二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸（化学名称：Bis(trimethylolpropane) tetraacrylate，CAS号：94108-97-1）是一种重要的多官能团丙烯酸酯单体，常用于紫外光固化涂料、油墨和粘合剂等领域。其分子结构由两个三羟甲基丙烷（TMP）单元通过醚键连接而成，含有四个丙烯酰氧基（-OCOCH=CH2），具有高反应性和良好的机械性能。作为化学工业中的关键中间体，其合成方法主要基于酯化反应原理，需严格控制反应条件以避免副反应如丙烯酸聚合。下面从化学专业角度，详细阐述其合成路线、反应机理、工艺优化及注意事项。
合成路线概述
二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸的合成通常采用逐步酯化策略，首先制备二(三羟甲基丙烷)（即双三羟甲基丙烷，B-TMP），然后与丙烯酸进行部分酯化。B-TMP的结构为两个TMP分子通过一个羟甲基间的缩醛或醚键连接，分子式约为C14H30O7，具有四个或五个自由羟基（视具体连接方式而定），但标准产品中四个羟基被丙烯酰化。
主要合成路径
- 原料准备： 三羟甲基丙烷（TMP，CAS: 77-99-6）：廉价多元醇，提供骨架。 甲醛或相关试剂：用于TMP的二聚化，形成B-TMP。 丙烯酸（AA，CAS: 79-10-7）：提供丙烯酰基。 催化剂：通常为对甲苯磺酸（p-TSA）或硫酸等强酸。 阻聚剂：氢醌（HQ）或甲基氢醌（MEHQ），浓度0.01-0.1 wt%，防止丙烯酸自由基聚合。 溶剂：可选苯或甲苯，用于共沸脱水。
- 步骤一：B-TMP的制备（TMP二聚化）： 将TMP与甲醛在酸性条件下反应，形成B-TMP。这是一个Aldol缩合或缩醛化过程。 典型反应：TMP (1 mol) + 甲醛 (0.5 mol) + 酸催化剂，加热至80-100°C，反应时间4-6小时。 机理：TMP的羟甲基在酸催化下与甲醛发生亲核加成，形成-CH2-O-CH2-桥联结构。产物B-TMP经过滤、洗涤和蒸馏纯化，收率约70-85%。 化学方程式（简化）： 2 TMP + HCHO → B-TMP + H2O B-TMP的羟基数为6-8个，但实际用于酯化时选择性保护部分羟基。
- 步骤二：部分酯化反应： 将纯化的B-TMP与丙烯酸按摩尔比1:4（针对四个羟基）混合，加入催化剂和阻聚剂。 反应条件：温度90-120°C，搅拌下进行，共沸脱水（使用Dean-Stark装置去除生成水），反应时间6-12小时，直至酯化度达95%以上（通过酸值测定监控）。 机理：酯化为Fischer酯化，羟基的氧原子亲核攻击丙烯酸的羧基，形成酯键并释放水。反应平衡由移除水推动。 化学方程式（简化）： B-TMP-(OH)4 + 4 CH2=CHCOOH → B-TMP-(OCOCH=CH2)4 + 4 H2O 选择性控制：由于B-TMP有多个羟基，为避免全酯化（形成六丙烯酸酯），可使用1:4摩尔比或分步加酸，确保四个丙烯酰基优先酯化外围羟基。
- 后处理与纯化： 反应结束后，中和催化剂（用NaOH或碳酸钠），过滤去除固体。 减压蒸馏或分子蒸馏去除未反应丙烯酸和低沸物。 最终产物为浅黄色粘稠液体，粘度约5000-10000 mPa·s（25°C），纯度>95%（HPLC检测）。 收率：整体70-90%，取决于纯化效率。
反应机理与优化
酯化机理详解
酯化反应遵循SN2型亲核取代：醇的羟基在酸催化下质子化，增强其亲核性，攻击丙烯酸羧基的碳原子，形成四面体中间体，随后脱水生成酯。关键是控制温度，避免>130°C导致丙烯酸热聚合或Michael加成副产物。
工艺优化
催化剂选择：p-TSA优于硫酸，因其易分离且酸性适中（pKa≈-2.8）。负载型催化剂如离子交换树脂可实现催化剂回收，提高绿色度。
阻聚剂作用：HQ通过捕捉自由基抑制链引发，维持反应体系稳定性。过量HQ可能残留，影响产物固化性能，故需精确控制。
绿色合成变体：近年来，酶催化酯化（如脂酶Novozym 435）在温和条件（40-60°C，无溶剂）下实现高选择性酯化，收率可达90%以上，减少能源消耗和副产物。但酶法成本较高，适用于高端应用。
规模化考虑：工业生产采用连续酯化釜，配备真空脱水系统。监控指标包括酸值（<5 mg KOH/g）和水分(<0.1%)。
潜在挑战与解决方案
- 副反应控制： 丙烯酸自聚：通过氮气保护和低温操作解决。 过酯化：使用保护基（如乙酰化部分羟基）后选择性脱保护。 颜色生成：添加抗氧化剂如BHT，保持产物无色。
- 安全性： 丙烯酸具腐蚀性和刺激性，操作需在通风橱中进行，佩戴PPE。 产物易感光聚合，储存于暗处，<25°C，避免金属容器。
- 质量控制： 表征方法：NMR确认丙烯酰双键（δ 5.8-6.4 ppm，=CH-）；IR显示C=O伸缩（1720 cm⁻¹）和C=C（1630 cm⁻¹）；GPC测分子量分布（Mw≈600-700 Da）。
应用与意义
二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸的高官能度（四个双键）赋予其快速交联能力，在UV固化体系中作为交联剂，提升涂层硬度和耐磨性。合成方法的优化不仅影响产量，还直接关系到产物纯度和成本。随着可持续化学的发展，酶催化和无溶剂工艺将成为主流趋势。
总之，该化合物的合成依赖于经典酯化，但需精细调控以实现高效、选择性生产。化学从业者可根据具体设备调整参数，确保工业可行性。