改性环烷酸咪唑啉的合成与性能评价

摘 要：以乙酸、二乙烯三胺、甲醛、无水乙醇等作为原料，在高温环境下合成改性环烷酸咪唑啉，确定改性环烷酸咪唑啉的最佳合成条件，分析改性环烷酸咪唑啉的脱水方法，对其性能进行研究。研究表明改性环烷酸咪唑啉具有非常好的缓蚀性能，在锅炉酸洗和油田水处理等方面发挥着重要的缓蚀作用。

关键词：改性环烷酸咪唑啉；环烷酸咪唑啉合成；环烷酸咪唑啉性能

中图分类号：TS211.2 文献标识码：A

咪唑啉化学学名为二氮杂环戊烯，存在形式为白色针状固体或白色乳状液体。早期咪唑啉被用于印刷产业和纺织产业，随着近年来对咪唑啉的研究逐渐深入，科学家发现咪哩琳在酸性条件下具有非常好的缓蚀性能 ，可以被用作缓蚀剂。咪唑啉不能被直接用为缓蚀剂，要以其为中间体进行改性，形成衍生物。 目前改性咪唑啉已经成为最常用的缓蚀剂之一，被广泛应用在锅炉酸洗和油田水处理之中[1]。

1 改性环烷酸咪唑啉的合成

改性环烷酸咪唑啉合成需要的主要仪器有：烧杯、搅拌器、加热机、冷凝回流管、三口烧瓶、温度计等。需要的主要药品有：乙酸、二乙烯三胺、甲醛、无水乙醇、活性剂、有机溶剂等。合成制备过程如下：将温度计、电动搅拌器和冷凝回流管放入三口烧瓶中，然后再将三口烧瓶放入加热机中；固定好烧瓶后滴入10g乙酸，接通冷凝水，开动搅拌器，对烧瓶进行加热，使温度升至60℃；反应一段时间后缓慢滴入30g二乙烯三胺，继续升温到160℃，在160℃的恒温下反应4小时；再次升温到200℃，在200℃的恒温下继续反应4小时[2]；最后冷却得到乙酸咪唑啉。高温环境下，乙酸与二乙烯三胺、三乙烯四胺、多乙烯多胺在有机溶剂中进行缩合反应得到乙烯酸咪唑啉。化学反应方程式如下所示：

CH3COOH +H2N （CH2）2NH （CH2）2NH2 →

CH3CONH（CH2）2NH（CH2 ）2NH2 +H2O →CH3（CH2）7CH

分析上述化學公式可以发现，这一反应可以划分为两步：高温条件下乙酸与二乙烯三胺产生缩合反应，分子脱去一个水分子得到酰胺，温度进一步升高使酰胺脱去一分子水形成咪唑啉五元环。

在生成咪唑啉五元环后进行脱水处理，这是因为生成的水会阻碍反应向正方向进行，减慢反应速度，甚至会促使生成物水解或者向其它负方向反应，降低产品纯度。目前常用的脱水方法有两种：（1）真空法。对反应溶剂进行降压处理，使其在较低压强下混合加热，完成脱水。（2）溶剂法。溶剂法需要进行两次脱水处理，第一次是在常压下，在反应溶剂中滴入甲苯或二甲苯，让其与水分子溶解，推动脱水反应。完成第一次脱水后，减压升温进行第二次脱水。真空法和溶剂法拥有不同的优点和缺点，溶剂法不需要过高的反应温度，产生的物质化学性质稳定，不容易变质，但是反应时间很长，而且收率低；真空法反应时间很短，但是成本较高，需要整个反应在真空环境下进行，不然得到的产物很容易变质。鉴于两种方法的各自特性，相关学者提出在化学反应前期阶段使用溶剂法，后期反应阶段结合真空法的混合法制备咪哩琳类物质，这样不仅能节省成本，而且能够加快反应时间，得到的反应物不容易变质，具有很好的缓蚀效果[3]。

2 改性环烷酸咪唑啉的性能

改性环烷酸咪唑啉是一种阳离子缓蚀剂，具有极高的缓蚀性能，也可以被用作两性缓蚀剂。将改性环烷酸咪唑啉与金属反应，会在金属表面形成单分子保护膜，吸附外界物质。研究改性环烷酸咪唑啉的吸附性能可以从物理吸附、化学吸附和π键吸附三个方面来分析： （1）物理吸附。改性环烷酸咪唑啉中的季胺基团离子与金属表面离子相互作用产生静电力和范德华力，静电引力具有很强的吸附作用，而N+的正电性很强，能够将金属表面的多余离子吸附到一起从而形成稳定的吸附膜，起到缓蚀作用。（2）化学吸附。改性环烷酸咪唑啉的性质是由极性集团和非极性基团两部分决定的，极性集团中心原子N、O、S中没有被用到的孤对电子会在金属表面存在形成空的d轨道，轨道内部会形成配位键，以供电型缓蚀剂分子的形式存在。（3）π键吸附。π键吸附只针对分子结构含有π电子的物质，很容易受到附近基团因子的影响。π键的吸附能力与空间位阻有很大关系，空间位阻越大，π键的吸附能力越强。极性集团的孤对电子还可以与π键作用形成共轭π键，提高缓蚀能力[4]。

3 结语

通过本文的研究发现改性环烷酸咪唑啉必须在高温情况下才能制成，具有非常好的缓蚀效果，而且制备步骤简单容易，制作时产生的环境污染较小，消耗的成本很低，是一种经济绿色环保的缓蚀剂。目前，国内外科学家对改性环烷酸咪唑啉的研究越来越深入，改性环烷酸咪唑啉的应用范围越来越广，在化学清洗、油田酸洗、油田缓蚀等多种行业都能用到改性环烷酸咪唑啉。但是在其合成与制备方面了解还不够完善，必须要进行更加仔细的研究，这样才能带来更大的经济效益。

参考文献：

[1]罗哲媛， 屈人伟.改性咪唑啉缓蚀剂在H2S—3%NaCl—H2O体系中缓蚀性能的研究[J].腐蚀与防护， 2000， 21（8）：345346.

[2] 李邦.水溶性咪唑啉季铵盐型缓蚀剂的合成及性能评价[J].精细石油化工， 2005（4）：4446.

[3]石顺存，方茹苕，蒋华鹏，等.环烷酸咪唑啉膦酰胺缓蚀性能的研究[J]. 材料保护， 2008， 41（3）：6264.

[4]雷良才，肖恺，沈愚，等.咪唑啉缓蚀剂的合成与缓蚀性能研究[J].腐蚀与防护， 2001，22（10）：420423.

作者简介：曾峥嵘（1981），男，陕西洛川县人，本科，实验师，研究方向为石油实验。