楊小鋼　鄧兆群　李常勝　羅勇
摘要：以氰乙酸乙酯和多聚甲醛為原料合成α-氰基丙烯酸乙酯，無催化合成的最優反應條件是：n(CNCH2COOC2H5)︰n﹝(HCHO)n﹞=1.00︰1.05、反應溫度82～85 ℃、溶劑(乙酸乙酯)用量200 mL/mol氰乙酸乙酯、反應時間3 h,合成收率58.2%(質量分數≧99.0%)。
關鍵詞：α-氰基丙烯酸乙酯﹔無催化合成﹔氰乙酸乙酯
中圖分類號：TQ225.24　　文獻標識碼：A
文章編號：1003-5214(2000)04-0208-03
Study on Non-catalytic Synthesis of Ethyl-α-cyanoacrylate
YANG Xiao-gang, DENG Zhao-qun,LI Chang-sheng, LUO Yong
(Department of Chemistry，Basic Medical College,Hubei Medical University,Wuhan 430072,China)
Abstract: Ethyl-α-cyanoacrylate (Ⅰ) was synthesized by condensation of ethyl cyanoacetate(Ⅱ) and paraformaldehyde(Ⅲ) without catalyst. The optimum conditions of the non-catalytic synthesis ofⅠ were obtained:molar ratio of Ⅱ to Ⅲ=1.00︰1.05，reaction temperature=82-85 ℃, ratio of solvent(ethyl acetate) to Ⅱ=200 mL/molⅡ, reaction time=3 h. The yield was 58.2%(the purity ≧99.0%).
Key Words:ethyl-α-cyanoacrylate﹔non-catalytic synthesis;ethyl cyanoacetate
　　α-氰基丙烯酸酯材料具有粘合速度快、粘合力強和良好的生物相容性及體內降解性能,是一類重要的生物醫用材料。作為醫用粘合劑已有5個系列12個品種應用于臨床,作為藥物控制釋放載體的應用也有較多報道﹝1﹞。α-氰基丙烯酸乙酯是最常用材料之一，其合成方法較多﹝2﹞。目前已工業化的方法是克腦文蓋爾縮合法(Knoevenagel condensation)，反應式如下：
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　　(1)
　　(2)
　　在反應式(1)中，通常認為催化劑是必不可少的﹝3﹞。常用的催化劑是銨鹽、仲胺及其鹽等，常用溶劑是苯、二氯乙烷等。在催化合成方法中，為了除去反應催化劑， 需要對預聚體進行酸洗、水洗和脫水等操作，由于預聚體的黏度較大， 故生產操作十分困難,而且還有廢水污染和產品質量分數難以提高(質量分數≒94％)等缺點。作者采用無毒溶劑，在無外加催化劑的條件下,用氰乙酸乙酯與多聚甲醛反應合成α-氰基丙烯酸乙酯獲得成功，大大簡化了合成工藝，消除了廢水污染，提高了產品質量分數。
1　實驗
11.1　儀器與試劑
　　JEOL FX-90Q核磁共振光譜儀，Nicolet 170 SX FT-IR紅外光譜儀，VG 7070E質譜儀，Shimadzu UV-240 紫外可見分光光度計。乙酸乙酯為分析純，其余藥品均為化學純。
1.2　實驗操作
　　在裝有攪拌器、回流分水裝置的500 mL三頸瓶中加入120.0 g氰乙酸乙酯(1.0 mol)和一定比例的多聚甲醛及溶劑，攪拌下緩緩加熱，共沸去水一定時間后，稍冷，加入30 mL鄰苯二甲酸二辛酯，攪拌。常壓蒸餾去溶劑，除盡溶劑后，加入1.0 g對苯二酚和2.0 g P2O5，然后在SO2氣氛下進行減壓熱裂解(170～220 ℃/2.67 kPa)，得粗產品。再減壓蒸餾一次，加入微量的對苯二酚和SO2阻聚保存，產品質量分數按文獻﹝4﹞方法測定。[NextPage]

2　結果與討論
2.1　產品的結構表征
　　對無催化合成的產品進行 1　HNMR、IR和MS測試，結果如下：
　　　1HNMR (CDCl3，δ)：7.00,6.58(2H, CH2=C)，4.20～4.44(2H,q,─OCH2─)，1.28～1.44(3H,t,CH3)﹔IR(液膜，ν，cm-1)：3128(=C─H), 2986(C─H), 2239(C N), 1738(C=O)，1614(C=C)，1192, 1020(C─O─C)﹔MS(70 eV)m/Z：125(M+，2.58%),98(35.1%)，80(100.00%)，52(70.97%)。
　　以上結果表明無催化合成的α-氰基丙烯酸乙酯結構正確。
2.2　催化劑的影響
　　在催化劑作用下，氰乙酸乙酯與多聚甲醛反應條件是：兩者的物質的量比為1︰1、反應溫度約80 ℃、反應時間2 h，收率為70％(質量分數
PAN>≒94％)。催化方法的缺點除生產操作十分困難和廢水污染外，主要是產品的質量分數不高，且難以提高(影響產品性能和使用)﹝2﹞。原因是反應式(1)中生成的預聚體有﹝A﹞和﹝B﹞兩種結構﹝5﹞，它們裂解后得不同產物：

　　由于預聚體﹝A﹞裂解物中有氰乙酸乙酯(它與α-氰基丙烯酸乙酯的沸點相近)，所以產品質量分數難以提高。在催化合成中，人們主要通過控制原料的物質的量比以使反應盡量生成﹝B﹞結構預聚體來提高產品的質量分數。無催化的氰乙酸乙酯與多聚甲醛的反應未見文獻報道。作者通過實驗發現：不使用催化劑，在適當條件下，該反應可獲得較高的合成收率，免去了催化合成方法中為除去催化劑所進行的酸洗、水洗和脫水等操作，消除了廢水對環境的污染，并可提高產品的質量分數。提高質量分數的原因目前尚不清楚，可能與提高了﹝B﹞結構預聚體的生成量有關。另外，作者還發現無催化方法合成的預聚體較易解聚，據文獻﹝2﹞報道，預聚體解聚要求系統壓力低于0.80 kPa，當系統壓力高于1.33 kPa時，即不能解聚，而本法合成的預聚體可以在系統壓力2.67 kPa的條件下解聚，可降低對生產設備的要求。
2.3　無催化合成條件的優化
　　為優化無催化合成的反應條件，在探索實驗的基礎上，作者設計了一組4因素3水平的正交實驗，結果見表1。
　　由正交實驗的極差R可知，反應各因素對合成收率影響的主次順序是：反應溫度＞原料物質的量比＞溶劑用量＞反應時間。其中，反應溫度對合成收率影響最大，由于多聚甲醛在80 ℃以下難以解聚，故實驗溫度都選在80 ℃以上。當溫度高于90 ℃時，多聚甲醛解聚過快(瞬間過量的甲醛氣體會逸出反應體系)，產率較低，當溫度為82～85 ℃時，多聚甲醛解聚較為平穩，可與克腦文蓋爾縮合反應速度相配合，故合成收率較高。原料物質的量比對產率影響次之，增大原料物質的量比至1.00︰1.05，可提高產率﹔但再增大到1.00︰1.10，則不能進一步提高產率，原料物質的量比以1.00︰1.05為宜。溶劑用量對產率影響又次之，溶劑用量過少，產率降低，這是由于甲醛氣體過濃會逸出反應體系的緣故。溶劑用量應選200 mL/mol氰乙酸乙酯為宜。反應時間對產率影響最小，只需比催化合成的反應時間略為延長即可，為3 h。
表1　L9(34)正交實驗表
實驗
號    n(CNCH2COOC2H5)︰
n﹝(HCHO)n﹞    t/℃font-kerning: 1.0pt; mso-ansi-language: EN-US; mso-fareast-language: ZH-CN; mso-bidi-language: AR-SA" twffan="done">    溶劑
用量/mL    t/h    收率/%
1    1.00︰1.00    82～85    100    2    46.3
2    1.00︰1.00    89～92    150    3    36.7
3    1.00︰1.00    110～115    200    4    29.3
4    1.00︰1.05    82～85    150    4    58.1
5    1.00︰1.05    89～92    200    2    39.2
6    1.00︰1.05    110～115    100    3    30.4
7    1.00︰1.10    82～85    200    3    58.3
8    1.00︰1.10    89～92    100    4    38.5
9    1.00︰1.10    110～115    150    2    30.8
k1    112.3    162.7    115.2    116.3    
k2    127.7    114.4    125.6    125.4    
k3    127.6    90.5    126.8    125.9    
R    15.4    72.2    11.6    9.6    
　　 反應溫度82～85、
PAN lang=EN-US twffan="done">89～92和110～115　℃，所用溶劑分別是乙酸乙酯、乙酸異丙酯和乙酸正丁酯﹔ 溶劑用量為每摩爾氰乙酸乙酯所加乙酸乙酯、乙酸異丙酯和乙酸正丁酯的體積數。
　　在上述優化條件下進行3次平行實驗，產率分別為58.1%、58.5%和58.4%，目的物質量分數≧99.0%。表明本實驗條件有較高可靠性和重現性。
2.4　廢液的回收利用
　　將每次減壓蒸餾的前、后餾分合并加入到下次反應完后的預聚體溶液中，保溫(82 ℃)攪拌30 min，然后一起脫溶、高溫解聚和減壓蒸餾，可使收率再提高約6%。[NextPage]