stringtranslate.com

Алкилкетендимер

структура AKD, полученная из пальмитиновой кислоты

Алкилкетендимеры (АКД) представляют собой семейство органических соединений на основе 4-членной кольцевой системы оксетан-2-она , который также является центральным структурным элементом пропиолактона и дикетена . К оксетановому кольцу технически важных димеров алкилкетенов присоединена C 12 – C 16 алкильная группа в 3-положении и C 13 – C 17 алкилиденовая группа в 4-положении.

Основное применение димеров алкилированных кетенов — проклейка бумаги и картона , а также гидрофобизация целлюлозных волокон . Модифицированные таким образом продукты отличаются более высокой механической прочностью и меньшим проникновением воды, чернил или печатных красок . [1]

AKD содержат гидрофобные алкильные группы, отходящие от кольца бета-пропиолактона . Конкретный пример получен из димеризации кетена стеариновой кислоты . Этот кетен образуется в результате пиролиза стеароилхлорида. [2] AKD реагируют с гидроксильными группами целлюлозы посредством реакции этерификации . Этерификация конкурирует с гидролизом АКД. До разработки AKD гидрофобность придавалась добавлению в бумагу канифоли . [3]

С AKD связан алкенилянтарный ангидрид (ASA). Что касается AKD, ASA реагирует с гидроксигруппами целлюлозы с образованием сложного эфира, закрепляющего гидрофобную группу на поверхности. АСК получают еновой реакцией ненасыщенных углеводородов с малеиновым ангидридом . [4]

История

В 1901 году Эдгар Ведекинд опубликовал синтез димеров алкилкетенов реакцией хлоридов карбоновых кислот с третичными аминами : [5] [6]

RCH 2 COCl + R 3 N → RCH=C=O + R 3 NHCl Молекулярная масса, определенная ранними исследователями, указана ( CH 3 ) 2 CH=C=O ) n , где n > 1 для дегидрогалогенирования изобутирилхлорида триэтиламином . . [7] [8]

Альтернативные структуры продуктов димеризации
Альтернативные структуры продуктов димеризации

Первичные продукты реакции хлорангидридов кислот с атомами водорода в α-положении и третичных аминов были идентифицированы Германом Штаудингером [9] [10] и Норманом Томасом Мортимером Уилсмором [11] как высокореакционноспособные кетены (этеноны), образующие 2-оксетаноны с алкилиденовая группа при димеризации в режиме [2+2] фотоциклоприсоединения .

Понимание Штаудингера осложнялось зависимостью димеризации от заместителей. Простой кетен (H 2 C=C=O) димеризуется до дикетена (4-метилен-оксетан-2-она), а замещенные кетены, например диметилкетен (Me 2 C=C=O, образуются из изобутирилхлорида с триэтиламином ) димеризуются в результате присоединения «голова к хвосту» с 2,2,4,4-тетраметилциклобутандионом . [7] [12]

Димеризация диметилкетена в тетраметил-1,3-циклобутандион
Димеризация диметилкетена в тетраметил-1,3-циклобутандион

2,2,4,4,4-тетраметилциклобутандион легко изомеризуется в димер диметилкетена (4-изопропилиден-3,3-диметилоксетан-2-он). [13]

Синтез и характеристика димера гексадецилкетена, ключевого вещества для алкилированных димеров кетена, были впервые описаны в патенте [14] в 1945 году и в публикации [15] в 1947 году.

Подготовка

Промышленный синтез алкилированных кетендимеров (в то время еще называвшихся кетоэтенонами) был запатентован в 1945 году из хлорангидридов длинноцепных карбоновых кислот в инертных растворителях (таких как диэтиловый эфир или бензол ) с триэтиламином в качестве третичного амина в безводных условиях. После фильтрации нерастворимого гидрохлорида триэтиламина и выпаривания растворителя димеры длинноцепных алкильных цепей получаются с выходами более 90%. [14]

Синтез C18-AKD из стеароилхлорида
Синтез C 18 -AKD из стеароилхлорида

Использование других растворителей, таких как эфиры карбоновых кислот или кетоны , для более легкого разделения гидрохлоридов триалкиламинов или других аминов, таких как N,N,N',N'- тетраметилгексан-1,6-диамин [16], не обеспечивает какие-либо существенные преимущества.

Описаны также способы без использования растворителя, в которых полученный гидрохлорид амина либо отфильтровывают, либо экстрагируют разбавленными водными кислотами. [17]

Непрерывный процесс, в котором длинноцепочечный хлорангидрид карбоновой кислоты и третичный амин (например, диметилизопропиламин, диметилциклогексиламин или триэтиламин) подаются отдельно, без растворителей, в трубчатый реактор, месильную машину или предпочтительно двухшнековый экструдер или планетарный валковый экструдер и подвергаются реакции при температурах от 90 и 110 °C, обеспечивает содержание лактона более 90% при коротком времени реакции. Обработку осуществляют путем разделения фаз или кислотной экстракции. [18]

Использовать

Алкилированные димеры кетена в качестве проклеивающих веществ для бумаги

Проблемы с кислой (опосредованной сульфатом алюминия) массовой проклейкой бумаги с помощью канифольных смол, расщепляемых щелочью, возникшие с начала 19 века, привели помимо использования щелочных флокулянтов (таких как мел или карбонат кальция в качестве резерва щелочи) к поиску альтернативные материалы для калибровки в нейтральной или щелочной среде. В дополнение к значительно более реакционноспособным алкенилянтарным ангидридам (которые также быстро гидролизуются в присутствии воды) алкилированные димеры кетена стали предпочтительными размерами поверхности и массы в бумажной промышленности с 1960-х годов, начиная с 1950-х годов. [19]

Структурная формула C18-алкенилбернштайнсауреангидрид (ASA)
Структурформель C 18 -Алкенилбернштайнсауреангидрид (ASA)

Промышленно применяемые AKD получают из жирных кислот с длиной цепи от C14 ( миристиновая кислота ) до C22 ( бегеновая кислота ); Предпочтительно используют пальмитил(С16)дикетен и стеарил(С18)кетен и их смеси, а также смеси жирных кислот, полученные в результате гидролиза животных и растительных жиров. Из-за длины цепи исходных жирных кислот AKD представляют собой воскообразные твердые вещества с температурой плавления от 42 до примерно 70 °C. Смеси димеров алкилированных кетенов и воды представляют собой дисперсии при температуре ниже 40 °С или эмульсии при температуре выше 45 °С. Жидкие АКД широко не используются, они основаны на ненасыщенных жирных кислотах, таких как олеиновая кислота , или разветвленных жирных кислотах, таких как изостеариновая кислота.

Водные дисперсии алкилдикетенов обычно содержат 10-20 мас.% АКД, а также активные защитные коллоиды (особенно поликатионы , такие как катионный крахмал, сополимеры N -винилпирролидона и кватернизованного N - винилимидазола, ацилированные полиэтиленимины или катионные высокомолекулярные полиакриламиды со средней молярной молярностью). масса до 7 млн ​​г/моль) и другие стабилизаторы (обычно анионные ПАВ, например лигнинсульфонаты или продукты конденсации натриевой соли нафталинсульфокислоты и формальдегида ). [20] Такие стабилизированные дисперсии АКД активны и стабильны при комнатной температуре до трех месяцев, а также допускают добавление различных наполнителей для бумаги или картона (например, каолина , мела, талька, диоксида титана , сульфата кальция , оксида алюминия и т. д. ) от 5 до 25%. Количества димеров алкилкетена, используемых для проклейки бумаги и бумажных изделий, предпочтительно находятся в диапазоне от 0,15 до 0,8% мас., иногда от 0,05 до 0,2% мас. [18] в расчете на сухую бумажную массу.

Проклейка бумаги с алкилированными кетеновыми димерами

Для калибровки бумаги с помощью AKD был предложен трехэтапный процесс, который, несмотря на спорные дискуссии в 1990-х годах, кажется, лучше всего описывает происходящие процессы и объясняет достигнутые результаты. [21] Решающими критериями качества гидрофобности бумаги являются

  1. удержание частиц АКД на влажной бумажной массе на бумажном сите
  2. растекание частиц АКД по поверхности и проникновение в бумажную массу
  3. химическая реакция гидроксильных групп целлюлозы ( этерификация ) с алкилированными димерами кетена с образованием эфиров бета-кетокарбоновых кислот.
Реакция алкилкетендимерена (АКД) с целлюлозой
Реакция алкилкетендимерена (АКД) с целлюлозой

Молекулярная структура (т.е. молярная масса и степень сшивки), молярная плотность заряда катионных групп, точная дозировка катионного полимера в качестве стабилизатора дисперсии и средства удержания, а также соблюдение других параметров процесса, таких как температура, pH и время пребывания имеет решающее значение.

После удаления избытка воды - также во избежание гидролиза АКД до бета-кетокислоты и последующего декарбоксилирования до кетона -

Гидролиз алкилкетендимеров из бета-кетозаурена и декарбоксилирования кетона
Гидролиз алкилкетендимеров из бета-кетозаурена и декарбоксилирования кетона

следует за растрескиванием стабилизированных частиц AKD на бумажной массе, плавлением твердого воска AKD (приблизительно 90 °C), распространением жидкого воска AKD путем поверхностной диффузии на целлюлозные волокна и образованием замкнутых гидрофобных слои. Толщина гидрофобных слоев зависит от концентрации АКД в дисперсии. [22]

Объявление 3. Гидрофобизация целлюлозных волокон димерами алкилированных кетенов наиболее эффективно протекает в нейтральных или предпочтительно слабощелочных средах (рН 7,5-9,0). Температура реакции обычно составляет 90-110°C, при этом примерно 40% используемого AKD реагирует с целлюлозой. [21] После реакции были измерены краевые углы >100°, что указывает на гидрофобный характер поверхностей модели, модифицированной AKD. Этерификация гидроксильных групп целлюлозных волокон также была продемонстрирована с помощью сравнительных реакций с 14 C-меченым AKD. [21]

Проклейка AKD подходит для постоянной гидрофобизации газетной, печатной и писчей бумаги и картона, используемых в качестве контейнера для жидкостей (включая пищевые продукты, такие как молоко), а также для улучшения стабильности формы и текучести.

Литература

Рекомендации

  1. ^ «АКД, димер алкилкетена».
  2. ^ Раймунд Миллер, Клаудио Абаечерли, Адель Саид, Барри Джексон «Кетенес» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2001, Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a15_063
  3. ^ Вернер Дж. Охорн «Бумага и картон, 3. Химические добавки» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана Wiley-VCH, Вайнхайм. 2012. дои : 10.1002/14356007.o18_o11
  4. ^ Гесс, Джером; Ренд, Доминик (2005). «Алкенилянтарный ангидрид (АСА)». Журнал ТАППИ . 4 : 25–30.
  5. ^ Ведекинд, Эдгар (май 1901 г.). «Ueber die Gewinnung von Säureanhydriden mit Hülfe von tertiären Aminen» [О подкислении ангидридов кислот с использованием третичных аминов]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 34 (2): 2070–2077. дои : 10.1002/cber.190103402122.
  6. ^ Ведекинд, Эдгар (1902). «Ueber das Verhalten einiger Säureloride bei der Chlorwassersstoffentziehung» [О поведении некоторых хлорангидридов при удалении хлористого водорода]. Annalen der Chemie Юстуса Либиха (на немецком языке). 323 (2): 246–257. дои : 10.1002/jlac.19023230206.
  7. ^ аб Ведекинг, Э.; Вайсванге, В. (март 1906 г.). «Ueber die Synthese eines Diketons der Cyclobutanreihe» [О синтезе дикетона циклобутанового ряда]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 39 (2): 1631–1646. дои : 10.1002/cber.19060390287.
  8. ^ Ведекинд, Э.; Хойссерманн, Дж.; Вайсванге, В.; Миллер, М. (1911). «Pyrononsynthesen mit Hilfe der Tertiärbasenreaktion II» [Синтез пиронона с использованием третичной реакции красителя II]. Annalen der Chemie Юстуса Либиха (на немецком языке). 378 (3): 261–292. дои : 10.1002/jlac.19113780302.
  9. ^ Штаудингер, Герман (март 1905 г.). «Кетене, eine neue Körperklasse» [Кетене, новый класс кузова]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 38 (2): 1735–1739. дои : 10.1002/cber.19050380283.
  10. ^ Штаудингер, Х.; Клевер, HW (январь 1907 г.). «Über Ketene. 5. Mitteilung. Reaktionen des Dimethylketens» [О кетенах. 5. Общение. Реакции диметилкетена. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 40 (1): 1149–1153. дои : 10.1002/cber.190704001170.
  11. ^ Уилсомор, NTM; Стюарт, AW (январь 1908 г.). "Keten. Bemerkungen zu der Abhandlung der HHrn. Staudinger und Klever" [Кетене. Замечания по поводу трактата Х.Хрн. Штаудингер и Клевер]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на немецком языке). 41 (1): 1025–1027. дои : 10.1002/cber.190804101202.
  12. ^ Хейсген, Рольф; Отто, Питер (сентябрь 1968 г.). «Механизм димеризации диметилкетена». Журнал Американского химического общества . 90 (19): 5342–5343. дои : 10.1021/ja01021a090.
  13. ^ «ДИМЕТИЛКЕТЕН-β-ЛАКТОН ДИМЕР» . Органические синтезы . doi : 10.15227/orgsyn.048.0072.
  14. ^ ab US 2369919, JC Sauer, «Кетоэтеноны и способ их получения», опубликовано 20 февраля 1945 г., передано EI du Pont de Nemours & Co. 
  15. ^ Зауэр, JC (октябрь 1947 г.). «Димеры кетена из галогенангидридов». Журнал Американского химического общества . 69 (10): 2444–2448. дои : 10.1021/ja01202a058.
  16. ^ US 7960497, DA Gerstenhaber, «Получение димеров алкилкетена», опубликовано 14 июня 2011 г., передано Hercules Inc. 
  17. ^ US 5344943, Н. Бролунд, «Длинноцепочечные димеры кетена», опубликовано 6 сентября 1994 г., передано Akzo Nobel BV. 
  18. ^ ab WO 03045936, Р. Эттл, М. Винтер, Т. Фрейнд, Т. Кесслер, Г. Гримм, «Способ получения димеров алкилкетена», опубликовано 5 июня 2003 г., передано BASF AG. 
  19. ^ US 2627477, WF Downey, «Эмульсия димера высших алкилкетенов», опубликована 3 февраля 1953 г., передана Hercules Powder Co. 
  20. ^ WO 2007141197, К. Хамерс, А. Брокмейер, М. Шмид, К. Лоренц, У. Рибелинг, «Водные дисперсии димеров алкилкетена», опубликовано 13 декабря 2007 г., передано BASF AG. 
  21. ^ abc Линдстрем, Т.; Ларссон, Т. (2005), STFI-Packfors (ред.), Заметка об определении размера AKD: исследование реальных и очевидных противоречий в литературе относительно распространения / диффузии AKD на целлюлозе, Отчет №. 81 (PDF)
  22. ^ Линдфорс, Дж.; Сахми, Дж.; Лейн, Дж.; Стениус, П. (2007), «Поверхности моделей AKD и ASA: подготовка и характеристика» (PDF) , BioResources , vol. 2, нет. 4, стр. 652–670.