磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术主要解决以往技术中制备磺酸功能化吡咯烷酮离子液体的技术问题。本发明专利技术通过两步合成的方法将吡咯烷酮与烷基磺酸在40～330℃下加热；再将酸加入到上一步骤中，在30～350℃下充分反应，经过提纯处理得到的目标产物，该方案较好的解决了上述技术问题。所述磺酸功能化吡咯烷酮离子液体催化剂包括吡咯烷酮、烷基磺酸和酸根离子，以重量百分含量计，吡咯烷酮占总重量的35％～55％；烷基磺酸占总重量的20％～50％；酸根离子占总重量的1％～20％。本发明专利技术设计的离子液体催化剂应用于酸或酸酐与醇的酯化反应中，具有较高的催化活性、高稳定性、反应速率快且副产物少，有利于工业化应用。有利于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于液体催化剂
，具体涉及磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]酯化物可以作为重要的化工中间体，广泛应用于食品添加剂、增塑剂、香料、医疗用品、涂料等领域中。现如今的酯化反应催化领域中，常用的催化剂主要为无机酸催、固体超强酸、酶催化剂、酸性离子交换树脂、杂多酸、以及部分金属催化剂，例如钛系催化剂和铝系催化剂等。这些催化剂在工业生产中存在一定的缺点，对工业化生产存在一定阻碍。随着国家对环保的不断要求，以及可持续发展的前景。离子液体催化作为近几年研究的热点。
[0003]根据酯化反应的原理，质子酸可以催化酯化反应，离子液体表现出较强的酸性，它在酯化反应中表现出较高的活性。离子液体是室温下呈液态的熔融电解质，由阴阳离子组合而成。它们具有非挥发性、宽液程、可设计向强。离子液体的种类繁多通过对阴阳离子的设计和阳离子官能团的引入能增加离子液体的指定特性。针对于本公开中的吡咯烷酮类离子液体具有较强的溶解能力、可设计性强、酸性强是针对酯化反应较优的选择。而且在离子液体中引入磺酸官能团可以使离子液体兼顾固体酸和液体酸的优点，既提高了离子液体的酸性且增加了离子液体的稳定性，提高离子液体的循环使用率，有利于酯化反应的工业化生产。
[0004]在目前对于磺酸功能化吡咯烷酮离子液体的研究主要集中在2
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吡咯烷酮烷基磺酸化的方面。专利CM1880303合成了一种吡咯烷酮离子液体及其在催化酯化反应中的应用。专利 CN108658828公开了N
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烷基取代的吡咯烷酮离子液体，应用于酯化反应，结果表明吡咯烷酮类离子液体的催化活性完全可以替代传统催化剂。专利CN101024625公开了以吡咯烷酮磺酸内盐与酸为原料在0～120℃的条件下合成吡咯烷酮磺酸功能化离子液体。文献(黄宝华、汪艳飞、张焜、方岩雄、周蓓雷，吡咯烷酮酸性离子液体的合成及其对酯化反应的催化活性[J]. 催化学报，2007(08)：0743
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0748.)合成了1
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(3
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磺酸基)
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丙基
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2吡咯烷酮硫氢酸盐离子液体应用于乙酸正丁酯反应中，结果表明这种离子液体具有较高的催化活性，且具有很高的重复使用率。可见在吡咯烷酮离子液体中引入磺酸官能团，在酯化反应中比较具有应用前进景。在本公开中引入了烷基侧链更长的磺酸，经过吡咯烷酮、烷基磺酸和酸直接合成吡咯烷酮磺酸化离子液体并应用于多种酯化反应中，展现较高的活性和稳定性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的不足与难题，本专利技术旨在提供一种。
[0006]本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术第一方面提供一种磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂，该催化剂包括吡咯烷酮、烷基磺酸和酸根离子，其结构式如式(I)所示：
[0008][0009]式中，R为烷基，n为4～8，吡咯烷酮为2
‑
吡咯烷酮、N
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甲基吡咯烷酮、N
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乙基吡咯烷酮、 N
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环己基吡咯烷酮或N
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辛基吡咯烷酮；B
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为酸根离子，例如硫酸、对甲苯磺酸、甲基磺酸；
[0010]以重量百分含量计，吡咯烷酮占总重量的35％～55％；烷基磺酸占总重量的20％～50％；酸根离子占总重量的1％～20％。
[0011]上述方案中所述的磺酸功能化吡咯烷酮离子液体pH在1.0～3.5；电导率在0.35～1.4S/m；粘度在400～750mPa
·
s。
[0012]本专利技术第二方面提供上述磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂的制备方法，克服现有技术离子液体合成繁琐和离子液体种类单一的问题。
[0013]磺酸功能化吡咯烷酮离子液体经过以下步骤制得：
[0014]S1：离子液体前驱体的制备：将吡咯烷酮与烷基磺酸以摩尔比1∶(1.0～2.5)的比例溶于溶剂A中，然后逐步升温到40～330℃下加热，搅拌1～48h，此时的离子液体前驱体为离子液体的阳离子。
[0015]S2：离子液体前驱体处理：由S1步骤所得的离子液体阳离子在常温下用溶剂A洗涤后，再于50～120℃干燥1～24h。
[0016]S3：将经过步骤S2处理过的离子液体前驱体与酸以摩尔比1∶(1.01～3.2)的比例混合在30～350℃下搅拌2～48h，在50～100℃下蒸发0.5～2h得到磺酸化离子液体。
[0017]上述方案中所述的溶剂A是乙酸乙酯、甲苯、乙醚中的至少一种。吡咯烷酮为2
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吡咯烷酮、N
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甲基吡咯烷酮、N
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乙基吡咯烷酮、环己基吡咯烷酮、N
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辛基吡咯烷酮中的至少一种。烷基磺酸为1，4丁烷磺酸内酯、戊烷磺酸、己烷磺酸、庚烷磺酸、辛烷磺酸中的至少一种。酸为浓硫酸、对甲苯磺酸、甲基磺酸中的至少一种。
[0018]所述的物料配比的优选范围为：吡咯烷酮与烷基磺酸的摩尔比为1∶(1.02～1.8)，离子液体前驱体与酸的摩尔比为1∶(1.02～2.0)。
[0019]所述的步骤S1中合成离子液体前驱体中的反应温度为40～200℃，搅拌时间为2～10h，步骤S3中离子液体前驱体与酸反应的温度为50～200℃，搅拌时间为2～12h。
[0020]本专利技术第三方面提供上述磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂的应用，为了克服传统催化剂在酯化反应中副产物多、价格昂贵、合成困难、难分离的等缺点，本专利技术制备的磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂可应用于酯化反应的合成，该合成方法具有酸性强、稳定性高、催化活性高、合成简单等优点。具体为：
[0021]以上述磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体作为催化剂，以含有酸酐或酸和醇的物质为原料，其中酸酐或酸与醇的摩尔比为1∶(1.0～20)，将酸酐或酸与醇的混合物与催化剂接触，催化剂的用量以酸酐或酸与醇的总质量的0.00001～40wt％，在反应温度为80～240℃，
反应时间为 1～10小时，反应压力0.05～5MPa的反应条件下与催化剂接触反应生成含有酯的物质。
[0022]上述方案中，所述的酸或者酸酐为邻苯二甲酸酐、对苯二甲酸、萘二羧酸、醋酸中的至少一种。所述的酸为甲醇、乙醇、乙二醇、正丁醇、丙二醇、异辛醇中的至少一种。所述的酸与醇的摩尔比优选为1∶(2.1～10)，离子液体的用量优选为酸醇总质量的0.0001～15％。
[0023]与现有技术相比，本专利技术有益效果包括：
[0024](1)本专利技术用两步法合成了磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂，催化剂中含有质量分数为20％～50％的烷基磺酸，该离子液体催化剂的的pH在1.0～3.5；电导率在0.35～1.4S/m；粘度在400～750mPa
·
s。
[0025](2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂，其特征在于：所述催化剂包括吡咯烷酮、烷基磺酸和酸根离子，其结构式如式(I)所示：式中，R为烷基，n为4～8，吡咯烷酮为2
‑
吡咯烷酮、N
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甲基吡咯烷酮、N
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乙基吡咯烷酮、N
‑
环己基吡咯烷酮或N
‑
辛基吡咯烷酮；B
‑
为酸根离子；以重量百分含量计，吡咯烷酮占总重量的35％～55％；烷基磺酸占总重量的20％～50％；酸根离子占总重量的1％～20％。2.根据权利要求1所述的磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂，其特征在于：所述磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体的pH在1.0～3.5；电导率在0.35～1.4S/m；粘度在400～750mPa
·
s。3.如权利要求1或2所述的磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂的制备方法，其特征在于，所述磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体经过以下步骤制得：S1：离子液体前驱体的制备：将吡咯烷酮与烷基磺酸以摩尔比1∶(1.0～2.5)的比例溶于溶剂A中，然后逐步升温到40～330℃，搅拌1～48h，此时的离子液体前驱体为离子液体的阳离子；S2：离子液体前驱体的处理：由S1步骤所得的离子液体的阳离子在常温下用溶剂A洗涤后，再于50～120℃干燥1～24h，制得离子液体前驱体；S3：将经过步骤S2处理过的离子液体前驱体与酸以摩尔比1∶(1.0～3.2)的比例混合后在30～350℃下搅拌2～48h，在50～100℃下蒸发0.5～2h得到磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体。4.根据权利要求3所述的磺酸功能化的吡咯烷酮离子液体催化剂的制备方法，其特征在于：所述溶剂A是乙酸乙酯、甲苯、乙醚中的至少一种；所述吡咯烷酮为2
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吡咯烷酮、N
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甲基吡咯烷酮、N
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【专利技术属性】
技术研发人员：冯刚，张雪，张荣斌，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：