CN107964025B - 含氮磷一元醇或多元醇及其制备方法 - Google Patents
含氮磷一元醇或多元醇及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供含氮磷一元醇或多元醇及其制备方法,其分子结构中同时含有氮和磷元素,制备方法是将卤代氧化磷与含羟基丙烯酸酯、胺中和剂反应合成,将反应产物过滤,洗涤,萃取,烘干得到含烯丙基磷酸酯,将含烯丙基磷酸酯再与羟基胺反应,将反应产物烘干,即得含氮磷一元醇或多元醇,其羟基数可通过对卤代氧化磷和羟基胺的选择进行控制。本发明产品具有含羟基数可控,残炭率高,稳定性好的特点,其制备方法具有工艺简单,合成效率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域,具体涉及一种分子结构中同时含有氮和磷元素的一元醇或多元醇及其制备方法。
技术背景
高分子材料受到了科研工作者极大的关注与研究,在生产生活中有着广泛的应用。但是,大多数聚合物材料属于易燃物,在燃烧过程中释放出有毒有害气体,严重污染环境以及危害人们的生命财产安全。因此,提高聚合物阻燃性能的研究已经成为了一个亟需解决的问题。
目前,氮磷阻燃剂是一类阻燃效果好、用途广泛、发展潜力巨大的无卤阻燃剂,而多元醇是制备聚氨酯材料和聚酯材料中的主要原料,如果在多元醇的制备过程中引入具有阻燃性能的氮和磷元素,那么该含氮磷多元醇不仅能作为制备聚氨酯材料和聚酯材料的原料,同时也使制备的聚氨酯材料和聚酯材料具备阻燃性能,因此涌现了诸如申请号为201410221859.5、201510766576.3的专利申请,分别提供了一种含氮磷多元醇及其制备方法和相关应用。
在本领域技术常识中,多元醇所含羟基个数将大幅影响其作为原料制备的聚合物产品的性能及工艺条件,而现有的含氮磷多元醇往往所含羟基个数具有限制或不易进行控制,例如申请号为201410221859.5的中国专利申请提供了一种氮磷协同阻燃多元醇及其制备方法,但是其所含羟基个数为2~12不定且不能控制个数,因此以其为原料制备得到的产品不均一,影响最终产品性能;申请号为201510766576.3的中国专利申请提供了一种氮磷结构型阻燃聚醚多元醇的制备及其应用,但是其含氮磷多元醇的羟基个数固定为2,因此限制了其应用领域。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足,提供羟基数可控的含氮磷一元醇或多元醇的制备方法及所制备的含氮磷一元醇或多元醇,以满足阻燃高分子材料制备的需要。
本发明所述含氮磷一元醇,其结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R3和R4分别为相同或不同的1-3个碳原子的烷基或苯基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基,R8和R9为羟基或氢,且R8、R9中有一个为羟基;
本发明所述多元醇,其结构通式为:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R3和R4分别为相同或不同的1-3个碳原子的烷基或苯基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基,R8和R9为羟基;
或为
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R4为1-3个碳原子的烷基或苯基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基,R8和R9为羟基或氢,且R8、R9中至少有一个为羟基;
或为
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基,R8和R9为羟基或氢,且R8、R9中至少有一个为羟基。
一种上述含氮磷一元醇或多元醇的制备方法,步骤如下:
(1)将卤代氧化磷溶于溶剂A配制成卤代氧化磷溶液,在0±2℃下,将含羟基丙烯酸酯和胺中剂溶于溶剂A配制成混合溶液,在搅拌下将卤代氧化磷溶液滴加入混合溶液中并混合均匀,于0±2℃搅拌反应12~24h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空条件下烘干得到含烯丙基磷酸酯;所述卤代氧化磷、胺中和剂、含羟基丙烯酸酯及溶剂A总量的摩尔比为1:(1~3):(1~3):(30~100);
(2)将步骤(1)制备的含烯丙基磷酸酯溶于溶剂B后,在搅拌下加入羟基胺并混合均匀,于25±2℃搅拌反应12~24h,反应时间到达后,将反应液在真空条件下烘干得到含氮磷一元醇或多元醇;所述含烯丙基磷酸酯、羟基胺及溶剂B的摩尔比为1:(1~3):(20~100)。
上述步骤(1)中,配制卤代氧化磷溶液时,卤代氧化磷与溶剂A的摩尔比为1:(10~20)。
所述卤代氧化磷为三氯氧磷、三溴氧磷、甲基氧二氯氧磷、1-丙基二氯化磷、苯基二氯氧磷、二苯基氯氧化膦或二甲基氯氧化膦其中的一种;
所述含羟基丙烯酸酯为丙烯酸羟甲酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯、甲基丙烯酸羟甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯或甲基丙烯酸羟丁酯其中的一种;
所述羟基胺为一乙醇胺、1-(4-羟基苯基)-2-氨基乙醇、4-氨基-2-羟基甲苯、二乙醇胺、二异丙醇胺、2-氨基-4,6-二羟基嘧啶、2-氨基-1,3-丙二醇或2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇其中的一种;
所述溶剂A为二氯甲烷、苯、三氯甲烷、二甲基甲酰胺中的一种;溶剂B为无水甲醇、无水乙醇、无水异丙醇、无水丁醇中的一种;胺中和剂为三乙胺、氨水(浓度25-28%)、二乙胺、二甲基乙醇胺中的一种。
所述在负压下烘干是在真空度为0.085-0.095MPa环境下进行烘干操作。
上述制备方法中涉及的结构通式如下:
所述步骤(1)中,含羟基丙烯酸酯的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基;
卤代氧化磷的结构通式如下:
其中,R3`、R4`和R5`分别为相同或不同的1-3个碳原子的直链亚烷基、氯、溴或苯基,且R3`、R4`、R5`中至少有一个为氯或溴;
根据制备方法步骤(1)中所述,当卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中仅有一个为氯或溴时,得到的含烯丙基磷酸酯的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R3和R4分别为相同或不同的1-3个碳原子的烷基或苯基;
当卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中有两个为氯或溴时,得到的含烯丙基磷酸酯的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R4为1-3个碳原子的烷基或苯基;
当卤代氧化磷结构通式中的R3、R4、R5都为氯或溴时,得到的含烯丙基磷酸酯的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基。
所述步骤(2)中,羟基胺的结构通式如下所示:
其中,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基,R8和R9为羟基或氢,且R8、R9中至少有一个为羟基;
根据制备方法步骤(2)中所述,当羟基胺的结构通式中R8和R9有一个为羟基时,且步骤(1)中卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中仅有一个为氯或溴时,制备出含氮磷一元醇,结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R3和R4分别为相同或不同的1-3个碳原子的烷基或苯基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基;
当羟基胺的结构通式中R8和R9都为羟基时,且步骤(1)中卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中仅有一个为氯或溴时,所制备出的含氮磷多元醇的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R3和R4分别为相同或不同的1-3个碳原子的烷基或苯基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基;
根据制备方法步骤(2)中所述,当羟基胺的结构通式中R8和R9只有一个为羟基时,且步骤(1)中卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中有两个为氯或溴时,所制备出的含氮磷多元醇的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R4为1-3个碳原子的烷基或苯基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基;
当羟基胺的结构通式中R8和R9都为羟基时,且步骤(1)中卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中两个为氯或溴时,所制备出的含氮磷多元醇的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R4为1-3个碳原子的烷基或苯基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基;
根据制备方法步骤(2)中所述,当羟基胺的结构通式中R8和R9只有一个为羟基时,且步骤(1)中卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中都为氯或溴时,所制备出的含氮磷多元醇的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基;
当羟基胺的结构通式中R8和R9都为羟基时,且步骤(1)中卤代氧化磷结构通式中的R3`、R4`、R5`中都为氯或溴时,所制备出的含氮磷多元醇的结构通式如下:
其中,R1为氢或甲基,R2为1-4个碳原子的亚烷基,R6和R7分别为相同或不同的1-4个碳原子的亚烷基。
本发明所提供的含氮磷一元醇可作为阻燃单体,用于聚氨酯或聚酯等高分子材料的合成原料;含氮磷多元醇中,含氮磷二元醇可作为阻燃扩链剂,含氮磷三元醇、四元醇、六元醇可作为交联单体或超支化材料的合成原料或阻燃剂原料。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明所述制备方法通过对原料的选择,可选择性制备含一个、两个、三个、四个、六个羟基的含氮磷一元醇或多元醇,作为聚氨酯或聚酯等高分子材料的合成原料;也可以制备含三个、四个、六个羟基的含氮磷多元醇,作为聚氨酯或聚酯等高分子材料制备中的交联单体,同时也可用于超支化材料的合成原料,具有较广的应用领域。
2、本发明制备的含氮磷一元醇或多元醇结构中含有氮和磷两种具有阻燃性能的元素,因此所制备的一元醇或多元醇具有较高的残炭率,残炭率最高可达到16.5%,因而具有良好的成炭性,在用于高分子材料制备时可以提高所制备材料的阻燃性能。
3、本发明提供的制备方法工艺简单,合成效率高,效率可达到98%-100%。
附图说明
图1为实施例1所制备的含氮磷六元醇的热失重分析曲线图。
图2为实施例1所制备的含氮磷六元醇的核磁氢谱图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述。在此有必要指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制。
以下实施例所制备的含氮磷一元醇或多元醇在进行热失重分析实验时,采用TGAQ500热重分析仪(TA,美国)测定,测试条件为:升温速率20℃/min,温度范围:20~800℃,N2氛围中进行。
实施例1:
本实施例制备含氮磷六元醇,步骤如下:
(1)在第一容器中将1mol三氯氧磷溶于20mol二氯甲烷配制为三氯氧磷溶液,将第二容器置于0℃冰水浴中,将3mol丙烯酸羟乙酯、3mol三乙胺和80mol二氯甲烷于第二容器中混合,在搅拌下将第一容器中的三氯氧磷溶液滴加入第二容器混合溶液中并混合均匀,于0℃搅拌反应24h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空度为0.095MPa环境下烘干得到三丙烯酸乙酯氧化磷;
(2)将步骤(1)中所制备得到的三丙烯酸乙酯氧化磷1mol溶于40mol乙醇后,在搅拌下加入3mol二乙醇胺,于25℃搅拌反应18h,反应时间到达后,将反应液在真空度为0.095MPa下抽真空烘干脱除乙醇后得到含氮磷六元醇,其具体结构式如下:
上述制备的含氮磷六元醇测试结果如下:
产品外观:呈深黄色粘稠液体;
溶解性:为易溶于水、乙醇、DMF,不溶于丙酮、二氯甲烷。
热失重分析实验结果:如图1所示,初始热分解温度为151.3℃,说明该六元醇具有较好的热稳定性;在600℃时残炭率为14.6%,具有良好的成炭性,较高的成炭率意味着较多的炭层在燃烧时包覆在基材表面,可以有效的保护炭层内部的基材,从而提高基材的阻燃性。
核磁氢谱图如图2所示,a对应的是连着P-O键的-CH2-上的H(δ=4.20ppm),b对应的是连着O-C键上的-CH2-上的H(δ=4.48ppm),c对应的是连着C-C=O键的-CH2-上的H(δ=2.50~2.58ppm),d、e分别对应的是连着C-N键的-CH2-上的不同位置H(δ=3.68ppm、δ=2.69~2.99ppm),f对应的是连着羟基的-CH2-上的H(δ=3.31~3.56ppm),g对应的是六羟基上的H(δ=4.16ppm),在δ=1.15ppm附近是未除尽的乙醇溶剂峰。核磁氢谱测试结果表明合成了符合设计结构,只残留了很少量的中间体PO(EA)3没有反应完全。
实施例2:
本实施例制备含氮磷三元醇,步骤如下:
(1)在第一容器中将1mol三氯氧磷溶于20mol二氯甲烷配制为三氯氧磷溶液,将第二容器置于2℃冰水浴中,将3mol丙烯酸羟乙酯、9mol三乙胺和50mol二氯甲烷于第二容器中混合,在搅拌下将第一容器中的三氯氧磷溶液滴加入第二容器混合溶液中并混合均匀,于2℃搅拌反应12h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空度为0.085MPa环境下烘干得到三丙烯酸乙酯氧化磷;
(2)将步骤(1)中所制备的三丙烯酸乙酯氧化磷1mol溶于100mol甲醇后,在搅拌下加入3mol一乙醇胺,于25℃搅拌反应24h,反应时间到达后,将反应液在真空度为0.090MPa下抽真空烘干脱除甲醇后得到含氮磷三元醇,其具体结构式如下:
上述制备的含氮磷三元醇测试结果如下:
产品外观:呈浅黄色粘稠液体;
溶解性:为易溶于水、乙醇、DMF,不溶于丙酮、二氯甲烷。
热失重分析实验结果:初始热分解温度为153.1℃,说明该三元醇具有较好的热稳定性;在600℃时残炭率为16.5%,具有良好的成炭性。
实施例3:
本实施例制备含氮磷四元醇,步骤如下:
(1)在第一容器中将1mol 1-丙基二氯化磷溶于10mol三氯甲烷配制为1-丙基二氯化磷溶液,将第二容器置于0℃冰水浴中,将2mol丙烯酸羟乙酯、2mol二甲基乙醇胺和60mol二氯甲烷于第二容器中混合,在搅拌下将第一容器中的1-丙基二氯化磷溶液滴加入第二容器混合溶液中,于0℃搅拌反应20h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空度为0.095MPa环境下烘干得到二丙烯酸丁酯氧化磷;
(2)将步骤(1)中所制备的二丙烯酸丁酯氧化磷1mol溶于20mol异丙醇后,在搅拌下加入2mol二异丙醇胺并混合均匀,于23℃搅拌反应12h,反应时间到达后,将反应液在真空度为0.085MPa下抽真空烘干脱除异丙醇后得到含氮磷四元醇,其具体结构式如下:
上述制备的含氮磷四元醇测试结果如下:
产品外观:呈浅黄色粘稠液体;
溶解性:为易溶于水、乙醇、DMF,不溶于丙酮、二氯甲烷。
热失重分析实验结果:初始热分解温度为149.0℃,说明该四元醇具有较好的热稳定性;在600℃时残炭率为9.3%,具有较好的成炭性。
实施例4:
本实施例制备含氮磷二元醇,步骤如下:
(1)在第一容器中将1mol苯基二氯氧磷溶于20mol苯配制为苯基二氯氧磷溶液,将第二容器置于0℃冰水浴中,将2mol丙烯酸羟丁酯、2mol二乙胺和30mol苯于第二容器中混合,在搅拌下将第一容器中的苯基二氯氧磷溶液滴加入第二容器混合溶液中并混合均匀,于0℃搅拌反应16h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空度为0.085MPa环境下烘干得到二甲基丙烯酸丁酯氧化磷;
(2)将步骤(1)中所制备的二甲基丙烯酸丁酯氧化磷1mol溶于60mol丁醇后,在搅拌下加入2mol一乙醇胺,于27℃搅拌反应20h,反应时间到达后,将反应液在真空度为0.085MPa下抽真空烘干脱除丁醇后得到含氮磷二元醇,其具体结构式如下:
实施例5:
本实施例制备含氮磷二元醇,步骤如下:
(1)在第一容器中将1mol二甲基一氯氧磷溶于10mol二氯甲烷配制为二甲基一氯氧磷溶液,将第二容器置于1℃冰水浴中,将1mol丙烯酸羟乙酯、1mol三乙胺和20mol二氯甲烷于第二容器中混合,在搅拌下将第一容器中的三氯氧磷溶液滴加入第二容器混合溶液中并混合均匀,于1℃搅拌反应15h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空度为0.095MPa环境下烘干得到二丙烯酸乙酯氧化磷;
(2)将(1)中所制备的二丙烯酸乙酯氧化磷1mol溶于20mol异丙醇后,在搅拌下加入1mol二乙醇胺并混合均匀,于25℃搅拌反应20h,反应时间到达后,将反应液在真空度为0.095MPa下抽真空烘干脱除异丙醇后得到含氮磷二元醇,其具体结构式如下:
实施例6:
本实施例制备含氮磷一元醇,步骤如下:
(1)在第一容器中将1mol二甲基一氯氧磷溶于20mol二氯甲烷配制为二甲基一氯氧磷溶液,将第二容器置于-2℃冰水浴中,将1mol丙烯酸羟乙酯、1mol三乙胺和20mol三氯甲烷于第二容器中混合,在搅拌下将第一容器中的三氯氧磷溶液滴加入第二容器混合溶液中并混合均匀,于-2℃搅拌反应18h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空度为0.090MPa环境下烘干得到二丙烯酸乙酯氧化磷;
(2)将(1)中制备的一丙烯酸乙酯氧化磷溶于50mol异丙醇后,在搅拌下加入1mol一乙醇胺并混合均匀,于25℃搅拌反应20h,反应时间到达后,将反应液在真空度为0.090MPa下抽真空烘干脱除异丙醇后得到含氮磷一元醇,其具体结构式如下:
Claims (4)
2.一种权利要求1所述含氮磷多元醇的制备方法,其特征在于步骤如下:
(1)将卤代氧化磷溶于溶剂A配制成卤代氧化磷溶液,在0±2℃下,将含羟基丙烯酸酯和胺中和剂溶于溶剂A配制成混合溶液,在搅拌下将卤代氧化磷溶液滴加入混合溶液中并混合均匀,于0±2℃搅拌反应12~24h,反应时间到达后,过滤出反应产物并用去离子水洗涤反应产物,以去除反应产物上残留的胺中和剂,然后将反应产物用去离子水萃取,再将萃取出的下层溶液在真空条件下烘干得到含烯丙基磷酸酯;所述卤代氧化磷、胺中和剂、含羟基丙烯酸酯及溶剂A总量的摩尔比为1:(1~3):(1~3):(30~100);
所述卤代氧化磷为三氯氧磷、三溴氧磷、甲基氧二氯氧磷、1-丙基二氯化磷、苯基二氯氧磷、二苯基氯氧化膦或二甲基氯氧化膦其中的一种;
所述含羟基丙烯酸酯为丙烯酸羟甲酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯、甲基丙烯酸羟甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯或甲基丙烯酸羟丁酯其中的一种;
所述胺中和剂为三乙胺、氨水、二乙胺、二甲基乙醇胺中的一种。
所述溶剂A为二氯甲烷、苯、三氯甲烷、二甲基甲酰胺中的一种;
(2)将步骤(1)制备的含烯丙基磷酸酯溶于溶剂B后,在搅拌下加入羟基胺并混合均匀,于25±2℃搅拌反应12~24h,反应时间到达后,将反应液在真空条件下烘干得到含氮磷多元醇;所述含烯丙基磷酸酯、羟基胺及溶剂B的摩尔比为1:(1~3):(20~100);
所述羟基胺为一乙醇胺、1-(4-羟基苯基)-2-氨基乙醇、4-氨基-2-羟基甲苯、二乙醇胺、二异丙醇胺、2-氨基-4,6-二羟基嘧啶、2-氨基-1,3-丙二醇或2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇其中的一种;
所述溶剂B为无水甲醇、无水乙醇、无水异丙醇、无水丁醇中的一种。
3.根据权利要2所述含氮磷多元醇的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,配制卤代氧化磷溶液时,卤代氧化磷与溶剂A的摩尔比为1:(10~20)。
4.根据权利要2或3所述含氮磷多元醇的制备方法,其特征在于:所述在真空条件下烘干的真空度为0.085~0.095MPa。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Cheng Xiu Inventor after: Wang Haibo Inventor after: Du Xiaosheng Inventor after: Du Zongliang Inventor before: Wang Haibo Inventor before: Du Xiaosheng Inventor before: Du Zongliang Inventor before: Cheng Xiu |
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GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |