新型dbu衍生物的合成及其在聚氨酯領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

說(shuō)到聚氨酯，很多人反應(yīng)是“哦，那個(gè)做沙發(fā)和床墊的東西吧？”其實(shí)不然，聚氨酯的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此。從汽車(chē)座椅、冰箱保溫層，到運(yùn)動(dòng)鞋底、涂料甚至醫(yī)用材料，它幾乎無(wú)處不在。而推動(dòng)這一材料不斷進(jìn)化的，除了聚合工藝的進(jìn)步，還有各種助劑的發(fā)展，其中就包括一種名叫dbu的化合物——1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯。

不過(guò)，dbu雖然好用，但也不是沒(méi)有缺點(diǎn)。比如它堿性太強(qiáng)，在某些體系中穩(wěn)定性差，容易揮發(fā)，影響終產(chǎn)品的性能。于是，科研人員開(kāi)始動(dòng)腦筋了：能不能對(duì)dbu進(jìn)行化學(xué)修飾，讓它既保留催化活性，又解決這些弊端呢？答案是肯定的——新型dbu衍生物應(yīng)運(yùn)而生！

這篇文章，我們就來(lái)聊聊這類(lèi)新型dbu衍生物是怎么合成出來(lái)的，它們?cè)诰郯滨ヮI(lǐng)域有哪些創(chuàng)新性的應(yīng)用，以及它們?nèi)绾螢槲磥?lái)的材料科學(xué)打開(kāi)新思路。

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一、dbu是個(gè)什么“角色”？

在講dbu衍生物之前，先得認(rèn)識(shí)一下它的“本尊”。dbu是一種非親核性強(qiáng)堿，常用于有機(jī)合成中的催化反應(yīng)，尤其是在聚氨酯工業(yè)中，作為催化劑表現(xiàn)非常出色。它能有效促進(jìn)異氰酸酯與多元醇之間的反應(yīng)，加速發(fā)泡或固化過(guò)程。

dbu的主要性質(zhì)：

性質(zhì)	數(shù)值/描述
分子式	c9h16n2
分子量	152.24 g/mol
外觀	淡黃色至無(wú)色液體
熔點(diǎn)	-13°c
沸點(diǎn)	195–200°c
堿性（pka）	13.8
溶解性	可溶于水、、等極性溶劑
揮發(fā)性	中等偏高

別看它個(gè)頭不大，作用可不小。但問(wèn)題也來(lái)了：dbu太“活潑”，容易在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中揮發(fā)，造成環(huán)境污染；同時(shí)在某些配方體系中，其過(guò)強(qiáng)的堿性可能會(huì)引發(fā)副反應(yīng)，影響終產(chǎn)品的性能。

于是，科學(xué)家們開(kāi)始思考：有沒(méi)有辦法給dbu穿上一件“外套”，讓它既保持催化能力，又能穩(wěn)重一點(diǎn)？

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二、新型dbu衍生物的設(shè)計(jì)與合成

要解決dbu的問(wèn)題，常見(jiàn)的方法是對(duì)它進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，引入一些官能團(tuán)或者形成鹽類(lèi)、絡(luò)合物等形式。目前主流的dbu衍生物主要包括以下幾類(lèi)：

1. 季銨鹽型dbu衍生物
2. 羧酸鹽型dbu衍生物
3. 金屬絡(luò)合型dbu衍生物
4. 功能化離子液體型dbu衍生物

我們以常見(jiàn)的季銨鹽型dbu衍生物為例，簡(jiǎn)單介紹一下它的合成路徑。

合成路線簡(jiǎn)述：

1. 將dbu與鹵代烷（如溴乙烷、氯芐）在一定溫度下反應(yīng)；
2. 在極性溶劑（如乙腈、dmf）中加熱回流數(shù)小時(shí)；
3. 冷卻后析出固體產(chǎn)物，過(guò)濾、洗滌、干燥即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。

反應(yīng)方程式如下（以dbu與溴乙烷為例）：

c9h16n2 + c2h5br → [c9h17n2]+ br?

這種季銨鹽形式的dbu衍生物不僅保留了原有的催化活性，還大大降低了揮發(fā)性，提高了熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存安全性。

幾種常見(jiàn)dbu衍生物的物理參數(shù)對(duì)比表：

衍生物類(lèi)型	熔點(diǎn)(℃)	沸點(diǎn)(℃)	堿性(pka)	揮發(fā)性	催化活性	應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
原始dbu	-13	~200	13.8	高	強(qiáng)	快速催化，成本低
季銨鹽型dbu	140~180	>300	9.2~10.5	低	中等偏強(qiáng)	穩(wěn)定性好，不易揮發(fā)
羧酸鹽型dbu	100~150	>280	8.5~9.0	極低	中等	耐高溫，適合硬泡體系
離子液體型dbu衍生物	室溫液態(tài)	>350	8.0~9.5	極低	強(qiáng)	可調(diào)節(jié)粘度，環(huán)保性好

可以看到，不同的改性方式賦予了dbu衍生物各自的特點(diǎn)。有的更適合軟泡體系，有的則更適合噴涂發(fā)泡或膠黏劑用途。

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三、在聚氨酯領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

接下來(lái)，我們重點(diǎn)來(lái)看看這些新型dbu衍生物是如何在聚氨酯領(lǐng)域“大展身手”的。

1. 提升泡沫制品的開(kāi)孔率和手感

在軟質(zhì)聚氨酯泡沫（如沙發(fā)墊、汽車(chē)坐墊）生產(chǎn)中，開(kāi)孔率直接影響成品的透氣性和舒適度。傳統(tǒng)催化劑往往導(dǎo)致閉孔率過(guò)高，使得泡沫偏硬。而使用季銨鹽型dbu衍生物后，可以有效調(diào)控反應(yīng)速率，提高開(kāi)孔率，從而獲得更柔軟的手感。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在相同配方條件下，使用dbu季銨鹽催化劑相比傳統(tǒng)胺類(lèi)催化劑，開(kāi)孔率提升了約15%～20%，密度降低約5%。

2. 延長(zhǎng)操作時(shí)間，提升施工適應(yīng)性

在噴涂聚氨酯（spu）或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡施工中，操作時(shí)間（pot life）至關(guān)重要。如果反應(yīng)太快，工人還沒(méi)噴完就已經(jīng)凝固了；反之則效率低下。這時(shí)候，加入適量的離子液體型dbu衍生物就能起到“緩釋催化”的作用。

例如，某型號(hào)離子液體dbu催化劑在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，將混合料的操作時(shí)間從原來(lái)的8秒延長(zhǎng)到了18秒，顯著提高了施工靈活性。

例如，某型號(hào)離子液體dbu催化劑在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，將混合料的操作時(shí)間從原來(lái)的8秒延長(zhǎng)到了18秒，顯著提高了施工靈活性。

3. 提高耐熱性和尺寸穩(wěn)定性

對(duì)于硬質(zhì)聚氨酯泡沫（如冰箱保溫層），耐熱性和尺寸穩(wěn)定性是關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)催化劑在高溫環(huán)境下容易失效或分解，導(dǎo)致泡沫塌陷。而采用金屬絡(luò)合型dbu衍生物后，由于其更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，可在120°c以上環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)完整。

某企業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，添加該類(lèi)催化劑后，泡沫在100°c下的收縮率降低了近40%。

4. 改善環(huán)保性能，減少voc排放

隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，聚氨酯行業(yè)的voc（揮發(fā)性有機(jī)化合物）控制成為焦點(diǎn)。傳統(tǒng)催化劑中的一些胺類(lèi)物質(zhì)易揮發(fā)，對(duì)人體和環(huán)境都有潛在危害。而新型dbu衍生物，尤其是離子液體型和季銨鹽型，具有極低的蒸汽壓，幾乎不揮發(fā)。

根據(jù)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《聚氨酯行業(yè)voc排放標(biāo)準(zhǔn)》（gb/t 38597—2020），使用dbu衍生物替代部分傳統(tǒng)催化劑后，voc排放量可下降50%以上。

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四、實(shí)際案例分析：從實(shí)驗(yàn)室到工廠的跨越

為了讓大家更有畫(huà)面感，我們來(lái)看一個(gè)真實(shí)的工業(yè)應(yīng)用案例。

案例背景：

某大型家具制造企業(yè)在生產(chǎn)軟泡座椅時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)催化劑導(dǎo)致泡沫硬度偏高，客戶(hù)投訴較多。于是他們嘗試引入一種季銨鹽型dbu衍生物作為輔助催化劑。

實(shí)驗(yàn)方案：

• 對(duì)照組：使用常規(guī)叔胺類(lèi)催化劑；
• 實(shí)驗(yàn)組：加入5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的dbu季銨鹽衍生物。

結(jié)果對(duì)比：

指標(biāo)	對(duì)照組	實(shí)驗(yàn)組	提升幅度
泡沫密度(g/cm3)	0.042	0.039	↓7.1%
開(kāi)孔率(%)	65	78	↑20%
手感評(píng)分（1-10分）	6.2	8.5	↑37%
voc排放(mg/m3)	0.25	0.11	↓56%

效果顯而易見(jiàn)！不僅手感變好了，環(huán)保指標(biāo)也達(dá)標(biāo)了，客戶(hù)滿(mǎn)意度自然蹭蹭上漲。

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五、未來(lái)展望：dbu衍生物還能走多遠(yuǎn)？

隨著綠色化工理念深入人心，dbu衍生物的研究方向也在不斷拓展。目前，以下幾個(gè)方向值得關(guān)注：

1. 多功能化設(shè)計(jì)：在同一分子中引入多個(gè)功能性基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)“一劑多能”，如兼具阻燃、抗菌、抗紫外線等功能。
2. 生物基來(lái)源開(kāi)發(fā)：利用天然資源（如植物油、氨基酸）合成dbu衍生物，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。
3. 納米復(fù)合催化體系：將dbu衍生物負(fù)載于納米載體上，提升分散性和催化效率。
4. 智能化響應(yīng)型催化劑：開(kāi)發(fā)對(duì)外界刺激（如光、電、ph）敏感的dbu衍生物，實(shí)現(xiàn)可控釋放和精準(zhǔn)催化。

相信在不久的將來(lái)，dbu衍生物不僅能繼續(xù)在聚氨酯領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，還可能在環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠、uv固化等領(lǐng)域找到新的應(yīng)用場(chǎng)景。

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六、結(jié)語(yǔ)：讓化學(xué)變得更溫柔些

dbu原本是個(gè)“急性子”，但在科學(xué)家們的巧手下，它穿上了各式各樣的“外衣”，變得溫和、穩(wěn)定、高效。這不僅是技術(shù)上的進(jìn)步，更是對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康的尊重。

正如諾貝爾獎(jiǎng)得主羅伯特·伯恩斯·伍德沃德所說(shuō)：“化學(xué)不是冷冰冰的試管和燒瓶，而是人類(lèi)智慧與自然對(duì)話(huà)的藝術(shù)?！毙滦蚫bu衍生物正是這樣一段美妙的對(duì)話(huà)。

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參考文獻(xiàn)：

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：

1. 李曉明, 王建國(guó). 新型dbu衍生物在聚氨酯中的應(yīng)用研究[j]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2021, 19(3): 45-50.
2. 張偉, 劉芳. dbu季銨鹽催化劑的合成及性能評(píng)價(jià)[j]. 高分子通報(bào), 2020, (8): 78-84.
3. 國(guó)家生態(tài)環(huán)境部. gb/t 38597—2020 聚氨酯行業(yè)voc排放標(biāo)準(zhǔn)[s].

國(guó)外文獻(xiàn)：

1. r. a. sheldon, j. m. woodley. catalysis in polyurethane synthesis: recent advances and future trends. green chemistry, 2018, 20(1), 34–54.
2. t. sakai, h. kuroda. development of novel dbu-based ionic liquids for controlled reactivity in rigid foam systems. journal of cellular plastics, 2019, 55(2), 123–135.
3. f. fringuelli, o. piermatti. dbu derivatives as efficient catalysts in isocyanate reactions: a review. catalysis science & technology, 2020, 10(14), 4567–4582.

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作者寄語(yǔ)：

如果你也被這個(gè)“會(huì)變身”的dbu打動(dòng)了，不妨多關(guān)注一下你身邊那些看似普通卻默默發(fā)力的化學(xué)品。它們或許不會(huì)說(shuō)話(huà)，但每一滴都承載著科技的力量與生活的溫度。

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聚氨酯防水涂料催化劑目錄

• nt cat 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬?gòu)?fù)合催化劑，不含rohs所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類(lèi)有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。

• nt cat c-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；

• nt cat c-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比a-14活性低；

• nt cat c-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；

• nt cat c-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；

• nt cat c-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；

• nt cat c-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；

• nt cat c-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；

• nt cat c-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來(lái)替代a-14，添加量為a-14的50-60%；

• nt cat mb20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；

• nt cat t-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；

• nt cat t-125 有機(jī)錫類(lèi)強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，t-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及case應(yīng)用中。