二酯基润滑剂及其制造方法 |
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申请号 | CN201210482491.9 | 申请日 | 2008-02-08 | 公开(公告)号 | CN103030555B | 公开(公告)日 | 2015-03-18 |
申请人 | 雪佛龙美国公司; | 发明人 | S·J·米勒; S·A·埃勒玛丽; | ||||
摘要 | 本 发明 通常涉及一种二酯基 润滑剂 组合物。本发明还涉及制造它们和其它类似润滑剂组合物的方法。在某些实施方案中,制造这样的二酯基润滑剂的方法使用了 生物 质 前体和/或低价值的费托(FT)烯 烃 和/或醇从而生产高价值的二酯基润滑剂。在某些实施方案中,这种二酯基润滑剂衍生自FT烯烃和 脂肪酸 。所述脂肪酸可来自生物基来源(即,生物质,可再生资源)或可通过 氧 化衍生自FT醇获得。 | ||||||
权利要求 | 1.一种方法,包括: |
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说明书全文 | 二酯基润滑剂及其制造方法技术领域背景技术[0003] 酯已经用作润滑油50多年了。它们用于从喷气发动机到制冷设备的多种应用中。事实上,在汽车应用中,酯是第一种合成曲轴箱车用机油。然而,酯让位于聚α烯烃(PAO),因为PAO成本更低以及它们的配方类似于矿物油。然而,在全合成车用机油中,酯几乎总是与PAO组合使用以通过增强的润滑性来平衡对密封、添加剂溶解性、挥发性降低以及能量效率提高的影响。 [0004] 通常,酯基润滑剂由于它们所包含的酯分子的极性而具有优异的润滑性。这些分子的极性酯基粘附于带正电的金属表面上,生成减缓金属表面磨损和破损的保护膜。这种润滑剂比传统润滑剂不易挥发并且倾向于具有高得多的闪点和低得多的蒸气压。酯润滑剂是优秀的溶剂和分散剂,并且易于对油的降解副产物进行溶剂化和分散。因此,它们极大地降低了油泥的累积。虽然酯润滑剂对于热和氧化过程是稳定的,但是与它们的矿物油基类似物相比,酯功能团使得微生物更有效率且更有效果地进行生物降解。然而,酯的制备比它们的PAO对应物的制备更复杂且更昂贵。 [0005] 鉴于上述理由,更简单,更高效的生成酯基润滑剂的方法将是极其有用的-特别是其中这种方法利用可再生的原料连同将低价值的费托(FT)烯烃和醇转化为高价值的酯润滑剂。 [0006] 发明概述 [0007] 本发明通常涉及二酯基润滑剂组合物。本发明还涉及制造它们和其它类似润滑剂组合物的方法。在某些实施方案中,制造这种二酯基润滑剂的方法使用了生物质前体。在这些或其它实施方案中,润滑剂前体物质也可以来源于或衍生自费托(FT)反应产物。 [0008] 在某些实施方案中,本发明涉及含有一定量的至少一种二酯类物质的润滑剂组合物,所述二酯类物质具有以下结构: [0009] [0010] 其中R1、R2、R3和R4是相同的或独立地选自C2到C17烃基。 [0011] 在某些或其它实施方案中,本发明涉及一种方法,其包括以下步骤:(a)环氧化碳数为从8到16的烯烃以生成含有环氧环的环氧化物;(b)打开所述环氧化物的环氧环以生成二醇;以及(c)用C2到C18羧酸酯化所述二醇以生成具有适合用作润滑剂的粘度和倾点的二酯类物质。 [0012] 在某些或其它实施方案中,本发明涉及一种工艺(即,方法),其包括以下步骤:(a)环氧化碳数为从8到16的烯烃以生成含有环氧环的环氧化物;(b)打开所述环氧环以生成二醇,以及(c)用C2到C18羧酸或它们的酰化衍生物例如酰氯或酸酐对二醇进行酯化以生成具有适合用作润滑剂的粘度和倾点的二酯类物质。 [0013] 在某些或其它实施方案中,本发明涉及一种方法,其包括以下步骤:(a)环氧化多种烯烃,所述烯烃的碳数为从8到16,以生成多种环氧化物;(b)将所述环氧化物转化为二醇,以及(c)用C2到C18酯化用物质对所述二醇进行酯化以生成多种具有适合用作润滑剂的粘度和倾点的二酯。 [0015] 为了更彻底地理解本发明及其优点,现结合附图对以下描述做出解释,其中: [0016] 图1为按照本发明的某些实施方案阐述二酯基润滑剂组合物的制造方法的流程图; [0017] 图2(方案1)为按照本发明的某些实施方案阐述二酯基润滑剂组合物的示例性制造方法的化学流程图; [0018] 图3描述了按照本发明的某些实施方案适于用作润滑剂的两种示例性的二酯基化合物1和2; [0019] 图4描述了按照本发明的某些实施方案制造的两种二酯基化合物3和4; [0020] 图5(表1)比较了二酯基润滑剂1和2和它们的混合物的润滑性; [0021] 图6(表2)比较了代表性的二酯基润滑剂与其它市售的润滑剂的氧化稳定性。 [0022] 发明详述 [0023] 1、引言 [0024] 本发明涉及二酯基润滑剂组合物。本发明还涉及制造它们和其它类似润滑剂组合物的方法。在某些实施方案中,制造这种二酯基润滑剂的方法是使用了生物质前体和/或低价值的费托(FT)烯烃和/或醇从而生产高价值的二酯基润滑剂。在某些实施方案中,这种二酯基润滑剂衍生自FT烯烃和脂肪(羧)酸。在这些或其它实施方案中,所述脂肪酸可来自生物基来源(即,生物质,可再生资源)或可通过氧化衍生自FT醇。 [0025] 由于生物润滑剂和生物燃料正在日益普及并且正在变成油工业中的焦点话题,因此从各种不同的角度来说,在这种上述润滑剂的制备中利使用生物质将会具有吸引力。在本发明的二酯基润滑剂的制备中生物质的利用程度如此之高以致于这种润滑剂被认为是生物润滑剂。 [0026] 2、定义 [0027] 本文定义的“润滑剂”是被引入到两个移动表面之间以降低它们之间的摩擦力和磨损的物质(在操作条件下通常为流体)。用作车用机油的基础油通常根据美国石油学会(American PetroleumInstitute)被划分为矿物油(I、II和III类)或合成油(IV和V类)。参见美国石油学会(API)出版物编号1509。 [0028] 本文定义的“倾点”,表示流体能够倾倒出或流动的最低温度。参见,例如,ASTM国际标准测试方法D5950-96、D6892-03以及D97。 [0029] 本文定义的“浊点”,表示由于晶体生成而使流体开始相分离的温度。参见,例如,ASTM国际标准测试方法D5773-95、D2500、D5551以及D5771。 [0030] “厘斯”,简写为“cSt”,是流体(例如,润滑剂)的运动粘度的单位,其中1厘斯等2 于1平方毫米每秒(1cSt=1mm/s)。参见,例如,ASTM标准指南和测试方法D2270-04、D445-06、D6074和D2983。 [0031] 本文中至于描述分子和/或分子片段,“Rn”,其中“n”为指数,代表烃基,其中分子和/或分子片段可为直链的和/或支链的。 [0032] 本文定义的“Cn”,其中“n”为整数,描述烃分子或片段(例如,烷基),其中“n”表示在该片段或分子中的碳原子数。 [0033] 本文所用的前缀“生物”,表示与生物来源的可再生资源有关,例如通常为排除化石燃料的资源。 [0034] 本文所用的术语“内烯烃”,表示具有非端位碳碳双键(C=C)的烯烃(即,链烯烃)。它与具有端位碳碳双键的“α-烯烃”相反。 [0035] 3、二酯润滑剂组合物 [0036] 在某些实施方案中,本发明通常涉及含有一定量的具有以下化学结构的二酯类物质的二酯基润滑剂组合物: [0037] [0038] 其中R1、R2、R3和R4是相同的或独立地选自C2到C17碳片段。 [0039] 对于上述二酯类物质,R1、R2、R3和R4的选择可遵照几个标准的任何一种或全部。例如,在某些实施方案中,选择R1、R2、R3和R4从而使得组合物在100℃的温度下的运动粘度通常为3厘斯(cSt)或更大。在某些或其它实施方案中,选择R1、R2、R3和R4从而使得所得的润滑剂的倾点为-20℃或更低。在某些实施方案中,选择R1和R2以具有从6到14的总碳数(即,碳原子总数)。在这些或其它实施方案中,选择R3和R4以具有从10到34的总碳数。 取决于实施方案,这样所得的二酯类物质可具有介于340原子质量单位(a.m.u.)和780a.m.u.之间的分子量。 [0040] 在某些实施方案中,此类上述组合物在它们的二酯组分方面基本上是均匀的。在某些或其它实施方案中,此类组合物的二酯组分含有多种二酯类物质(即,混合物)。 [0041] 在某些实施方案中,所述二酯基润滑剂组合物含有至少一种衍生自C8到C14烯烃和C6到C14羧酸的二酯。通常,所述二酯类物质通过使每个-OH基团(位于中间体上)与不同的酸反应来制备,但这种二酯类物质也可以通过使每个-OH基团与相同的酸反应来制备。 [0042] 在上述某些实施方案中,所述二酯基润滑剂组合物含有选自由以下物质组成的组的二酯类物质:癸酸2-癸酰氧基-1-己基-辛基酯及其异构体、十四烷酸-1-己基-2-十四烷酰氧基-辛基酯及其异构体、十二烷酸2-十二烷酰氧基-1-己基-辛基酯及其异构体、己酸2-己酰氧基-1-己基-辛基酯及其异构体、辛酸2-辛酰氧基-1-己基-辛基酯及其异构体、己酸2-己酰氧基-1-戊基-庚基酯及其异构体、辛酸2-辛酰氧基-1-戊基-庚基酯及其异构体、癸酸2-癸酰氧基-1-戊基-庚基酯及其异构体、癸酸-2-癸酰氧基(cecanoyloxy)-1-戊基-庚基酯及其异构体、十二烷酸-2-十二烷酰氧基-1-戊基-庚基酯及其异构体、十四烷酸1-戊基-2-十四烷酰氧基-庚基酯及其异构体、十四烷酸1-丁基-2-十四烷酰氧基-己基酯及其异构体、十二烷酸-1-丁基-2-十二烷酰氧基-己基酯及其异构体、癸酸-1-丁基-2-癸酰氧基-己基酯及其异构体、辛酸-1-丁基-2-辛酰氧基-己基酯及其异构体、己酸-1-丁基-2-己酰氧基-己基酯及其异构体、十四烷酸1-丙基-2-十四烷酰氧基-戊基酯及其异构体、十二烷酸2-十二烷酰氧基-1-丙基-戊基酯及其异构体、癸酸2-癸酰氧基-1-丙基-戊基酯及其异构体、辛酸1-2-辛酰氧基-1-丙基-戊基酯及其异构体、己酸2-己酰氧基-1-丙基-戊基酯及其异构体和它们的混合物。 [0043] 在某些实施方案中,所述二酯基润滑剂组合物进一步包括选自由I类油、II类油、III类油和它们的混合物组成的组中的基础油。 [0044] 值得注意的是,在大多数应用中,上述酯及它们的组合物似乎不可能单独用作润滑剂,而是通常用作调和油料。同样地,具有较高倾点的酯也可以用作与其它润滑油的调和油料,因为它们在烃和烃基油中非常易溶。 [0045] 4、制造二酯润滑剂的方法 [0046] 如上所述,本发明还涉及制造上述润滑剂组合物的方法。 [0047] 参照图1所示流程图,在某些实施方案中,制造通常具有润滑基础油粘度和倾点的上述二酯类物质的方法包括以下步骤:(步骤101)环氧化碳数为从8到16的烯烃(或一定量的多种烯烃)以生成含有环氧环的环氧化物;(步骤102)打开所述环氧环以生成二醇;以及(步骤103)用C2到C18羧酸对所述二醇进行酯化(即,进行酯化反应)以生成二酯类物质。通常,含有这种二酯类物质的润滑剂组合物100℃的温度下具有3厘斯或更高的粘度。 [0048] 在某些实施方案中,当生成一定量的这种二酯类物质时,该一定量的二酯类物质基本上是均匀的,或它可以是两种或更多种不同的这种二酯类物质的混合物。 [0049] 在某些如上所述的这种方法的实施方案中,所用的烯烃是费托工艺的反应产物。在这些或其它实施方案中,羧酸可衍生自通过费托工艺生成的醇和/或其可以是生物衍生的脂肪酸。 [0050] 在某些实施方案中,所述烯烃为α-烯烃(即在链末端具有双键的烯烃)。在这样的实施方案中,通常需要异构化所述烯烃从而使双键内部化。这种异构化通常在催化下进行,使用催化剂例如,但不仅限于,结晶硅铝酸盐以及类似物质和磷铝酸盐。参见,例如,美国专利号2,537,283;3,211,801;3,270,085;3,327,014;3,304,343;3,448,164;4,593,146;3,723,564和6,281,404;其中最后的专利要求保护结晶磷铝酸盐基催化剂,其具有尺寸在 和 之间的一维孔。 [0051] 作为上述这种异构化的实例并且如方案1(图2)所示,费托阿尔法烯烃(α-烯烃)可被异构化为相应的内烯烃,随后被环氧化。所述环氧化物然后可经由环氧环开环转化为相应的二醇,随后用适宜的羧酸或它们的酰化衍生物将其二酰化(即,二酯化)。由于α-烯烃尤其是短链α-烯烃的二酯往往为固体或蜡,因此通常需要将α-烯烃转化为内烯烃。使α-烯烃“内部化”随后向二酯官能团的转化,沿着链引入支链,这降低了目标产物的倾点。具有其极性特征的酯基将进一步增强最终产物的粘度。在异构(异构化)步骤中增加支链将往往增加碳数并由此增加粘度。其也可以降低相关的倾点和浊点。由于增加的支链倾向于降低粘度指数(VI),所以一般优选的是具有少数较长的支链而非很多短的支链。 [0052] 对于环氧化步骤(即,环氧化步骤),在某些实施方案中,上述烯烃(优选内烯烃)可与过氧化物(例如,H2O2)或过氧酸(例如,过氧乙酸)反应生成环氧化物。参见,例如,D.Swern,Organic Peroxides 卷 .II,Wiley-Interscience,New York,1971,355-533页 ; 以 及 B.Plesnicar,Oxidation in Organic Chemistry,Part C,W.Trahanovs ky(ed.),Academic Press,New York 1978,221-253页。通过高度选择性的试剂例如四氧 化锇 (M.Schroder,Chem.Rev.卷80,187页,1980)和 高锰 酸钾 (Sheldon and Kochi,Metal-Catalyzed Oxidation of Organic Compounds,162-171 页 和 294-296页,Academic Press,New York,1981),烯烃可被高效地转化为相应的二醇。 [0053] 对于环氧环开环为相应的二醇的步骤,该步骤可为酸催化的或碱催化的水解。示例性的酸催化剂包括,但不仅限于,矿物基布朗斯台德酸(例如,HCl、H2SO4、H3PO4、过卤酸(perhalogenates)等)、路易斯酸(例如,TiCl4和AlCl3)、固体酸例如酸性铝酸盐和二氧化硅或它们的混合物,等等。参见,例如,Chem.Rev.卷59,737页,1959;和Angew.Chem.Int.Ed.,卷31,1179页,1992。碱催化的水解通常包括使用碱例如氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液。 [0054] 对于酯化(酯化反应)步骤,通常用酸来催化二醇的-OH基团与羧酸之间的反应。适宜的酸包括,但不仅限于,硫酸(Munch-Peterson,Org.Synth.,V,762页,1973),磺酸(Allen and Sprangler,OrgSynth.,III,203页,1955),盐酸(Eliel et al.,Org Synth.,IV,169页,1963),和磷酸(等等)。在某些实施方案中,在此步骤中所用的羧酸首先被转化为酰氯(通过,例如,亚硫酰氯或PCl3)。或者,可直接应用酰氯。其中使用酰氯时,酸催化剂是不需要的并且通常加入碱例如吡啶、4-二甲基氨基吡啶(DMAP)或三乙胺(TEA)以与生成的HCl反应。当使用吡啶或DMAP时,这些胺被认为通过生成更易反应的酰化中间体也作为催化剂。参见,例如,Fersh等人,J.Am.Chem.Soc.,卷92,5432-5442页,1970;和Hofle et al.,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,卷17,569页,1978。 [0055] 在某些实施方案中,不管烯烃的来源如何,在上述方法中所用的羧酸衍生自生物质。在某些这种实施方案中,其涉及来自于生物质的某些油(例如,甘油三酸酯)组分的萃取以及构成该油组分的甘油三酸酯的水解从而生成游离羧酸。 [0056] 采用按照方案1(图2)所列出的合成策略,通过十四烷-7,8-二醇中间体与己酰氯和癸酰氯的酰基化反应将7-十四烯分别转化为二酯衍生物1和2,如图3所示。 [0057] 5、变型 [0058] 上述润滑剂组合物的变型(即,替代实施方案)包括,但不仅限于,使用异构烯烃的混合物和或具有不同碳数的烯烃的混合物。这导致在产品组合物中存在二酯混合物。 [0059] 上述方法的变型包括,但不仅限于,使用通过氧化衍生自FT醇的羧酸。 [0060] 6、实施例 [0061] 提供下述实施例从而说明本发明的具体实施方案。本领域技术人员应理解的是,在下述实施例中公开的方法仅仅代表了本发明示例性的实施方案。然而,基于本公开内容,本领域技术人员应该意识到在所描述的具体实施方案中可以做很多改变,并且仍获得同样的或相似的结果而不偏离本发明精神和范围。 [0062] 作为示例性的合成步骤,实施例1-2中描述了衍生自7-十四烯和癸酰氯的二酯的合成。根据本发明的某些实施方案,该步骤代表了从内烯烃和羧酸氯(即酰氯)制造二酯的过程。 [0063] 实施例1 [0064] 依照本发明的某些实施方案,该实施例用于举例说明在二酯类物质合成过程中二醇的合成。 [0065] 在配有顶部搅拌器和冰浴的3颈1mL反应烧瓶中,将75mL 30%的过氧化氢加入到300mL 96%的甲酸中。将100g(0.51摩尔)7-十四烯(从Aldrich Chemical Co.购买)通过滴液漏斗经过30min缓慢加入到该混合物中。一旦烯烃的添加完成,搅拌反应同时用冰浴进行冷却以防止温升超过40-50℃,持续2小时。然后移走冰浴并在室温下搅拌反应过夜。在约30托下在热水浴中用旋转蒸发器对反应化合物进行浓缩从而移出大部分的水和甲酸。然后,将100mL冰冷的1M的氢氧化钠溶液非常缓慢(分很小部分地)且小心地添加到反应剩余的残余物中。一旦所有的氢氧化钠溶液被加入,在室温下对所述混合物搅拌额外的45-60min。所述混合物用500mL乙酸乙酯进行稀释并转移到分液漏斗中。有机层被分离并且用乙酸乙酯萃取水层三次(3×200mL)。合并乙酸乙酯萃取物并用无水MgSO4干燥。过滤,随后在减压下在热水浴中在旋转蒸发器中进行浓缩,以88%的产率(95g)生成所要的白色粉末二醇。所述二醇(十四烷-7,8-二醇)用核磁共振(NMR)光谱和气相色谱/质谱(GC/MS)进行表征。 [0066] 实施例2 [0067] 该实施例用于举例说明从十四烷-7,8-二醇合成二酯2(癸酸2-癸酰氧基-1-己基-辛基酯)。 [0068] 在配有顶部搅拌器、回流冷凝器和滴液漏斗的3颈1L反应烧瓶中,将50g(0.23mol)十四烷-7,8-二醇(参见实施例1)和60g(0.59mol)三乙胺和催化量的二甲基氨基吡啶(6.5gm;0.052mol))混合在500mL无水己烷中。所述溶液用冰浴冷却。将 97g(0.51mol)的癸酰氯经过15min时间滴加到该溶液中。一旦添加完成,移开冰浴并且将所述反应搅拌过夜。然后,加入额外的12g癸酰氯并且所述反应进行整夜回流。所得的“乳状的”反应溶液用水中和。然后将所得的两层混合物转移至分液漏斗中。有机(上)层被分离并且用2×500mL的水洗涤。水层用3×300mL的乙醚进行萃取。合并乙醚萃取物和原始的有机层,用MgSO4干燥,过滤,并且在减压下在旋转蒸发器上浓缩。所得残余物用NMR和红外(IR)光谱和GC/MS进行分析。此分析证实了癸酸的存在。所述混合物在500mL己烷中用3M碳酸钠水溶液(用来中和酸杂质)处理。己烷层用MgSO4干燥,过滤并用旋转蒸发器浓缩,以81%(100.5g)的产率给出所要的二酯产物,其为带有甜味的无色粘性油。GC/MS表明在产物中存在少于1%的残留酸。 [0069] 实施例3 [0070] 使用上述用于制备二酯2的步骤,二酯1由7-十四烯和己酰氯进行制备。二酯1以74%的总产率(起始于7-十四烯)获得,其为带有怡人香气的无色油。 [0071] 对比例4 [0072] 该实施例用于举例说明高对称性水平可能对最终二酯产物的润滑剂性质的影响。 [0073] 3-己烯的两种二酯衍生物(3和4,在图4中所描述)不是油-它们都是固体(蜡)物质。这可能与这些分子的非常高的对称性有关,其导致分子具有较好的“可填充性”并生成固体产物。二酯1和2也是对称的,但是7-十四烯较长的骨架可以“弯曲”和“扭动”,足以防止它们具有紧密填充并形成固体的能力。与二酯3和4相比,往往对按照本发明使用的二酯类物质进行选择以避免这种增强的可填充性。 [0074] 实施例5 [0075] 根据本发明的某些实施方案,该实施例用来举例说明适于用作润滑剂的某些示例性的生物酯的润滑性质。 [0076] 二酯1和2如上所述制备,并测试和分析几种物理性质和润滑性质,包括粘度、粘度指数、浊点、倾点和氧化稳定性(参见,例如,ASTM标准测试方法D4636)。这些酯显示了非常有前途的润滑剂性质。表1(图5)总结了这些测试和分析中的一些结果。 [0077] 实施例6 [0078] 该实施例用来举例说明某些二酯基润滑剂组合物的氧化稳定性以及它们与其它润滑剂产品的比较。相关数据示于表2(图6)。 [0079] 参见表2,看起来二酯1和2的氧化结果与I类油的氧化结果类似。然而,这些二酯的氧化稳定性优于市售生物酯的氧化稳定性。Cargill Agri-Pure生物润滑剂75和85为高油性菜籽油,而Agri-Pure560为合成多醇酯。与目前可得的生物润滑剂相比,这种二酯组合物(例如,1和2)占据了所有的优势:粘度指数(VI)、粘度(Vis)、倾点、浊点和氧化稳定性。事实上,本发明的这种二酯组合物在它们的氧化稳定性上优于当前市场上的生物润滑剂。 [0080] 7、总结 [0081] 总之,本发明提供了二酯基润滑剂组合物。本发明还提供了制造它们以及其它类似的润滑剂组合物的方法(工艺)。在某些实施方案中,制造这种二酯基润滑剂的方法使用了生物质前体和/或低价值的费托烯烃和/或醇从而产生了高价值的二酯基润滑剂。在某些实施方案中,这种二酯基润滑剂衍生自FT烯烃和脂肪酸。所述脂肪酸可来自生物基来源(即,生物质,可再生资源)或可通过氧化衍生自FT醇。 [0082] 本文所参考的所有专利和出版物通过引用并入本文,其程度是不与本文矛盾。可以理解的是,上述实施方案中的某些上述结构、功能和操作并不是实施本发明所必须的,而仅仅是为了示例性的一个或多个实施方案的完整性而包括在说明中。此外,可以理解的是,在上述参考的专利和出版物中列出的特定的结构、功能和操作可结合本发明加以实施,但是它们对其实施并不是必需的。因此可以理解的是,本发明可以以不同于特定说明的方式进行实施,而实际上不背离如所述权利要求所定义的本发明的精神和范围。 |