CN102807587B

CN102807587B - 磷氟系双胺化合物及其制备方法和利用磷氟系双胺化合物制备聚酰亚胺的方法

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Publication number: CN102807587B
Application number: CN201210288668.1A
Authority: CN
Inventors: 林棋灿
Original assignee: GAODING FINE CHEMICAL INDUSTRY (KUNSHAN) Co Ltd
Current assignee: GAODING FINE CHEMICAL INDUSTRY (KUNSHAN) Co Ltd
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: CN102807587A

Abstract

本发明公开了一种磷氟系双胺化合物及其制备方法，和利用磷氟系双胺化合物制备聚酰亚胺的方法。本发明藉由DOPO及三氟甲基巨大基团的导入，降低了分子链间的堆栈，除了可以增加溶解度之外，另外对金属有好的附着性，而且含磷的高分子在燃烧时，会与空气中的氧气形成保护层，所以具有优异的热安定性以及热氧稳定性。

Description

磷氟系双胺化合物及其制备方法和利用磷氟系双胺化合物制备聚酰亚胺的方法

技术领域

本发明涉及一种磷氟系双胺化合物及其制备方法，此化合物可用于合成聚酰亚胺等高分子材料。

背景技术

聚酰亚胺(polyimide)为一种高功能性的高分子，它具有优异的机械性质、热稳定性、尺寸安定性、抗辐射性、绝缘性佳的特性，因此广泛地应用于飞机、汽车、精密机械、半导体工业、光电产业等高科技领域。随着科技的进步，已经朝向轻、薄、短、小化的产品为目标。聚酰亚胺虽然有上述的优点，但是由于其主链上具有很高的坚硬度以及很强的分子间作用力，所以溶解性不佳以及熔点过高一直是目前所需要克服的问题，近来来科学家提出几个改善溶解度的方法。包括：(1)导入柔软基团[1-2]：导入柔软基团，像是含有醚基片段(-O-)，可以降低分子链的刚硬性，使得分子链变的具有柔软性，而提升溶解度，有利于加工，但是也会降低机械性质，使得玻璃转移温度降低。(2)导入巨大基团[3-5]：导入柔软基团，像是含有醚基片段(-O-)，可以降低分子链的刚硬性，使得分子链变的具有柔软性，而提升溶解度，有利于加工，但是也会降低机械性质，使得玻璃转移温度降低。(3)导入不对称基团或是非共平面基团[6-8]：如果在二胺或是酸酐导入不对称的基团，或是非共平面基团，会限制分子链间的运动，降低分子间作用力,例如氢键。使得玻璃转移温度提高，有不错的机械性质，也会增加溶解性。以及(4)导入含氟基团[9-11]：导入含有氟的基团，由于氟含量增加，会减低高分子链的规则性，使得分子间自由体基增加，导致分子间作用力减弱，因此溶解性大为提升，然而其优点不仅如此，由于氟原子具有低的可极化性(Polarizability)，又因为巨大的(-CF₃)基团是属于疏水性的基团，所以会使介电常数下降，有低的吸水性。也会降低折射率以及提高透明度。

导入氟的基团不只可以提升溶解度，也可以降低介电常数以及提高透明性，这对目前现在集成电路板方面有很大的帮助。由于现在集成电路的组件尺寸持续微缩，其金属连接线所造成的RC延迟现象严重影响组件操作速度。为了克服这个问题，其中一个方法就是改善聚酰亚胺的介电常数，使得介电常数降低，才可以有利于高密度线路的配置。然而做成高透明度的聚酰亚胺，可以应用在光学装置上面，像是显示器方面：OLED、LCD，或是太阳能电池面板方面的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种磷氟系双胺化合物及其制备方法，和利用磷氟系双胺化合物制备聚酰亚胺的方法，制备出来的聚酰亚胺具有优异的热安定性以及热氧稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种磷氟系双胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-胺基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，其特征在于其结构通式为

其中，R为H、C1-C6烷基或者CF₃。

一种制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物和4-对羟基苯乙酮及2-（三氟甲氧基）苯胺化合物在酸触媒下反应，生成磷氟系胺基酚化合物化合物10-[1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-4-(4-羟基苯基)乙基]-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，化学反应式为

（2）将磷氟系胺基酚化合物10-[1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-4-(4-羟基苯基)乙基]-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物和4-氟硝基苯在碱和DMAC催化下进行亲核取代反应，形成磷氟系硝基胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-硝基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，化学反应式为

其中，R为H、C1-C6烷基或者CF₃；

（3）在Pd/C和DMAC催化下，将磷氟系硝基胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-硝基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物进行氢化反应以生成磷氟系双胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-胺基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，化学反应式为

其中，R为H、C1-C6烷基或者CF₃。

前述的制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，酸触媒系选自醋酸、对-甲基苯璜酸、甲基磺酸、钙镁试剂、硫酸、2-胺基苯磺酸、3-啶磺酸、对胺基苯磺酸、氯化氢、溴化氢、碘化氢、氟化氢、三氟乙酸、硝酸、磷酸所组成之群。

前述的制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，碱触媒系选自碳酸钾、碳酸钠、碳酸铯、氟化铯、氢氧化钾及氢氧化钠所组成之群。

一种利用磷氟系双胺化合物制备聚酰亚胺的方法，其特征在于，将磷氟系双胺化合物和双酸酐化合物于溶剂中反应生成聚酰亚胺，化学反应式为

其中R为H、C1-C6烷基或者CF₃，Ar系选自所组成之群。

前述的利用磷氟系双胺化合物制备聚酰亚胺的方法，其特征在于，所述溶剂为间甲酚。

本发明的有益效果是：藉由9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物及三氟甲基巨大基团的导入，降低了分子链间的堆栈，除了可以增加溶解度之外，另外对金属有好的附着性，而且含磷的高分子在燃烧时，会与空气中的氧气形成保护层，所以具有优异的热安定性以及热氧稳定性。

附图说明

图1为本发明化合物磷氟系胺基酚化合物10-[1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-4-(4-羟基苯基)乙基]-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物的¹H NMR光谱图；

图2为本发明化合物磷氟系硝基胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-硝基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物的¹H NMR光谱图；

图3为本发明化合物磷氟系双胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-胺基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物的¹H NMR光谱图。

具体实施方式

为进一步揭示本发明的技术方案，下面结合附图详细说明本发明的实施方式：

实施例1：磷氟系胺基酚化合物10-[1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-4-(4-羟基苯基)乙基]-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物的合成

取DOPO(9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物)14.9g(0.069mol)、4-对羟基苯乙酮9.394g(0.069mol)、2-（三氟甲氧基）苯胺48.88g(0.276mol)、pTSA(对甲苯磺酸)0.6g，加入250mL三颈圆底瓶中搅拌。将氮气通入反应器中，反应温度控制在130°C，反应24小时后停止搅拌，有白色粉末自然析出于瓶底下，等到降至室温的时候，再利用甲醇清洗过量的2-（三氟甲氧基）苯胺，得白色粉末析出。所得到产率重19.8612g，产率58%。其反应途径如下方化学反应式所示。1H-NMR(ppm,DMSO-D6),δ=1.60(3H),5.35(2H,NH2),6.61(2H),66(1H),7.00(1H),7.08(1H),7.10(2H),7.15(1H),7.17(1H),7.34(1H),7.36(1H),7.67(1H),7.97(1H),8.08(1H),9.44(1H,OH)。

实施例2：磷氟系硝基胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-硝基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物的合成

取单体磷氟系胺基酚化合物19.946g(0.039mol)、4-氟硝基苯6.053g(0.0429mol)、K₂CO₃ 5.9292g(0.0429mol)、DMAC(二甲基乙酰胺)50ml，加入250mL三颈圆底瓶中搅拌。将氮气通入反应器中，反应温度在120°C，反应24小时后停止搅拌。反应完后有盐类在瓶底下，等到降至室温的时候，再过滤掉盐类，剩下的滤液倒入甲醇水析出，得到黄色粉末。产物于110℃烘箱烘干，得到产物重15.79g，产率72％。再利用乙醇再结晶，得暗红色晶体。产率49％。其反应途径如下方化学反应式所示。¹H-NMR(ppm,DMSO-D₆),δ=1.76(3H),5.41(2H,NH₂),6.66(1H),6.95(2H),7.00(1H),7.03(2H),7.10(1H),7.20(1H), 7.30(2H),7.33(1H),7.35(1H),7.35(1H),7.45(1H),7.72(1H),8.01(1H),8.13(1H),8.09(2H¹)。

实施例3：磷氟系双胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-胺基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物的合成

取单体磷氟系硝基胺化合物10g、0.4g的Pd/C（钯碳）以及50ml的DMAC(二甲基乙酰胺)，放入高压反应器中。先通入N₂充气放气重复三次，在通入H₂充气放气重复三次。反应24小时后，拆下氢化反应器，先过滤掉Pd/C，剩下的暗红色溶液再倒入500ml的去离子水析出，重复用去离子水清洗三次，得到灰白色粉末。放入70℃烘箱下烘干，得到产物重8.38g，产率83％。其反应途径如下方化学反应式所示。¹H-NMR(ppm,DMSO-D₆),δ=1.67(3H),4.99(2H,NH₂),5.36(2H,NH₂),6.60(1H),6.61(1H),6.63(1H),6.70(1H),6.97(1H),7.06(1H),7.11(1H),7.18(1H),7.26(1H),7.29(1H),7.34(1H),7.41(1H),7.70(1H),7.95(1H),8.08(1H).

实施例4：磷系聚酰亚胺的合成

因磷系聚酰亚胺之合成步骤彼此相似，仅以磷系聚酰亚胺 PI-a之合成做代表例。于100mL三颈瓶中搅拌通入N₂ 30min，称取二胺单体0.904g(1.5mmol)，间甲酚5.822g于三颈瓶中搅拌。等待二胺单体完全溶解后，在快速加入二酸酐PMDA（均苯四甲酸二酐)0.3272g(1.5mmol)，固含量为18wt%。等到完全溶解以后，再升温自回流，反应24h，反应完后，降温至室温，再慢慢的倒入甲醇析出，此时会有白色长条状析出，过滤后，置入索式萃取器中用甲醇升温回流清洗，洗净后放置110°C真空烘箱中烘干。将产物溶于DMAC中以固含量20wt%，搅拌成均匀溶液后利用涂布机涂布在玻璃基板，并控制膜厚15～45μm。于循环烘箱中以梯度升温的方式60°C加热12小时，100℃1小时，200℃1小时。再泡至水中使PI薄膜(4a)与玻璃基版分离。其反应途径如下方化学反应式所示。

仪器及测试方法

1.热示差扫瞄卡量仪(Differential scanning calorimetry)

使用Perkin-Elmer DSC 7，取样3～5mg以氮气流量20cm³/min，升温速率10°C/min测定。

2.热重量分析(Thermal gravimetric analysis)

取样2～5mg，于氮气流量100cm³/min，升温速率20°C/min下从50°C加热至800°C，以Seiko Exatar 600测量分析。

3.NMR光谱测量分析

溶于DMSO-d₆ 以Varian Inova 600NMR來测定，再藉由¹H-¹H COSY与¹H-¹³CgHSQC光谱以辅助标示peak。

4.动态机械分析(Dynamic mechanical analysis)

使用Perkin-Eimer Pyris Diamond DMA以升温速率5°C/min测定之。

5.热机械分析(Thermo mechanical analysis)

使用SII TMA/SS6100以升温速率5°C/min测定之。

6.椭圆仪(Ellipsometry)

使用GES-5E，将样品spin-coating后，以氪灯源来量测。

聚合物性质分析

表1为PI热性质分析数据。在合成出来的四种聚酰亚胺，由于具有醚基以及含氟的基团，因此具有优异的柔软性、可饶曲性、韧性，也有相当好的热性质。将四片PI薄膜分别测DMA、TMA以及TGA。从表1观察出，PI-a～PI-e的Tg点分别为310℃、266℃、284℃、305℃、以及262℃，具有高的Tg点是因为有导入巨大的DOPO基团，会增加分链段旋转的困难度。从Tg点分布可以看出含有PMDA结构的polyimide Tg点最高，相对的以含有6FDA的polyimide的Tg最低，这是因为在PMDA酸酐中，亚苯基是属于刚硬的结构，所以合成的聚酰亚胺分子链性质最刚硬，因此Tg点最高，相对以6FDA酸酐(4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐)，具有CF₃基团，使得分子间作用力降低，Tg点是最低的。表1可以知道热膨胀系数由于含有巨大的-OCF₃基团，所以导致热膨胀系数的值会高一些，分布范围介于52至65ppm/°C之间。从表1数据发现，在氮气下聚酰亚胺的5wt％的裂解温度介于434～445℃之间，而在800℃的残留率介于47～52wt％。在空气下wt％的裂解温度介于444～453℃之间，而在800℃的残留率介于35～39wt％，会有相当好的残留率。显示拥有不错的热安定性以及热氧稳定性。

表1、PI热性质分析数据

^a50°C时的储存模数(storage modulus)。^b玻璃转温度，由DMA量测，升温速率为5°C/min；^c玻璃转温度，由DMA量测，升温速率为5°C/min；^dC100°C to200°C间的热膨胀系数。^e5%裂解温度，升温速率为20°C/min。^r800°C时之焦碳残留率。

表2为所合成之接触角数据。其接触角大约在79°～93°之间，从表2可以看出PI-e的接触角为93.3°，为最大接触角。接触角比较大的原因是因为含有-CF₃基团，因为-CF₃为疏水性基团，所以在吸水性方面会偏低，接触角因此会比没有含氟的基团来的大。可以说明含氟团具有低吸水性的特性。表2亦列出合成之聚酰亚胺的折射率与介电数据。由表可知道折射率分布范围大约在1.67～1.75之间，而介电常数大约在2.81～3.06之间，显示低折射率，低介电特性。这是因为导入含氟团，C-F键结之分极率小，因此对电磁波的抵抗也相对减弱，而导致介电常数下降，而且-CF₃为巨大基团会有比较大的自由体积，所以会使得较多的空气进入，因此会有比较小的介电常数。

表2、PI的折射率，介电与接触角数据

a:于633nm波长下量测

以上通过对所列实施方式的介绍，阐述了本发明的基本构思和基本原理。但本发明绝不限于上述所列实施方式，凡是基于本发明的技术方案所作的等同变化、改进及故意变劣等行为，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种磷氟系双胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-胺基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，其特征在于，其结构通式为

其中，R为H、C1-C6烷基或者CF₃。

2.一种制备权利要求1所述的磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物、4-对羟基苯乙酮及2-(三氟甲氧基)苯胺在酸触媒下反应，生成磷氟系胺基酚化合物10-[1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-(4-羟基苯基)乙基]-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，化学反应式为

(2)将磷氟系胺基酚化合物10-[1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-(4-羟基苯基)乙基]-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物和4-氟硝基苯在碱和DMAC催化下进行亲核取代反应，形成磷氟系硝基胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-硝基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，化学反应式为

其中，R为H、C1-C6烷基或者CF₃；

(3)在Pd/C和DMAC催化下，将磷氟系硝基胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-硝基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物进行氢化反应以生成磷氟系双胺化合物10-{1-(3-三氟甲氧基-4-胺基苯基)-1-[4-(4-胺基苯氧基)苯基]乙基}-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷菲-10-氧化物，化学反应式为

其中，R为H、C1-C6烷基或者CF₃。

3.根据权利要求2所述的制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，酸触媒系选自醋酸、对-甲基苯璜酸、甲基磺酸、硫酸、2-胺基苯磺酸、对胺基苯磺酸、氯化氢、溴化氢、碘化氢、氟化氢、三氟乙酸、硝酸、磷酸所组成之群。

4.根据权利要求2所述的制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将氮气通入反应器中，反应温度为130℃，反应24小时。

5.根据权利要求2所述的制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，碱选自碳酸钾、碳酸钠、碳酸铯、氟化铯、氢氧化钾及氢氧化钠所组成之群。

6.根据权利要求2所述的制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将氮气通入反应器中，反应温度为120℃，反应24小时。

7.根据权利要求2所述的制备磷氟系双胺化合物的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，先通入N₂，充气、放气重复三次，再通入H₂，充气、放气重复三次，反应24小时。

8.一种利用权利要求1所述磷氟系双胺化合物制备聚酰亚胺的方法，其特征在于，将磷氟系双胺化合物和双酸酐化合物于间甲酚中反应生成聚酰亚胺，化学反应式为

其中R为H、C1-C6烷基或者CF3，Ar系选自和所组成之群，n系为30～300之间的整数。