[发明专利]N-(3-全氟己基磺酰胺基)丙基-N,N,N-三甲基碘化铵及其制备和应用

说明书

(一)技术领域

本发明涉及全氟己基季铵盐表面活性剂及其制备方法和应用。 

(二)背景技术

氟表面活性剂与普通表面活性剂相比，突出的性能是“三高、两憎”。即高表面活性，高耐热稳定性和化学惰性，既憎水又憎油[化工新型材料，2004，32(8)：46]，氟表面活性剂的高表面活性是由于其分子间的范德华引力小，导致了强烈的表面吸附。氟表面活性剂不仅对水的亲和力小，对碳氢化合物的亲和力也不高，因此形成了憎水憎油的特性。另外，因C-F键能(4.9×10⁵J·mol^-1)大于C-H键的键能(4.2×10⁵J·mol^-1)，C-F键比C-H键不易断裂。氟原子取代氢原子后，因氟原子体积比氢原子大，使C-C键因氟原子的屏蔽作用而得到保护，并且更加稳定。这决定了氟表面活性剂的高耐热稳定性和化学惰性。 

全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS)，它对人类健康和环境具有潜在的不利影响[Analytical Chemistry，2002，74：584-590]，正逐步被淘汰[化学进展，2006，18(6)：808-813.]。各国均着手寻找PFOS的替代品，美国3M公司研发用全氟丁基磺酸(PFBS)取代PFOS已取得了阶段性成果[3M Technical Data Bullet in Environmental，Health，Safety，and Regulatory(EHSR)Profile of Perfluorobutane Sulfonate(PFBS)，2007]。杨百勤等人也研发出以PFBS为原料的表面活性物质[物理化学学报，2009，25(12)：2409-2412]。全氟己基磺酰化物(PFHS)与PFOS、PFBS具有相同的反应性基团，且比PFOS有不同的药代动力学数据(较短的半寿命)和较低的毒性[中国化工信息周刊，2009，(15)]，可作为其替代品，且应该比PFBS有更好的拒油效果[纺织学，1984，5(1)：59-61]。 

N，N，N-三甲基-N-(N’-全氟辛基磺酰胺基)丙基碘化铵是性能优异的含氟表面活性剂，可以用于“轻水”泡沫灭火剂，但是受到PFOS的限制而被禁用。用含C₃和C₄的全氟化合物合成季铵盐，由于全氟基团碳链太短，其表面活性不高，在油类表面的铺展性能不佳，无法替代C₈的PFOS类“轻水”泡沫灭火剂。以全氟己基磺酰氟(C₆F₁₃SO₂F)为原料，代替被禁用的全氟辛基磺酰氟，制备季铵盐还未被报道。 

(三)发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有高表面活性的全氟己基季铵盐N-(3-全氟己基磺酰胺基)丙基-N，N，N-三甲基碘化铵。 

本发明的目的之二是提供一种简单的全氟季铵盐N-(3-全氟己基磺酰胺基)丙基-N，N，N-三甲基碘化铵的制备方法。 

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是： 

本发明所述的N-(3-全氟己基磺酰胺基)丙基-N，N，N-三甲基碘化铵，结构如式(I)所示： 

本发明提供了一种制备所述的N-(3-全氟己基磺酰胺基)丙基-N，N，N-三甲基碘化铵的方法，所述方法包括如下步骤： 

(1)以式(II)所示的全氟己基磺酰氟和式(III)所示的N，N-二甲基-1，3-丙二胺为原料，在缚酸剂存在下，在非质子有机溶剂中，于-10～150℃进行磺酰胺化反应，反应结束后经中和得到式(IV)所示的N，N-二甲基-N’-全氟己基磺酰基丙二胺； 

(2)N，N-二甲基-N’-全氟己基磺酰基丙二胺再与式(V)所示的碘甲烷在非质子有机溶剂中，于-10～100℃进行季铵化反应1～24h，反应液经分离纯化得到式(I)所示的N-(3-全氟己基磺酰胺基)丙基-N，N，N-三甲基碘化铵； 

本发明步骤(1)中，原料全氟己基磺酰氟和N，N-二甲基-1，3-丙二胺可使用市售商品。所述的全氟己基磺酰氟与N，N-二甲基-1，3-丙二胺的物质的量的比例为1∶0.5～5，较好的配比为1∶1.6～2.5，最佳配比为1∶1.6。