煤焦油是煤经过炼焦加工后得到的一种重要的基础化工原料。它是以芳烃为主,成分非常复杂,含有多种有机物的混合物。已经鉴定出来的芳香族化合物超过四百余种,其中含量较高,比较容易分离的有十余种。这些有机物是制造许多染料、农药、医药等有机化工产品最起始的原料,苊就是煤焦油中的一种有机物,它是煤焦油洗油馏分中的一个含量较高的组分,平均含量为1.2%~1.8%(重量)。苊的英文名称为:acenaphthene ,苊的其他名称还有萘并乙烷、萘嵌戊烷、萘乙环、戊烷,CAS登录号为[82-32-9]。分子式为C12H10。 苊的用途十分广泛,将苊氧化后可制得1,8-萘二甲酸酐(简称1,8-萘酐)和二氧化苊(又名苊醌);将苊催化脱氢后可制得苊烯;将苊硝化后可制得硝基苊等。苊自身并不具有光学的或生理的活性及其他一些特殊的功能[1]。但它的衍生物,即苊氧化后得到的1,8-萘酐再经亚胺化后制得的1,8-萘酰亚胺是一个荧光发色团,吸收紫外线后可发出弱的蓝紫色荧光,引入取代基团后,尤其是在它的4-位或4-,5-位上引入给电子性的取代基团后,则荧光就非常强烈,利用它的这一性质,人们开发出许多以它为母体的荧光增白剂[2];并将其单独列为一类化学结构类型,称为萘酰亚胺类型,它也是荧光增白剂大家族中的一支重要的成员。 1 萘酰亚胺类荧光增白剂的主要品种 相对于其他一些发展较快的化学结构类型的荧光增白剂,如双三嗪氨基二苯乙烯类型、双苯并噁唑类型、二苯乙烯基苯类型而言,从焦油苊中制取萘酰亚胺类型荧光增白剂虽起步较早,20世纪30年代德国BASF公司就开发出萘酰亚胺类衍生物作为荧光增白剂,但以后的整体研究工作进展不快,开发出的新品种也不多,直到上个世纪五十年代,日本三井公司才又开发出几个新的品种[3]。在我国,该类型荧光增白剂至今还没有大规模工业化生产,只有华东理工大学,大连理工大学,安徽理工大学,煤科总院合肥所等一些大专院校和科研院所从事过试验室的试制和研究,国内轻纺工业需要的一些品种,如用于腈纶增白用的阳离子型萘酰亚胺类型荧光增白剂还是要从国外进口 2 合成工艺 几个经典的代表品种的合成,详细介绍他们的合成工艺。 2.1氧化合成法 苊氧化生产1,8-萘二酸酐,经卤化反应、再与胺反应得到卤代亚胺化合物,{zh1}与醇钠反应得到烷氧基取代的萘酰亚胺化合物。 目前1,8-萘二酸酐及其卤代的化合物均已实现商品化,常见两种商品为4-氯-1,8-萘二甲酸酐和4-溴-1,8-萘二甲酸酐,除用于制造萘酰亚胺类型荧光增白剂外,还用于制造萘酰亚胺类型荧光染料及其他一些产品。本文表1列出的编号1、编号2、编号3等几个品种就是这样的合成路线。 2.1.1 荧光增白剂AT(编号1)的合成 4-氯-1,8-萘二甲酸酐与一甲胺发生N-甲基化反应,得到N-甲基-4-氯-1,8-萘二甲酰亚胺,经精制提纯后再与甲醇钠发生亲核取代反应而得到N-甲基-4-甲氧基-1,8-萘酰亚胺,即荧光增白剂AT。 2.1.2 荧光增白剂EH(编号2)的合成 4-氯-1,8-萘二甲酸酐与正丁胺发生酰胺化反应,得到N-丁基-4-氯-1,8-萘二甲酰亚胺,经精制提纯后再与甲醇钠发生亲核取代反应而得到N-丁基-4-甲氧基-1,8-萘酰亚胺,即荧光增白剂EH。 2.1.3 阳离子荧光增白剂(编号3)的合成 4-溴-1,8-萘二甲酸酐在乙醇中与N,N’-二甲基丙二胺缩合得到4-溴-N-(N’,N’-二甲基)胺丙基-1,8-萘酰亚胺,再在乙醇中加金属钠进行烷基化反应制得4-乙氧基-N-(N’,N’-二甲基)胺丙基-1,8-萘酰亚胺,{zh1}用硫酸二甲酯进行季铵盐化而制得[6]。 2.2 卤化合成法 苊经卤化制得卤代苊,再氧化得到卤代化合物,再与胺反应得到卤代亚胺化合物,{zh1}与醇钠反应得到烷氧基取代的萘酰亚胺化合物。 目前卤代的化合物主要是4,5-二氯-1,8-萘二甲酸酐,已实现商品化,除用于制造萘酰亚胺类型荧光增白剂以外还可用于制造萘酰亚胺类型荧光染料,本文表1列出的编号4的荧光增白剂就是由它合成的。 荧光增白剂EFR(编号4)的合成,具体合成工艺如下:4,5-二氯-1,8-萘二甲酸酐与一甲胺发生N-甲基化反应得到N-甲基-4,5-二氯-1,8-萘酰亚胺,再与乙醇钠发生乙氧基化反应而得到4,5-二乙氧基-N-甲基-1,8-萘二甲酰亚胺,即荧光增白剂EFR. 2.3 硝化合成法 苊经硝化制得5-硝化苊,再氧化生成4-硝基-1,8-萘二甲酸酐,再与胺反应得到含硝基的亚胺化合物,经还原使硝基还原成含氨基的亚胺化合物,{zh1}氨基用醋酐酰化而制得。 目前4-硝基-1,8-萘二甲酸酐已实现商品化,除可用于制造萘酰亚胺类型荧光增白剂以外还可用于制造荧光染料等。本文表1列出的编号5的荧光增白剂就是由它合成的。 荧光增白剂APL(编号5)的合成,具体合成工艺如下:4-硝基-1,8-萘二甲酸酐在乙醇中与正丁胺反应,得到N-丁基-4-硝基-1,8-萘酰亚胺,后者中的硝基用水合肼或氯化亚锡还原,得到N-丁基-4-氨基-1,8-萘酰亚胺,{zh1}氨基用乙酸酐酰化得到N-丁基-4-乙酰氨基-1,8-萘酰亚胺,即荧光增白剂APL。 3 应用 萘酰亚胺类型荧光增白剂的光化学稳定性及热化学稳定性相当好,因此可用于聚酯纤维(即涤纶)和塑料的增白,如本荧光增白剂AT、EH、 EFR和APL等。阳离子型和非离子型萘酰亚胺类型荧光增白剂可用于聚丙烯腈纤维(即腈纶)的增白。 这类荧光增白剂的某些品种和其他化学结构类型、如二苯乙烯基苯类型荧光增白剂的一些品种可以按一定比例混合,制造复配型荧光增白剂用于织物的增白,其增白强度明显提高,可取得事半功倍的效果。 以荧光增白剂AT和二苯乙烯基苯类荧光增白剂复配用于涤纶增白,所得结果如表2所示。 表2 复配物各组分的比例及在涤纶中的使用效果 注:组分A为荧光增白剂AT,组分B是由二苯乙烯基苯类型荧光增白剂的3种异构体组成(荧光增白剂ER(330%) 占15%,ER-Ⅲ 占15%,ER-Ⅱ 占70%)。 由表2 可看出,单独使用荧光增白剂AT用于涤纶增白,白度为191,使用复配型荧光增白剂白度可以提高到224~230,效果非常明显。 4 新品种的研究动态 近些年国外对该类型荧光增白剂的研究工作也比较活跃,开发出一些萘酰亚胺类型荧光增白剂的新品种以及新的化合物,这些新品种和新化合物已突破传统荧光增白剂的使用范围和使用效果,在一些高科技领域中使用,拓宽了荧光增白剂的应用领域。 将杂环结构引入萘酰亚胺类型荧光增白剂中,得到含多个发色团的新型荧光增白剂[2]。这些杂环结构有噁唑环,三唑环等。 这类荧光增白剂的合成非常复杂,合成的成本也很高。但它们已不是作为传统的荧光增白剂用于常规的增白,而是用于一些高科技新技术领域的工业材料。 将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯或丙烯腈等与1.8-萘二甲酰亚胺类衍生物共聚,形成一种新的荧光共聚物[5]。 这类共聚物目前主要用于液晶显示器中。 5 结语 相对于其他资源而言,我国煤炭储量还是很丰富的,在钢铁工业快速发展的拉动下,炼焦工业发展也非常迅猛,炼焦所得的焦化产品——煤焦油的产量也是逐渐递增,充分利用煤焦油中含量较多的苊,积极开发其下游产品,提升其附加值是有深远意义的,荧光增白剂是苊下游产品中的一项重要开发的对象,这类荧光增白剂的光稳定性和化学稳定性都很好,在涤纶、腈纶及塑料等轻纺工业产品中都能使用,特别是其突破传统的应用范围,开拓了在液晶显示器等高科技领域的应用途径,这个性能是其他化学结构类型荧光增白剂很少能与之媲美的,值得业内人士关注。 参考文献 1) 陈明强,胡莹玉,沈永嘉. 苊的硝化反应[J].染料工业,2001,38(1):21 2) 柳波,沈永嘉,董黎芬,等. 1,8-萘酰亚胺衍生物的制备及其应用[J].染料工业,1995,32(5):26~27 3) 杨建新,梁跃华,王心亮,等.1,8-萘酰亚胺类荧光化合物的合成与应用[J].染料与染色,2004,41(3):165 4) 肖刚,王景国. 染料工业技术[M].北京:化学工业出版社,2004:233~238 5) 沈永嘉,李红斌,路炜. 荧光增白剂[M].北京:化学工业出版社,2004 6) 严宏斌,沈永嘉,董黎. 1,8-萘酰亚胺类阳离子荧光增白剂的合成及应用[J].精细化工,1997,14(1):39~40 |