一種帶有胺基和酯基的丙烯腈共聚單體的合成

吳雨微，徐洪耀

(東華大學材料科學與工程學院，纖維材料改性國家重點實驗室，上海201620）

PAN均聚物預氧化時放熱峰窄，放熱集中，纖維容易燒斷，致使預氧化和炭化的周期變長，成本高，纖維的強度低。為了縮短預氧化時間，最通用的辦法是加入共聚單體，加速線性聚丙烯腈大分子的環化，緩和纖維在預氧化過程中激烈的放熱反應，使放熱反應易于控制，并可大大提高預氧化和碳化速度，提高碳纖維的力學性能[1]。常用的共聚單體有酯類、酸類及胺類。酯類單體可以降低丙烯腈共聚物的熔點及其結晶性能[2,3]；酸類單體可以降低丙烯腈共聚物預氧化反應的起始溫度，使反應的放熱峰寬化[4,5]；胺類單體的加入可以提高丙烯腈共聚物的親水性及其熱性能[6,7]。本文設計同時具有胺基和酯基的3-酰胺基-3-丁烯酸甲酯[8]烯腈的共聚單體，以期得到質量更好的丙烯腈原絲。

1 實驗部分

1.1 試 劑

所用試劑均為分析純或化學純，使用前按標準方法提純。

1.2 儀 器

Vario EL III型元素分析儀(德國 Elementar公司)；Nicolet 8700 FTIR 儀器(美國 Nicolet 公司，KBr壓片，400~4 000 cm-1，分辨率 2 cm-1)；Bruker AMX-500 型核磁共振測定儀(瑞士Bruker公司)。

1.3 合 成

合成路線如 Scheme1所示：

1.3.1 中間小分子的合成

在裝有攪拌子的 100 mL 圓底燒瓶中加入49.565 g (38 mmol)衣康酸、54.14 mL 甲醇、1.91 mL（0.0165 mmol）苯甲酰氯為催化劑 65 ℃回流 30 min，得到衣康酸單甲酯溶液，50~60 ℃旋轉蒸發去除未反應的溶劑甲醇，靜置得到衣康酸單甲酯固體，然后用體積比 1∶1苯-石油醚 57 ℃回流 10 min，趁熱用抽濾漏斗過濾到圓底燒瓶，冷卻后放置冰箱中重結晶，得到透明的結晶物，過濾收集固體，晶體于38 ℃恒溫干燥箱中干燥。產量43.96 g，產率88.7%。

EA: 理論值：C: 50%, H: 5.55%, O: 44.44% ;實際值：C: 48.82%, H: 5.67%, O: 45.42%. FTIR(KBr壓片)cm-1: ν=2 948(C=C-H), 2 920(CH3), 2853(CH2), 1 747(C=O); 1 638(C=C), 1 445(CH2). 1H-NMR(CDCl3): δ10.68(1H,s, H1), δ3.34(2H,s,H2), δ6.48,(1H,s,H3), δ5.87 (1H,d,H3), δ3.73 (3H,t,H4)。

1.3.2 共聚單體 3-酰胺基-3-丁烯酸甲酯(MMPA)的合成

將上述合成的衣康酸單甲酯 14.42 g溶解于適量CHCl3中回流30 min，趁熱過濾去除未反應的衣康酸，由于待加入的 SOCl2極其活潑，將體系置于冰水浴中，加入11 mL SOCl2，幾滴催化劑DMF，將體系置于72 ℃溫度條件下冷凝回流30 min；58℃旋轉蒸發去除溶劑 CHCl3，得到橙紅色液體。向上述液體中添加適量的重蒸 CHCl3，放入冰水浴中待反應制備單體MMPA；同時向固體NaOH中滴加濃氨水制備氨氣，接入干燥塔去除水汽后，通入上述MMPA制備裝置，制備3-酰胺基-3-丁烯酸甲酯。用濕潤的pH試紙檢測反應的終點，有氨氣生成時，可以看到制備氨氣的實驗裝置中有大量的白色NH4Cl固體生成，反應非常劇烈；將濕潤的pH試紙置于MMPA生成裝置的干燥管口，發現起初試紙變紅，是由于酰氯以及SOCl2分解產生的HCl造成；當生成的氨氣與酰氯反應時，濕潤的pH試紙不變色；當濕潤的試紙變藍，即可說明整個體系中充滿了過量的氨氣，持續反應20 min左右，確保反應完全停止反應。得到的黃色固液混合物，減壓抽濾得到土黃色固體和橙黃色液體，液體用沙星漏斗靜置過濾，40~50 ℃旋干，得到固體。所有固體加入適量THF，攪拌30 min去除反應生成的固體NH4Cl，再次減壓抽濾，收集淡黃色濾液，使其在 49 ℃旋轉蒸發，得到橙紅色的針狀晶體，即為3-酰胺基-3-丁烯酸甲酯。產率為65.7%。

EA:理論值：C: 50.34%, H: 6.29%, N: 9.79%, O:33.57%; 實際值： C: 50.52%, H: 5.98%, N: 10.16%, O:33.34%。FTIR(KBr壓片)cm-1: ν=3426, 3182(N-H), 1 733, 1 672(C=O), 1 594(N-H), 1 349(C-N), 1157(C-O),930(O-H)。1H-NMR(d6-DMSO): δ7.53(1H, s, H1), δ 6.97(1H,t,H1), δ3.19(2H,d,H2), δ5.86,(1H,d,H3), δ 5.48 (1H,d,H3), δ3.52 (3H,t,H4)。

2 結果與討論

在合成中間小分子的時候，需嚴格控制反應溫度和時間，防止生成衣康酸雙甲酯。趁熱過濾時，先將抽濾漏斗和單頸瓶置于烘箱中預熱，防止在過濾時衣康酸單甲酯溶液在漏斗中冷卻析出，堵塞濾紙孔，達不到重結晶的效果。

合成共聚單體時，滴加 SOCl2時一定要在冰水浴中進行，因為SOCl2很活波。第二次加入的CHCl3必須事先重蒸，由于在運輸過程中，CHCl3都會添加少許乙醇作為穩定劑，但乙醇會與反應形成的酰氯反應。而整個反應需置于無水的環境中，因此制備的NH3必須除水，裝置與大氣相通的部分需接上干燥管。

3 結束語

本文采用酰氯化，氨化制備了同時具有氨基和酯基的共聚單體，以期望改善均聚PAN碳纖維預氧化環化時集中放熱的現象。

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