CN102414193B - 光引发剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新的光引发剂,尤其是在分子内含有氨基基团的光引发剂。

Description

光引发剂
本发明涉及作为涂料组合物,优选印刷油墨中的光引发剂使用的新的化合物。
可能量固化组合物,例如可UV固化组合物,通常包含光引发剂,用于启动/增强可聚合材料的聚合反应,所述可聚合材料通常包含烯类不饱和部分。那些光引发剂必须具有好的固化活性、低气味和与所述涂料组合物的其它成分的良好相容性。尤其是在食品包装应用上,光引发剂必须满足越来越多的法律规定要求。此外,光引发剂应以合理的或低的成本获得。
因此,近年来有研究开发满足上述要求的新的光引发剂。例如,在WO 03/033492中描述了一系列光引发剂。
本发明的目的是提供满足以上所述要求的新的光引发剂。
通过在权利要求中所定义的一系列光引发剂,本发明已经实现了该目的。具体来说,本发明涉及化学式(I)的光引发剂
(PI-Sp)n-BB    (I) 
其中,
PI为噻吨酮部分,任选地含有除Sp部分外的其它的取代基;
Sp为间隔单元,选自 
BB为骨架部分,选自
其中,
R2和R3相同或不同,并且表示氢、任选地取代的直链或支链C1-8烷基残基或酰基残基;
R4为H或羟基;
R5为H或C1-4烷基;
R6和R7相同或不同,并且表示氢、任选地取代的直链或支链C1-8烷基残基;
A为NR8,其中,
R8为H、任选地取代的直链或支链C1-8烷基残基、或任选地取代的C1-8烷基胺残基;
R9为H或C1-4-烷基;
p为1至10的整数,优选3至6的整数;
q为3至12的整数;
r的范围为2至3;
w为2至15的整数,优选3至10的整数;并且,
n为1或2。
在整个申请中,没有连接至一个部分内的原子上的所述部分的键应理解为将所述部分连接至所述光引发剂的各个不同部分的键。
本发明公开了光引发剂的新的结构。非常惊讶地发现本发明所述的新的化合物为合适的光引发剂。从WO 03/033492的教导中并不能预见到这一点,其限定于特定的结构。因此,本发明广泛地拓展了可被考虑作为涂料组合物,优选印刷油墨的光引发剂的化合物的范围。
根据本发明的一个优选实施方案,惊奇地发现将胺基插入所述光引发剂的骨架也是可能的,并且这些胺基增强了本发明化合物的固化性能。最优选的胺基为叔胺基。根据本发明,所述胺基可以为本发明化合物的主链的一部分,或者任选地,可以将它们以侧链基团或末端基团的方式引入至所述化合物。
本发明的另一实施方案还提供了新的不含氮的光引发剂,其也显示出 良好的固化和相容的特性。那些不含氮的光引发剂含有自由羟基基团。我们惊奇地发现那些物质仍然显示出良好的固化和相容的性质,但可以另外连接至粘结剂树脂(例如,通过将自由羟基基团与异氰酸酯基团反应)。这防止了那些光引发剂从组合物中逃脱出,并且因此避免了所述化合物的低气味,并且把迁移出涂层膜外的风险降到最低。
根据本发明,PI为噻吨酮。 
本发明已经发现当将噻吨酮部分连接至聚合骨架的Sp部分位于所述噻吨酮环的第2位时,所述化合物的光反应性最佳。
惊奇地发现,与WO 03/033492的教导相反的是,如果除了所述Sp部分外,所述PI部分上至少有一种,优选一种至两种另外的取代基时,本发明化合物的光反应性可以被增强。根据最优选的实施方案,发现另外的取代基,尤其是C1-4烷基部分,优选甲基或异丙基部分,尤其是异丙基部分,位于所述噻吨酮部分的第4位具有有利作用。
因此,根据本发明的一个优选的实施方案,所述PI部分被至少一种,优选1种或2种,选自如下的残基所取代:直链或支链C1-8烷基,优选直链或支链C1-4烷基;直链或支链C1-8烷氧基,优选直链或支链C1-4烷氧基;或卤素,优选Cl。所述直链或支链C1-8烷基,特别优选直链或支链C1-4烷基残基。
取代的噻吨酮的合成为本领域技术人员所公知。多种取代的噻吨酮可以商购获得。
根据本发明的一种优选实施方案,通过硫代水杨酸(从例如,SigmaAldrich商购)和各种取代的苯酚衍生物反应来制备取代的噻吨酮。例如,2-羟基-4-异丙基噻吨酮的合成是通过以下途径完成的:
该反应于加热至约60至100℃,在强酸例如浓硫酸存在的情况下进行。
可以通过公知的反应将所述间隔单元连接至噻吨酮或吖啶酮部分。
所述间隔单元 可以通过2-羟基噻吨酮衍生物和表氯醇反应并随后与所述骨架单元BB的亲核基团(Nu)反应而形成:
所述间隔单元 可以方便地通过2-羟基噻吨酮衍生物与卤代乙酸衍生物,例如,溴乙酸乙酯反应,并随后与所述骨架单元BB的亲核基团(Nu)反应而制备:
α-卤羧酸衍生物与含有羟基的化合物之间的反应也是公知的。这通常是在加热条件下在碱例如氢氧化钠存在的情况下进行。
如前文所提到的,根据本发明的一个特别优选的实施方案,所述骨架 单元含有至少一个胺部分。很惊奇地发现,此类化合物不仅是好的光引发剂,这本身是不可预见的,但此类胺基基团的插入引起所述化合物的光反应性的增强。
根据本发明的一个特别优选的实施方案,此类胺基基团为叔胺基团。
所述实施方案的化合物的优选基团的特征在于化学式为:
其中,
R1为H或直链或支链C1-8烷基,优选直链或支链C1-6烷基,最优选CH3、C2H5、n-C3H7、i-C3H7、n-C4H9、s-C4H9、t-C4H9
BB选自
其中,
R2和R3相同或不同,并且表示氢或
其中,
R6和R7独立地为H或直链或支链C1-8烷基,优选直链或支链C1-6烷 基,最优选CH3、C2H5、n-C3H7、i-C3H7、n-C4H9、s-C4H9、t-C4H9;并且
p为1至10的整数,优选3至6的整数,最优选3或5;
q为3至12的整数,优选9;
A为NR8,其中,R8为H、直链或支链的C1-4烷基残基、C1-4烷基胺残基、或
其中,R6和R7如以上所定义;
R4为H或羟基;
R5为H或CH3;并且
n为2。
在这组化合物中,所述胺官能团可以同时存在于主链和侧链或末端基团上。
此处使用的所述PI-Sp单元为
前文已经描述过它的合成。
骨架单元
由可商购的聚氧化丙烯胺,例如Jeffamine D230或Jeffamine D400,衍生得到。
骨架单元
很容易地这样制备:先使胺基部分A与所述PI-Sp单元反应,随后使自由胺基基团与例如聚氧化乙烯反应,如制备如下化合物的例子所示:
此组化合物的优选例子为:
另一组优选化合物的特征在于化学式为:
其中,
BB选自
其中,
q为3至12中的整数,优选9;
R5为H或CH3
R6和R7独立地为H或直链或支链的C1-8烷基,优选直链或支链C1-6烷基,最优选CH3、C2H5、n-C3H7、i-C3H7、n-C4H9、s-C4H9、t-C4H9
w为2至15的整数,优选3至10的整数。
n为1或2。
此处使用的PI-Sp单元为:
前文已经描述过它的合成。
骨架单元 是通过将相应的PI-Sp单元与聚四氢呋喃反应,并且随后与4-氨基苯甲酰衍生物反应而获得的。
骨架单元 是通过将相应的PI-Sp单元与聚氧化乙烯二环氧化物(poly-oxyethylenediepoxide)或聚氧化丙烯二环氧化物(polyoxypropylene diepoxide)反应,并且随后与4-氨基苯甲酰衍生物反应而获得的。
该组化合物的优选例子为:
另一组优选的本发明化合物的特征在于化学式为:
其中,
R10和R11相同或不同,并且表示H、CH3或CH(CH3)2
BB选自:
其中,
q为3至12的整数,优选9;
R5为H或CH3
R6和R7独立地为H或直链或支链C1-8烷基,优选直链或支链C1-6烷基,最优选CH3、C2H5、n-C3H7、i-C3H7、n-C4H9、s-C4H9、t-C4H9
R9为H或CH3
r的范围为2至3;
n为2。
此处所使用的PI-Sp单元为:
前文已经描述过它的合成。
在上述列表的第一个骨架中,多元醇为基于季戊四醇的多元醇。
根据本发明,基于季戊四醇的多元醇为含有季碳原子和含有至少三个羟基基团的多元醇。优选的例子为多元醇3380:
在商购产品多元醇3380中,r在统计学上为2.5。
当然,根据本发明,其它含有三个或多个羟基基团的多元醇也可以以与多元醇3380相似的方式被使用。
根据起始成分的比例,所述多元醇3380的一个或两个或全部三个羟基基团可以与所述PI-Sp部分反应。多元醇3380的剩余的自由羟基基团可以与末端基团反应,例如二烷胺苯甲酰部分。
以上列出的其它骨架单元是通过将相应的PI-Sp单元与聚氧化乙烯环氧化物(polyoxyethylene epoxide)或聚氧化丙烯环氧化物(polyoxypropylene epoxide)反应而获得的。
此组化合物的优选例子为:
可以将前文所描述的光引发剂加入常规的辐射可固化涂料组合物。此类涂料组合物为本领域所公知,并且此处不需要详细赘述。
含有本发明所述光引发剂的涂料组合物将通常含有至少一种辐射可固化单体和/或低聚物、本发明的光引发剂和任选的另外的反应性烯释剂。在印刷油墨的例子中,所述组合物还将含有着色剂,例如颜料。
所述辐射可固化单体或低聚物优选为乙烯式不饱和化合物。合适的丙烯酸酯低聚物的例子包括脂肪族或芳香族尿烷丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯和环氧丙烯酸酯(例如双份A环氧丙烯酸酯)。合适的丙烯酸酯单体的例子包括己二醇双丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、双-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯、双-季戊四醇五丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯,例如乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、甘油三羟丙基醚三丙烯酸酯、乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯,和环氧丙烯酸酯,例如二甲氨乙醇二丙烯酸酯(dianol diacrylate)(=2,2-双[4-(2-羟乙氧基)苯基]丙烷的二丙烯酸酯,购自UCB的Ebecryl 150)和二醇双丙烯酸酯例如三丙二醇二丙烯酸酯。
本发明的重大益处是本文描述的大多数光引发剂在其分子内含有胺部分。因此,另外的增效剂的量可以大幅降低或者甚至对于一些应用则完全省略。于是,大幅降低了小分子增效剂从最终涂层的任何迁移,使得环境问题减少。然而,对于在其分子内不含胺部分的本发明光引发剂的使用,本发明组合物优选含有增效剂,例如本领域所公知的氨基丙烯酸酯或二甲氨基苯甲酸酯。所述增效剂将优选为在印刷油墨例子中的二甲氨基苯甲酸酯或在清漆例子中的氨基丙烯酸酯。一些油墨,例如在柔版印刷应用中使用的那些,可以含有这两种氨基类型。
化学式(I)的多官能团引发剂特别适合油墨,尤其是印刷油墨,包括平板印刷油墨。如前文所提到的那些另外成分,这些通常包括颜料、蜡、稳定剂和流动助剂中的一种或多种,例如“Pringting Ink Manual”,第四版,Leach R.H.et al.(eds),Van Nostrand Reinhold,Wokingham,(1988)中的描 述,此处引入此公开内容作为参考。本发明的光引发剂已经显示出与这些组合物的其它成分的良好相容性。
现在将通过非限制性实施例对本发明进一步描述。
实施例1:噻吨酮衍生物的合成
合成含有羟基的HTX中间体的通用方法按如下进行:将硫代水杨酸(0.1mol)缓慢地加入至150ml浓硫酸中,并且将该混合物搅拌5min以保证完全混匀。在30min的时间内将苯酚衍生物(0.5mol)缓慢地加入至搅拌的混合物中。加入后,将该反应混合物于室温搅拌1h,并且随后于80℃下搅拌2h,之后将其置于室温过夜。将所得到的混合物边搅拌边小心地倒入多十倍的沸水中,并且继续沸腾10min。将该溶液冷却并且过滤。残渣在二氧杂环乙烷-水中再结晶。通过FTIR和NMR仔细地表征和确认羟基噻吨酮。
通过以上方法获得以下羟基噻吨酮:
实施例2:PI-Sp单元的制备
实施例2a:酸-噻吨酮中间体
酸-噻吨酮中间体的合成以4-异丙基-2-羧甲基-氧代-噻吨酮的合成的示例方式显示:
使2.4g氢氧化钠在40ml四氢呋喃(THF)中回流5min。将4-异丙基-2-羟基噻吨酮(2.7g,0.01mol)加入并且继续回流1h,在此期间颜色变为红色,表明生成了4-异丙基-2-羟基噻吨酮的钠盐。将溴乙酸乙酯(3.51g,0.021mol)加入并且持续回流5h,其中,该溶液的颜色变为黄色。在冷却至室温后,加入40ml水,并且将THF蒸出以得到澄清的红色溶液。将该溶液进一步回流3h以水解所有的酯中间体。随后将该溶液冷却至50℃,并且加入40ml 1.0M的盐酸,使固体产物沉淀出来。进一步回流10min以确认所有钠盐都转变为自由酸,将该溶液冷却至室温并且搅拌2h后过滤出固体,用40ml水洗,并且在真空烘箱中于80℃干燥。产率为约95%。
其它所使用的酸-噻吨酮中间体是由相应的噻吨酮衍生物起始通过相同的方式获得的。
实施例2b:2-羧甲氧基噻吨酮
2-羧甲氧基噻吨酮可以通过一步反应合成:将硫代水杨酸(0.1mol)缓慢地加入至150ml浓硫酸中,并且将该混合物搅拌5min以保证完全混匀。经过30min的时间将苯氧基乙酸(0.5mol)缓慢地加入至搅拌的该混 合物中。加入后,将该反应混合物于室温搅拌1h,并且随后于80℃下搅拌2h,之后将其置于室温过夜。将所得到的混合物边搅拌边小于地倒入多十倍的沸水中,并且继续沸腾10min。将该溶液冷却并且过滤。残渣在二氧杂环乙烷-水中再结晶。
实施例2c:环氧-噻吨酮中间体
合成环氧-噻吨酮中间体的通用方法按如下进行:羟基噻吨酮(0.03mol)、表氯醇(20ml)、无水碳酸钾粉末(6.5g)、甲苯(30ml)和聚乙二醇(PEG-400,0.5ml)的混合物于80℃下搅拌2h,并且随后于135℃回流2h。在冷却后将有机层倒出,并且用甲苯清洗无机残余物直至溶液颜色变为无色。将混合溶液蒸馏以除去溶剂和多余的表氯醇,并且在分液漏斗中将残余物分散于氯仿和水之间。用无水氯化钙干燥该氯仿溶液并蒸干。在乙醇-甲苯(V/V=6/1)中重结晶出粗产物。
其它所使用的环氧-噻吨酮中间体是由相应的噻吨酮衍生物起始通过相同的方式获得的。
实施例3:光引发剂的制备
实施例3.1:合成
将0.01mol 4-甲基-2-环氧甲氧基噻吨酮(4-methyl-2-epoxymethyloxythioxanthone)(根据实施例2c获得)和0.04mol丙胺(PA)溶解于20ml氯仿中,并且将该混合物于40℃搅拌12小时。通过旋转蒸发将未反应的PA和溶剂氯仿除去,而获得4-甲基-2-(1-丙基-氨基-2-羟基)-丙氧基噻吨酮 (4M2ETX-PA)。将0.005mol PEO526(聚氧化乙烯双环氧化物)和40ml乙醇加入含有4M2ETX-PA的烧瓶。该混合物在N2气中于80℃回流8小时。通过旋转蒸发除去溶剂乙醇,而获得标题化合物。
以类似的方式,通过使用其它胺化合物例如哌嗪可以产生在骨架内含有胺部分的另外的光引发剂。
在使用聚合胺例如聚醚胺(Jeffamines)的例子中,不需要加入聚烷氧基化合物。
实施例3.2:合成
将2-羧甲氧基噻吨酮(2.88g,0.01mol,根据实施例2b获得),p-THF650(6.50g,0.01mol),4-二甲氨基苯甲酸(2g,0.012mol),0.3g对甲苯硫酸和100ml二甲苯加入至一个具有氮气进气口和迪安-斯脱克分离器的三颈烧瓶中。将混合溶液于150℃共沸蒸馏12小时,并且随后将二甲苯蒸出。将该混合物加热至200℃保持5小时,并且随后冷却至80℃。随后,将100ml甲苯边搅拌边加入。将该溶液冷却至室温,然后过滤,并且用100ml 0.25M的氢氧化钠洗两遍并用100ml水洗两遍。用无水硫酸镁干燥该有机相,并且通过旋转蒸发仪除去所有溶剂以产生红色的油。产率为约86%。
以类似的方式,通过使用其它聚烷氧基化合物例如聚氧化乙烯双环氧化物或聚氧化丙烯双环氧化物可以生成含有末端胺部分的其它光引发剂。
在使用聚合胺例如聚醚胺的例子中,不需要加入聚烷氧基化合物。
实施例3.3:合成
将0.2mol 2-羧甲氧基噻吨酮(根据实施例3b获得)和0.1mol PEO 526 (聚氧化乙烯双环氧化合物)加入至烧瓶中。将该混合物加热至150℃保持12h,并且随后至180℃保持6h,以获得标题化合物。产率约为100%。
实施例3.4:合成
以与实施例3.3相似的方式合成该化合物,但使用陶氏的DER 732环氧树脂代替PEO 526。
可以理解的是本发明的其它化合物可以通过使用相应的起始或中间材料以相似的方式制备。该反应条件的任选的轻微调整是在本领域技术人员的常识范围内。
衍生反应(例如酯化自由羟基基团或胺化自由氨基基团)可以通过标准步骤进行,此处不需详细描述。
实施例4:印刷油墨的制备
a)含有包含胺的光引发剂的油墨
通过混合以下化合物,以常规方式制备印刷油墨:
该油墨显示出良好的固化性质,而不需要使用另外的胺增效剂。
b)不含有包含胺的光引发剂的油墨
通过混合以下化合物,以常规方式制备印刷油墨:
该油墨显示出良好的固化性质。
测试过程
a)膜的耐醇性测试
在塑料基质上,在本发明的涂料组合物的样品旁边提供有标准样品。使用汞灯进行固化(160W/cm,传送器的速度为30m/min)。在塑料膜上进行并排绘制,包括标准油墨和测试油墨。用吸有乙醇的棉花处理该油墨膜直至消失。必要的往返摩擦的次数体现了固化水平。
b)固化极限
用Little Joe或PrufBau机器以1.50g/m2将本发明的油墨印在塑料基质上。将该印刷品切成几片。每一片以传送带速度在每一个样品上逐步递减的方式在UV干燥器中通过。通过拇指旋转(thumb turn)判断膜是否固化。如果没有,降低速度,并且另一片印刷品通过并再次判断固化。随着速度降低,辐射变得足以使油墨完全固化,拇指不会再在印刷品上留下印记。然后记录该干燥器的速度,并且作为“固化极限(m/min)”。数值越高,该油墨的反应性就越高。
在下列表格中,给出了几种含有本发明的不同光引发剂的本发明的油墨的固化极限测试的结果,作为与参照产品Omnipol TX(WO03/033492,实施例3)的对比。根据实施例4制备该油墨(比较实施例1的油墨(C1)使用3wt.-%的Omnipol TX和相应的24.5%wt.-%的Ebecryl1608根据实 施例4b制备):
可以看出,本发明的油墨显示出比参照例Omnipol TX相当的甚至更好的固化极限数值。此外,在例1的情况下,可以显著降低另外的增效剂的用量,这降低了由增效剂引起的迁移问题。
c)堵塞测试
在多孔纸上(纸张打印机)进行本发明的油墨对标准样品的下墨测试。固化参数为:1通过120m/min1灯分钟功率(1pass120m/min1lamp min power)。在室温压力(10吨)下保持对空白的多孔纸印刷30秒。以堵塞标度的函数表示测试结果,并提供对表面固化的评价。
d)对异氰酸酯封端的聚胺酯的反应性
为了显示本发明的某些表现出自由羟基基团的油墨可以接枝至合适的粘结剂树脂上,将含有实施例3.4的光引发剂的实施例4b)的油墨,加入至含有自由末端异氰酸酯基团的聚氨酯中。在于70℃下2h的反应时间后, 可以观察到自由异氰酸酯基团的显著减少。
在相同的条件下,含有Ominipol TX的类似油墨并不与所述含有自由末端异氰酸酯基团的聚氨酯反应。

Claims (10)

1.化学式(I)的光引发剂
(PI-Sp)n-BB(I)
其中,
PI为噻吨酮部分或含有除Sp部分外的至少一个其它的取代基的噻吨酮部分,其中,所述至少一个其它的取代基选自直链或支链C1-8烷基、直链或支链C1-8烷氧基或卤素;
Sp为连接至PI噻吨酮部分的第2位的间隔单元,选自
BB为骨架部分,选自
其中,
R2和R3相同或不同,表示氢、直链或支链C1-8烷基残基、或酰基残基;
R4为H或羟基;
R5为H或C1-4烷基;
R6和R7相同或不同,表示氢、直链或支链C1-8烷基残基;
A为NR8,其中,
R8为H、直链或支链C1-8烷基残基、或C1-8烷基胺残基;
p为1至10的整数;
q为3至12的整数;
r的范围为2至3;
w为2至15的整数;并且,
n为1或2。
2.根据权利要求1所述的光引发剂,其中,在所述PI部分的第4位存在直链或支链C1-8烷基残基。
3.光引发剂,其具有如下化学式:
其中,
R1为H或直链或支链C1-8烷基;
BB选自
其中,
R2和R3相同或不同,表示氢或
其中,
R6和R7独立地为H或直链或支链C1-8烷基;并且
p为1至10的整数;
q为3至12的整数;
A为NR8,其中,R8为H、直链或支链的C1-4烷基残基、C1-4烷基胺残基、或
其中,R6和R7如以上所定义;
R4为H或羟基;
R5为H或CH3;并且
n为2。
4.根据权利要求1所述的光引发剂,其具有如下化学式:
其中,
BB选自
其中,
q为3至12的整数;
R5为H或CH3
R6和R7独立地为H或直链或支链的C1-8烷基;
w为2至15的整数;
n为1或2。
5.根据权利要求1所述的光引发剂,其具有如下化学式:
其中,
R10和R11相同或不同,表示H、CH3或CH(CH3)2
BB选自
其中,
q为3至12的整数;
R6和R7独立地为H或直链或支链C1-8烷基;
r的范围为2至3;
n为2。
6.制备权利要求1至5中任一项所述的光引发剂的方法,包括以下步骤:
a)使噻吨酮部分与选自表氯醇和卤代乙酸酯的化合物反应,其中所述噻吨酮部分包含至少一个羟基基团;
b)使步骤a)得到的中间体与包含能够与由步骤a)得到的所述中间体反应的官能团的相应的主链单元反应,或者,供选择地,首先使步骤a)得到的中间体与包含能够与由步骤a)得到的所述中间体反应的官能团的化合物反应,并且随后使如此获得的中间体与相应的主链单元反应;
c)任选地使步骤b)所得到的化合物衍生化。
7.一种涂料组合物,其包含可聚合成分和至少一种权利要求1至5中任一项所述的光引发剂。
8.根据权利要求7所述的涂料组合物,其中,所述涂料组合物为印刷油墨。
9.权利要求1至5中任一项所述的光引发剂用于固化涂料组合物的用途。
10.根据权利要求9所述的用途,其中,所述涂料组合物为印刷油墨。
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