高效液相色譜法研究雙馬來酰亞胺的催化合成

陳金春，柳　準，潘　永

(1 天方藥業(yè)有限公司，河南　駐馬店　463000；2 黃淮學院化學化工系，河南　駐馬店　463000)

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高效液相色譜法研究雙馬來酰亞胺的催化合成

陳金春1，柳準2，潘永2

(1 天方藥業(yè)有限公司，河南駐馬店463000；2 黃淮學院化學化工系，河南駐馬店463000)

雙馬來酰亞胺(BMI)具有優(yōu)異的耐熱性、電絕緣性、耐輻射，良好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、機械、電子等工業(yè)領(lǐng)域中。文中以順丁烯二酸酐和4,4-二氨基二苯甲烷為原料，使用甲磺酸作為催化劑，采用一鍋法合成BMI。通過對投料比、反應(yīng)時間等工藝條件進行研究，得出最佳反應(yīng)工藝條件。結(jié)合高效液相實驗結(jié)果證實，在順丁烯二酸酐和4,4-二氨基二苯甲烷投料摩爾比為2:1，催化劑的量為反應(yīng)物質(zhì)量的4%時，滴加反應(yīng)物1 h，反應(yīng)總時間為3 h，產(chǎn)率最高可達92%±4%，純度>97%。結(jié)果表明在共沸脫水法進行BMI的合成時，甲磺酸作催化劑，合成效果優(yōu)異。

雙馬來酰亞胺；對甲苯磺酸；甲磺酸

雙馬來酰亞胺(BMI)[1]是以馬來酰亞胺(MI)為活性端基的雙官能團化合物，屬于聚酰亞胺類樹脂，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1　BMI的結(jié)構(gòu)式

BMI擁有優(yōu)異的耐熱性、電絕緣性、透波性、耐輻射、阻燃性，良好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性，成型工藝類似于環(huán)氧樹脂，有相近的流動性和可模塑性，同時克服了環(huán)氧樹脂耐熱性相對較低的缺點，因此，近二十年來在航空、航天、機械、電子等工業(yè)領(lǐng)域中，廣泛用作先進復(fù)合材料的樹脂基體、耐高溫絕緣材料和膠粘劑等[2]。

國內(nèi)常用丙酮法[3-4]和甲苯共沸脫水法[4]進行BMI的合成。(1)丙酮法：以丙酮為介質(zhì)，乙酸鎳為催化劑，乙酸酐為脫水劑進行反應(yīng)，特點是產(chǎn)品為固體析出，反應(yīng)不是均相體系，不均勻，且后處理復(fù)雜，污染嚴重；(2)甲苯法：甲苯為溶劑，采用兩步共沸蒸餾脫水法。

在制備雙馬來酰亞胺的過程中，通常是通過順丁烯二酸酐和4,4-二氨基二苯甲烷反應(yīng)先生成中間體馬來酰胺酸，然后經(jīng)催化環(huán)化脫水而得，在脫水過程中常用對甲基苯磺酸[5]，乙酸酐，對甲基苯磺酸與硫酸的混合液[6]等為催化劑進行催化，在催化過程中使用上述催化劑會對三廢處理帶來一定的難度，在當前國家對企業(yè)環(huán)保要求日益提高的情況下，有必要進行生產(chǎn)工藝探索。由于甲磺酸作反應(yīng)催化劑[6]使用時，容易與成品分相，增大酸的回收率和成品的產(chǎn)率，同時分子量小，重量濃度低，易分相回收，適于作為脫水反應(yīng)催化劑使用，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)，同時可使催化使用量降低，產(chǎn)品質(zhì)量提高。在本文中，在甲苯共沸脫水法中，嘗試使用甲磺酸和對甲苯磺酸進行對比，探索進行BMI合成中催化劑的使用。

圖2　雙馬來酰亞胺(BMI)的合成路線

1　實　驗

1.1實驗試劑和儀器

甲苯，順丁烯二酸酐，4,4-二氨基二苯甲烷(DMA)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，醋酸酐，對甲苯磺酸，甲磺酸均為化學純試劑，購自國藥集團。

Agilent1200高效液相色譜儀，美國Agilent 公司；Bruker Tensor 27型紅外光譜儀，德國布魯克公司。

1.2雙馬來酰亞胺(BMI)的制備

將順丁烯二酸酐加入到甲苯溶劑中，40～50℃下，攪拌至完全溶解。2 h內(nèi)，逐滴加入含有MDA的甲苯及DMF混合溶液，而后加入相應(yīng)含量的催化劑，升溫至130℃回流脫水環(huán)化，溶液透明后繼續(xù)反應(yīng)1 h，使得總反應(yīng)時間為3 h。自然降溫，沉析，抽濾，水洗，所得產(chǎn)品，烘干稱量，計算產(chǎn)率。

1.3產(chǎn)品分析

紅外光譜(FTIR)表征：采用德國布魯克公司生產(chǎn)的Bruker Tensor 27型傅立葉變換紅外光譜儀于常溫下，采用KBr壓片法進行表征。

高效液相(HPLC)檢測：采用美國安捷倫儀器公司生產(chǎn)的Agilent 1200型高效液相色譜儀，甲醇為流動相，設(shè)定最大吸收峰為254 nm，流速為5/5，進行液相檢測。

2　結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

進行反應(yīng)的溫度條件對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響最大。在催化劑的質(zhì)量分數(shù)為4%，反應(yīng)物MA與MDA的物質(zhì)的量比為2:1，MDA滴加時間為60 min，反應(yīng)時間為2 h的條件下，考察不同反應(yīng)溫度下的產(chǎn)率如表1所示。結(jié)果表明，最佳反應(yīng)溫度為45℃，收率最高可達92%，當溫度降低至10℃時，產(chǎn)率為15.3%，反應(yīng)溫度提高至100℃時，產(chǎn)率僅為30.3%。因此整個反應(yīng)應(yīng)在45℃進行。

表1　反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

2.2催化劑的用量對產(chǎn)率的影響

在反應(yīng)物順丁烯二酸酐(MA)與4,4-二氨基二苯甲烷(MDA)的起始摩爾比為2:1條件下，用甲磺酸和對甲苯磺酸作催化劑分別進行反應(yīng)，對比產(chǎn)品產(chǎn)率，并進行結(jié)果分析，得到催化劑的最佳質(zhì)量分數(shù)。

表2　催化劑的用量對產(chǎn)率的影響

由表2可以看出，上述兩種催化劑在質(zhì)量分數(shù)為反應(yīng)物的4%時，產(chǎn)品產(chǎn)率最高。而甲磺酸作催化劑時的產(chǎn)率達到92%±4%，較對甲苯磺酸產(chǎn)率(82%)高，同時發(fā)現(xiàn)在使用甲磺酸作為催化劑時，用量對純度的影響不大，但是對產(chǎn)率影響較大，當使用較多時產(chǎn)率急劇下降。

2.3反應(yīng)物投料比與產(chǎn)率的關(guān)系

保持催化劑的質(zhì)量分數(shù)為4%，其他條件不變，改變反應(yīng)物的摩爾比[6]，制備BMI，比較產(chǎn)率，得到反應(yīng)物的最佳摩爾比。

表3　n(MA):n(MDA)對BMI產(chǎn)率的影響

由表3可以看出，當MA與MDA的摩爾比為2.1:1時，BMI的產(chǎn)率最高。相同條件下，使用甲磺酸作催化劑時的產(chǎn)率比用對甲苯磺酸作催化劑時的產(chǎn)率要高。

2.4MDA滴加時間與BMI產(chǎn)率的關(guān)系

保持催化劑甲磺酸的質(zhì)量分數(shù)為4%，反應(yīng)物的投料比為2:1，總反應(yīng)時間保持為3 h，改變MDA滴加時間從10 min至2 h，制備BMI，比較產(chǎn)率和產(chǎn)品純度。

表4　滴加速度對反應(yīng)的影響

由表4可以看出，當?shù)渭雍蠱DA的甲苯及DMF混合溶液為1 h時，BMI的產(chǎn)率和純度均最高。

2.5產(chǎn)品紅外檢測

由紅外譜圖(圖2)可見，BMI紅外譜圖在1707、1394、和688 cm-1處呈現(xiàn)酰亞胺環(huán)振動吸收峰，1148 cm-1處是C-N-C強伸縮振動，1601 cm-1處是C=C伸縮振動，800～1000 cm-1是芳環(huán)C-H的彎曲振動區(qū)，與標準圖譜[6]一致。由此可見，所得到的的產(chǎn)品確實為雙馬來酰亞胺。

圖2　BMI的紅外譜圖

2.6產(chǎn)品的液相圖譜

由圖3可見，BMI在2.5 min處出峰，同時從高效液相色譜圖中，借助峰面積積分法，可以得到下述結(jié)論，甲磺酸作催化劑時產(chǎn)品純度高于對甲苯磺酸。甲磺酸作催化劑，制得產(chǎn)品純度約為97.60%，對甲苯磺酸作催化劑，制得產(chǎn)品純度約為92.08%。

圖3　BMI的高效液相色譜圖

3　結(jié)　論

在進行BMI的合成過程中，甲磺酸用作催化劑時，比對甲苯磺酸效果好，適宜的工藝條件為反應(yīng)溫度45℃，催化劑的質(zhì)量分數(shù)為4%，反應(yīng)物MA與MDA的物質(zhì)的量比為2:1，滴加時間為60 min，產(chǎn)品的收率可達92%，產(chǎn)品純度可達到97%。甲磺酸用于催化雙馬來酰亞胺的合成，反應(yīng)條件簡單、收率高，具有一定的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

[1]Zhang Liying,Chen Ping,Gao Mingbo,et al.Synthesis,characterization,and curing kinetics of novel bismaleimide monomers containing fluorene cardo group and aryl ether linkage[J].Designed monomers and polymers,2014,17:637.

[2]蔣洋,寇開昌,吳廣磊,等.雙馬來酰亞胺樹脂合成與改性研究進展[J].中國膠黏劑,2011,20(7):48-52.

[3]劉潤山,劉景民,劉生鵬,等.二苯甲烷雙馬來酰亞胺的合成工藝研究進展[J].絕緣材料,2006,39(2):47-51.

[4]Zhou Jintang,Yao Zhengjun,Zhen Wenjian,et al.Dielectric and thermal performances of the graphene/bismaleimide/2,2 0 -diallylbisphenol A composite[J].Mater.Lett.,2014,124:155.

[5]Coswald S.Sipaut,Vejayakumaran Padavettan,Ismail Ab.Rahman,et al.An optimized preparation of bismaleimide-diamine co-polymer matrices[J].Polym.Adv.Technol,2014,25:673.

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HPLC Investigation for Catalyst Synthesize of Bismaleimide

CHEN Jin-chun1,LIU Zhun2,PAN Yong2

(1 Henan Topfond Pharmaceutical Co.,Ltd.,Henan Zhumadian 463000; 2 Chemistry and Chemical Engineering Department,Huanghuai University,Henan Zhumadian 463000,China)

The bismaleimide (BMI) has been widely used in the area of aviation,machinery,and electronics,for its excellent heat resistant,electrical insulation,good machining property,and dimensional stability.The mesylate was used as the catalyst instead of p-methyl benzenesulfonic acid to synthetize bismaleimide.The experiment results showed that the best BMI synthesize condition were as follows:molar ratio between MA and MDA was 2:1,catalyst amount was 4%,with the highest yield of 92%±4%.It was concluded that mesylate was better than p-toluenesulfonic to use as catalyst in the synthesize of BMI.

bismaleimide; p-methyl benzenesulfonic acid; methylsulfonic acid

陳金春(1968-)，男，工程師，學士，主要從事原料藥化學合成與分析技術(shù)相關(guān)研究和管理工作。

O657

A

1001-9677(2016)011-0117-03