甲基丙烯酸甲酯
有机化合物
甲基丙烯酸甲酯(Methyl Methacrylate,简称MMA)是一种重要的有机化工单体,主要用于合成聚合物,常温下为无色透明液体、易挥发、具有刺激性气味。
历史与发展
发现
1843年,化学家约翰·爱德华·西蒙在德国通过一种名为“焦木酸”(木醋液)的物质的分馏产物中,首次发现并描述了一种未知的酸性物质,即甲基丙烯酸。他当时将这种酸命名为“焦木酸之一”,但并未能完全确定其结构,更未合成其酯类。几十年后,在1865年,化学家威廉·亨利·帕金等人独立地通过新的方法再次合成了这种酸,并正确地确定了其化学结构。他们将其命名为“Methacrylic Acid”,意为“甲基丙烯酸”,这个名字一直沿用至今。在明确了酸的结构后,化学家们开始合成其各种酯类。大约在1880年,德国化学家莫里茨·弗赖赫尔·冯·洛斯科和奥托·沙尔巴赫等人首次通过甲基丙烯酸与甲醇的酯化反应,合成了甲基丙烯酸甲酯单体。
商业化
1901年,德国化学家奥托·罗姆开始系统性地研究丙烯酸和甲基丙烯酸酯类。他发现,这些酯类在加热、光照或接触空气时,会变成坚硬的透明玻璃状物质。经过多年的研究,罗姆和他的同事瓦尔特·哈恩在达姆施塔特的罗姆&Haas公司实验室中,终于找到了安全、可控地聚合甲基丙烯酸甲酯的方法。他们发现,通过使用过氧化物作为引发剂,并在两块平板玻璃之间进行聚合,可以生产出光学性能优异、表面光滑的板材。
1933年,Rohm&Haas公司成功实现了聚甲基丙烯酸甲酯的工业化生产,并将其商品化,注册商标为“Plexiglas”(珀斯佩有机玻璃)。几乎在同一时期,美国的杜邦公司也独立开发出了类似产品,名为“Lucite”。
性质
物理性质
化学性质
MMA分子中的双键和酯基使其具有较高的反应活性,可以发生以下反应:
1、聚合反应:这是MMA最重要的工业应用。在光、热或自由基引发剂(如过氧化苯甲酰)存在的情况下,能发生连锁聚合反应,生成高分子量的PMMA。
反应举例:自由基聚合
引发剂: 过氧化苯甲酰(BPO)
过程:
(1) 引发: BPO在加热下分解产生自由基,该自由基攻击MMA分子的双键,生成一个新的单体自由基。
BPO → 2Ph-COO ▪
Ph-COO ▪+CH2=C(CH3)COOCH3→Ph-coo-ch2-c(ch3)cooch3
(2) 增长: 这个单体自由基继续与成千上万个MMA单体分子反应,使链不断增长。
Polymer ▪+CH2=C(CH2)COOCH3→ Polymer- CH2-C(CH3)COOCH3
(3) 终止: 两个增长中的聚合物链自由基相遇,通过偶合或歧化方式终止反应,形成稳定的PMMA大分子。
2、酯交换反应:其酯基可以发生水解、醇解等反应。
反应举例:醇解(与乙醇反应)
MMA在酸或碱催化下,与过量的乙醇反应,酯基中的甲氧基(-OCH3)被乙氧基(-OC2H5)取代,生成甲基丙烯酸乙酯
反应方程式:CH2=C(CH3)-COOCH3+CH3CH2OH→ CH2=C(CH3)-COOCH2CH3+CH3OH
说明:这是一个可逆反应。通过使用过量的乙醇或移除生成的甲醇,可以使平衡向右移动,提高甲基丙烯酸乙酯的产率。这个反应在合成具有不同烷基的甲基丙烯酸酯单体时非常有用。
3、加成反应:其碳碳双键可以与多种试剂发生亲电加成或自由基加成反应。
反应举例:与的加成
MMA的四氯化碳溶液可以与溴(Br2)发生亲电加成反应,使双键饱和,生成1,2-二溴丙酸甲酯。
反应方程式:CH2=C(CH3)-COOCH3+Br2→ CH2Br-CBr(CH3)-COOCH3
说明:这个反应是典型的对碳碳双键的加成。红色的溴分子褪色,常用于定性或定量检测不饱和键的存在。
制备方法
MMA的生产工艺按照其含碳链原料如异丁烯、丙酮和乙烯等的碳链碳原子数的不同分为C4法、C3法和C2法。
C3法
主要指丙酮氰醇法,即以丙酮氢氰酸为原料生产MMA的传统工艺方法,又称ACH工艺,该法使用氢氰酸和丙酮为原料在氢氧化钠水溶液中反应生成丙酮氰醇(ACH),再利用浓硫酸的强氧化性进行丙酮氰醇酰胺化反应得到甲基丙烯酸硫酸胺盐,第三步将甲基丙烯酸硫酸胺盐进行水解得到甲基丙烯酸,最后用水解得到的甲基丙烯酸与甲醇酯化并通过分离精制最终得到MMA产品。反应方程如下所示。
CH3COCH3+HCN→ CH3C(CH3)(OH)CN
CH3C(CH3)(OH)CN+H2SO4 → C4H9NO5S
C4H9NO5S+H2O → C4H6O2+NH4HSO4
C4H6O2+CH3OH → C5H8O2+H2O
该法是目前最为成熟可靠的工艺路线,约占全世界MMA总产能的80%以上。该法的主要缺点是生产过程中大量使用氢氰酸和浓硫酸等剧毒、强腐蚀性介质,包括中间产物丙酮氰醇也是剧毒化合物,每吨产品约产生2.8t含硫酸铵的废酸液,处理成本高昂。
C4法
C4法即异丁烯法,该法主要以异丁烯为原料,部分装置亦采用叔丁醇作为原料,原理相近。典型的异丁烯法一般分三步,高纯度异丁烯原料通过选择性氧化得到甲基丙烯醛(MAL),而后将醛基进一步氧化为羧基,生成甲基丙烯酸(MMA),最后加入甲醇进行酯化并分离精制最终得到MMA产品。
在异丁烯/叔丁醇三步法生产MMA工艺基础上,近年来又有改进的两步法,即将上述甲基丙烯醛氧化再酯化的两步反应合并,将甲醇、甲基丙烯醛和空气混合后送入搅拌釜反应器生成MMA,目前该法公开数据显示甲基丙烯醛平均转化率约为85%左右,MMA选择性可以达到88%~89%。与异丁烯三步法相比,两步法流程更短,因而投资和成本更低,具有良好的经济价值。但其主要的缺点是C4法需要以异丁烯为原料,而异丁烯产量相对较少、成本较高,且下游产物种类多,会产生与MMA装置竞争原料供应的情况,制约了其大范围推广使用。
C2法
C2法生产MMA工艺主要以乙烯为原料,分为乙烯两步法和乙烯四步法,是目前公认的最先进、最环保的MMA生产工艺路线。
乙烯两步法的代表性为璐彩特法,又称为Alpha工艺,该法主要利用乙烯为原料,与CO、甲醇通过带搅拌的釜式反应器进行羰基合成反应生产丙酸甲酯,再由丙酸甲酯与甲醛直接发生缩合生成粗MMA,最后通过分离精制过程得到MMA产品。该法突出优点是流程相对较短、反应步骤少、工艺路线相对环保且原料成本低。乙烯四步法流程相对于两步法流程更长,但催化剂开发及产品精制分离难度要低一些。该法由乙烯与合成气通过氢甲酰化反应生成丙醛,丙醛再与甲醛缩合生成甲基丙烯醛,后续再进一步选择性氧化、与甲醇酯化并经由分离精制得到MMA产品。
醋酸甲酯法
近年来随着石油资源的日益紧张,异丁烯原料来源受到限制,而丙酮氰醇法随着环保要求的不断提高,也受到越来越多的制约。经醋酸甲酯甲醛合成MMA的新工艺路线实现了生产过程无剧毒物质参与、无大量副产物、环境友好和原料易获得的优点,具有很强的技术和经济竞争力,是目前公认的绿色生产工艺。
醋酸甲酯法合成甲基丙烯酸甲酯主要分3步进行,首先醋酸甲酯(Ma)和甲醛在催化剂的作用下,通过羟醛缩合反应制得丙烯酸甲酯(MA);之后丙烯酸甲酯加氢得到丙酸甲酯(MP);最后丙酸甲酯继续与甲醛通过羟醛缩合反应制得甲基丙烯酸甲酯。工艺原理如下。
CH3COOCH3+HCHO→ CH2=CHCOOCH3+H2O
CH2=CHCOOCH3+H2→ CH3CH2COOCH3
CH3CH2COOCH3+HCHO→ CH2=C(CH3)COOCH3+H2O
应用领域
MMA最主要的用途是作为单体用于聚合物的生产:
1、有机玻璃(PMMA):是制造板材、管材、模塑料等PMMA产品的核心原料,广泛应用于建筑采光体、透明隔板、广告灯箱、汽车灯罩、光学透镜、仪器仪表盘等领域,市场前景十分广阔。
2、涂料:作为丙烯酸酯类涂料的关键组分,用于汽车、家具、建筑、工业维护等领域,提供优异的耐候性、保光性和装饰性。
3、粘合剂:用于生产丙烯酸酯类压敏胶、结构胶和树脂。
4、树脂改性:用于改性其他聚合物,如PVC助剂(ACR加工助剂)、腈纶第二单体等。
5、其他:用于制造牙科材料、纺织浆料、皮革处理剂、上光剂等,高品质MMA还是生产航空航天玻璃、光导纤维、高性能光学镜片、电子信息器件等国家重大战略材料不可或缺的聚合单体。
安全信息
1、易燃性:其蒸气与空气可形成爆炸性混合物,遇明火、高热极易燃烧爆炸。
2、健康危害:对眼睛、皮肤和呼吸道黏膜有强烈的刺激作用。吸入高浓度蒸气可引起头痛、头晕、恶心等症状。长期接触可能对肝、肾功能造成影响。
3、毒性:属低毒至中等毒性类。大鼠经口LD50为9400 mg/kg。吸入致死浓度LC为5015.33 g/m3,作业最高容许浓度为410 mg/m3。
储运特性
1、 操作条件:密闭操作,加强通风。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。建议佩戴化学安全防护眼镜、防静电工作服和橡胶手套。
2、 储存条件:储存于阴凉、通风的库房。远离火种和热源,避光保存。库温不宜超过37 ℃。不宜大量储存或久存,以防聚合。与氧化剂、酸类、碱类、卤素等分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。
3、包装材料:包装类别属于II类(中等危险程度)。通常商品加有阻聚剂。包装要求密封,不可与空气接触。可以存放在不锈钢、镀锌铁桶、内壁涂覆保护层的金属容器或专用的塑料桶容器中,防止包装容器发生变形、泄露和破碎。
4、 运输要求:必须使用具有危险品运输资质的专用槽罐车或厢式货车。车辆应悬挂符合标准的危险货物标志牌(如“易燃液体”标志)。避免运输过程中发生震动、碰撞和挤压。严格控制运输温度,保持良好的通风。配备防火花装置、阻火器和静电接地导线。严禁烟火,远离热源和火种。
法规与标准
1、危险性分类与公示:根据《化学品分类和危险性公示通则》(GB 13690-2009),MMA被归类为:易燃液体、皮肤腐蚀/刺激、严重眼损伤/眼刺激、特异性靶器官毒性一次接触。
2、产品质量标准:工业用MMA的产品质量需符合国家标准 HG/T 2305-1992 《工业甲基丙烯酸甲酯》或HG/T 2305-2017《工业用甲基丙烯酸甲酯》。
3、食品安全:需符合GB 31604.29-2023《食品接触材料及制品丙烯酸和甲基丙烯酸及其酯类迁移量的测定》。本标准规定了食品接触材料及制品中甲基丙烯酸甲酯迁移量的气相色谱-质谱测定方法,适用于食品接触材料及制品中甲基丙烯酸甲酯迁移量的测定。
4、运输监管:MMA的运输被纳入JT/T617《危险货物道路运输规则》等法规的管辖范围。其在运输中的分类、包装、标志和要求基于其联合国编号(UN 1247)和危险货物类别(第3类易燃液体)。
狗吸入11700ppm,每天1.5h,共8天,可引起动物死亡,尸检可见肝、肾脂肪变性。
最新修订时间:2025-12-16 17:44
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参考资料