伦,辛
刚
(长春工业大学化学工程学院,吉林长春130012)
摘要:介绍了对甲基苄基三甲基氯化铵的合成方法,研究了对甲基氯苄与三甲胺水溶液在不同的配比、温度、时间以及溶剂和催化剂加入的条件下的反应结果,确定最佳的合成工艺条件.在此条件下反应,PBA的收率可达到95%,纯度≥99.8%
关键词:对甲基氯苄;三甲胺;对甲基苄基三甲基氯化铵;合成;收率中图分类号:TQ
246.3+l
文献标识码:A
PBA是一种季铵盐.纯的PBA为白色晶体,易潮解,易溶于水和乙醇,熔点在208—2lO℃之间.在众多的季铵盐类化合物中,由于它并没有特别优异的性能,所以在国内外化工行业中很少被研究生产.但近几年,一些化工学者赋予了它新的用途,即作为原料制备对二甲苯环二体,后者可作为合成聚对二甲苯的原料.聚对二甲苯在微电子集成电路等众多的电子领域都有广泛的应用.但对二甲苯环二体的产率低,很难大批量生产.根据有机化学原理,可利用对甲基苄基三甲基氯化铵的霍夫曼消除反应来合成对二甲苯环二体,此法产率较高,这也就使得对甲基苄基三甲基氯化铵的合成具有了很大的实用价值【l
o
J.
烧瓶、滴液漏斗1.3实验过程
取一定量的对甲基氯苄,加入250mL四口烧瓶中,加入一定量的乙醇作溶剂,然后将四口烧瓶放入恒温水浴中加热,同时向烧瓶中滴加三甲胺溶液(过量10%),lh内滴加完毕.在冷凝回流,连续搅拌的情况下,持续反应l一6h,反应结束后,混合液经减压蒸馏除掉乙醇、水和未反应的三甲胺,冷却后得白色固体,加入对二甲苯静止一段时间,搅拌直至出现溶胀现象,而后得白色沉淀,经抽滤得白色粉末,将此白色粉末放置于真空干燥箱中干燥2h即得成品.溶于滤液中的未反应的对甲基氯苄回收利用.1.4实验用分析方法
以0.1%的百里香酚兰为指示剂,用0.1mol/L的盐酸标准溶液滴定三甲胺水溶液.
1
实验部分
反应机理
本反应是对甲基氯苄的亲核取代反应,三甲
1.1
用AlphaCenauri傅立叶变换红外光谱仪,采用KBr压片法对产物进行红外光谱分析.
用齐列熔点测定法测定产物的熔点,并与标准物熔点相对比.
用Gc—Ms法测定产物的纯度。
u
胺为亲核试剂.反应方程式如下:
cH3——孑弋》一cH2cl+N(cH3)3_
\==:/
cH3—。孑釜≯一cH2N(cH3)3cl
1.2实验试剂及仪器
试剂:对甲基氯苄(纯度>99.5%)、三甲胺水溶液(浓度>33%)
仪器:恒温水浴锅、电动搅拌器、冷凝装置、减压蒸馏装置、过滤装置、真空干燥箱、250mL四口
\
2结果与讨论
2.1
反应条件的改变对PBA收率的影响(1)三甲胺/对甲基氯苄的摩尔比对PBA收
率的影响
\收稿日期:2003一09一04
作者简介:张龙(1963一),男,吉林农安人,长春工业大学教授,博士,主要从事精细化工及精细有机合成方面的研
究.
万方数据
吉林化工学院学报
表1三甲胺/对甲基氯苄与PBA收率的关系‘
三甲胺/对甲基氯苄
1/l1.1/11.5/】2/l收率/%
85.2
93.7
93.5
93.1
*温度50℃,乙醇作浴剂,反应2
h
由表可见,三甲胺过量10%可以提高收率,但过量太多反而影响反应.原因是因为三甲胺有强挥发性,虽然反应采用冷凝装置,但是不能保证三甲胺不挥发出去,所以三甲胺应过量,且适当过量有利于对甲基氯苄反应趋向完全.但三甲胺过量太多,反应体系中的水就会增多,使反应物的浓度降低,反应速率降低,收率降低.
(2)温度对PBA收率的影响
表2反应温度与PBA收率的关系+
*配比1.1/L,乙醇作溶剂,反应2
h
由表可见,PBA的收率先随温度的升高而升高,而后下降,最佳反应温度约为45℃.因为当温度升高时,分子运动加强,反应速率升高,所以在相同时间转化率增大,收率增加.但此反应为化合反应,反应放热,温度过高将抑制反应进行.同时,温度升高,三甲胺的挥发量增大,使体系三甲胺浓度降低,造成反应转化率降低,收率随之降低.
(3)时间对PBA收率的影响
表3反应时间与PBA收率的关系+
*配比1.1/L,温度45℃,乙醇作为溶剂
由表可见,收率随时间的延长而增加,但增长幅度趋缓.因为随着时间的增长,转化率随之增高,收率增大.但当转化率增加到一定程度时,反应混合物中反应物的浓度逐渐降低,所以尽管时间增长,转化率增长也很缓慢,导致收率增长缓慢.
(4)溶剂对PBA收率的影响
表4溶剂与PBA收率的关系‘
*配比1.1/L,温度45℃,时间2
h
由表可见,加入溶剂可以增加收率.因为此反应为有机相(对甲基氯苄)与水相(三甲胺水溶液)之间的反应,二者不相混溶,不利于反应进行.加
入甲醇或乙醇作为溶剂可以起相转移剂瞧芝用,
万
方数据可以提高反应速率,在相同时间内转化率增加,从而提高收率.实验中加入甲醇或乙醇作为溶剂效果基本相同.
(5)催化剂对反应收率的影响
表5催化剂与PBA收率的关系’
*配比1.1/L,温度45℃,乙醇作浴剂,时同2
h
由表可见,加入催化剂可以提高收率.原因是催化剂可以提高反应速率,从而在相同时间内转化率增加,收率随之增加.但催化剂对本反应影响不大,且很难从反应混合物中分离出来.所以,建议在合成中不用催化剂.
2.2最佳反应条件下的重复试验
根据以上讨论对比,并且从提高产量和节省能源的角度考虑,可知反应在1.1/L的配比,45℃,乙醇作溶剂,反应时间为2h的条件下,反应最佳.此条件下的重复实验结果列于表6中.
表6最佳反应条件下的重点试验结果
由表6可见反应过程比较稳定.2.3反应条件的改变对PBA纯度的影响
由于本合成反应无副反应,产物收率较高.所以反应条件的改变对PBA纯度的影响不大.只是当加入催化剂时PBA纯度稍低,因为催化剂不易回收.
2.4产品质量分析结果2.4.1产物的红外分析
产物红外光谱图1:
65
55
45
35
3000
2000
图1产物红外光谱图
在图l中,3
130.45
cm一为一CH的伸缩振
动,3
030.78
cm。1为Ar—H伸缩振动,由以上两个
特征峰可知,所测样品中含有苯环.
第4期张龙,等:对甲基苄基三甲基氯化铵(PBA)的合成
2981.44cm~,2998.23cm’1为饱和C—H料,合成对甲基苄基三甲基氯化铵的工艺路线可行,该工艺简单实用,收率、纯度较高,且原料均可回收利用,适合于工业大规模生产.
(2)实验确定的合成PBA的最佳工艺条件为:对甲基氯苄与三甲胺摩尔比为l/1.1;在乙醇作溶剂;反应温度45℃;冷凝回流连续搅拌的条件下,持续反应2
h.
伸缩振动.2正常值是2
944.82962
cm一为c—cH3伸缩振动,其
cm~,但由于共轭效应而低移,由
此可知。苯环上连有甲基.
2816.12
cm-1为叔胺NCH2的cH2伸缩振
930.9cm。11822.19cm一
614.27
动.2598.90cm一12555.6lcm一12494.02cm一1
为叔胺盐的特征峰.1
820.69cm。1
1514.53
cm一表征苯环上的对位取代.1cm。1为cH,不对称剪式振动,l
cm。1和1
(3)将产物的外观、物性与标准样进行对比,并对产物结构进行IR分析以及对产物熔点进行测定,可以证明所得产物为PBA,其熔点在208—210℃之间,收率达95%,纯度≥99.8%.
cm一为芳环骨架振动的特征峰.1
389.49
460.06
cm。1为cH,对称剪式振动.在溴化钾压片时,由于溴化钾吸水,在3
426.94
669.67cm_
两处出现水吸收峰.综上分析,再根据反应所用原料可确定被测样品结构为:
参考文献:
[1]
樊能延,有机合成事典[M].北京:科学出版社,
1986.
r
|cH3——髻∑》一cH2一N鲁cH3I+cl一一
【-
\CH3
一
,cHs
1
j
[2]
walker,Leigh
compositions
E.Quaterna。y
and
preparation
ammoniumthere
hydroxide
USP:
of[P].
即为PBA.
2.4.2产物熔点测定
操作过程:取一支毛细管,装入少许产物.然后,固定到温度计上,将温度计放入盛有硅油的熔点测定仪中,用酒精灯加热.待样品开始熔化记温度,完全熔化再记温度,所记下温度范围为产物的熔点范围.经测定产物熔点约为208—210℃.3
[5][4]
5559155.1996一09—24.
[3]RobertT,Vaughn,waIter
cidal
L.,McKeand,Jr,ThomasJ.Bio—
f抽msPatton[PJ.USP:5004760,1991—04一02.
deceased,
david
M.Richardson,Neil
G.
Findlay,
woodtreatmentcomposition[PJ.uSP:4929454,1990
一05—29.
Linderborg,Irma.
Control
agent
forprotecting
timber
car—
againstfhngiemployingboxylicacid
8
mixtureofano‘ganic
ammonium
saltandquaternary
salt[P].
结论
USP:4585795。1986—04—29.
(1)实验表明,以对甲基氯苄与三甲胺为原
Synthesisofp・methyl-benzyl-trimethylammonium
chloride(PBA)
ZHANGLong,LIUXue-yan,XUYu—lun,XINGang
(SchoolofChemicalEngineering,ChangchunUniVeris‘yofTechnology,Changchun130012,China)
forthep1’eparationofp-methyl—benzyl-triethylammoniumchloride(PBA)isintro・
duced.ThroughthestudyofthereactiVeresultsofp—methyl—benzylchlorideandtrimethylammoniumatdif-ferentration,temper8ture,time,theamountofsolentandcatalyst,theoptimumsyntheticconditionsarede—Abstract:
Theprocess
termined.Undertheseconditions,theyieldofPBAisupto95%andthepurityismorethan99.8%.Thestructureofthe
produrtwasanalyzedbyIR.Keywords:
chloride;
p-methyl-benzylchloride;trimethylammonium;p—methyl-benzyl-trimethylammonium
—
synthesis;yield
万方数据
第2l卷第4期2004年12月
吉林化工学院学报
V01.2lDec.
No.42004
j0URNAL0FJILININSTlTUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY
文章编号:1007—2853(2004)04一O001.03
对甲基苄基三甲基氯化铵(PBA)的合成
张
龙,刘雪雁,徐宇伦,辛
刚
(长春工业大学化学工程学院,吉林长春130012)
摘要:介绍了对甲基苄基三甲基氯化铵的合成方法,研究了对甲基氯苄与三甲胺水溶液在不同的配比、温度、时间以及溶剂和催化剂加入的条件下的反应结果,确定最佳的合成工艺条件.在此条件下反应,PBA的收率可达到95%,纯度≥99.8%
关键词:对甲基氯苄;三甲胺;对甲基苄基三甲基氯化铵;合成;收率中图分类号:TQ
246.3+l
文献标识码:A
PBA是一种季铵盐.纯的PBA为白色晶体,易潮解,易溶于水和乙醇,熔点在208—2lO℃之间.在众多的季铵盐类化合物中,由于它并没有特别优异的性能,所以在国内外化工行业中很少被研究生产.但近几年,一些化工学者赋予了它新的用途,即作为原料制备对二甲苯环二体,后者可作为合成聚对二甲苯的原料.聚对二甲苯在微电子集成电路等众多的电子领域都有广泛的应用.但对二甲苯环二体的产率低,很难大批量生产.根据有机化学原理,可利用对甲基苄基三甲基氯化铵的霍夫曼消除反应来合成对二甲苯环二体,此法产率较高,这也就使得对甲基苄基三甲基氯化铵的合成具有了很大的实用价值【l
o
J.
烧瓶、滴液漏斗1.3实验过程
取一定量的对甲基氯苄,加入250mL四口烧瓶中,加入一定量的乙醇作溶剂,然后将四口烧瓶放入恒温水浴中加热,同时向烧瓶中滴加三甲胺溶液(过量10%),lh内滴加完毕.在冷凝回流,连续搅拌的情况下,持续反应l一6h,反应结束后,混合液经减压蒸馏除掉乙醇、水和未反应的三甲胺,冷却后得白色固体,加入对二甲苯静止一段时间,搅拌直至出现溶胀现象,而后得白色沉淀,经抽滤得白色粉末,将此白色粉末放置于真空干燥箱中干燥2h即得成品.溶于滤液中的未反应的对甲基氯苄回收利用.1.4实验用分析方法
以0.1%的百里香酚兰为指示剂,用0.1mol/L的盐酸标准溶液滴定三甲胺水溶液.
1
实验部分
反应机理
本反应是对甲基氯苄的亲核取代反应,三甲
1.1
用AlphaCenauri傅立叶变换红外光谱仪,采用KBr压片法对产物进行红外光谱分析.
用齐列熔点测定法测定产物的熔点,并与标准物熔点相对比.
用Gc—Ms法测定产物的纯度。
u
胺为亲核试剂.反应方程式如下:
cH3——孑弋》一cH2cl+N(cH3)3_
\==:/
cH3—。孑釜≯一cH2N(cH3)3cl
1.2实验试剂及仪器
试剂:对甲基氯苄(纯度>99.5%)、三甲胺水溶液(浓度>33%)
仪器:恒温水浴锅、电动搅拌器、冷凝装置、减压蒸馏装置、过滤装置、真空干燥箱、250mL四口
\
2结果与讨论
2.1
反应条件的改变对PBA收率的影响(1)三甲胺/对甲基氯苄的摩尔比对PBA收
率的影响
\收稿日期:2003一09一04
作者简介:张龙(1963一),男,吉林农安人,长春工业大学教授,博士,主要从事精细化工及精细有机合成方面的研
究.
万方数据
吉林化工学院学报
表1三甲胺/对甲基氯苄与PBA收率的关系‘
三甲胺/对甲基氯苄
1/l1.1/11.5/】2/l收率/%
85.2
93.7
93.5
93.1
*温度50℃,乙醇作浴剂,反应2
h
由表可见,三甲胺过量10%可以提高收率,但过量太多反而影响反应.原因是因为三甲胺有强挥发性,虽然反应采用冷凝装置,但是不能保证三甲胺不挥发出去,所以三甲胺应过量,且适当过量有利于对甲基氯苄反应趋向完全.但三甲胺过量太多,反应体系中的水就会增多,使反应物的浓度降低,反应速率降低,收率降低.
(2)温度对PBA收率的影响
表2反应温度与PBA收率的关系+
*配比1.1/L,乙醇作溶剂,反应2
h
由表可见,PBA的收率先随温度的升高而升高,而后下降,最佳反应温度约为45℃.因为当温度升高时,分子运动加强,反应速率升高,所以在相同时间转化率增大,收率增加.但此反应为化合反应,反应放热,温度过高将抑制反应进行.同时,温度升高,三甲胺的挥发量增大,使体系三甲胺浓度降低,造成反应转化率降低,收率随之降低.
(3)时间对PBA收率的影响
表3反应时间与PBA收率的关系+
*配比1.1/L,温度45℃,乙醇作为溶剂
由表可见,收率随时间的延长而增加,但增长幅度趋缓.因为随着时间的增长,转化率随之增高,收率增大.但当转化率增加到一定程度时,反应混合物中反应物的浓度逐渐降低,所以尽管时间增长,转化率增长也很缓慢,导致收率增长缓慢.
(4)溶剂对PBA收率的影响
表4溶剂与PBA收率的关系‘
*配比1.1/L,温度45℃,时间2
h
由表可见,加入溶剂可以增加收率.因为此反应为有机相(对甲基氯苄)与水相(三甲胺水溶液)之间的反应,二者不相混溶,不利于反应进行.加
入甲醇或乙醇作为溶剂可以起相转移剂瞧芝用,
万
方数据可以提高反应速率,在相同时间内转化率增加,从而提高收率.实验中加入甲醇或乙醇作为溶剂效果基本相同.
(5)催化剂对反应收率的影响
表5催化剂与PBA收率的关系’
*配比1.1/L,温度45℃,乙醇作浴剂,时同2
h
由表可见,加入催化剂可以提高收率.原因是催化剂可以提高反应速率,从而在相同时间内转化率增加,收率随之增加.但催化剂对本反应影响不大,且很难从反应混合物中分离出来.所以,建议在合成中不用催化剂.
2.2最佳反应条件下的重复试验
根据以上讨论对比,并且从提高产量和节省能源的角度考虑,可知反应在1.1/L的配比,45℃,乙醇作溶剂,反应时间为2h的条件下,反应最佳.此条件下的重复实验结果列于表6中.
表6最佳反应条件下的重点试验结果
由表6可见反应过程比较稳定.2.3反应条件的改变对PBA纯度的影响
由于本合成反应无副反应,产物收率较高.所以反应条件的改变对PBA纯度的影响不大.只是当加入催化剂时PBA纯度稍低,因为催化剂不易回收.
2.4产品质量分析结果2.4.1产物的红外分析
产物红外光谱图1:
65
55
45
35
3000
2000
图1产物红外光谱图
在图l中,3
130.45
cm一为一CH的伸缩振
动,3
030.78
cm。1为Ar—H伸缩振动,由以上两个
特征峰可知,所测样品中含有苯环.
第4期张龙,等:对甲基苄基三甲基氯化铵(PBA)的合成
2981.44cm~,2998.23cm’1为饱和C—H料,合成对甲基苄基三甲基氯化铵的工艺路线可行,该工艺简单实用,收率、纯度较高,且原料均可回收利用,适合于工业大规模生产.
(2)实验确定的合成PBA的最佳工艺条件为:对甲基氯苄与三甲胺摩尔比为l/1.1;在乙醇作溶剂;反应温度45℃;冷凝回流连续搅拌的条件下,持续反应2
h.
伸缩振动.2正常值是2
944.82962
cm一为c—cH3伸缩振动,其
cm~,但由于共轭效应而低移,由
此可知。苯环上连有甲基.
2816.12
cm-1为叔胺NCH2的cH2伸缩振
930.9cm。11822.19cm一
614.27
动.2598.90cm一12555.6lcm一12494.02cm一1
为叔胺盐的特征峰.1
820.69cm。1
1514.53
cm一表征苯环上的对位取代.1cm。1为cH,不对称剪式振动,l
cm。1和1
(3)将产物的外观、物性与标准样进行对比,并对产物结构进行IR分析以及对产物熔点进行测定,可以证明所得产物为PBA,其熔点在208—210℃之间,收率达95%,纯度≥99.8%.
cm一为芳环骨架振动的特征峰.1
389.49
460.06
cm。1为cH,对称剪式振动.在溴化钾压片时,由于溴化钾吸水,在3
426.94
669.67cm_
两处出现水吸收峰.综上分析,再根据反应所用原料可确定被测样品结构为:
参考文献:
[1]
樊能延,有机合成事典[M].北京:科学出版社,
1986.
r
|cH3——髻∑》一cH2一N鲁cH3I+cl一一
【-
\CH3
一
,cHs
1
j
[2]
walker,Leigh
compositions
E.Quaterna。y
and
preparation
ammoniumthere
hydroxide
USP:
of[P].
即为PBA.
2.4.2产物熔点测定
操作过程:取一支毛细管,装入少许产物.然后,固定到温度计上,将温度计放入盛有硅油的熔点测定仪中,用酒精灯加热.待样品开始熔化记温度,完全熔化再记温度,所记下温度范围为产物的熔点范围.经测定产物熔点约为208—210℃.3
[5][4]
5559155.1996一09—24.
[3]RobertT,Vaughn,waIter
cidal
L.,McKeand,Jr,ThomasJ.Bio—
f抽msPatton[PJ.USP:5004760,1991—04一02.
deceased,
david
M.Richardson,Neil
G.
Findlay,
woodtreatmentcomposition[PJ.uSP:4929454,1990
一05—29.
Linderborg,Irma.
Control
agent
forprotecting
timber
car—
againstfhngiemployingboxylicacid
8
mixtureofano‘ganic
ammonium
saltandquaternary
salt[P].
结论
USP:4585795。1986—04—29.
(1)实验表明,以对甲基氯苄与三甲胺为原
Synthesisofp・methyl-benzyl-trimethylammonium
chloride(PBA)
ZHANGLong,LIUXue-yan,XUYu—lun,XINGang
(SchoolofChemicalEngineering,ChangchunUniVeris‘yofTechnology,Changchun130012,China)
forthep1’eparationofp-methyl—benzyl-triethylammoniumchloride(PBA)isintro・
duced.ThroughthestudyofthereactiVeresultsofp—methyl—benzylchlorideandtrimethylammoniumatdif-ferentration,temper8ture,time,theamountofsolentandcatalyst,theoptimumsyntheticconditionsarede—Abstract:
Theprocess
termined.Undertheseconditions,theyieldofPBAisupto95%andthepurityismorethan99.8%.Thestructureofthe
produrtwasanalyzedbyIR.Keywords:
chloride;
p-methyl-benzylchloride;trimethylammonium;p—methyl-benzyl-trimethylammonium
—
synthesis;yield
万方数据