工艺条件对环丁烷四甲酸二酐连续化合成收率的影响

杜友兴，何 立

(上海康鹏科技股份有限公司，上海 200331)

聚酰亚胺是一种性能良好的高分子材料，具有机械性能良好、耐热性能优异、透光性能优良、耐化学腐蚀、热膨胀系数低、介电性能优异等优点[1]，被广泛应用于液晶显示器的取向膜材料及光电材料等高新技术领域[2]。环丁烷四甲酸二酐是制备聚酰亚胺(PI)的重要单体，研究其高效、环保的合成方法具有重要的意义[3]。

环丁烷四甲酸二酐的合成主要有以下几种方法：①以反丁烯二酸二甲酯为原料的间歇合成方法。如蓝伟等[4]以反丁烯二酸二甲酯为原料，去离子水为溶剂，先在紫外光照射下合成环丁烷四羧酸四甲酯，再经水解得到环丁烷四羧酸，最后经脱水得到目标产物。该方法路线长，反应总收率低(64.8%)，现已基本弃用。②以顺丁烯二酸酐为原料的间歇法合成方法。如Moore等[5]采用四氯化碳作为反应溶剂，梁晓等[6]采用乙酸乙酯作为反应溶剂，张凡等[7]采用碳酸二乙酯作为反应溶剂，以顺丁烯二酸酐(MA)为原料，采用内置光反应器通过[2+2]环加成反应合成了目标产物。但由于采用内置式光反应器，搅拌不均匀，光子利用率低，导致反应效率差，生产周期长，甚至会出现多聚物等副产品[8]，严重影响产品的色泽和纯度。③以顺丁烯二酸酐为原料的连续法合成方法。如冯柏成等[9]采用乙酸乙酯作为反应溶剂，以顺丁烯二酸酐(MA)为原料，在连续流光反应器中紫外光照射下连续高效地制备得到目标产物。该法量子效率较高，但需采用超声振动来促进反应的进行，难以放大。

为了解决工艺③放大的问题，并进一步降低成本，我们对连续化光反应装置进行了改进，并采用了公司自制的光引发剂，在此基础上对工艺条件进行了优化，以进一步提高反应收率。

1 试 验

1.1 原料和试 剂

顺丁烯二酸酐(MA)、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、三氯甲烷均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；光引发剂CS-10，自制。其它原料均为商业可得的国产工业级产品，未经过处理直接使用。

1.2 主要仪器设备

液相色谱仪，安捷伦1200系列，美国安捷伦公司；液相色谱-质谱联用仪，Agilent 1200/6220型，美国安捷伦公司；核磁共振仪，Advance DMX400型，德国Bruker公司；机械搅拌，3DC-72A型，上海志威电器有限公司；台式干燥箱，202-O型，北京市永光明医疗仪器有限公司；数字熔点仪，WRS-18型，上海精密科学仪器有限公司；傅立叶交换红外光谱仪，FTIR360型，美国尼高力公司。

1.3 合成反应方程式

MA在紫外光照射的条件下生成产品CBDA，反应方程式如下：

1.4 CBDA合成的实验装置和方法

按照图1装置安装好反应设备，称取一定质量的MA和光引发剂CS-10(MA质量分数为0.1%)在混合釜中溶解于一定质量的设定溶剂中配制成不同质量浓度的反应溶液，通过调节高压恒流泵流速将反应溶液送至聚四氟乙烯管路中，反应温度通过恒温槽控制。反应进行一定时间后，反应溶液中不断析出白色固体，固体随反应溶液流出管外，流出后固液分离，滤液经过补充原料后继续用高压恒流泵送至连续流光反应器中，形成连续化生产。按照1.6的方法计算反应收率。

1.5 CBDA的分析测试方法

产品含量：采用液相色谱仪(色谱柱：Eclipse XDB-C18 4.6 mm×150 mm)测定，流动相为乙腈和0.1%的磷酸水溶液，梯度洗脱，流速为1.0 mL/min，采用210 nm紫外检测器检测。

红外光谱测试：由傅立叶交换红外光谱仪测定，KBr压片法，将切片热熔压片后进行红外光谱扫描得到4 000～500 cm-1范围的谱图。

1HNMR谱：采用核磁共振仪，以CDCl3为溶剂，TMS为内标测定。

熔点测定：采用数字熔点仪，升温速率为20 ℃/min。

1.6 产品反应收率的计算

在连续化光反应器系统运行稳定后，每个有效数据接物料一段时间，根据不同条件可计算得到进入反应系统的MA溶液质量，根据MA溶液的质量分数推断进入系统的MA质量(m总)。然后将系统出口处接收的物料过滤，滤饼和滤液分别对MA和CBDA进行定量检测。色谱条件：Eclipse XDB-C18液相柱，柱长15 cm，检测波长210 nm。流动相为乙腈和0.1%的磷酸水溶液，梯度洗脱，流速1.0 mL/min，柱温为40 ℃，进样量10 μL。采用峰面积外标标准曲线法定量，可得到系统出口处接收物料中MA的质量(m1)和CBDA质量(m2，即CBDA的实际产量)。

由已转化的MA的质量(m总-m1)可计算得到CBDA的理论产量(m3)。

m3=[(m总-m1)/100.07] ×196.11

由计算得到的CBDA的理论产量(m3)和实际产量(m2)，可计算出CBDA的摩尔收率(Y)。计算式如下：

Y=(m2/m3)×100

2 结果与讨论

2.1 合成反应原理

MA在紫外光照射条件下生成CBDA的反应为[2+2]环加成反应。MA分子受到紫外光照射后，双键上的1个电子从HOMO轨道跃迁到LUMO轨道，从基态跃迁为激发态，含单电子的HOMO轨道和未激发双键上空的LUMO轨道相互作用，形成同面加成生成CBDA。同时，跃迁到激发态的分子自聚形成顺丁烯二酸酐低聚物。CBDA在紫外光诱导下亦可自聚形成顺丁烯二酸酐低聚物或光解为MA。反应式如下：

图2 CBDA合成反应原理

2.2 产品含量分析与结构表征

2.2.1 产品含量分析

对采用最佳合成条件制备的产品利用高效液相色谱(面积归一法，图3)测得产品CBDA的含量为99.2%。

图3 CBDA的高效液相色谱图

2.2.2 产品结构表征

以DMSO-d6作为溶剂，TMS作为内标，对采用最佳合成条件制备的产品进行表征，其核磁共振谱图见图4。δ=3.86处是CBDA中次甲基氢(-CH)的单峰。

图4 CBDA的1HNMR谱图

对采用最佳合成条件制备的产品进行表征，其红外谱图见图5。其中1 853和1 780 cm-1处分别为C=O的不对称伸缩振动吸收峰和对称伸缩振动吸收峰；1 240和1 196 cm-1处为C-C的伸缩振动吸收峰；3 105和1 308 cm-1处是C-H的拉伸振动峰和弯曲振动峰；1 097、965 和937 cm-1处是C-O-C的不对称伸缩振动吸收峰和对称伸缩振动吸收峰。因此，可以确定产品是CBDA。

2.2.3 副产物处理和分析

在合成目标产物CBDA的过程中，除得到目标产物外，还会生成其它副产物[10]。为了确认副产物的结构，我们对步骤1.4多次套用后的母液进行了精馏和结晶处理，得到了4个主要的化合物，对这4个化合物分别进行了GC-MS和1H-NMR分析，结果如下：

化合物1：富马酸单乙酯，GC-MS(m/s,%)：144.0；1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ：1.36(2H)，4.20(2H)，6.28(1H)，6.33(2H)，11.2(1H)；

化合物2：顺丁烯二酸二乙酯，GC-MS(m/s,%)：172.0；1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ：1.35(2H)，4.18(4H)，6.49(2H)；

化合物3：乙醛缩二乙醇，GC-MS(m/s,%)：118；1；1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ：1.20(2H)，1.40(3H)，3.50(4H)，4.72(1H)；

化合物4：顺丁烯二酸酐，GC-MS(m/s,%)：98.0；1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ：7.10(4H)。

据此分析，反应过程中要确定合适的工艺参数，以尽可能的降低副产物的生成。

2.3 单因素实验确定工艺参数

影响MA二聚反应的因素有很多，我们首先通过单因素试验探讨了光源、溶剂、管径、停留时间、反应温度和反应物浓度等几个因素对产品收率的影响。在实验过程中，固定其它几个因素不变，分析其中某一个因素对反应收率的影响。

2.3.1 诱导光强度对收率的影响

首先考察了光源对CBDA收率的影响，试验结果见图6。

图6 诱导光强度对收率的影响

由图6中可以看出，随着诱导光强的增加，反应收率逐渐增加，这是由于随着诱导光强度的增大，溶液中获得的光量子增多，更多的反应物得以转变为产物。而增大诱导光强度也使得反应液体的温度升高，并且随着反应物获得的能量升高，反应活性也越高，产生的副反应概率也随之增加。因此，诱导光源选择为500 W。

2.3.2 溶剂对收率的影响

反应采用不同的有机溶剂，由于反应过程中体系的黏度不同，原料MA和产品CBDA在管道反应器中混合的程度不同，从而影响反应的收率。考察了碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、乙酸乙酯、丙酮、乙腈和三氯甲烷几种溶剂对CBDA收率的影响，实验结果见表1。

表1 溶剂对收率的影响

由表1可见，采用不同的溶剂作为反应溶剂，反应的收率不同。采用碳酸二甲酯作为反应溶剂，反应的收率最高。因此，在后面的研究中，全部采用碳酸二甲酯作为反应溶剂。

2.3.3 管径尺寸对收率的影响

对微通道反应器而言，降低管径尺寸，溶液在管道内的混合效率越高，光照面积越大，换热速度也越快。但管径尺寸越小，提高液体在管路中停留时间需要流速的更低或管路更长，同时也增加了固体颗粒堵塞管路的风险。考察了管径尺寸大小对CBDA收率的影响，实验数据见表2。

表2 管径尺寸对收率的影响

当采用管道内径为1.0 mm的PFA管时，管路经常会出现管路堵塞的情况，当管道内径增加到1.5 mm的PFA管时，间或会出现管路堵塞的情况出现。综合考虑，采用内径为2.00 mm的PFA管，反应的收率较高，且不出现管路堵塞的情况。

2.3.4 停留时间对反应的影响

停留时间是指进行二聚反应时反应物料在管道化反应器中停留的时间。不同的反应停留时间，反应进行的程度不同，反应产生的杂质也可能不同，因而对收率有着较大的影响。考察了不同停留时间对CBDA收率的影响，试验结果见图7。

从图7可以看出，随着停留时间的延长，产品的收率增加。因为增加溶液在管路中的停留时间相当于增加光照时间，反应物受到紫外光照射发生二聚反应的机率增大，有助于提高产品的收率停留时间，但停留时间过长，副反应增加，产品颜色出现发黄的现象。

图7 停留时间对收率的影响

2.3.5 反应温度对反应的影响

MA的聚合反应是光诱导的[2+2]环化反应，该反应是自由基反应，考察了反应温度对CBDA收率的影响，试验结果见图8。

图8 温度对收率的影响

由图8可以看出，随着温度的增高，CBDA收率提高，但当温度达到10 ℃以后，收率开始逐渐下降。根据Woodward-Hoffmann规则，光化学诱导的[2+2]环化反应需要在较低温度下通过光引发获得能量断裂成键，高温下禁阻。温度太低，MA活性低，反应慢，而温度太高，副反应多，产品品质差。

2.3.6 反应物浓度对收率的影响

MA二聚制备CBDA的反应是光引发的自由基聚合反应，MA浓度关系到MA分子之间碰撞频率的多少。碰撞频率高，反应快，碰撞频率低，反应慢。考察了浓度对CBDA收率的影响，试验结果见图9。

由图9可知，随着MA的浓度增加，CBDA的收率随之增加，当MA浓度上升到0.15 g/mL以后收率出现较快的下降。

图9 浓度对收率的影响

2.4 正交试验确定工艺参数

根据2.3单因素试验的结果，确定了诱导光源为500 W，反应溶剂为碳酸二甲酯，管道内径2.0 mm。为了进一步确定反应的适宜条件，选取反应温度(℃)、反应时间(min)和反应物MA浓度(g/mL)3个因素，每个因素选取3个水平，选用正交表L9(33)安排试验进行工艺优化。试验结果如表3所示。

从表3判断各因素影响收率的主次关系为：A>C>B，即反应温度是影响收率的主要因素，反应物浓度对收率的影响次之，反应时间对收率的影响相对较小。较优组合为A2B2C2，即反应温度10 ℃，反应时间为80 min，MA浓度为0.15 g/mL。按照上述实验条件进行了3次平行实验，收率分别为83.2%、83.1%、83.1%，平均收率为83.1%。

表3 正交试验结果与分析

为验证优化工艺条件，在所得的优化工艺条件下进行实验。根据现有实验条件设定诱导光源为500 W，反应溶剂为碳酸二甲酯，管道内径2.0 mm，反应温度10 ℃，反应时间为80 min，MA浓度为0.15 g/mL。在此条件下进行重复五次实验，结果如表4所示。

从表3试验结果可以看出，在优化的工艺条件下，目标产物的平均收率达到83.1%，产品纯度达到99.2%，与单因素试验和正交试验得到的结果相吻合。

表4 最佳工艺验证结果

3 结 论

探讨了CBDA的合成工艺：

a) 通过单因素实验确定了诱导光强度、溶剂和管道内径以及反应温度、反应时间及MA浓度的基本取值范围。

b) 通过正交实验确定了反应温度、反应时间及MA浓度，优化后的最佳工艺条件为：诱导光源为500 W，反应溶剂为碳酸二甲酯，管道内径2.0 mm，反应温度10 ℃，反应时间为80 min，MA浓度为0.15 g/mL，反应收率为83.1%。