一种环烷基咪唑啉季铵盐的合成

一种环烷基咪唑啉季铵盐的合成

陈武;温冲;梅平;潘阳秋

【摘要】以环烷酸、二乙烯三胺为原料,采用阶梯升温自由出水法合成了环烷基咪唑啉及其季铵盐,确定环烷基咪唑啉的最佳合成条件为:硼酸为催化剂,环烷酸与二乙烯三胺的摩尔比1.0:1.5、酰胺化温度160℃、酰胺化时间8 h、环化温度220℃、环化时间6 h;确定环烷基咪唑啉季铵盐的最佳合成条件为:无水乙醇为溶剂,环烷基

咪唑啉与氯化苄的摩尔比1.0:2.0、反应温度50℃、反应时间10 h.经熔点和红外

光谱分析表明,合成产物为目标产物环烷基咪唑啉季铵盐.

【期刊名称】《化学与生物工程》

【年(卷),期】2010(027)004

【总页数】4页(P30-32,44)

【关键词】环烷基咪唑啉;环烷基咪唑啉季铵盐;合成

【作者】陈武;温冲;梅平;潘阳秋

【作者单位】长江大学化学与环境工程学院,湖北,荆州,434023;长江大学化学与环

境工程学院,湖北,荆州,434023;长江大学化学与环境工程学院,湖北,荆州,434023;中国石油化工股份有限公司西北分公司,新疆,乌鲁木齐,830011

【正文语种】中文

【中图分类】TQ252.3;TE985.6

咪唑啉是近年发展起来的一类新型缓蚀剂，在酸性介质中具有优良的缓蚀能力，广

泛用于石油和天然气工业，以减轻CO2、H2S、HCl等造成的腐蚀。我国已开发

了多种咪唑啉类缓蚀剂如烷基咪唑啉、双环咪唑啉等[1～4]。以环烷酸和有机多胺制备的咪唑啉型缓蚀剂，虽然缓蚀性能较好，却普遍难溶于水、稳定性差，其应用受到限制。针对这种情况，梅平等[5]合成了双环咪唑啉季铵盐，咪唑啉经季铵化

反应后由油溶性变为水溶性，也更加稳定，在盐酸、土酸酸化体系中有很好的缓蚀效果。作者以环烷酸、二乙烯三胺和季铵化试剂为原料，采用阶梯升温自由出水法[6，7]合成了环烷基咪唑啉及其季铵盐，优化了合成工艺，并对合成产物结构进行了表征。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

标准N80钢片、A3钢片。

环烷酸(工业品)，二乙烯三胺、二甲苯、氯化苄、丙酮、硼酸、37%盐酸、40%氢氟酸，均为分析纯。

UV-754型分光光度计，IR-400型红外光谱仪，CorrTest电化学工作站。

1.2 合成路线(图1)

(酰胺化反应)

(环化反应)

(季铵化反应)图1 环烷基咪唑啉季铵盐的合成路线Fig.1 The synthetic route of naphthene-base imidazoline quaternary ammonium salt

1.3 方法

向干燥的三口瓶中依次加入一定摩尔比的环烷酸和二乙烯三胺，加入8～10 BV的带水剂二甲苯和一定量的催化剂，安装分水器，在0.5 h内高速搅拌下升温至140℃，回流反应5.5 h左右，再升温至160℃反应2 h左右，至无水分出为止，完成酰胺化反应；继续升温，180℃反应2.5 h左右，200℃反应2 h左右，220℃

反应2.5 h左右，完成环化反应；降温到80℃左右，加入无水乙醇(或直接加入季铵化试剂)，在一定的温度下反应，至反应液完全溶于水，抽滤得粗产物；选取合适的重结晶试剂重结晶。

环烷基咪唑啉及其季铵盐的产率用咪唑啉环状结构的百分含量(利用分光光度法[8]测定)表示。

2 结果与讨论

2.1 催化剂及其用量的确定

分别选择B(OH)3、Al2O3作为脱水催化剂，结果发现两者效果大致相同，但

Al2O3不溶于目的产物，反应结束后需要过滤，因此本实验选用B(OH)3为催化剂。催化剂用量(以环烷酸计)对反应时间及产率的影响见图2。

图2 催化剂用量对反应时间、产率的影响Fig.2 Effects of catalyst dosage on reaction time and yield

由图2可见，催化剂B(OH)3的用量过少，则反应耗时长；用量过多效果不但不明显，且反应剧烈，不易控制。B(OH)3用量以环烷酸的0.3%～0.5%为佳。

2.2 环烷基咪唑啉最佳合成条件的确定

为了探索环烷基咪唑啉的最佳合成条件，选取酰胺化反应阶段环烷酸与二乙烯三胺的摩尔比(A)、酰胺化温度(B)和酰胺化时间(C)三个因素；选取环化反应阶段环化温度(D)和环化时间(E)两个因素，进行L16(45)正交实验，结果与分析见表1。

由表1可知，各因素对环烷基咪唑啉产率的影响大小依次为：环烷酸与二乙烯三胺的摩尔比>酰胺化时间>酰胺化温度>环化时间>环化温度,环烷基咪唑啉的最佳合成条件为A2B4C3D2E1，即：环烷酸与二乙烯三胺的摩尔比1.0∶1.5、酰胺化温度160℃、酰胺化时间8 h、环化温度220℃、环化时间6 h。

2.3 环烷基咪唑啉季铵盐最佳合成条件的确定

选取氯化苄作为季铵化试剂。以氯化苄、无水乙醇、二甲苯作季铵化反应的溶剂，

产率分别为56%、71%、45%，其中用无水乙醇作溶剂产率最高，且成本最低，

反应易于操作；而氯化苄毒性大、易挥发、腐蚀性强，因此选取无水乙醇作为季铵化反应的溶剂。为了探索环烷基咪唑啉季铵盐的最佳合成条件，选取环烷基咪唑啉与氯化苄的摩尔比(A′)、反应温度(B′)和反应时间(C′)三个因素进行L9(33)正交实验，结果与分析见表2。

表1 合成环烷基咪唑啉正交实验结果与分析Tab.1 The result and analysis of orthogonal experiment for synthesis of naphthene-base imidazoline实验号A.环烷酸与二乙烯三胺摩尔比B.酰胺化温度/℃C.酰胺化时间/hD.环化温度/℃E.环化时间/h产

率%123456789101112131415161.0∶1.11.0∶1.11.0∶1.11.0∶1.11.0∶1.51.0

∶1.51.0∶1.51.0∶1.51.2∶1.11.2∶1.11.2∶1.11.2∶1.11.2∶1.51.2∶1.51.2∶1.5 1.2∶1.51001201401601001201401601001201401601001201401604681064 1088104610864200220240260240260200220260240220200220200260240 68101212108686121010126861.4355.2763.1461.9159.8665.4967.8381.9665 .8459.7862.8159.4864.6560.0464.9158.41k1k2k3k4R60.4468.5661.9862.008. 1262.9559.4064.6765.446.0462.0460.6367.7563.547.1262.2065.8060.0564.5 45.7567.0261.8463.1961.165.86

由表2可知，各因素对环烷基咪唑啉季铵盐产率的影响大小依次为：反应温度>环烷基咪唑啉与氯化苄摩尔比>反应时间。最佳水平组合是对与上述9组实验中最好的进行验证实验，得到的产率为71.77%和74.89%，因此，确定为最佳季铵化条件，即环烷基咪唑啉与氯化苄的摩尔比1.0∶2.0、反应温度50℃、反应时间10 h。表2 合成环烷基咪唑啉季铵盐正交实验结果与分析Tab.2 Rresult and analysis of orthogonal experiment for synthesis of naphthene-base imidazoline quaternary ammonium salt实验号A′.环烷基咪唑啉与氯化苄摩尔比B′.反应温