由表1可知,化合物在3412cm-1处有明显的特征吸收峰,可以归属为OH的伸缩振动峰;在2872cm-1和2928cm-1处出现CH2的特征吸收峰;1257cm-1和840cm-1的特征峰为COC的特征吸收带。
由表2可知,氢的种类、数量与缩水甘油结构吻合。综合IR和1HNMR数据可以确定,所制备化合物为缩水甘油。
2.1.1.2 缩水甘油其他物理参数
分别用微量法测定缩水甘油的沸点,按国家标准GB4612—84测定环氧值(EV),用WAY-2W型阿贝折光仪测折光率,结果见表3。
由表3可知,本实验所制备的缩水甘油沸点、环氧值、折光率等物理参数与标准样品数据基本吻合。
2.2 制备工艺的优化
2.2.1 溶剂种类对缩水甘油收率的影响
参照1.2节反应条件,仅改变溶剂种类,分别以异丙醇、正丁醇、异丁醇、二口恶烷和丙酮为溶剂,考察溶剂种类对反应收率的影响,结果见表4。
由表4可知,当溶剂为正丁醇和异丁醇时产物的收率明显偏低,这可能是由于正丁醇和异丁醇的沸点与缩水甘油的沸点接近,在减压蒸馏时两者的沸程相差太小,不易控制,从而造成缩水甘油的损失;当溶剂为后3种溶剂时收率较高,并且以异丙醇为最高,这是由于该3种溶剂的沸点与缩水甘油的沸点相差较大,减压蒸馏时的沸程相差较大,容易控制。综合分析,反应所用溶剂以异丙醇为最佳。
2.2.2 溶剂用量对缩水甘油收率的影响
参照1.2节反应条件,仅改变异丙醇的用量,以考察溶剂用量对反应收率的影响,结果见图2。溶剂用量以500mL为宜。
2.2.3 碱性化合物种类对缩水甘油收率的影响
参照1.2节反应条件,仅改变碱性化合物的种类,分别选用氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸氢钠和碳酸钾水溶液作碱性化合物,以考察碱性化合物种类对反应收率的影响,结果见表5。
当碱性化合物为碳酸氢钠和碳酸钾水溶液时收率很低,当碱性化合物为氢氧化钠和氢氧化钾水溶液时收率较高。氢氧化钠水溶液和氢氧化钾水溶液作碱性化合物时收率相近,但氢氧化钠廉价易得,所以本实验以氢氧化钠溶液作碱性化合物。
2.2.4 氢氧化钠水溶液质量分数对缩水甘油收率的影响
参照1.2节反应条件,仅改变氢氧化钠的质量分数,所选w(NaOH)=20%、30%、37%、46%、52%(饱和溶液)和氢氧化钠颗粒,以考察不同氢氧化钠浓度对反应收率的影响,结果见图3所示。
由图3可知,在氢氧化钠质量分数为37%时存在极大值。这是因为,氢氧化钠水溶液浓度增大,利于反应向正方向进行,收率增加;同时该反应中主要的两个副反应:缩水甘油的聚合和水解,也随氢氧化钠水溶液浓度的增大反应程度增加。所以反应收率随w(NaOH)的增大而先增大后减小。当碱性化合物为氢氧化钠固体时收率最低,因为分散不均。综合考虑,本实验中以w(NaOH)=37%为宜。2.2.5 反应时间对缩水甘油收率的影响参照1.2节反应条件,仅改变反应时间,所选反应时间分别为50、60、90、120、180、240min,以考察不同反应时间对反应产物收率的影响,结果见图4。
由图4可知,产物收率随反应时间的改变变化较明显。随时间的延长收率迅速提高,但当延长到一定的时间后又会降低。初步分析,反应时间过短使反应不彻底,从而收率低;而反应时间太长时,体系中生成的盐和水存留的时间过长,致使生成的缩水甘油水解趋势增大,从而导致反应收率的降低。综合分析,本反应的最佳反应时间为90min。
2.2.6 反应温度对缩水甘油收率的影响
参照1 .2节反应条件,仅改变反应温度,以考察反应温度对反应收率的影响,结果见表6。
表6表明,收率随温度的升高而先增加后降低,在反应温度为0℃时收率有极大值。这是因为,温度过低不利于反应进行;温度过高,生成的缩水甘油容易水解。综合分析,本实验反应温度以0℃为宜。
2.2.7 加入吸水剂对缩水甘油收率的影响
本实验所用碱性化合物为氢氧化钠水溶液,会把水引入反应体系,并且反应同时伴有水的不断生成,使氢氧化钠浓度降低。并且低温下缩水甘油也存在水解,所以适当减少水的含量是必要的。考虑到该反应以醇为溶剂且在碱性环境中进行,因此选用无水碳酸钾、无水硫酸镁、3A分子筛和无水硫酸钠为吸水剂。在1.2节其他反应条件不变的条件下,向反应体系中加入不同的吸水剂,以考察吸水剂的种类对反应收率的影响,结果见表7。
由表7可知,反应体系中引入的吸水剂以无水硫酸镁最佳,可以有效以提高收率。在确定了最佳吸水剂的基础上,通过改变无水硫酸镁加入时间,考察其对反应收率的影响,结果见表8。吸水剂的加入时间不同对反应产物的收率也有一定的影响。在反应中期加入吸水剂反应产物的收率最高,使反应体系中因水的存在致使产物发生水解反应的几率降到最低,从而有效提高了反应收率。
3 结论
(1)用一氯代丙二醇为原料,低温条件下合成了缩水甘油。该法在低温下进行,有效抑制了缩水甘油的聚合和水解,并且反应所需原料价廉易得,可工业化生产。
(2)探讨得出缩水甘油的最佳合成条件是:当一氯代丙二醇用量为2mol时,以异丙醇为溶剂,加入量为500mL;碱性化合物为w(NaOH)=37%的水溶液;反应温度为0℃;反应时间90min;吸水剂无水硫酸镁在反应50min后加入,效果最佳。
(3)通过IR、1HNMR对产品进行了结构表征,测得产品的物理参数与文献值吻合,一次蒸馏w(glycidol)=95%,二次蒸馏达到w(glycidol)=98%。