CN103980315A - 含三嗪环的磷-氮-硅化合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反应型阻燃剂,具体是一种含三嗪环的磷-氮-硅化合物及其制备方法,第一步,多聚甲醛溶于甲醇中,加入碳酸钾固体,溶液冷却至0℃,边搅拌边逐滴加入亚磷酸二甲酯,然后升温至室温,1h后过滤掉碳酸钾,将滤液减压除去甲醇得到无色油状物,即为中间体Ⅰ。本发明所述含三嗪环的磷-氮-硅化合物相对于现有技术具有如下有益效果:1.将磷、氮、硅三种阻燃元素集中到一个分子中,提高了阻燃剂的热稳定性、成炭性以及阻燃协同效果;2.合成工艺条件稳定,反应过程易于控制,生产成本低,在添加量少的情况下即具有良好的阻燃效果,可用于对各种织物的阻燃处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种反应型阻燃剂,具体是一种含三嗪环的磷-氮-硅化合物及其制备方法。
背景技术
阻燃剂是一类能阻止材料引燃或抑制火焰传播的添加剂。随着阻燃技术的不断发展,社会对膨胀阻燃材料综合指标的要求也越来越高,既要达到规定的阻燃级别,又要具有良好的物理力学性能,所以目前国内外的很多学者都在尝试合成新型的三源一体化的膨胀型阻燃剂。单组分膨胀型阻燃剂将含有酸源、碳源和气源等官能团的化合物以化学方式结合到同一大分子上,从根本上解决了复混型膨胀阻燃剂阻燃时各阻燃组分比例不均衡的问题,更有利于发挥磷、氮的协同阻燃效应。
目前现有的“三位一体”膨胀型阻燃剂存在热稳定性差,阻燃效果差的问题,而且制备工艺复杂,操作条件严格,所需设备要求高,能耗大。此外,现有的织物用阻燃剂大多存在着阻燃剂添加量比较大、成本较高、耐水洗性差等缺点,因此,迫切需要开发符合纺织品要求的反应型阻燃剂,其不仅具有能够降低添加量、提高接枝率的效果,而且相对于添加型膨胀阻燃剂而言,具有更为优异的热稳定性和基体相容性。
发明内容
本发明为了解决现有棉用膨胀型阻燃剂热稳定性差、添加量高、耐水洗性差以及现有膨胀型阻燃剂合成工艺复杂、能耗大的问题,提供了一种含三嗪环的磷-氮-硅化合物及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:含三嗪环的磷-氮-硅化合物,其结构式为:
。
所述含三嗪环的磷-氮-硅化合物的合成路线如下:
中间体Ⅰ
中间体II
中间体II 中间体
由图1可以看出,3425 cm-1附近为O-H的伸缩振动峰,2960 cm-1和2853 cm-1附近分别为-CH3和-CH2-的反对称伸缩振动吸收峰与对称伸缩振动吸收峰,1650 cm-1和1455 cm-1附近分别为-CH3和-CH2-的变形振动吸收峰,1235 cm-1附近为P=O的伸缩振动吸收峰,1028 cm-1附近为P-O-C的伸缩振动吸收峰,715 cm-1附近为P-C的伸缩振动吸收峰。上述数据说明该分子结构中存在中间体I的特征红外吸收峰。
由图2可以看出,1H-NMR (400 MHz, d 6 -DMSO, TMS): δ 5.77 (br, s, OH-a), 3.76 (d, 2H, 2 J H–P = 6.4 Hz, P-CH 2 -b), 3.66 (d, 6H, 3 J H–P = 10.4 Hz, CH3 -c) ppm。这些数据表明该分子结构中存在中间体I所含的特征氢质子峰。
由图3可以看出,产物中间体I:31P-NMR (161.9 MHz, d 6 -DMSO, 85% H3PO4): δ 23.81 (s) ppm。这唯一的磷信号,进一步证明亚磷酸二甲酯与多聚甲醛发生反应生成了中间体I。
由图4可以看出,3248 cm-1和1631 cm-1附近分别为N-H的伸缩振动和变形振动,1555 cm-1和800 cm-1附近分别为三嗪环骨架的伸缩振动峰和变形振动峰,1090 cm-1附近为Si-O的伸缩振动,846 cm-1附近为三嗪环上C-Cl的伸缩振动。这些数据说明该分子结构中存在中间体II的特征红外吸收峰。
由图5可以看出,1H-NMR (600 MHz, d 6 -DMSO, TMS): δ 9.17 (t, 1H, J = 6.0 Hz, NH-a), 3.77 (m, 6H, O-CH 2 -b), 3.30 (m, 2H, NH-CH 2 -c), 1.58-1.64 (m, 2H, Si-CH 2-CH 2-d), 1.17 (t, 9H, J = 7.2 Hz, CH 3 -e), 0.61 (t, 2H, J = 8.4 Hz, Si-CH 2-CH 2-f) ppm。这些数据表明该分子结构中存在中间体I所含的KH550的特征氢质子峰。
由图6可以看出,3255 cm-1和1618 cm-1附近分别为N-H的伸缩振动吸收峰与变形振动吸收峰,2973 cm-1和2885 cm-1附近分别为-CH3的反对称伸缩振动吸收峰与对称伸缩振动吸收峰,2929 cm-1附近为-CH2-的反对称伸缩振动吸收峰,1455 cm-1和1386 cm-1附近分别为-CH3和-CH2-的变形振动吸收峰,1568 cm-1和803 cm-1附近分别为三嗪环骨架的伸缩振动吸收峰与变形振动吸收峰,1241 cm-1附近为P=O的伸缩振动吸收峰,1028 cm-1附近为P-O-C的伸缩振动吸收峰,652 cm-1附近为P-C的伸缩振动吸收峰,884 cm-1附近为三嗪环上C-Cl的伸缩振动吸收峰,1116 cm-1附近为Si-O的伸缩振动吸收峰。这些数据说明该分子结构中存在中间体I和中间体II的特征红外吸收峰。
由图7可以看出,1H-NMR (400 MHz, d 6 -DMSO, TMS): δ 8.71 (s, 1H, NH-a), 4.75 (d, 2H, 2 J H–P = 1.6 Hz, O-CH 2 -P-b), 3.73 (m, 6H, Si-O-CH 2 -c), 3.71(d, 6H, 3 J H–P = 1.2 Hz, O-CH 3 -d), 3.28 (m, 2H, NH-CH 2 -e), 1.56 (m, 2H, Si-CH 2 -CH 2 -f), 1.14 (t, 2H, J = 6.8 Hz, O-CH 2 -CH 3 -g), 0.58 (t, 2H, J = 6.0 Hz, Si-CH 2 -CH 2 -h) ppm。这些数据表明该分子结构中存在中间体I及KH550的特征氢质子峰,从而说明成功将中间体I及KH550连接到三嗪环上。
由图8可以看出,31P-NMR (161.9 MHz, d 6 -DMSO, 85% H3PO4): δ 21.12 (s) ppm。这唯一的磷信号,进一步证明中间体I中的羟基与中间体II中的氯发生反应生成了含三嗪环的磷-氮-硅化合物。
上述合成路线的具体步骤(制备方法)为:
第一步,多聚甲醛溶于甲醇中,加入碳酸钾固体,溶液冷却至0℃,边搅拌边逐滴加入亚磷酸二甲酯,然后升温至室温,1h后过滤掉碳酸钾,将滤液减压除去甲醇得到无色油状物,即为中间体Ⅰ;
第二步,三聚氯氰溶于第一溶剂中,充分搅拌,保持溶液温度在0-5℃之间,缓慢滴加γ-氨丙基三乙氧基硅烷,同时滴加第一缚酸剂水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至6~7,反应1~2 h,抽滤除去盐,将所得滤液通过减压旋转蒸发除去第一溶剂,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到黄褐色透明液体,即为中间体II;所述第一溶剂为丙酮、乙腈或四氢呋喃;所述第一缚酸剂为碳酸钠、氢氧化钠或碳酸氢钠;
第三步,所述第二溶剂为丙酮、甲苯、乙腈或四氢呋喃;第二缚酸剂为氢氧化钠、碳酸钠、N,N-二异丙基乙胺或三乙胺;
若第二缚酸剂为无机碱时,所述的第三步为:
称取中间体II溶于第二溶剂中,室温下缓慢滴加含有中间体Ⅰ的第二溶剂溶液,滴加完毕后加热至45~60℃,加第二缚酸剂水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至8~9,反应4~8 h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去第二溶剂,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物;
若第二缚酸剂为有机碱时,所述的第三步为:
称取中间体II溶于第二溶剂中,室温下缓慢滴加含有中间体Ⅰ的第二溶剂溶液,滴加完毕后加热至45~60℃,加第二缚酸剂水溶液中和产生的氯化氢,反应4~8 h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去第二溶剂,得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物。
本发明所述第一步中碳酸钾固体加入的目的是催化反应的进行。其加入量为本领域技术人员容易控制实现的。
第三步中,当第二缚酸剂为有机碱,大量加入有机碱调整pH的效果不明显,与不调整的实验效果相差不多,而且基于成本的考虑,采用有机碱成本过高;第三步中和氯化氢产生的盐酸盐溶于水,不溶于有机溶剂,因此第二缚酸剂为有机碱时无需进行上述萃取等步骤。
本发明所述含三嗪环的磷-氮-硅化合物相对于现有技术具有如下有益效果:
1.将磷、氮、硅三种阻燃元素集中到一个分子中,提高了阻燃剂的热稳定性、成炭性以及阻燃协同效果;
2.合成工艺条件稳定,反应过程易于控制,生产成本低,在添加量少的情况下即具有良好的阻燃效果,可用于对各种织物的阻燃处理;
3. 将含有酸源、碳源和气源等官能团的化合物以化学方式结合到同一大分子上,从根本上解决了复混型膨胀阻燃剂阻燃时各阻燃组分比例不均衡的问题,更有利于发挥磷、氮的协同阻燃效应。
附图说明
图1为本发明所述中间体Ⅰ的傅里叶变换红外光谱谱图。
图2为本发明所述中间体Ⅰ的核磁共振氢谱图。
图3为本发明所述中间体Ⅰ的核磁共振磷谱图。
图4为本发明所述中间体II的傅里叶变换红外光谱谱图。
图5为本发明所述中间体II的核磁共振氢谱图。
图6为本发明所述含三嗪环的磷-氮-硅化合物的傅里叶变换红外光谱谱图。
图7为本发明所述含三嗪环的磷-氮-硅化合物的核磁共振氢谱图。
图8为本发明所述含三嗪环的磷-氮-硅化合物的核磁共振磷谱图。
具体实施方式
实施例1
所述的含三嗪环的磷-氮-硅化合物的制备方法为:
第一步,1.75g(55mmol)多聚甲醛溶于50mL甲醇中,加入0.63g(4.54mmol)碳酸钾固体,溶液冷却至0℃,边搅拌边逐滴加入5.0g(45.4mmol)亚磷酸二甲酯,然后升温至室温,1h后过滤掉碳酸钾,将滤液减压除去甲醇得到无色油状物,即为中间体Ⅰ;
第二步,3.69g(0.02mol)三聚氯氰溶于70mL丙酮中,充分搅拌,保持溶液温度在0-5℃之间,缓慢滴加5.6mL(0.024mol)γ-氨丙基三乙氧基硅烷,同时滴加碳酸钠水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至7,反应1h,抽滤除去盐,将所得滤液通过减压旋转蒸发除去丙酮,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到黄褐色透明液体,即为中间体II;
第三步,称取3.69g(0.01mol)中间体II溶于70mL丙酮中,室温下缓慢滴加含有1.68g(0.012mol)中间体Ⅰ的丙酮溶液,滴加完毕后加热至50℃,加氢氧化钠水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至9,反应5 h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去丙酮,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物。
实施例2
所述的含三嗪环的磷-氮-硅化合物的制备方法为:
第一步,1.75g(55mmol)多聚甲醛溶于50mL甲醇中,加入0.63g(4.54mmol)碳酸钾固体,溶液冷却至0℃,边搅拌边逐滴加入5.0g(45.4mmol)亚磷酸二甲酯,然后升温至室温,1h后过滤掉碳酸钾,将滤液减压除去甲醇得到无色油状物,即为中间体Ⅰ;
第二步,3.69g(0.02mol)三聚氯氰溶于70mL乙腈中,充分搅拌,保持溶液温度在0-5℃之间,缓慢滴加4.7mL(0.02mol)γ-氨丙基三乙氧基硅烷,同时滴加氢氧化钠水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至6,反应2 h,抽滤除去盐,将所得滤液通过减压旋转蒸发除去乙腈,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到黄褐色透明液体,即为中间体II;
第三步,称取3.69g(0.01mol)中间体II溶于70mL甲苯中,室温下缓慢滴加含有1.82g(0.013mol)中间体Ⅰ的甲苯溶液,滴加完毕后加热至45℃,加碳酸钠水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至8,反应8 h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去甲苯,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物。
实施例3
所述的含三嗪环的磷-氮-硅化合物的制备方法为:
第一步,6.61g(0.22mol)多聚甲醛溶于200mL甲醇中,加入2.76g(0.02mol)碳酸钾固体,溶液冷却至0℃,边搅拌边逐滴加入22.0g(0.2mol)亚磷酸二甲酯,然后升温至室温,1h后过滤掉碳酸钾,将滤液减压除去甲醇得到无色油状物,即为中间体Ⅰ;
第二步,3.69g(0.02mol)三聚氯氰溶于70mL四氢呋喃中,充分搅拌,保持溶液温度在0-5℃之间,缓慢滴加5.6mL(0.024mol)γ-氨丙基三乙氧基硅烷,同时滴加碳酸氢钠水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至7,反应1.5 h,抽滤除去盐,将所得滤液通过减压旋转蒸发除去四氢呋喃,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到黄褐色透明液体,即为中间体II;
第三步,称取3.69g(0.01mol)中间体II溶于70mL乙腈中,室温下缓慢滴加含有1.40g(0.010mol)中间体Ⅰ的乙腈溶液,滴加完毕后加热至60℃,加N,N-二异丙基乙胺溶液中和产生的氯化氢,反应6 h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去乙腈,得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物。
实施例4
所述的含三嗪环的磷-氮-硅化合物的制备方法为:
第一步,6.61g(0.22mol)多聚甲醛溶于200mL甲醇中,加入2.76g(0.02mol)碳酸钾固体,溶液冷却至0℃,边搅拌边逐滴加入22.0g(0.2mol)亚磷酸二甲酯,然后升温至室温,1h后过滤掉碳酸钾,将滤液减压除去甲醇得到无色油状物,即为中间体Ⅰ;
第二步,3.69g(0.02mol)三聚氯氰溶于70mL丙酮中,充分搅拌,保持溶液温度在0-5℃之间,缓慢滴加6.1mL(0.026mol)γ-氨丙基三乙氧基硅烷,同时滴加碳酸钠水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至6,反应1 h,抽滤除去盐,将所得滤液通过减压旋转蒸发除去丙酮,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到黄褐色透明液体,即为中间体II;
第三步,称取3.69g(0.01mol)中间体II溶于70mL四氢呋喃中,室温下缓慢滴加含有1.96g(0.014mol)中间体Ⅰ的四氢呋喃溶液,滴加完毕后加热至55℃,加三乙胺溶液中和产生的氯化氢,反应4h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去四氢呋喃,得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物。
Claims (2)
1.含三嗪环的磷-氮-硅化合物,其特征在于,其结构式为:
。
2.如权利要求1所述的含三嗪环的磷-氮-硅化合物的制备方法,其特征在于,其步骤为:
第一步,多聚甲醛溶于甲醇中,加入碳酸钾固体,溶液冷却至0℃,边搅拌边逐滴加入亚磷酸二甲酯,然后升温至室温,1h后过滤掉碳酸钾,将滤液减压除去甲醇得到无色油状物,即为中间体Ⅰ;
第二步,三聚氯氰溶于第一溶剂中,充分搅拌,保持溶液温度在0-5℃之间,缓慢滴加γ-氨丙基三乙氧基硅烷,同时滴加第一缚酸剂水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至6~7,反应1~2 h,抽滤除去盐,将所得滤液通过减压旋转蒸发除去第一溶剂,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到黄褐色透明液体,即为中间体II;所述第一溶剂为丙酮、乙腈或四氢呋喃;所述第一缚酸剂为碳酸钠、氢氧化钠或碳酸氢钠;
第三步,所述第二溶剂为丙酮、甲苯、乙腈或四氢呋喃;第二缚酸剂为氢氧化钠、碳酸钠、N,N-二异丙基乙胺或三乙胺;
若第二缚酸剂为无机碱时,所述的第三步为:
称取中间体II溶于第二溶剂中,室温下缓慢滴加含有中间体Ⅰ的第二溶剂溶液,滴加完毕后加热至45~60℃,加第二缚酸剂水溶液中和产生的氯化氢,调节pH值至8~9,反应4~8 h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去第二溶剂,然后将水溶液用二氯甲烷萃取,合并有机相,用MgSO4干燥,过滤,最后通过减压旋转蒸发得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物;
若第二缚酸剂为有机碱时,所述的第三步为:
称取中间体II溶于第二溶剂中,室温下缓慢滴加含有中间体Ⅰ的第二溶剂溶液,滴加完毕后加热至45~60℃,加第二缚酸剂水溶液中和产生的氯化氢,反应4~8 h,抽滤除去盐,所得滤液通过减压旋转蒸发除去第二溶剂,得到白色粘稠液体,最后在40℃的真空烘箱中干燥至恒重得到白色固体,即为含三嗪环的磷-氮-硅化合物。
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