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CN105568310B - 一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法 - Google Patents

一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将脂肪醇聚氧乙烯醚溶于缓冲溶液中，加入催化剂，配成微纳米乳液；第二步：将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中，通入恒定电流，在室温下搅拌电解；第三步：电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除催化剂，分液，在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂进行离子交换，得到脂肪醇醚羧酸盐或脂肪醇醚羧酸的水相溶液，过滤除去树脂，浓缩，得到脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐。本发明反应在水相中进行，不使用有机溶剂，以空气中的氧气作氧化剂，催化剂低毒，反应温度为室温；反应无副产物生成，原子经济性为100％。

Description

一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法
技术领域
本发明属于表面活性剂合成技术领域，特别涉及一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸(盐)(AEC)的电化学合成方法。
背景技术
脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐(AEC，包括直链和支链型)兼具非离子和阴离子表面活性剂的一些特性，其润湿、渗透、去污力等超过各自对应的脂肪醇聚氧乙烯醚。具有优良的化学稳定性和安全性，可以与阴、非离子表面活性剂及包括季铵盐等阳离子表面活性剂在内的其他表面活性剂组份复配使用。AEC生物降解性好，对皮肤温和，对眼、粘膜刺激性小，对酶活性影响小，是一类很有前景的绿色表面活性剂。
脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸已开发的合成方法有羧甲基化法、氧化法、丙烯酸酯法、丙烯腈法。(1)羧甲基化法是目前国内外生产AEC的主要方法，该方法用脂肪醇醚与氯乙酸反应，脱去一分子盐酸。存在的主要问题是氯乙酸为高毒性，腐蚀性较强；工艺过程是一个放热的固液反应，体系黏度很大，工程放大较困难；且有副产物生成；生产成本较高。因此，虽然脂肪醇醚羧酸盐性能优良，却未能获得大规模生产。(2)氧化法主要有贵金属催化氧化法和氮自由基催化氧化法，贵金属催化氧化法(JP5096516)主要以铂或钯为催化剂，贵金属的回收和再利用成为难题。氮自由基催化氧化法(US5162576、US5175359、US5608107等)是一种比较清洁的生产方法。但此方法最大的缺陷是要用大量试剂来活化氮氧自由基，这就使催化氧化法的原子经济性大大降低。
2009年，日本Okayama大学的Manabu Kuroboshi等报道，以氮氧自由基类化合物作催化剂，以水作溶剂，空气中氧气作氧化剂，采用电解的方法，将短碳链两性醇改性成烷基醇醚羧酸，具有转化率高，原子经济性高，无副产物生成，无环境污染的优点。但此方法仅用于碳链的碳原子数在2以下的烷基醇醚中，未见用于长碳链的表面活性剂烷基醇聚氧乙烯醚羧酸盐的合成中。
发明内容
本发明的目的是提供一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸(盐)的电化学合成方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将脂肪醇聚氧乙烯醚溶于缓冲溶液中，加入催化剂，配成微纳米乳液；
第二步：将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中，通入恒定电流，在室温下搅拌电解；
第三步：电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除催化剂，分液，在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂进行离子交换，得到脂肪醇醚羧酸盐或脂肪醇醚羧酸的水相溶液，过滤除去树脂，浓缩，得到脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐。
优选地，所述的脂肪醇聚氧乙烯醚为直链或支链脂肪醇聚氧乙烯醚，在微纳米乳液中的浓度为0.01-500g/L。
优选地，所述的催化剂为2，2，6，6，-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)、4-MeO-TEMPO，4-HO-TEMPO和4-AcNH-TEMPO中的至少一种，在微纳米乳液中的浓度为0.05-10mmol/L。
优选地，所述的微纳米乳液的粒径范围为100-1000nm。
优选地，所述的缓冲液为Na2CO3/NaHCO3缓冲液或Na2HPO4/NaH2PO4缓冲液，所述的Na2CO3/NaHCO3缓冲液中，Na2CO3的浓度为0.01M-2.5M，NaHCO3的浓度为0.01M-2.5M，所述的Na2HPO4/NaH2PO4缓冲液中，Na2HPO4的浓度为0.01M-2.5M，NaH2PO4的浓度为0.01M-2.5M。
优选地，所述的第二步中的电解在室温下进行。
优选地，所述的第二步中的电解采用的电流密度为0.02-1A/cm2。
优选地，所述的第三步中，加入氢型阳离子交换树脂进行离子交换至溶液呈中性，得到含脂肪醇醚羧酸盐水相溶液。
优选地，所述的第三步中，加入氢型阳离子交换树脂进行离子交换至无二氧化碳生成，得到含脂肪醇醚羧酸的水相溶液。
优选地，所述的浓缩采用先常压蒸馏再减压蒸馏的方法实现。
本发明是以水作溶剂，TEMPO或其衍生物为催化剂，以空气中氧气作氧化剂。将脂肪醇聚氧乙烯醚与缓冲溶液一起配成微纳米乳液，加入催化剂，用大面积铂片电极作为阳极和阴极，通入恒定电流，在室温下进行电解，在铂片上发生氧化还原反应，将脂肪醇聚氧乙烯醚氧化成脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸(盐)。本发明的反应通式为：
其中，R为C4-C30的直链或支链烷基，n为EO聚合度，n＝2-40。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法针对的是脂肪醇聚氧乙烯醚的羧基化改性，反应在水相中进行，不使用有机溶剂，以空气中的氧气作氧化剂，催化剂低毒，反应温度为室温；反应无副产物生成，原子经济性为100％。相对于现有方法，本发明减少了物质的消耗和环境污染，反应条件温和，对设备要求低，操作简单易行。本发明对改进AEC类产品的工业生产路线有重大意义，可降低AEC的生产成本，有利于其在民用及工业领域，如日化洗涤、纺织印染等行业推广应用。
附图说明
图1为实施例1中AEC-6H的动态表面张力图；
图2为棉织物前处理工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1-3为不同浓度异构十醇聚氧乙烯醚羧酸(AEC-6H)的合成例。
实施例1
一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸的电化学合成方法，具体步骤为：
(1)取异构十醇聚氧乙烯醚(EO数为7)5g溶于盛有500mL碳酸钠/碳酸氢钠(0.3M/0.2M)缓冲溶液的烧杯中，加入TEMPO 0.0039g，搅拌均匀得到微纳米乳液，粒径范围为100-1000nm。
(2)将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中并固定，每片Pt电极的面积为2cm×2cm，继续搅拌，通入恒定电流，电流为0.83A，室温下搅拌电解4小时，反应结束。
(3)电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除TEMPO，分液，在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂(Amberlite IR120)120g，搅拌1h进行离子交换至无二氧化碳生成，得到脂肪醇醚羧酸的水相溶液。将树脂过滤去除，滤液先常压蒸馏再减压蒸馏浓缩得到AEC-6H，产率为80.7％。实施例1中AEC-6H的动态表面张力图如图1所示。
合成的AEC-6H以红外光谱IR表征：3434cm-1为水分VOH伸缩振动，2956cm-1、2925cm-1、2872cm-1为VCH3、VCH2伸缩振动，1644cm-1为VC＝O伸缩振动，1456cm-1、1274cm-1为δCH2、δCH3弯曲振动，1106cm-1为Vc-o伸缩振动。
实施例2
一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸的电化学合成方法，具体步骤为：
(1)取异构十醇聚氧乙烯醚(EO数为7)15g溶于盛有500mL碳酸钠/碳酸氢钠(0.3M/0.2M)缓冲溶液的烧杯中，加入TEMPO 0.0041g，形成微纳米乳液，粒径范围为100-1000nm。
(2)将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中并固定，每片Pt电极的面积为2cm×2cm，继续搅拌，通入恒定电流，电流为0.92A，室温下搅拌电解8小时，反应结束。
(3)电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除TEMPO，分液，在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂(Amberlite IR120)120g，搅拌1.5h进行离子交换至无二氧化碳生成，得到脂肪醇醚羧酸的水相溶液。将树脂过滤去除，滤液先常压蒸馏再减压蒸馏浓缩得到AEC-6H，产率79.8％。
合成的AEC-6H以红外光谱IR表征：3432cm-1为水分VOH伸缩振动，2927cm-1为VCH3、VCH2伸缩振动，1639cm-1为VC＝O伸缩振动，1457cm-1，1381cm-1为δCH2、δCH3弯曲振动，1103cm-1为Vc-o伸缩振动。
实施例3
一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸的电化学合成方法，具体步骤为：
(1)取异构十醇聚氧乙烯醚(EO数为7)30g溶于盛有500mL碳酸钠/碳酸氢钠(0.3M/0.2M)缓冲溶液的烧杯中，加入TEMPO 0.0043g，形成微纳米乳液，粒径范围为100-1000nm。
(2)将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中并固定，每片Pt电极的面积为2cm×2cm，继续搅拌，通入恒定电流，电流为1.05A，室温下搅拌电解12h，反应结束。
(3)电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除TEMPO，分液。在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂(Amberlite IR120)120g，搅拌2h进行离子交换至无二氧化碳生成，得到脂肪醇醚羧酸的水相溶液。将树脂过滤去除，滤液先常压蒸馏再减压蒸馏浓缩得到AEC-6H，产率为83.4％。
合成的AEC-6H以红外光谱IR表征：3429cm-1为水分VOH伸缩振动，2928cm-1为VCH3、VCH2伸缩振动，1638cm-1为VC＝O伸缩振动，1459cm-1，1351cm-1为δCH2、δCH3弯曲振动，1351cm-1，1252cm-1为Vc-o伸缩振动。
实施例4
一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠的电化学合成方法，具体步骤为：
(1)异构十醇聚氧乙烯醚羧酸钠(AEC-6Na)的合成。取30g异构十醇聚氧乙烯醚(EO数为7)溶于盛有500mL的碳酸钠/碳酸氢钠(0.3M/0.2M)缓冲溶液的烧杯中，加入0.0043gTEMPO，形成微纳米乳液，粒径范围为100-1000nm。
(2)将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中并固定，每片Pt电极的面积为2cm×2cm，继续搅拌，通入恒定电流，电流为1.05A，室温下搅拌电解12h，反应结束。
(3)电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除TEMPO，分液。在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂(Amberlite IR120)120g，搅拌1h进行离子交换至溶液呈中性，得到脂肪醇醚羧酸钠的水相溶液，将树脂过滤去除，滤液先常压蒸馏再减压蒸馏浓缩得AEC-6Na，产率为75％。
实施例5
一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸的电化学合成方法，具体步骤为：
(1)直链十醇聚氧乙烯醚羧酸(AEC-8H)的合成。取5g直链十醇聚氧乙烯醚(EO数为9)溶于盛有500mL碳酸钠/碳酸氢钠(0.3M/0.2M)缓冲溶液的烧杯中，加入0.0039gTEMPO，形成微纳米乳液，粒径范围为100-1000nm。
(2)将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中并固定，每片Pt电极的面积为2cm×2cm，继续搅拌，通入恒定电流，电流为0.83A，室温下搅拌电解4小时，反应结束。
(3)电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除TEMPO，分液。在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂120g(Amberlite IR120)，搅拌1小时进行离子交换至无二氧化碳生成，得到脂肪醇醚羧酸的水相溶液。将树脂过滤去除，滤液先常压蒸馏再减压蒸馏浓缩得AEC-8H，产率为86％。
实施例6
一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸的电化学合成方法，具体步骤为：
(1)直链十二醇聚氧乙烯醚羧酸(AEC-9H)的合成。取5g异构十二醇聚氧乙烯醚(EO数为10)溶于盛有500mL碳酸钠/碳酸氢钠(0.3M/0.2M)缓冲溶液的烧杯中，加入0.0039gTEMPO，形成微纳米乳液，粒径范围为100-1000nm。
(2)将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中并固定，每片Pt电极的面积为2cm×2cm，继续搅拌，通入恒定电流，电流为0.83A，室温下搅拌电解4小时，反应结束。
(3)电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除TEMPO，分液。在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂120g(Amberlite IR120)，搅拌1小时进行离子交换至无二氧化碳生成，得到脂肪醇醚羧酸的水相溶液。将树脂过滤去除，滤液先常压蒸馏再减压蒸馏浓缩得AEC-9H，产率为81％。
对实施例1和4合成的表面活性剂进行性能测试。
(1)表面张力：按照“GB/T 5549-1990表面活性剂表面张力的测定”，在恒温恒湿实验室中，采用吊环法测定表面活性剂的溶液的表面张力。
(2)动态表面张力：采用动态表面张力仪(KRUSS BP-100)测定动态表面张力，溶剂为超纯水。
(3)乳化性：在100ml具塞量筒中加入40ml已知浓度的表面活性剂溶液和40ml石蜡，剧烈震荡均匀后开始计时，当量筒下端分出10ml水溶液时停止计时，开始计时到停止计时时间间隔作为表面活性剂乳化性。
(4)润湿性：按照“GB/T 11983-2008表面活性剂润湿力的测定沉没法”测定表面活性剂的润湿性，通过润湿时间评价润湿性。
实施例1和4合成的表面活性剂AEC-6H和AEC-6Na性能测试结果如表1所示。
表1 实施例1和4合成的AEC-6H和AEC-6Na的性能
由表1知，合成的AEC-6H和AEC-6Na的表面张力与商品的相当，润湿性和乳化性优于商品脂肪醇醚羧酸(盐)。
实施例1和4合成的表面活性剂AEC-6H和AEC-6Na与商品AEC-9H、AEC-10在棉织物碱退浆精练-氧漂两步浸轧法前处理中的应用配方和应用效果分别如表2和表3所示，如图2所示，先将坯布在室温下浸轧退煮液，在100～102℃汽蒸60min，先用60℃热水洗涤，再用15-25℃冷水洗涤，浸轧氧漂液，在100～120℃汽蒸45min，先用60℃热水洗涤，再用15-25℃冷水洗涤，烘干。
表2 碱退浆精练-氧漂两步浸轧法配方
表3 AEC-6H/AEC-6Na和商品AEC在棉织物前处理中的应用效果
由表3知，合成AEC-6H和AEC-6Na在棉织物前处理中的应用效果与商品脂肪醇醚羧酸(盐)的相当，处理后棉织物的毛效和白度非常接近。

Claims (5)

1.一种脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法，其特征在于，反应通式为：
其中，R为C4-C30的直链或支链烷基，n为EO聚合度，n＝2-40；
包括以下步骤：
第一步：将脂肪醇聚氧乙烯醚溶于缓冲溶液中，加入催化剂，配成微纳米乳液；所述的脂肪醇聚氧乙烯醚为直链或支链脂肪醇聚氧乙烯醚，在微纳米乳液中的浓度为30-500g/L；所述的微纳米乳液的粒径范围为100-1000nm；所述的缓冲液为Na2CO3/NaHCO3缓冲液，所述的Na2CO3/NaHCO3缓冲液中，Na2CO3的浓度为0.01M-0.3M，NaHCO3的浓度为0.01M-0.2M；所述的催化剂为2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物、4-MeO-TEMPO，4-HO-TEMPO和4-AcNH-TEMPO中的至少一种，在微纳米乳液中的浓度为0.05-10mmol/L；
第二步：将分别作为阳极和阴极的一对铂电极插入微纳米乳液中，通入恒定电流，在室温下搅拌电解；电解采用的电流密度为0.2075-1A/cm2；
第三步：电解结束后，将反应液用乙酸乙酯萃取去除催化剂，分液，在水溶液层中加入氢型阳离子交换树脂进行离子交换，得到脂肪醇醚羧酸盐或脂肪醇醚羧酸的水相溶液，过滤除去树脂，浓缩，得到脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐。
2.如权利要求1所述的脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法，其特征在于，所述的第二步中的电解在室温下进行。
3.如权利要求1所述的脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法，其特征在于，所述的第三步中，加入氢型阳离子交换树脂进行离子交换至溶液呈中性，得到含脂肪醇醚羧酸盐水相溶液。
4.如权利要求1所述的脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法，其特征在于，所述的第三步中，加入氢型阳离子交换树脂进行离子交换至无二氧化碳生成，得到含脂肪醇醚羧酸的水相溶液。
5.如权利要求1所述的脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸或其盐的电化学合成方法，其特征在于，所述的浓缩采用先常压蒸馏再减压蒸馏的方法实现。
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