CN110272343A - 一种星状分子结构受阻酚类抗氧剂及其合成和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星状分子结构的受阻酚类化合物及其制备方法,本发明的受阻酚类化合物属于酚酯化合物,该化合物的合成结构单元无毒,可以用作为环境友好抗氧剂。同时,星状分子结构是高度支化分子结构,具有良好的分散性能,这种结构的化合物作为催化剂或助剂使用于聚合物合成或改性工艺过程中时与产品的相容性较好。本发明中所述星状分子结构化合物在聚酰胺的高温熔融聚合过程中作为抗氧剂使用取得了显著的效果。

Description

一种星状分子结构受阻酚类抗氧剂及其合成和应用
技术领域
本发明涉及聚酰胺树脂领域,具体涉及一种在聚酰胺高温熔融聚合过程中作为抗氧剂的受阻酚类化合物。
背景技术
在聚酰胺的高温熔融聚合过程中经常发生酰胺键降解而产生的黄变现象,这种黄变现象对聚酰胺产品的后续加工极为不利。因此通常在聚酰胺的高温熔融聚合过程中需要加入适当的热稳定剂,来阻止在高温条件下高分子链的降解,从而降低或消除黄变现象的发生。
受阻酚类抗氧剂具有抗氧效果好、热稳定性高、低毒和色泽污染性小等优点,被广泛应用于各种聚合物的合成和改性工艺过程中。通常受阻酚类化合物在苯环上酚羟基(-OH)的一侧或两侧有空间位阻较大取代基(如叔丁基),由于受到空间障碍酚羟基的质子容易从分子上脱落,与过氧化自由基(ROO·)或烷氧自由基(RO·)等结合使自由基失去活性,从而使热氧老化的链反应终止,起到抗氧化效果。在聚酰胺的高温熔融聚合过程中(温度达到270℃),对使用的抗氧剂热稳定性和相容性要求较高,一般的抗氧剂很难达到理想效果。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种星状分子结构的受阻酚类化合物及其制备方法,本发明的受阻酚类化合物属于酚酯化合物,该化合物的合成结构单元无毒,可以用作为环境友好抗氧剂。同时,星状分子结构是高度支化分子结构,具有良好的分散性能,这种结构的化合物作为催化剂或助剂使用于聚合物合成或改性工艺过程中时与产品的相容性较好。本发明中所述星状分子结构化合物在聚酰胺的高温熔融聚合过程中作为抗氧剂使用取得了显著的效果。
本发明提供一种星状分子结构的受阻酚类化合物,其具有以下结构式:
其中,n=0-30。
本发明还提供一种上述星状分子结构受阻酚类抗氧剂的制备方法,具体包括以下步骤:
1)以3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯MPC和乙二醇EG或聚乙二醇PEG(聚合度为1~30)为原料,在65℃~150℃,催化剂作用下,得到中间产物MPCP;
其中,反应原料3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯MPC和乙二醇EG或聚乙二醇PEG加入的摩尔比为MPC:(EG/PEG)=1/4~1/10。
上述酯交换反应过程中所用催化剂为钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯、二丁基二月桂酸锡或者二丁基氧化锡中的一种或多种,催化剂的加入量为MPC的0.3%~0.8wt%。本发明中这步反应没有使用任何其他溶剂,合成工艺简单而且属于环境友好反应。
以PEG作为原料为例,这步骤反应的方程式如下:
其中,n=1~30。
以EG作为原料时,所得产物中n=0。
反应停止后,在反应混合物中加入甲苯或甲基叔丁基醚进行提取,用饱和盐水和/或纯水洗涤有机相,有机相减压蒸馏,得到化合物MPCP。
2)在二氯甲烷溶液中,化合物MPCP与均苯三甲酰氯TMC在缚酸剂三乙胺TEA的存在下,回流反应合成所述星状分子结构受阻酚类化合物I。
该步骤的反应的方程式如下:
TEA:三乙胺。
该反应在升温回流条件下进行,回流反应时间为6~20h。反应结束后,分别用饱和盐水、0.5M盐酸、饱和碳酸氢钠、纯水洗涤有机相。有机相进行减压蒸馏,得到化合物I粗品。
化合物I粗品的精制采用单一溶剂或者混合溶剂重结晶方法,混合溶剂为强极性质子溶剂和弱极性非质子溶剂,后者作为反溶剂。该化合物在强极性质子溶剂如醇类溶剂中溶解度较好,所选醇类溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异戊醇、正己醇和正辛醇等;弱极性非质子溶剂包括石油醚、正戊烷、正己烷、正庚烷、苯、甲苯、乙醚、甲基叔丁基醚等。反应收率较高,具有80%~91%(摩尔)收率。
本发明还提供上述星状分子结构受阻酚类化合物的应用,所述应用是将该星状分子结构受阻酚类化合物作为聚酰胺合成中的抗氧剂。
在聚酰胺的高温熔融聚合过程中经常发生酰胺键降解而产生的黄变现象,这种黄变现象对聚酰胺产品的后续加工极为不利。因此通常在聚酰胺的高温熔融聚合过程中需要加入适当的热稳定剂,来阻止在高温条件下高分子链的降解,从而降低或消除黄变现象的发生。本发明中所述的星状分子结构受阻酚类化合物热稳定性高,且其具有高度支化的分子结构,与产品相容性好,在聚酰胺的高温聚合过程中作为抗氧剂使用,对聚合过程的黄变现象起到了很好的抑制作用,所得聚酰胺产品黄色指数低,性能优良。
本发明的实施,至少具备以下优势:
1、本发明中所述的受阻酚类化合物合成工艺简单,反应原料易得,适合工业化生产。该化合物属于酚酯化合物,合成结构单元无毒,可以作为环境友好抗氧剂。
2、本发明中所述的受阻酚类化合物具有星状分子结构,以刚性苯环为核心、柔性乙二醇重复单元分子链为分支,分子量大小可以通过重复单元乙二醇的个数(n)来控制。星状分子结构是高度支化分子结构,具有良好的分散性能,这种结构的化合物作为催化剂或助剂使用于聚合物合成或改性工艺过程中时与产品的相容性较好。
3、本发明中所述的受阻酚类化合物热稳定性高,在聚酰胺的高温熔融聚合过程中作为抗氧剂使用,与产品相容性好,能够有效抑制黄变现象的发生。
附图说明
图1为实施例3所得化合物I(n=2)的HNMR图谱(氘代氯仿为溶剂)。
具体实施方式
实施例1
合成化合物MPCP(n=0)
在反应瓶中加入100G的3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯和200G的乙二醇。温度升高至40℃,开动搅拌,加入0.45G的钛酸四异丙酯。反应温度升高至75℃,开始收集馏出物甲醇。反应温度最高升至95℃,直至无甲醇馏出物,共反应5小时。反应停止后,在反应混合物中加入200mL的甲苯,用饱和盐水300mL/次共洗涤有机相三次,再用150mL的纯水洗涤有机相一次。收集的有机相进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,得到浅黄色粘稠液体(即化合物MPCP)110G。
合成化合物I(n=0)
在反应瓶中加入150mL二氯甲烷,13G的TEA和31G均苯三甲酰氯。开动搅拌,室温条件下滴加化合物MPCP(n=0,110G)的二氯甲烷(200mL)溶液。滴加完毕后,升温回流反应6小时。反应混合物用饱和盐水(100mL)洗涤一次,0.5M的盐酸(100mL/次)洗涤两次,饱和碳酸氢钠(100mL)洗涤一次,再用纯水(50mL)洗涤一次。收集的有机相进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,残留物经过正己醇/正己烷混合溶剂重结晶得到浅黄色固体(即化合物I)119G。
实施例2
合成化合物MPCP(n=1)
在反应瓶中加入100G的3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯和265G的双甘醇。温度升高至40℃,开动搅拌,加入0.45G的钛酸四丁酯。反应温度升高至75℃,开始收集馏出物甲醇。反应温度最高升至105℃,直至无甲醇馏出物,共反应5小时。反应停止后,在反应混合物中加入200mL的甲苯,用饱和盐水300mL/次共洗涤有机相三次,再用150mL的纯水洗涤有机相一次。收集的有机相进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,得到浅黄色粘稠液体(即化合物MPCP)126G。
合成化合物I(n=1)
在反应瓶中加入150mL二氯甲烷,13G的TEA和31G均苯三甲酰氯。开动搅拌,室温条件下滴加化合物MPCP(n=1,126G)的二氯甲烷(250mL)溶液。滴加完毕后,升温回流反应6小时。反应混合物用饱和盐水(100mL)洗涤一次,0.5M的盐酸(100mL/次)洗涤两次,饱和碳酸氢钠(100mL)洗涤一次,再用纯水(50mL)洗涤一次。收集的有机相进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,残留物经过异丙醇/正庚烷混合溶剂重结晶得到浅黄色固体121G(即化合物I)。
实施例3
合成化合物MPCP(n=2)
在反应瓶中加入100G的3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯和450G的三乙二醇。温度升高至40℃,开动搅拌,加入0.75G的钛酸四异丙酯。反应温度升高至75℃,开始收集馏出物甲醇。反应温度最高升至110℃,直至无甲醇馏出物,共反应6小时。反应停止后,在反应混合物中加入350mL的甲苯,在加热条件下(温度50℃)分出下层过量的三乙二醇。再用50mL的纯水洗涤有机相一次,收集的有机相进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,得到浅黄色粘稠物(即化合物MPCP)145G。
合成化合物I(n=2)
在反应瓶中加入150mL二氯甲烷,13G的TEA和31G均苯三甲酰氯。开动搅拌,室温条件下滴加化合物MPCP(n=2,145G)的二氯甲烷(250mL)溶液。滴加完毕后,升温回流反应12小时。反应混合物用饱和盐水(100mL)洗涤一次,0.5M的盐酸(100mL/次)洗涤两次,饱和碳酸氢钠(100mL)洗涤一次,再用纯水(100mL)洗涤一次。收集的有机相进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,残留物经过异戊醇/石油醚混合溶剂重结晶得到浅黄色固体(即化合物I)122G。
实施例4
合成化合物MPCP(n=25)
在反应瓶中加入100G的3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯和1500G的PEG-1000。温度升高至60℃,开动搅拌,加入0.8G的二丁基氧化锡。反应温度升高至80℃,开始收集馏出物甲醇。反应温度最高升至120℃,直至无甲醇馏出物,共反应15小时。反应停止后,在反应混合物中加入甲基叔丁基醚(350mL/次),加热回流条件下进行三次提取,收集上层甲基叔丁基醚相,进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,得到浅黄色蜡状半固体(即化合物MPCP)450G。
合成化合物I(n=25)
在反应瓶中加入150mL二氯甲烷,13G的TEA和31G均苯三甲酰氯。开动搅拌,室温条件下滴加化合物MPCP(n=25,450G)的二氯甲烷(550mL)溶液。滴加完毕后,升温回流反应18小时。反应混合物用饱和盐水(200mL)洗涤一次,0.5M的盐酸(200mL/次)洗涤两次,饱和碳酸氢钠(200mL)洗涤一次,再用纯水(200mL)洗涤一次。收集的有机相进行减压蒸馏浓缩,除去所有挥发性物质,残留物用异丙醇重结晶得到白色固体(即化合物I)362G。
将实施例1-4制备所得的星状分子结构受阻酚类化合物I用于聚酰胺PA的合成中,实验结果如表1所示,对比例为加入抗氧剂1010、抗氧剂1076以及不加抗氧剂时所得的检测结果。
黄色指数YI:依据HG/T 3862-2006测定。
聚酰胺PA合成
在10L聚合釜中加入2.5KG的纯水,开动搅拌。釜内温度升至45℃,加入3.5KG己二酸。氮气置换三次,在氮气保护条件下,加入2.46KG戊二胺和3G化合物I(其中对比例1、2、3分别为不加入化合物I,加入3G的抗氧剂1010、3G的抗氧剂1076或不加抗氧剂所得的结果)。在氮气保护条件下,开始加热升温。釜内温度达到212℃时,釜内压力为17KG,打开出水阀,开始排水,直至釜内压力下降为0(或者氮气流压力),共排水3小时。排出的馏分为溶剂水和反应生成的水。釜内温度上升至250℃,氮气流保护下常压排水直至无馏分排出。升高温度至釜内温度260℃条件下,开启真空装置,真空度由低到高,最后达到150Pa,用时2小时。出料口温度控制在270℃,加大氮气流出料,得到聚酰胺PA。室温条件下,检测黄色指数(YI)。
表1
实施例 化合物I 聚酰胺YI
实施例1 n=0 27
实施例2 n=1 25
实施例3 n=2 21
实施例4 n=25 17
对比例1 抗氧剂1010 35
对比例2 抗氧剂1076 38
对比例3 不加抗氧剂 42
由表1可知,本发明使用化合物I作为受阻酚类抗氧剂用于聚酰胺的合成,比较了化合物I(n=0,1,2和25)在聚酰胺高温熔融过程中对黄变现象的影响。通过对聚酰胺产品黄色指数(Yellowness Index,YI)的检测,可以发现这种星状受阻酚类抗氧剂的使用对聚合过程的黄变现象起到了很好的抑制作用。

Claims (10)

1.一种星状分子结构受阻酚类化合物,其特征在于,所述化合物具有以下结构式:
其中,n=0~30。
2.一种制备如权利要求1所述的星状分子结构受阻酚类化合物的方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
1)以3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯和乙二醇或聚乙二醇为原料,在65℃~150℃,催化剂作用下,进行酯交换反应,得到中间产物;所述聚乙二醇聚合度为1~30;
2)在二氯甲烷溶剂中,步骤1)中所得中间产物与均苯三甲酰氯在缚酸剂三乙胺的存在下,回流反应合成所述星状分子结构受阻酚类化合物。
3.如权利要求2所述的制备方法,所述反应原料3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯和乙二醇或聚乙二醇的摩尔比为1/4~1/10。
4.如权利要求2所述的制备方法,步骤1)中所述催化剂为钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯、二丁基二月桂酸锡或者二丁基氧化锡中的一种或多种,催化剂的加入量为原料3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸甲酯的0.3%~0.8wt%。
5.如权利要求2所述的制备方法,步骤1)获得中间产物后还包括对中间产物进行纯化的步骤,具体为在反应混合物中加入甲苯或甲基叔丁基醚,用饱和盐水和/或纯水洗涤有机相,有机相减压蒸馏,得到纯化产物。
6.如权利要求2所述的制备方法,步骤2)获得星状分子结构受阻酚类化合物后还包括对其进行纯化的步骤,具体为分别用饱和盐水、0.5M盐酸、饱和碳酸氢钠、纯水洗涤有机相,再将有机相进行减压蒸馏,得到星状分子结构受阻酚类化合物粗品。
7.如权利要求6所述的制备方法,获得星状分子结构受阻酚类化合物粗品后还包括对其进行精制的步骤,所述精制为采用单一溶剂或者混合溶剂进行重结晶。
8.如权利要求7所述的制备方法,所述混合溶剂为强极性质子溶剂和弱极性非质子溶剂。
9.如权利要求8所述的制备方法,所述强极性质子溶剂为醇类溶剂,包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异戊醇、正己醇或正辛醇;所述弱极性非质子溶剂包括石油醚、正戊烷、正己烷、正庚烷、苯、甲苯、乙醚或甲基叔丁基醚。
10.如权利要求1所述的星状分子结构受阻酚类化合物作为抗氧剂的应用。
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