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新型水稳剂二膦酸基庚二酸（DPPA）的合成及性能研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在当今社会，城市化的步伐不断加快，基础设施建设迎来了前所未有的发展机遇，各类建筑工程如雨后春笋般拔地而起。混凝土，作为建筑领域的核心材料，其性能的优劣直接关乎建筑的质量与安全。而水稳剂，作为一种能够显著提升混凝土性能的关键添加剂，在混凝土结构工程中扮演着不可或缺的角色。

随着结构工程设计的日益深化，对水稳剂的性能要求也在不断提高。传统水稳剂在实际应用中逐渐暴露出一些局限性。从环保角度来看，部分传统水稳剂在生产、使用或废弃后，可能会对土壤、水源等环境要素造成污染，这与当下全球倡导的绿色、可持续发展理念背道而驰。在耐久性方面，传统水稳剂难以满足混凝土结构在长期使用过程中应对复杂环境挑战的需求，如在高温、潮湿、强酸碱等恶劣条件下，混凝土的强度、抗渗性等性能容易出现衰退，影响建筑的使用寿命和安全性。

二膦酸基庚二酸（DPPA）作为一种新型功能性水稳剂，近年来备受关注。DPPA的分子结构中含有独特的膦酸酐基，这一特殊结构使其能够与水泥中的氢氧化钙以及其他金属离子发生特异性反应。在水泥硬化过程中，膦酸酐基与钙离子结合，形成一种难溶性的络合物，这些络合物填充在水泥颗粒之间的空隙中，不仅增加了水泥石的密实度，还提高了水泥石与骨料之间的粘结力，从而显著提升了混凝土的力学性能。同时，DPPA参与混凝土的硬化反应，在混凝土表面形成一层致密的保护膜，有效阻止了外界有害物质如氯离子、硫酸根离子等对混凝土内部结构的侵蚀，极大地增强了混凝土的耐久性。

研究DPPA的合成及性能，对推动绿色建筑材料的发展具有深远意义。在建筑行业中，使用性能优良的DPPA作为水稳剂，能够在保证混凝土质量的前提下，减少水泥等原材料的用量，降低能源消耗和碳排放，符合绿色建筑节能减排的要求。DPPA能够提升混凝土的耐久性，减少建筑物在使用过程中的维修和更换成本，从长远来看，具有显著的经济效益和社会效益。

二、DPPA的合成工艺研究

（一）合成反应原理

DPPA的化学结构式为（HOOC-C?H??-COOH）?P（O）H，从结构上看，其核心合成原理基于膦酸基团的亲核加成与官能团转化。庚二酸作为基础的碳链骨架，为整个分子提供了稳定的结构支撑。三氯膦和亚磷酸二乙酯则是引入膦酸基团的关键原料。在合成过程中，首先通过Grignard试剂引发的烷基化反应，使膦酸基团与庚二酸的碳原子建立起共价连接，实现了官能团的初步引入。之后，经过水解反应，将一些保护基团去除，使分子结构更加符合DPPA的最终要求。再通过缩合步骤，进一步优化分子的结构，确保两个膦酸基团与庚二酸骨架紧密相连，最终形成具有双膦酸结构的功能性分子DPPA。这种复杂而精细的合成过程，每一步反应都相互关联、相互影响，对反应条件的控制要求极高，任何一个环节出现偏差都可能影响到最终产物的质量和产率。

（二）原料与核心合成方法

关键原料：在DPPA的合成过程中，庚二酸是构建分子碳链骨架的基础原料，其质量和纯度直接影响着最终产物的结构完整性。三氯膦具有较强的反应活性，在反应中作为膦酸基团的引入试剂，其参与反应的程度和效率决定了膦酸基团能否顺利连接到庚二酸骨架上。亚磷酸二乙酯则在反应中起到了重要的辅助作用，它与其他原料协同反应，促进了膦酸基团的稳定化和分子结构的逐步形成。四氢呋喃（THF）作为反应溶剂，具有良好的溶解性和稳定性，能够为反应提供一个适宜的环境，使各种原料能够充分混合并发生反应。乙醇钠、铝锂合金等作为催化剂与活化剂，能够降低反应的活化能，提高反应速率，使反应在相对温和的条件下高效进行，确保反应朝着生成DPPA的方向顺利进行。

分步合成工艺：

Grignard试剂制备：在无水THF环境中，铝锂合金与乙醇钠的反应是整个合成工艺的关键起始步骤。无水THF不仅为反应提供了一个无水的环境，避免了水分对反应的干扰，还能溶解铝锂合金和乙醇钠，使它们能够充分接触并发生反应。铝锂合金在反应中表现出高活性，与乙醇钠回流反应生成高活性烷基镁试剂。这种烷基镁试剂具有很强的亲核性，能够为后续膦酸酯化提供亲核位点，是后续反应得以顺利进行的重要前提。

膦酰化反应：引入二膦酸乙酯后，在70℃的条件下与Grignard试剂反应24小时。70℃的反应温度是经过多次实验优化确定的，在这个温度下，既能保证反应具有足够的反应速率，又能避免过高的温度导致副反应的发生。反应时间设定为24小时，是为了确保二膦酸乙酯与Grignard试剂充分反应，通过亲核加成形成乙酰化中间体。在这个过程中，二膦酸乙酯的膦酸基团与Grignard试剂中的烷基镁发生亲核加成反应，逐步构建起分子的基本结构。

水解与纯化：中间体经氢氧化钠催化水解，