N-丙烯酰吗啉的合成与表征

背景及概述

N-丙烯酰吗啉是合成树脂的优良助剂和改性剂，用做紫外线固化树脂的反应稀释剂，是丙烯酸酯树脂和明胶的有效改性剂。作为一种新型的水溶性聚合物单体或者作为其他水溶性聚合物改性的此聚单体，因其本身无毒，是水外理等领域代有毒的丙烯酰胺单体及具聚合产品的选择。聚N-丙烯酰吗啉两亲性和生物相容性极佳，是极具潜力的医用高分子材料。

制备

以丙烯酸和苯甲酰氢为原料合成丙烯酰氯，再与吗啉反应合成N-丙烯酰吗琳。对N-丙烯酰吗琳的合成工艺进行了考察，比较和考察了氯化试剂、阻聚剂、反应投料比、反应温度、催化剂等因素对反应收率的影响。其次，对合成的N-丙烯酰吗琳通过质谱、氢核磁、红外光谱进行结构表征，和标准图谱进行比较，并建立行之有效的中控分析方法[1]。N-丙烯酰吗啉的合成反应式如下图：

图1 N-丙烯酰吗啉的合成反应式

实验操作步骤

1.丙烯酰氯的合成

反应步骤:在四口烧瓶上装上搅拌器、温度计、恒压滴液漏斗，另一口上装分馏柱,柱中装玻璃填料，分馏柱再连接冷凝管和接受瓶，成为蒸馏装置。在接受瓶后连接装有无水氯化钙的干燥塔，再加一个氯化氢吸收装置，然后连接到真空上。在四口瓶中加入苯甲酰氯、少量丙烯酸和阻聚剂，在恒乐漏斗中加入丙烯酸。开搅拌，升温控制真空在-0.02MPa。升温至70℃时有丙烯酰氯馏出，开始从恒压漏斗中滴加丙烯酸，调节丙烯酸的滴加速度,使其与丙烯酰氯的馏出速度基本相同，滴加完成后，继续蒸馏至85℃馏出物极少时，停止蒸馏，馏分是丙烯酰氯，纯度99%(GC)，瓶残料为苯甲酸。

2.N-丙烯酰吗啉的合成

反应步骤:在三口瓶上安装搅拌器、温度计、滴液漏斗，三口瓶中加入溶剂、丙烯酰氯和阻聚剂，冰盐浴降温至 5℃，滴加催化剂，滴加完成后，搅拌 0.5 小时，滴加吗啉，调节滴加速度，3-4小时滴加完成，保持温度在4-8℃，搅拌1小时。过滤，滤液为N-丙烯酰吗啉粗品，滤饼为复盐。在三口烧瓶上装上搅拌器、温度计和分馏柱柱中装玻璃填料，分馏柱再连接冷凝管、接受瓶和真空，成为真空蒸馏装置。将N-丙烯酰吗啉粗品加入到三口瓶中，减压蒸馏，除去前馏分，真空度在-0.085MPa下，收集154-160℃馏分，得到N-丙烯酰吗啉产品，纯度99%(GC)。底料为少量水溶性聚合物。

分析方法与产品表征

合成过程和最终产物均用气相色谱监测。产物质谱和核磁共振分析由兰州大学分析测试中心完成，红外光谱由甘肃省化工研究院分析测试中心完成。

(1)质谱分析 M=55是丙烯酰基离子峰，M=86是吗啉基离子离子峰，M=141是N-丙烯酰吗啉的分子离子峰，与标准图谱一致。

(2)红外光谱分析 与标准图谱一致。

(3)核磁共振分析 检测条件为氘代丙酮为溶剂，400Hz核磁谱仪。

根据产物的质谱图、红外光谱图和核磁共振谱图，并与标准谱图对比，可知所得产物是N-丙烯酰吗琳。

结论

滴加顺序、阻聚剂、反应温度和催化剂对收率影响较大，合成N-丙烯酰吗啉的工艺条件是:先加入丙烯酰氯后滴加吗啉以此工艺条件进行重复实验，最低收率为80.3%，最高为84.1%，平均收率为81.2%。丙烯酸、氯化试剂为原料首先合成丙烯酰氯，再与吗啉反应合成N-丙烯酰吗琳，完成了小试优化，对最终产物进行了定性、定量分析，并利用质谱、红外光谱及核磁共振进行结构表征。

参考文献

[1]国外简讯，涂料工业，2000，3:44.