-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Polyhydroxystyrol (PHS) direkt
aus einem substituierten Phenylcarbinol („Carbinol") wie 4-Hydroxymethyl-carbinol (HPMC),
wobei das PHS eine Struktur vom Novolak-Typ aufweist und Anwendung
auf dem Markt der Elektronik-Chemikalien wie Photolack-Zusammensetzungen
findet.
-
Beschreibung
des Standes der Technik
-
In der Vergangenheit war einer der
Wege zum Herstellen von Polyhydroxystyrol (PHS) die Verwendung von
4-Hydroxystyrol (HSM) als Ausgangsmaterial; siehe europäische Patentanmeldung
Nr. 0-108-624. 4-Hydroxystyrol ist eine im Fachgebiet wohlbekannte
Verbindung.
-
Obwohl es mehrere bekannte Wege gibt,
um 4-Hydroxystyrol herzustellen, sind diese bekannten Verfahren
bei der weiteren Nutzung des 4-Hydroxystyrols kommerziell nicht
geeignet.
-
Das 4-Hydroxystyrol selbst ist schwer
zu isolieren, da es (1) schnell zerfällt und (2) über Hautabsorption
toxisch ist und als Ergebnis davon haben die Fachleute zahlreiche
Versuche durchgeführt,
um ein Verfahren zu finden, PHS auf eine Weise zu synthetisieren,
bei der vermieden wird 4-Hydroxystyrol als Ausgangsmaterial zu verwenden.
-
Die
US
5,087,772 (erteilt am 11. Februar 1992) offenbart die Darstellung
von HSM durch Reagieren von Acetoxystyrol (ASM) mit einem geeigneten
Alkohol in Anwesenheit einer katalytischen Menge einer geeigneten
Base.
-
Die
US
5,340,687 offenbart die Alkylierung eines linearen Polyhydroxystyrols.
-
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0-128-984
(Veröffentlichungsnummer),
eingereicht am 30. August 1983, offenbart ein Verfahren zur Herstellung
von para-Vinylphenol (HSM) durch Dehydrieren von para-Ethylphenol.
-
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0-108-624
(Veröffentlichungsnummer),
eingereicht am 4. November 1983, offenbart ein Verfahren zur Herstellung
von p-Vinylphenolpolymer (Polyhydroxystyrolpolymer-PHS) durch Polymerisieren
von p-Vinyl (HSM) in Anwesenheit von Wasser und Eisen.
-
Die
US
4,032,513 (erteilt am 28. Juni 1977) offenbart ein Verfahren
zum Herstellen von PHS durch kationisches Polymerisieren von HSM
in Anwesenheit eines Nitrils wie CH
3CN unter
Verwendung eines kationischen Polymerisationsstarters in einem homogenen
Reaktionssystem.
-
Andere Referenzen aus dem Stand der
Technik, die die vorliegende Erfindung betreffen, schließen folgende
ein, nämlich
US 2,276,138 ;
US 3,547,858 ;
US 4,544,704 ;
US 4,678,843 ;
US 4,689,371 ;
US 4,822,862 ;
US 4,857,601 ;
US 4,868,256 ;
US 4,877,843 ;
US 4,898,916 ;
US 4,912,173 ;
US 4,962,147 ; und
US 4,965,400 .
-
Zusammenfassende
Darstellung der Erfindung
-
Ein Verfahren zum Herstellen eines
Polyhydroxystyrols mit einer Struktur vom Novolak-Typ, mit dem Schritt
des Polymerisierens einer Mischung aus einer Menge einer Carbonsäure größer als
das molare Äquivalent
und zumindest einem substituierten Phenylcarbinol, dessen Formel
wie folgt ist:
wobei (a) R
1 ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus H, C
1-C
20-Alkyl,
substituiertem und unsubstituiertem Phenyl und C(O)R
8 (wobei
R
8 ein C
1-C
20-Alkyl ist); wobei (b) R
2 ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus C
1-C
20-Alkyl; und wobei (c) R
3-R
7, jeweils unabhängig voneinander, ausgewählt sind
aus der Gruppe bestehend aus H, C
1-C
20-Alkyl, OR
9 (wobei
R
9 ein H, C
1-C
20-Alkyl, Ester davon oder substituiertes
und unsubstituiertes Phenyl ist), Halogen, BZT, Nitro oder Amino,
mit der Bedingung, dass zumindest eines von R
3-R
7 OR
9 ist, in Anwesenheit
eines geeigneten Katalysators für
einen ausreichenden Zeitraum und unter geeigneten Temperatur- und
Druckbedingungen, um das Polymer vom Novolak-Typ zu bilden, das
ein einzigartiges und neues PHS-Polymermaterial
mit einem Molekulargewicht von etwa 1.000 bis etwa 500.000, vorzugsweise
von 1.000 bis 100.000, und noch bevorzugter von 1.000 bis 30.000,
ist.
-
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden
Erfindung sind in den angehängten
Patentansprüchen
definiert.
-
Der Ausdruck „substituiertes Phenyl", wie er hierin verwendet
wird, bedeutet ein Phenyl, das mit zumindest einem Substituenten
substituiert ist, der ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus Halogen (Chlor, Brom, Fluor oder
Jod), Amino, Nitro, Hydroxy, Alkyl, Alkoxy, das bedeutet ein geradkettiges
oder verzweigtkettiges Alkoxy mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und
schließt
z. B. Folgendes ein, nämlich
Methoxy, Ethoxy, Propoxy, iso-Propoxy, Butoxy, iso-Butoxy, sekundäres Butoxy,
tertiäres
Butoxy, Pentyloxy, iso-Pentyloxy, Hexyloxy, Heptyloxy, Octxyloxy,
Nonyloxy und Decyloxy, Haloalkyl, das bedeutet ein geradkettiges
oder verzweigtkettiges Alkyl mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, das
mit zumindest einem Halogen substituiert ist, und schließt z. B.
Folgendes ein, nämlich
Chlormethyl, Brommethyl, Fluormethyl, Jodmethyl, 2-Chlorethyl, 2-Bromethyl,
2-Fluorethyl, 3-Chlorpropyl,
3-Brompropyl, 3-Fluorpropyl, 4-Chlorbutyl,
4-Fluorbutyl, Dichlormethyl, Dibrommethyl, Difluormethyl, Dijodmethyl,
2,2-Dichlorethyl, 2,2-Dibromethyl, 2,2-Difluorethyl, 3,3-Dichlorpropyl, 3,3-Difluorpropyl,
4,4-Dichlorbutyl,
4,4-Difluorbutyl, Trichlormethyl, 4,4-Difluorbutyl, Trichlormethyl, Trifluormethyl,
2,2,2-Trif luorethyl,
2,3,3-Trifluorpropyl, 1,1,2,2-Tetrafluorethyl und 2,2,3,3-Tetrafluorpropyl.
-
In den zuvor genannten Definitionen
und in der gesamten Beschreibung bedeutet Alkyl ein geradkettiges
oder verzweigkettiges Alkyl, mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen und
schließt
z. B. Folgendes ein, nämlich Methyl,
Ethyl, Propyl, iso-Propyl, Butyl, iso-Butyl, sekundäres Butyl,
tertiäres
Butyl, Pentyl, iso-Pentyl, neo-Pentyl,
Hexyl, Heptyl, Octyl, 2-Ethylhexyl, 1,1,3,3-Tetramethylbutyl, Nonyl,
Decyl, Dodecyol, Tetradecyl, Hexadecyl, Octadecyl und Eicosyl.
-
In Zusammenhang mit der Formel I
und den Definitionen von R
3-R
7 gilt
Folgendes, nämlich
(a) „BZT" bedeutet Benzotriazol
und weist die folgende Strukturformel auf, nämlich:
und (b) Halogen bedeutet
Cl, Br, I und F.
-
Wie es hierin verwendet wird schließt PHS (Polyhydroxystyrol)
folgendes ein, nämlich
ein Polymer, ein Copolymer oder ein Blockpolymer, das zumindest
einige Hydroxy-Gruppen in der Struktur aufweist. Darunter ist zu
verstehen, dass zusätzlich
andere Monomere anwesend sein können
und/oder verwendet werden können,
die Hydroxy-Gruppen enthalten können,
aber nicht müssen.
Diese anderen Monomere schließen
Folgendes ein, sind aber nicht darauf beschränkt, nämlich (a) Verbindungen (einschließlich substituierter
Phenole) der folgenden Formel:
wobei x = 0–6 und Y
= 0–6
und R
3 das Gleiche wie hier definiert ist;
und (b) substituierte Verbindungen (einschließlich Diarylalkyle oder Triarylaklyle)
der folgenden Formel:
wobei n = 0–2, m =
0–2, vorausgesetzt,
dass m + n = 2 ist, wobei R' ein
H oder ein C
1-C
20-Alkyl
ist und wobei R
3 das Gleiche wie hier definiert
ist.
-
Somit kann PHS Mischungen aus linearen,
verzweigten und/oder gepfropften Polymeren sein, die die hier beschriebenen
Monomere und/oder Polymere verwenden.
-
Es wurde in unerwarteter Weise herausgefunden,
dass die Verwendung einer Carbonsäure mit einem Carbinol, zur
Bildung einer Reaktionsmischung und die anschließende Polymerisation davon
zu einem neuen PHS mit einer Struktur vom Novolak-Typ führt. Die
eingesetzte Carbonsäure
wirkt hierbei nicht nur als Reagens, sondern auch als Lösemittel.
Die genaue Theorie, was die Bildung dieses PHS verursacht, ist nicht
genau bekannt. Es wird jedoch angenommen, dass die Carbonsäure auf
zwei Weisen wirkt (oder zu zwei Zwecken dient), d. h. als Reagens
und als Lösemittel.
Der gegenwärtige
Anmelder möchte
jedoch nicht durch irgend eine Theorie eingeschränkt werden. Wie zuvor erwähnt, ist
die Verwendung einer Carbonsäure
ein kritisches Merkmal dieser Erfindung.
-
Die eingesetzte Carbonsäure schließt Folgendes
ein, ist aber nicht darauf beschränkt, nämlich Ameisensäure, Essigsäure, Propansäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capbonsäure, Heptansäure, Oktansäure, Nonansäure, Undecansäure, iso-Buttersäure, iso-Valeriansäure, Cyclohexancarbonsäure und
Mischungen davon. Es ist außerdem
kritisch, dass die spezielle Carbonsäure eine gesättigte Carbonsäure ist,
d. h. eine geradkettige gesättigte
Carbonsäure,
eine substituierte gesättigte
Carbonsäure
und/oder eine ringförmige
Carbonsäure.
Die Menge der verwendeten Carbonsäure ist jegliche Menge, die
eine molare Reaktion schafft und die auch als Lösemittel wirkt. Somit werden
zumindest molare Äquivalente
der Carbonsäure
und des Carbinols verwendet und auch überschüssige Carbonsäure bis
zum 20-fachen (und mehrfachen) der Mole des Carbinols.
-
Die Temperatur, der Druck und die
Zeit, bei welchen die Carbonsäure
und das Carbinol vermischt werden, sind nicht kritisch; es ist jedoch
wünschenswert,
die Carbonsäure
in flüssiger
Form einzusetzen. Somit wäre
die obere Grenze der Temperatur wünschenswerterweise die Flüssigkeits/Gasphasenübergangstemperatur
der Carbonsäure.
-
Der im Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzte Katalysator ist kritisch und wird vorzugsweise
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus nämlich
H2SO4, HCl, AlCl3, HP3O4,
Oxalsäure,
SnCl2, BF3, BBr3, BCl3, para-Toluolsulfonsäure und
Methansulfonsäure.
Somit sind Lewis-Säuren
und protische Säuren
mit einem pKa-Wert von weniger als 4,75 geeignet.
-
Der Katalysator wird in jeglicher
Menge verwendet, um die Reaktion, d. h. die Polymerisation, zu erleichtern,
um das PHS mit einer Struktur vom Novolak-Typ, zu ergeben. Solche
Mengen reichen im Allgemeinen von etwa 1 Part per Million (ppm)
bis 100.000 ppm oder mehr.
-
Die bei der Polymerisation eingesetzte
Temperatur liegt im Allgemeinen bei weniger als 120°C, genauer
von 0°C
bis 120°C.
Der Reaktionsdruck kann ein Unterdruck, ein Atmosphärendruck
oder ein Überdruck sein.
-
Die Zeitspanne, während der dieser Polymerisationsschritt
durchgeführt
wird, ist nicht kritisch, und die einzige Anforderung ist, dass
die Polymerisation für
einen Zeitraum durchgeführt
wird, der ausreicht, um PHS mit einer Struktur vom Novolak-Typ zu
bilden. Im Allgemeinen ist dieser Zeitraum zumindest fünf Minuten
und kann bis zu 25 Stunden betragen.
-
Nach der Polymerisation der Reaktionsmischung
(d. h. Carbonsäure
+ Carbinol + irgendein Nukleierungsmittel) wird das gewünschte Endprodukt
(PHS) aus dem Reaktionsprodukt gewonnen und die Restfraktion, die
jegliches unreagierte Carbinol enthält, kann als Teil des Ausgangsmaterials
für den
nächsten
Zyklus wiederverwendet werden. Das Endprodukt (PHS) kann aus dem
Reaktionsprodukt durch jegliches Verfahren gewonnen werden; es kann
z. B. von der Fraktion, die unreagiertes Carbinol enthält, durch
z. B. Ausfällen
in Wasser, gefolgt von einer Filtration oder jeder anderen geeigneten
Technik, abgetrennt werden.
-
Es liegt ebenfalls im Rahmen der
Erfindung, ein Nukleierungsmittel wie ein Keimmonomer zu verwenden,
um die Reaktionsmischung herzustellen. Ein solches Material braucht
weder ein Carbinol zu sein, das unter Formel I fällt, noch muss es irgendwelche
Hydroxy-Gruppen enthalten. Solche Nukleierungsmittel können die
hierin definierten substituierten Phenole und substituierten Trialkyle
einschließen,
sind aber nicht darauf beschränkt.
-
Es liegt ebenfalls im Rahmen der
vorliegenden Erfindung, nach dem Polymerisationsschritt ein Kettenabbruchsmittel
einzusetzen. Jeder Typ von Kettenabbruchsmittel kann verwendet werden,
solange es keine größere negative
Auswirkung auf die Novolak-Struktur des gebildeten PHS gibt.
-
Es liegt ebenfalls im Rahmen der
vorliegenden Erfindung, zwei oder mehrere Carbinole in der Reaktionsmischung
einzusetzen oder eines oder mehrere Carbinole nach der anfänglichen
Polymerisation in nachfolgenden Polymerisationen zu verwenden; d.
h. sequentielle Polymerisation mit einem unterschiedlichen Carbinol
in jeder Polymerisationsstufe.
-
Es ist möglich, ein Polyhydroxystyrol-Homopolymer
eines Nicht-Novolak-Typs heranzuziehen, um dieses zu der „Carbinol/Carbonsäure"-Reaktionsmischung
zuzugeben und dann die gesamte Reaktionsmischung einer Alkylierung/Polymerisation
zu unterziehen, um Polyhydroxystyrol mit einer partiellen Struktur
vom Novolak-Typ herzustellen.
-
Zusätzlich zu der Verwendung von
PHS (mit einer Struktur vom Novolak-Typ) im Markt der Mikroelektronik-Chemikalien,
kann ein solches PHS in Standard-Novolak-Anwendungen eingesetzt
werden wie Klarlacken, Anilindruckfarben, Rohmaterialien für Epoxydharze,
Kopierpapier, Klebrigmacher für
Kautschuk und Separatoren für
Rohöl.
-
Die folgenden speziellen Beispiele
sind zur besseren Erläuterung
der Erfindung gegeben. Diese Beispiele dienen jedoch nicht dazu,
den Rahmen der Erfindung in irgend einer Weise zu begrenzen oder
einzuschränken
und sind nicht so zu verstehen, dass diese Bedingungen, Parameter
oder Werte schaffen, die notwendigerweise angewendet werden müssen, um
die vorliegende Erfindung auszuführen.
-
BEISPIELE 1–11
-
Das folgende Verfahren wurde in allen
11 Beispielen verwendet, um PHS herzustellen. Dieses Verfahren erläutert Beispiel
4.
-
Ein 3-Liter 3-Hals-Kolben wurde mit
einem Rückflusskühler, einem
Temperaturmessstutzen, einer Stickstoffspülung und mit einem mechanischen
Rührer
ausgestattet. In den Kolben wurden 4-Hydroxyphenylmethylcarbinol (HPMC) (352,0
g, 2,55 mol) und Eisessig (1051,9 g, 17,52 mol) gegeben. Es löste sich
nicht das gesamte HPMC. Die Suspension wurde unter Anwendung eines
Eisbades auf 9°C
abgekühlt
und es wurde Schwefelsäure
(1,0 g) zugegeben. Das Eisbad wurde entfernt und die Suspension
wurde sich erwärmen
gelassen, bei 19°C
löste sich
das gesamte HPMC. Die Mischung war exotherm, wobei eine Maximaltemperatur von
35°C erreicht
wurde. Die Reaktion wurde über
Nacht bei Raumtemperatur gerührt.
Die Lösung
wurde in Wasser (3 × 3000
ml) gegossen und der Feststoff durch Filtration isoliert. Der Feststoff
wurde mit Wasser (3 × 1000
ml) gewaschen, unter Vakuum getrocknet (50°C, 8000 Pa (60 torr), 2 Tage)
und gewogen (288,7 g, 94,3%.
-
Der erhaltene Feststoff ist ein leuchtend
weißes
Pulver, das in Aceton, Methanol, Tetrahydrofuran und wässriger
Base löslich
ist und das in nicht-polaren organischen Verbindungen unlöslich ist.
Die massengemittelte Molekülmasse
lag bei 5600 und das Molekulargewicht-Zahlenmittel lag bei 3675,
was eine Polydispersität von
1,53 ergab. Die durch TGA gemessene thermische Stabilität zeigte
keinen Abbau unter 200°C
und die Glasübergangstemperatur
lag bei 143°C.
Die Versuchsbedingungen und Ergebnisse sind in den Tabellen 1, 2, 3
und 4 dargestellt.
-
Beispiel 12 (Vergleichsbeispiel)
-
Das in den vorangegangenen Beispielen
1 bis 11 beschriebene Verfahren wurde verwendet, außer dass
in Beispiel 12 Methanol anstatt von Essigsäure verwendet wurde. Beispiel
12 ergab den Benzylether (4-Hydroxyphenylmethylcarbinol-methylether),
der bei der Polymerisation nicht das PHS (mit einer Novolakähnlichen
Struktur) bildete. Somit sind organische Alkohole kein geeigneter
Ersatz für
Carbonsäuren,
um eine Struktur vom Novolak-Typ zu bilden.
-
Diskussion
-
Im Hinblick auf die Versuchsergebnisse
scheint es, dass die Verwendung einer Carbonsäure (z. B. Essigsäure) mit
dem Carbinol z. B. ein Acetat bildet, wie dieses durch 1H-NMR
und TLC-Analyse der Reaktionsmischung vor der Polymerisation bestimmt
wurde. Die nachfolgende Zugabe des Katalysators (z. B. H2SO4) fördert die
Bildung von polyalkylierten Homopolymeren von 4-HPMC. Diese Gesamtreaktion
ist im Schema 1 wie folgt dargestellt:
-
-
Es wurde außerdem herausgefunden, dass
2-Hydroxyphenylmethylcarbinol,
3-Methyl-4-hydroxyphenylmethylcarbinol, 4-Acetoxyphenylmethylcarbinol,
3-Methyl-4-acetoxyphenylmethylcarbinol, und 4-Hydroxybenzylalkohol
alle unter ähnlichen
Bedingungen zu polyalkylierten Polymeren reagierten. Zusätzlich wurde
herausgefunden, dass Poly(4-hydroxystyrol) unter diesen Bedingungen
mit 4-HPMC alkyliert wurde, Tabelle 1.
-
Die Polymerisationen sind in den
Tabellen 1, 2, 3 und 4 dargestellt. In allen Fällen waren die Umsätze hoch,
wobei keine durch Analyse mit Dünnschichtchromatographie
oder Gelpermeationschromatographie nachweisbaren Monomere verblieben.
Die Gelpermeationschromatographie-Analyse dieser Polymere ist in Tabelle
2 gegeben. Das massengemittelte Molekulargewicht einer Serie von
4-HPMC-Polymeren reichte von 5.300 bis 7.000. Die meisten Polydispersitäten waren
niedriger als 2,00. Thermoanalyse zeigte für die Polymere aus 4-HPMC mit
einem Molekularge wicht von 5.000 bis 6.000 eine Glasübergangstemperatur
von 143°C mit
keinem Gewichtsverlust unter 200°C.
Die Alkylierungsprodukte aus Beispiel 4 unter Verwendung von 4-HPMC
sind in den Tabellen 3 und 4 dargestellt. Ein Vergleich der chemischen
Verschiebungen, die im 13C-NMR beobachtet
wurden, im Vergleich zu dem Monomer und einer Reihe von Modellverbindungen
zeigt drei erwartete Strukturen der para-, ortho-para- und ortho-ortho-para-substituierten
Strukturen (Tabelle 3). In Beispiel 4 liegen diese Strukturen etwa
in einem Verhältnis
von 1 : 1 : 1 vor; die Summe x + y + z (Schema 1) ist jedoch gleich
1, aber die individuellen Strukturen sind nicht auf 1 : 1 : 1 (oder
1/31/3-1/3) beschränkt,
somit besteht keine Einschränkung
für das
Verhältnis
der Strukturen.
-
Es ist zu verstehen, dass die zuvor
genannten Anmerkungen etwas Theorie zur Bildung von PHS mit einer
Struktur vom Novolak-Typ enthalten; der Anmelder möchte sich
jedoch nicht dadurch einschränken.
-
In den folgenden Beispielen ist das
Beispiel, in dem HBA verwendet wird (Beispiel 11), nicht gemäß der Erfindung
und ist nur zum Vergleich enthalten.
-
Tabelle
1
Bedingunaen für
die Polymerisation von substituierten Phenylcarbinolen
-
Tabelle
2
Polymerisation von substituierten Phenylcarbinolen in Essigsäure
-
Tabelle
3
Durch Polymerisation von substituierten Phenylcarbinolen
erhaltene Strukturen
-
Tabelle
4
Durch Polymerisation von substituierten Phenylcarbinolen
erhaltene Strukturen