伯胺/酚/甲醛路线合成苯并噁嗪的反应机理及结构调控

苯并噁嗪是近年来迅速发展起来的一类新型高性能树脂。伯胺路线是合成苯并噁嗪单体的工业化路线，然而由于体系中复杂的竞争反应，导致苯并噁嗪单体的环化率不高，产品质量、贮存稳定性和固化物的性能降低，已成为制约苯并噁嗪树脂应用发展的瓶颈问题。本项目从化学反应的基本原理出发，通过分子模拟与实验方法相结合，研究伯胺/酚/甲醛三元体系合成苯并噁嗪单体过程中的竞争反应和反应动力学，研究合成反应的影响因素（包括原料的化学结构、取代基类型和摩尔配比、加料顺序、反应介质类型、体系pH值、温度等）。从理论上弄清合成反应历程和反应机理、揭示原料化学结构和宏观反应条件与微观合成反应机理之间的内在关系及基本规律，创建采用伯胺路线合成苯并噁嗪单体过程中调控反应和结构的技术方法。该项目的研究成果，对于完善苯并噁嗪的合成化学理论，对于指导苯并噁嗪树脂的工业生产和推动苯并噁嗪树脂的应用发展，均具有十分重要的意义。

本项目按照确定的研究目标和内容，重点围绕伯胺路线合成苯并噁嗪的反应历程、反应机理及动力学分析进行了系统深入研究。.在整体反应方面，选择苯胺、苯酚、甲醛为原料，二氧六环为溶剂，进行模型反应。通过对合成产物进行了组成表征、组分分离和结构表征，确定了主要的中间体和副产物；通过色谱跟踪合成过程中各组分的浓度变化并结合分子模拟计算过渡态能垒，推导了主反应历程和竞争反应，提出了新的反应机理，进行了总反应动力学分析。研究结果表明，这是一个复杂的反应体系，除了原料苯酚和目标产物苯并噁嗪，还存在中间体醛胺缩合物和邻位Mannich碱，以及少量酚类副产物；苯酚的消耗量与苯并噁嗪的生成量呈对称性变化的特殊关系，从而简化了分析方法，成功推导了苯并噁嗪（或苯酚）浓度—反应时间关系的动力学方程；随着伯胺碱性或酚取代基供电性增加，总反应速率常数升高、活化能降低。在基元反应方面，按照新的反应机理，将复杂反应分解为（a）伯胺化合物与甲醛生成醛胺缩合物的反应，(b)醛胺衍生物与苯酚生成Mannich碱的反应，(c) Mannich碱与甲醛生成苯并噁嗪的反应等三个基元反应,重点讨论了基元反应(c)，计算了动力学参数和平衡常数。研究表明，基元反应（a）为快速步，伯胺具有高活性，生成三嗪等多种不同结构的醛胺缩合物，介质pH值是重要影响因素。基元反应（c）亦为快速步，中间体N-羟甲基Mannich碱具有很高活性，反应级数为0；邻位Mannich碱和甲醛与苯并噁嗪和水之间存在平衡反应，降低水的含量、增加甲醛用量、使用憎水溶剂、适当降低温度，有利于平衡向苯并噁嗪方向移动。基元反应（b）为控速步，反应速率较慢，酚类化合物的活性及醛胺缩合物类型是关键因素。结合模型研究，选择工业上常用的几种双环苯并噁嗪，研究了宏观反应条件的影响。并将理论研究的成果用于指导合成改性和合成新技术的开发。研究表明，原料伯胺的碱性、溶剂极性、介质Ph值、加料方式和反应温度是伯胺路线合成苯并噁嗪的主要影响因素。在确保原料可溶性的前提下，选择低极性溶剂，弱碱性条件和较高的反应温度，可明显提升苯并噁嗪的收率和环化率。.该项目的研究成果，进一步完善了苯并噁嗪的合成化学理论，对于调控苯并噁嗪的合成反应、优化生产工艺和产品质量，推动应用发展，具有十分重要的意义。