CN101646661A - 苯并嗪的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在非甲苯的溶剂中,由酚组分、醛组分和胺组分制备苯并噁嗪组分的新颖方法。
Description
发明背景
技求领域
[0001]本发明涉及一种由酚化合物、醛化合物和胺化合物制备苯并噁嗪化合物的新颖合成方法。
背景技术
[0002]苯并噁嗪通常由酚化合物与醛和烷基胺反应制备。已知该反应在无溶剂条件下进行,或者在溶剂存在下进行,如甲苯、二噁烷、醇或二乙醚。
[0003]例如,美国专利NO.5,543,516(Ishida)提供了一种制备苯并噁嗪化合物的方法,其中包含酚化合物、伯胺和醛的反应混合物在无单独溶剂的情况下制备;使反应物处于反应物进行化学键合的温度并保持在该温度下从而据报道形成苯并噁嗪化合物。
[0004]中国专利公开NO.CN 1451679(Gu)针对的是用于RTM应用的改性苯并噁嗪树脂,并提及过去的苯并噁嗪树脂是利用有机溶剂如甲苯、二噁烷和二甲苯(引用中国专利申请NO.ZL 94111852.5)合成的。而在上述CN’679公开中,甲苯在实施例中用作溶剂。
[0005]苯并噁嗪目前可从几个商家购得,包括Huntsman SpecialtyChemicals,Brewster,New York;Georgia-Pacific Resins,Inc.和ShikokuChemicals Corporation,Chiba,Japan,其中最后一个尤其提供B-a、B-m、F-a、C-a和F-a苯并噁嗪树脂。认为这些可购买到的苯并噁嗪是用甲苯作溶剂制备的。
[0006]然而,这些已知合成方法和一些市售的苯并噁嗪有缺点。例如,合成中用到的一些溶剂有毒,因此在工作场所希望避免使用,而另外一些在升高的温度条件下可移除,引起一些苯并噁嗪化合物的过早降解和/或聚合,导致采用所述苯并噁嗪配制的可固化组合物的性能受损。
[0007]已知的合成方法通常需要相当长的时间,即需要至少几个小时进行预期的反应和分离反应产物。最终产物的纯化经常需要额外的时间。另外,虽然苯并噁嗪的产率在一些实例中是令人满意的,但正如指出的,许多常用溶剂有毒性,许多实例中需要通过昂贵的措施来消除,如配备昂贵的溶剂回收系统。
[0008]因此需要有一种克服这些缺点的合成方法。
发明概述
[0009]本发明提供了一种克服了上述合成缺点的解决方案。
[0010]更具体地,本发明提供一种制备苯并噁嗪的方法。本发明的方法包括以下步骤:制备在烷基酯溶剂中的反应混合物,所述反应混合物包含作为反应物的酚化合物、伯胺化合物和醛化合物;使所述反应物到达所述反应物进行化学键合的温度,并使它们在该温度下保持足以形成苯并噁嗪的时间。
[0011]用甲苯做溶剂合成苯并噁嗪,例如,受困于甲苯的高沸点,即使在真空下也是如此。因此需要高温以从苯并噁嗪产物中移除甲苯溶剂。然而,由于苯并噁嗪产物在这些高温条件下存在一定程度的挥发,不能在不移除苯并噁嗪产物的情况下将甲苯溶剂与苯并噁嗪产物完全分离,并且显著推动苯并噁嗪产物变化(advancing),因此降低了它的储存期限稳定性。根据图1和2所示,GC显示在甲苯溶剂中合成的苯并噁嗪产物仍包含残余甲苯,流变仪(rheometrics)显示120℃时具有不稳定性。
[0012]根据这个背景,以下的可选溶剂是所希望的,它们具有包括以下的性能:与水环混溶;易于溶解原材料、形成的任何中间体产物、和苯并噁嗪产物;环境压力下具有65℃到105℃的沸点和低毒性。以下更详细描述的所选择的溶剂是烷基酯,如乙酸乙酯。乙酸乙酯具有环境压力下76.5℃-77.5℃的沸点。也可以使用乙酸丙酯(沸点为102℃)和乙酸异丙酯(沸点为85℃-91℃)。类似地,也可以使用非乙酸酯,甲酸丙酯(沸点为80℃-81℃),其也属于烷基酯范围内。
[0013]确定下列溶剂家族不适合于苯并噁嗪的商业合成,原因如下:
[0014]芳族溶剂(如苯、甲苯或二甲苯)不适合于本发明的实践,或者因为它们的毒性或者因为它们的沸点太高,或两者都有。
[0015]醇类(如甲醇、乙醇或叔丁醇)溶剂不适合于本发明的实践,或者因为它们可与水混溶,或者因为它们的沸点太高,或两者都有。
[0016]醚类(如乙醚、二丙醚或THF)溶剂不适合于本发明的实践,因为它们的毒性。
[0017]酮类(如丙酮或MEK)溶剂不适合于本发明的实践,因为它们与反应物存在潜在的反应性。
[0018]像醚溶剂一样,烷基卤溶剂(如二氯甲烷、氯仿和四氯化碳)不适合于本发明的实践,因为它们的毒性。
[0019]在略低于0.1MPa的真空下,乙酸乙酯的沸点比甲苯的沸点低20℃以上。因此苯并噁嗪可在70℃干燥,而没有产物变化和因此增加了它的粘度(导致受损的储存期限稳定性)的风险。气相色谱/质谱(无显示;相对于图1)表明在乙酸乙酯中制备的苯并噁嗪无溶剂,而且相对于在甲苯中制备的苯并噁嗪(见图2,A和B)通过rheometric粘度测试方法显示在120℃具有储存期限稳定性。
附图说明
[0020]图1示出了在甲苯中制备的苯并噁嗪的气相色谱/质谱谱图。
[0021]图2分两部分示出了凝胶渗透色谱,在甲苯(A)中制备的苯并噁嗪与在乙酸乙酯(B)中制备的苯并噁嗪的凝胶渗透色谱进行对比。
[0022]图3示出了在甲苯中制备的苯并噁嗪(上曲线)与在乙酸乙酯中制备的苯并噁嗪(下曲线)的rheometric粘度随时间测试的谱图。
发明详述
[0023]如前所述,目前,苯并噁嗪树脂由酚、醛和伯胺在溶剂(如甲苯、二噁烷和醇)中或在无溶剂体系中合成。典型地,由于合成和接下来的溶剂移除所需的时间,完成苯并噁嗪化合物合成的反应需要几个小时以上。如果需要对产物纯化,还需要额外的时间。尽管利用使用溶剂的技术的苯并噁嗪的产率和分子量分布是令人满意的,但是由于毒性、高沸点、与水的混溶性和与反应物、中间体和/或苯并噁嗪产物的反应性选择备选溶剂是希望的。
[0024]尽管生成如前所述产物的反应不需要催化剂,但是如果需要,如为了改变反应混合物中形成的产物的组成,可以使用酸催化剂如HCl、或碱性催化剂如NaOH。
[0025]合成中可以使用各种不同的醛,例如甲醛溶液(如福尔马林)、多聚甲醛、聚甲醛,以及具有通式RCHO的醛,其中R为脂族基团,包括上述醛的混合物。
[0026]许多种酚同样可用于合成中。可以使用,例如,单官能酚如苯酚、甲酚、2-溴-4-甲基苯酚、2-烯丙基苯酚、1,4-氨基苯酚或类似物。适合的双官能酚包括酚酞、双酚、4-4`-亚甲基联苯酚、4-4`-二羟基二苯甲酮、双酚-A、1,8-二羟基蒽醌、1,6-二羟基萘、2,2`-二羟基偶氮苯、间苯二酚、芴双酚和类似物。适合的三官能酚包括1,3,5-三羟基苯和类似物。
[0027]多种伯胺可用于苯并噁嗪的合成。适合的化合物包括单官能胺如铵、甲基胺、乙基胺、丙基胺、丁基胺、异丙基胺、十八烷基胺、环己胺、烷基胺、1-氨基蒽、4-氨基苯甲醛、4-氨基二苯甲酮、氨基联苯、2-氨基-5-溴吡啶、D-3-氨基-e-己内酰胺、2-氨基-2,6-二甲基哌啶、3-氨基-9-乙基咔唑、4-(2-氨乙基)吗啉、2-氨基芴酮、2-氨基芴、1-氨基环己亚胺(1-aminohomopiperidine)、9-氨基菲、1-氨基芘、4-溴苯胺、苯胺和类似物。适合的双官能胺包括2-氨基苄胺(benxylamine)、1,3-二氨基丙烷、1,4-二氨基丁烷、1,10-二氨基癸烷、2,7-二氨基芴、1,4-二氨基环己烷、9,10-二氨基菲、1,4-二氨基哌嗪、亚甲基二苯胺、1,4-二氨基二苯甲酮、4,4-二氨基二苯基砜、芴二胺、4,4`-二氨基二苯基硫醚、4,4`-氧基二苯胺和类似物。适合的三官能胺包括三聚氰胺,四官能胺包括芴四胺、四胺二苯基醚和类似物。
[0028]另外还有,胺官能化聚二甲基硅氧烷及其共聚物,胺官能化聚丁二烯和其共聚物、聚烯丙基胺和类似物。
[0029]对于反应条件,如果给予充足的时间,反应可在差不多室温的条件下进行,或者反应温度可控制在约150℃。
[0030]该合成反应可在大气压力下进行或根据需要在高至约100psi的压力下进行。
[0031]反应时间将取决于反应物特性与反应条件。一般的,然而,使用的反应时间为约15到30分钟,正如所指出的,反应时间也可少于或多于上述时间,这取决于反应的环境。
[0032]所需反应物的相对数量取决于它们的化学特性,如参与反应的反应性基团的数目。化学计量学在熟悉本领域的技术人员的技能之内,所需反应物的相对数量很容易选择,这取决于反应性化合物的官能度。
[0033]苯并噁嗪可以下述结构表示:
其中o为1-4,X选自直接键(当o为2时)、烷基(当o为1时)、亚烷基(当o为2-4时)、羰基(当o为2时)、硫醇(当o为1时)、硫醚基(当o为2时)、亚砜基(当o为2时)和砜基(当o为2时),R1选自氢、烷基、烯基、和芳基,和R4选自氢、卤素、烷基和烯基。
[0034]更特别的,在结构式I范围内,苯并噁嗪可以下述结构表示:
其中X选自直接键、CH2、C(CH3)2、C=O、S、S=O和O=S=O,R1和R2相同或不同并且选自氢,烷基如甲基、乙基、丙基和丁基,烯基如烯丙基和芳基,和R4相同或不同并且选自氢或烯基如烯丙基。
[0035]结构式II范围内,代表性的苯并噁嗪包括:
其中R1、R2和R4与上述定义相同。
[0036]可选的,苯并噁嗪以下述结构表示:
其中p为2,Y选自联苯基(当p为2时)、二苯基甲烷(当p为2时)、二苯基异丙烷(当p为2时)、二苯基硫醚(当p为2时)、二苯基亚砜(当p为2时)、二苯基砜(当p为2时)和二苯基酮(当p为2时),和R4选自氢、卤素、烷基和烯基。
[0037]虽然不在结构式I或VII范围内,另外的苯并噁嗪以下述结构表示:
其中R1、R2和R4与上述定义相同,和R3如R1、R2或R4定义。
[0038]这些苯并噁嗪的特别实例包括:
[0039]所述苯并噁嗪组分可以包括多官能苯并噁嗪和单官能苯并噁嗪的结合物,或可以是一种或多种多官能苯并噁嗪或一种或多种单官能苯并噁嗪的结合物。
[0040]单官能苯并噁嗪的实例可以下述结构表示:
其中R为烷基如甲基、乙基、丙基和丁基,或在可利用的可取代位点的一个、一些或全部上具有或者不具有取代的芳基,和R4选自氢、卤素、烷基和烯基。
[0041]例如,单官能苯并噁嗪以下述结构表示:
其中在此情况下R选自烷基、烯基,其中的每一个任选地被取代或被一个或多个O、N、S、C=O、COO和NHC=O间断,和芳基;m为0-4;和R1-R5独立地选自氢、烷基、烯基,其中的每一个任选地被取代或被一个或多个O、N、S、C=O、COOH和NHC=O间断,和芳基。
[0042]这种单官能苯并噁嗪的具体实例为:
其中R如上定义;或
[0043]下述实施例帮助阐述本发明。
实施例
[0045]进行两个反应,一个在甲苯中,和另一个在乙酸乙酯中。第一个反应中,将135g的37%福尔马林溶液和44.6g的亚甲基二胺加入到70.5g的苯酚和27.9g的苯胺中。69g的甲苯用作溶剂。使反应混合物在室温下搅拌并加热至80℃。使混合物在约80℃的回流温度下继续反应5小时。
[0046]第二个反应中,将同样数量的反应物混和,除了在此情况中用71.95g的乙酸乙酯代替69g的甲苯。此时,使反应混合物在室温下搅拌,接着加热至回流温度,在约65℃时开始,稳定在78℃或更低。然后使反应混合物在回流温度下继续反应5小时。
[0047]每一反应完成时,用氢氧化钠水溶液洗3次,水洗2次。接着将洗过的反应混合物减压干燥和浓缩,对于第一个反应温度为80℃到93℃,第二个反应为高至70℃。
[0048]如图2所示,两个反应中每个苯并噁嗪产物的主峰为:317为双官能苯并噁嗪单体,和102为单官能苯并噁嗪单体。其它的峰为杂质:原材料、中间体或低聚物。定性地,两个反应所得苯并噁嗪产物是相同的,虽然根据图2,观察到A在15.5-18分钟时显示具有较高量的材料。这种材料-具有高分子量的低聚物材料-与在干燥过程中用于除去甲苯所使用的较高温度相关。认为这种高分子量的低聚物材料导致由甲苯溶剂所制备的最终苯并噁嗪产物中的不稳定性。
[0049]如图3所示,显示120℃时rheometric粘度测量随时间的谱图,甲苯中制备的苯并噁嗪(上曲线)与乙酸乙酯中制备的苯并噁嗪(下曲线)进行比较。相对扁平的下曲线表示在粘度增大(它意味着通过反应引起的苯并噁嗪产物的变化(advancement))方面的稳定性,而上曲线中的增长显示了相反的结果。
[0050]如前段所述,在120℃随时间由反应引起苯并噁嗪产物变化,根据图3,这可以解释为,在除去甲苯的产物干燥的过程中,温度高至93℃,过度热老化使得苯并噁嗪开环。
Claims (9)
1、制备苯并噁嗪的方法,包括:
(a)制备在乙酸烷基酯溶剂中的反应混合物,所述反应混合物包含作为反应物的酚组分、伯胺组分和醛组分;和
(b)使所述反应物和所述溶剂到达所述反应物进行化学键合的温度,并使它们在该温度下保持足以形成苯并噁嗪的时间。
2、根据权利要求1的方法,其中所述烷基酯溶剂选自乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯和甲酸丙酯。
3、根据权利要求1的方法,进一步包括用碱性水溶液洗涤步骤(b)的所述反应混合物。
4、根据权利要求1的方法,进一步包括用水洗涤步骤(b)的所述反应混合物。
5、根据权利要求1的方法,其中所述苯并噁嗪以约为90%或更高的产率形成。
6、根据权利要求1的方法,其中所述步骤(b)的温度约为65℃或更高。
7、根据权利要求1的方法,其中所述反应在5小时的时间内进行。
8、根据权利要求1的方法,其中在升高的温度下移除所述溶剂。
9、根据权利要求8的方法,其中所述温度约为70℃。
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