CN1265103A - 环氧化合物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种通式(D)的环氧化合物的制备方法,其中Rb代表一种基团选自通过化合物(A)或(B)与烯化氧反应得到的通式(1,2和3)的那些基团,反应时催化剂选自含有至少一种阳离子(C)的化合物基团,同选自卤根、乙酸根、磷酸根、碳酸钙根或其混合物极性相反的阴离子X-混合;环氧树脂的制备方法包括至少上述的专门的反应步骤;所述方法得到的环氧树脂的特征是较低的卤含量。
Description
本发明涉及一种环氧化合物的制备方法。本发明具体涉及不包含卤素,特别是氯气的环氧化合物制备方法。
遍布世界多种多样大规模制造的环氧化合物广泛应用于最终用途例如电子工业的制造定形制品,包括植入式小型电子器件,如半导体或芯片和随后制造电子工业印刷电路的半固化片,包括有机溶剂基涂层以及更新式水溶性环氧树脂分散涂层,特别是罐和转筒的涂层,以及表现很大柔韧性等的复合和层压材料。
迄今为止制造所述起始环氧化合物都是使用环氧卤丙烷类,特别是表氯醇作原料,而表氯醇是由丙烯和气态氯制成的烯丙基氯来制备的。
值得关注的是,一方面最近十年特别是最近五年,由于国家和地方政府对化学加工工业的法规的压力日益增大,以便迅速降低氯的排放,甚至完全不使用氯,另一方面目前丙烯氯化气相的制备方法仍有需要改进其相当低的产率和减少其高污垢。
而且在表卤醇和酚化合物的反应形成环氧树脂期间,不可能完全避免源于表氯醇的卤素混入作为产品的树脂,其形式是卤原子化学键合环氧树脂自身。
作为环氧树脂重要用途之一是包封微电子材料,值得关注的是,渗入的卤素在最终制品长期使用期间通过湿气释放出酸,这种酸会导致对金属材料的腐蚀。
因此,本发明一个目的是提供这样一种方法,该方法满足使用条件和现有及未来可能推行的环保法规要求,并且该方法从一般廉价易得的基本化学品起步。
过去提出制造环氧树脂的另外方法之一是下式的反应简化的流程:其中R1代表包括一个或多个附加酚基的残基,R2代表包括一个或多个下式的附加基团的残基,R3代表包括一个或多个下式的基团的残基,且其中R4代表包括一个或多个以下附加基团的残基,
尽管从JP 61-33180A中熟知通过碳酸酯化合物脱羧来制造环氧化合物,其中用作催化剂的是碱金属卤化物和碱金属磷酸二氢盐的组合体,同时从更早期的JP 57-77682A和US 2856413中熟知一种类似方法,但是所述方法至今都不能用于经济地制造环氧化合物。
具体在JP 61-33180中知道,最终得到的单环氧化合物有这样一种简单分子结构,它们能从起始粗反应混和物中通过蒸馏回收。
然而,这种蒸馏不可能用于市售标准的二官能团和多官能团环氧化合物。
因此仍强烈需要改进这种方法以能够完全实现大规模工业生产。
经充分研究和试验的结果,出乎意外地发现,下式化合物:或其中Ra代表:1)基团:其中Rp代表氢或包括一个或多个下式的附加基团的残基,或2)基团Rq-(Q)b-烷基-(Q)a-,其中烷基是含有2-30个碳原子的直链或支链基团,Q是含有6-20个碳原子芳基(优选苯基)或含有6-20个碳原子环烷基(优选环己基),而a和b是0或1,Rq代表氢或包括一个或多个下式基团的残基,或
3)基团,其中Rs代表氢或包括一个或多个下式基团的残基,4)基团其中Rt代表氢或包括一个或多个下式基团的残基,或其中Rx和Ry可代表氢或Rx和Ry中仅一个代表含有1-4个碳原子的烷基,(优选甲基),且n是1-100的一个整数,优选5-50的一个整数,可在存在催化剂的条件下非常有效地与含有1-20个碳原子(优选1-4个)的烯化氧进行反应,所述催化剂选自含有至少一个下式阳离子的化合物,其中A代表氮或磷,优选磷,Rc,Rd和Re各代表含有1-10、优选1-4个碳原子任选取代的烷基,或任选取代的苯基,且Rg代表含有1-6个碳原子的烷基,此烷基被芳基(优选苯基)或下式基团任选端基取代,并结合选自卤素,乙酸根,磷酸根或羧酸根或其混合物的阴离子X-,以便形成碳酸亚烷基酯或亚硫酸亚烷基酯和下式化合物其中Rb代表:1)基团:其中Rf代表氢或包括一个或多个下式的附加基团的残基,2)基团Rj-(Q)b-烷基-(Q)a-,其中烷基是含有2-30个碳原子的直链或支链基团,Q是含有6-20个碳原子芳基(优选苯基)或含有6-20个碳原子环烷基(优选环己基),而a和b是0或1,其中Rj代表氢或包括一个或多个下式基团的残基,3)基团,其中Rh代表氢或包括一个或多个下式基团的残基,4)基团,其中Rx和Ry如上定义,而Ri代表氢或包括一个或多个下式基团的残基,
根据本方法步骤的优选实施方案,反阴离子选自卤素和更优选是氯。
烷基或苯基Rc,Rd和Re的取代基选自卤素,硝基,含有1-4个碳原子的烷基或烷氧基,羧基或磺酸基。更优选的烷基或苯基Rc,Rd和Re是未取代的或者苯基的邻位是一取代的。
根据前述反应的进一步优选的实施方案,乙基三苯基氯化鏻、乙基三(邻甲苯基)氯化鏻或乙基三苯基氯化铵皆可用作催化剂。最优选使用乙基三苯基氯化鏻作催化剂。
一般来说,在上文中特定反应(工艺步骤)的温度范围是100-250℃,优选130-200℃,而压力范围是1-30巴,优选15-25巴。所述反应期间参照(A)或(B)化合物的摩尔量使用过量的烯化氧。使用过量烯化氧的范围是超过10-100%的等摩尔量,优选为20-60%。
根据上文规定的转换步骤的特定实施方案,使下式化合物:其中Rk代表包括一个或多个下式的附加基团的残基,并且其中R1代表包括一个或多个下式的附加基团的残基,与含有1-10个碳原子的烯化氧反应,反应时存在的催化剂选自含有至少一种阳离子的化合物:其中A代表氮或磷而优选为磷,其中Rc,Rd和Re各代表含有1-10个、优选1-4个碳原子任选取代的烷基或任选取代的苯基,且Rg代表含有1-6个碳原子的烷基,此烷基被芳基(优选苯基)或下式基团任选端基取代,并结合反阴离子X-选自卤素、乙酸根、磷酸根、羧酸根或其组合体的化合物,以便形成碳酸亚烷基酯或亚硫酸亚烷基酯和下式化合物进行特定转换步骤更可从下式化合物,或其卤化物,特别是其溴化的衍生物开始,但也可从聚合物开始,如含有较大数目酚基的苯酚甲醛缩聚物,它们可部分或全部转换成下式基团。可以理解,不仅相当简单的化合物,例如其中n和p是5-50的整数,而且含有较大数目羟基的可部分或完全转换成下式基团的聚合的化合物。亦即下式简单的市售环氧化合物,可按照本发明的方法制备,而且还能制备结构复杂市售的多官能团环氧化合物。
例如在这方面,各种各样的酚醛树脂可能用作原料I(酚醛清漆树脂)。
长期以来已知道,代表廉价产物的酮和酚可作为工业规模制造化合物I的原料。
结构相当简单的化合物I的一个重要代表是DPP(二苯酚丙烷)。
试剂II(缩水甘油)也被认为是从丙烯制备的相当廉价的产物。
可以理解,本发明还涉及一种最终是环氧树脂的完整综合的制备方法,包括上面规定的方法步骤,和从聚苯酚化合物I(如标准市售环氧树脂DPP)和缩水甘油(II)开始。
本发明还涉及环氧化合物的制备方法,包括以下步骤:(a)将丙烯转换成环氧丙烷,其重排成烯丙醇,并随后氧化成缩水甘油,此反应是在多相催化剂存在的条件下进行的,所述催伦剂包括至少一种过渡金属如钛,钒或钼本身或者为所述金属分散在化学惰性载体中的形式,或者通过溶解或分散所述金属化合物形成的均相催化剂的条件下进行的。(b)酚化合物(I)与缩水甘油反应生成二-α-甘醇,(c)二-α-甘醇(II)与碳酸亚烷基酯或亚硫酸亚烷基酯,优选为碳酸亚丙酯或碳酸亚乙酯反应,生成化合物(A),(d)化合物(E)或(F)与含有1-20、优选1-4个碳原子烯化氧反应,其中存在的催化剂选自含有至少一个以下阳离子的化合物,其中A代表氮或磷,而优选为磷,Rc,Rd和Re各代表含有1-10个碳原子的任选取代的烷基或任选取代的苯基,且Rg代表含有1-6个碳原子的被芳基(优选苯基)或下式基团任选端基取代的烷基,并结合选自卤素,乙酸根,磷酸根,羧酸根或其混合物的反阴离子的化合物,形成碳酸亚烷基酯或亚硫酸亚烷基酯和下式化合物。
在步骤(a)中形成缩水甘油的氧化步骤优选在催化剂存在下进行,所述催化剂包括分散在二氧化硅中的钛或二氧化硅上的钒。
构成本发明另一方面的是最终的环氧树脂,它仅含有痕量掺杂的卤素,特别是氯,可通过上文专门叙述的完整综合制备方法得到,同常规环氧树脂相比表现出明显不同的分子结构。
所述新颖环氧树脂特征分子结构可通过这些树脂的HPLC图并通过卤素总量特别是氯含量低于1300ppm清楚地表达。
更具体的新颖环氧树脂仅含有掺杂的痕量卤素低于1000ppm,特别是其范围是300-1000ppm,是通过下文叙述特定HPLC讯号表征的。
所述卤含量明显低于常规树脂1400-1800的一般范围。
本发明环氧树脂通过使用HP1090液相色谱的HPLC分析来表征(图I所示)。为了比较,还采取标准环氧树脂色谱图(图II所示)。
将2.0克树脂溶于20克乙腈中。苯甲醚用作内标。用Waters公司的15cm×3.9cm的Novapak C18柱进行分析。流速1ml/min,注入体积1微升。初始溶剂组合物由75%水和25%乙腈构成。使用溶剂梯度。
在110分钟时组合物线性改变成6.5%水和93.5%乙腈。
在115分钟时为0%水和100%乙腈。
在125分钟时为75%水和25%乙腈。
在130分钟时为75%水和25%乙腈。
在50℃进行分析和用275nm的UV检测。
色谱图清楚表明,没有所谓的“增长”产物(n=1,n=2,等等)而它们通常存在于双酚A和表氯醇(在60.7min和76.8min时有峰值)制备的树脂内。另外,色谱图出现一些额外的峰,(27分钟,环状双碳酸酯;30.5分钟,带一个碳酸酯基团和一个环氧化物基团的化合物),5.8分钟(二-α-甘醇)13.7分钟和15.8分钟。在标准环氧树脂的色谱图(图II)中不出现这些峰中的后两个峰。除所述这些峰外,两个色谱图之间还有许多差别。
可以理解,在这些试验之间确切的停留时间可以多少有些改变。
通过下面实施例和对比实施例进一步说明本发明,绝非将其范围限制于这些实施方案。
制备DPP(化合物I)的二-α-甘醇醚
实施例1
在配有回流冷凝器和热电偶的100ml三颈圆底烧瓶中,将22.84克(0.100mol)二苯酚丙烷(DPP或双酚A)和15.54克(0.210mol)缩水甘油溶于15.05克(0.150mol)甲基异丁酮(MIBK)和15.04克(0.25mol)异丙醇(IPA)中。然后加入10.80克(0.100mol)作为内标化合物的苯甲醚。于80℃立刻加入6摩尔%氢氧化钠水溶液(50wt%)。混和物在80℃保持6小时,真空去除溶剂。得到DPP(1)的二-α-甘醇醚白色固体材料(33.9克,89.5%)。
高压液相色谱分析材料。副产物是:所谓的“增长”产物(加入一个额外的缩水甘油基团),1,2-OH(源于不完全转换)和1,2-1,3,化合物带有1,3-丙烷二醇部分。实施例2-19概括在下表内。
表-反应条件和反应产物的摩尔比
缩水甘油/DPP摩尔比 | 溶剂(mol%) | 温度(℃) | 催化剂(mol%) | 二-α-甘醇(mol%) | 1,2-1,3(mol%) | 1,2-OH(mol%) | “增长”(mol%) |
2.2 | MIBK300 | 70 | NaOH 3 | 79.9 | 3.4 | 12.8 | 3.4 |
2.2 | MIBK300 | 90 | NaOH 3 | 85.7 | 4.9 | 0.0 | 9.1 |
2.1 | MIBK300 | 90 | NaOH 2 | 87.9 | 4.6 | 2.6 | 4.9 |
2.1 | MIBK300 | 70 | NaOH 6 | 89.6 | 3.9 | 2.5 | 4.0 |
a2.1 | MIBK300 | 90 | NaOH 2 | 88.2 | 4.7 | 1.9 | 5.2 |
2.2 | MIBK150IPA250 | 70 | NaOH 2 | 51.9 | 2.0 | 43.8 | 1.4 |
2.1 | MIBK150IPA250 | 70 | NaOH 6 | 84.0 | 3.4 | 9.0 | 3.4 |
2.1 | MIBK150IPA250 | 80 | NaOH 2 | 71.1 | 3.3 | 21.9 | 3.0 |
2.1 | MIBK150IPA250 | 80 | NaOH 6 | 89.5 | 4.1 | 1.7 | 4.7 |
2.1 | MIBK230IPA125 | 70 | NaOH 6 | 80.2 | 3.5 | 12.7 | 3.3 |
2.1 | MIBK270IPA45 | 70 | NaOH 6 | 88.0 | 3.7 | 2.3 | 6.1 |
2.1 | MIBK180IPA35 | 70 | NaOH 6 | 87.0 | 3.8 | 4.4 | 4.8 |
b2.2 | MIBK185IPA35 | 70 | NaOH 6 | 83.5 | 3.9 | 7.3 | 4.8 |
2.04 | MIBK200 | 100 | NaOH 2 | 84.0 | 5.5 | 4.6 | 5.7 |
2.03 | MIBK200 | 90 | NaOH 2 | 83.9 | 4.8 | 5.6 | 5.3 |
2.04 | MIBK200 | 90 | Na2CO32 | 68.4 | 3.4 | 24.3 | 2.8 |
2.04 | MIBK200 | 80 | NaOH 2 | 69.3 | 3.6 | 22.5 | 3.5 |
c2.05 | MIBK200 | 90 | Na2CO32 | 81.3 | 4.7 | 8.6 | 4.9 |
a本试验期间缩水甘油在35分钟内投药代替预先放入。
b从这个输入起使用缩水甘油的70wt%MIBK溶液代替纯缩水甘油。
c使用20wt%的Na2CO3溶液。
如果反应在纯MIBK内进行(没有IPA作辅助溶剂),冷却后DPP(1)的二-α-甘醇醚结晶。
制备DPP的双环碳酸酯(化合物2)
实施例A
100ml圆底烧瓶中装入20.0克DPP的二-甘醇醚(89%纯,47.3mmol)和28.58克(0.280mol)碳酸亚丙酯。混和物加热到100℃并加入2mol%的氢氧化钠水溶液(50wt%)。一小时后,减压去除形成的丙二醇和过量的碳酸亚丙酯(最终条件是160℃,20毫巴)。此化合物悬浮于水中,过滤并干燥。得到白色固体材料22.4克。
实施例B
使用实施例A同样工序,不同的是碳酸亚丙酯大量过量(过量15倍)。使用Vingreux蒸馏柱进行蒸馏。HPLC分析验证该工序增强了选择性。将此化合物悬浮于水中,过滤并干燥。得到白色固体22.2克。
实施例C
使用实施例B同样工序。加热固体产物和乙腈直至差不多完全溶解。冷却后材料结晶。将此化合物悬浮于水中,过滤并干燥。对双环碳酸酯的选择性差不多90%。
制备DPP的双环碳酸酯
实施例D
在配备有回流冷凝器和热电偶的100ml三颈圆底烧瓶中,放入22.84克(0.1mol)二苯酚丙烷(DPP或双酚A)和15.12克缩水甘油(0.204mol)溶于30.63克(0.3mol)碳酸亚丙酯(PC)。于50℃滴加0.48克50wt%的氢氧化钠(水溶液,对DPP为6mol%)。温度升至70℃。5小时后加入204.18克(2.0mol)PC,且温度升高到100℃。混和物在100℃保持30分钟,然后减压去除丙二醇和过量的PC。用甲苯洗涤残留物,过滤并在40℃真空干燥。得到浅棕色结晶固体(39.4克,92%)。
制备DPP的二缩水甘油醚(化合物3)
实施例I
在250ml高压釜中放入20.0克(46.7mmol)双环碳酸酯(I),130克(2.24mol)环氧丙烷和3.75克(11mmol)乙基三苯基氯化鏻(ETPPCI)。混和物加热到160℃并保持16小时。冷却到室温后蒸发去除过量的PO,并在真空下去除形成的碳酸亚丙酯。NMR谱测定转换率是93%,大约7%的碳酸酯端基保持不变。选择性大于98%,没有观察到酮端基。残留物(15.8克)溶于40ml的MIBK中,用50ml水洗涤两次。
随后将该溶液用20wt%氢氧化钠水溶液处理一小时。进行相分离,有机层用50ml 10%的NaH2PO4水溶液洗涤,之后用50ml水洗涤两次。真空浓缩后得到棕色残留物。滴定测量环氧基含量是5020mmol/kg。NMR谱检测仅有的副产物源于残留催化剂。
实施例II
使用实施例I同样工序,不同的是将混和物加热到160℃约24小时。转换差不多完全。没有观察到酮端基。如实施例I进行。环氧基含量是5180mmol/kg。
实施例III
使用实施例I同样工序,不同的是将混和物加热到180℃约经14小时。转换差不多完全。没有观察到酮端基。如实施例I所表明的进行加工。环氧基含量是5050mmol/kg。
实施例IV
在250ml高压釜中配备磁力搅拌棒、热电偶和压力计,装入20.0gram(46.7mmol)双环碳酸酯(I),140克环氧丙烷(2.41mol)和4.26克(11mmol)乙基三苯基溴化磷。将混和物加热到160℃并保持在此温度16小时。冷却到室温后蒸发过量PO并真空去除形成的碳酸亚丙酯。如实施例I所述加工残留物(15.6克)。转换率大约是85%。环氧基含量是4920mmol/kg。
实施例V
在250ml高压釜中装入20.0克(46.7mmol)双环碳酸酯(1),130克(2.24mol)环氧丙烷和5.61克(11mmol)乙基三苯基碘化鏻。混和物加热到140℃并保持在此温度16小时。冷却到室温后蒸发过量PO并真空去除形成的碳酸亚丙酯。转换率大约60%。反应选择性低,大约8%的环氧基转变成酮端基。进行74小时反应得到80%的转换率。
实施例VI
用实施例I同样工序,不同的是使用四甲基氯化铵(TMAC)。因此加入1.2克(11mmol)的TMAC代替ETPPCI。用这种催化剂反应似乎更迟钝。在160℃16小时后转换率大约74%。选择性也稍低,大约90%。没有检测到酮端基。副产物主要由于胺与环氧基团的反应。
实施例VII
在250ml高压釜中装入20.0克(46.7mmol)双环碳酸酯(1),150克(2.58mol)环氧丙烷和4.06克(11mmol)乙基三邻甲苯基氯化鏻。将混和物加热到160℃并保持在此温度16小时。冷却到室温后蒸发过量PO并真空去除形成的碳酸亚丙酯。如实施例I所述地加工。
实施例VIII
用实施例VII同样工序,不同的是用乙基三(对甲苯基)氯化鏻(4.06 grams 11mmol)作催化剂。如实施例I所述地加工。
实施例IX
用实施例I同样工序,不同的是用苄基三苯基氯化鏻作催化剂。产量、转换率和选择性大致相同。环氧基含量是5080mmol/kg。
实施例X
用实施例I同样工序,不同的是用1,3-亚丙基(三苯基鏻)二氯化物(化合物2)作催化剂(双鏻盐)。转换率大约94%,选择性大于98%。用实施例I讨论的方法进行加工,环氧基含量是5045mmol/kg。
实施例XI
用实施例I同样工序,不同的是用三邻甲氧基苯基氯化鏻作催化剂。产量、转换率和选择性大致相同。环氧基含量是5080mmol/kg。
实施例XII(对比实施例)
或者,试验直接将DPP的双碳酸酯(化合物2)转换成DPP的二缩水甘油醚(化合物3),使用JP 61-33180所述方法。反应在250℃进行并减压。反应开始(最初25分钟)时由于形成二氧化碳而得到最低压力4毫巴。此后,减压至1毫巴。温度升高到270℃。蒸馏大约50%的材料。馏出物的NMR分析表明存在代替环氧端基的酮端基,残留物也含有酮端基和低聚物结构,没有环氧端基。
Claims (10)
2)Rj-(Q)b-烷基-(Q)a-基团,其中烷基是含有2-30个碳原子的直链或支链基团,Q是含有6-20个碳原子芳基或含有6-20个碳原子环烷基,而a和b是0或1,Rj代表氢或包括一个或多个下式基团的残基,
4)下式的基团,其中Rx和Ry可代表氢或符号Rx和Ry中仅一个可代表含有1-4个碳原子烷基,且n是1-100的一个整数和Ri代表氢或包括一个或多个下式的附加基团的残基和一种碳酸亚烷基酯或亚硫酸亚烷基酯,该方法包括使以下化合物:或其中Ra代表:
1)以下的基团:其中Rp代表氢或包括一个或多个下式的附加基团的残基,或
2)Rq-(Q)b-烷基-(Q)a-基团,其中烷基是含有2-30个碳原子的直链或支链基团,Q是含有6-20个碳原子芳基(优选苯基)或含有6-20个碳原子环烷基(优选环己基),而a和b是0或1,Rq代表氢或包括一个或多个下式附加基团的残基,或
2.根据权利要求1的方法,其特征在于Rb代表Rg-(Q)b-烷基-(Q)a-基团,其中Q是苯基或环己基。
4.根据权利要求1的方法,其特征在于使用催化剂(C),其中Rc,Rd和Re代表含有1-4个碳原子烷基或其邻位任选单取代的苯基。
5.根据权利要求4的方法,其特征在于催化剂用乙基三苯基氯化鏻,乙基三(邻甲苯基)氯化鏻或乙基三(苯基)氯化铵。
6.根据权利要求5的方法,其特征在于催化剂用乙基三苯基氯化鏻。
8.环氧化物制备方法,包括至少一种权利要求7的方法步骤。
10.用权利要求8和9方法得到的环氧树脂,其特征在于其卤总含量是300-1000ppm,基本没有通常存在的“增长”产物。
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