JP2010511050A - ベンゾキサジンの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、トルエン以外の溶媒中で、フェノール性成分、アルデヒド成分、およびアミン成分からベンゾキサジン成分を製造するための新規の合成法に関する。

Description

本発明は、フェノール性化合物、アルデヒド化合物、およびアミン化合物からベンゾキサジン化合物を製造するための新規の合成法に関する。

ベンゾキサジンは、通常、フェノール性化合物とアルデヒドおよびアルキルアミンとを反応させることによって製造される。この反応は、溶媒なしの条件下またはトルエン、ジオキサン、アルコールまたはジエチルエーテルのような溶媒中で実施することが知られている。

例えば、米国特許第５，５４３，５１６号（Ｉｓｈｉｄａ）公報では、ベンゾキサジン化合物を製造する方法が開示されており、別の溶媒を用いずにフェノール性化合物、第１級アミン、およびアルデヒドを含有する反応混合物を調製し、反応体が化学的に結合する温度にこの反応体を導き、この温度に維持して報告されているようにベンゾキサジン化合物を形成する。

さらに、中国公開特許ＣＮ第１４５１６７９号（Ｇｕ）公報は、ＲＴＭ用途のための変性ベンゾキサジン樹脂を志向しており、従来、ベンゾキサジン樹脂はトルエン、ジオキサンおよびジメチルベンゼンのような有機溶媒を使って合成されてきたことを説明している（中国特許出願第ＺＬ９４１１１８５２．５号公報を引用して）。しかしながら、ＣＮ’６７９公報では、実施例で溶媒としてトルエンを使っている。

ベンゾキサジンは、現在、商品として入手できるいくつかの供給源があり、Ｈｕｎｔｓｍａｎ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）、Ｇｅｏｒｇｉａ−Ｐａｃｉｆｉｃ Ｒｅｓｉｎｓ社、および四国化成社（千葉、日本）が挙げられる。この内、最後の会社は、Ｂ−ａ、Ｂ−ｍ、Ｆ−ａ、Ｃ−ａおよびＦ−ａベンゾキサジン樹脂を提供する。これらの商品として入手できるベンゾキサジンは、溶媒としてトルエンを使って製造される。

しかしながら、こうした公知の合成方法およびいくつかの商業用のベンゾキサジンは欠陥がある。例えば、合成で用いる溶媒のいくつかは毒性があり、従って、作業場では回避することが好ましく、一方、他の溶媒は高い温度条件下で除去可能であり、この温度では、ある種のベンゾキサジン化合物の早期の分解および／または重合を起こし、このようなベンゾキサジンを配合した硬化性組成物は、性能に欠陥を有する結果となる。

公知の合成方法は、通常、比較的長い時間を要し、すなわち、所望の反応を実施し、反応生成物を分離するのに少なくとも数時間を要する。最終生成物の精製には、しばしば追加の時間を必要とする。さらに、多くの場合、ベンゾキサジンの収率は満足できるが、前述のように多くの一般的な溶媒は毒性の危険をもたらし、例えば、高価な溶媒回収システムの設置を避けるためには、費用のかかる手段を必要とすることが多い。

従って、こうした欠点を克服できるような合成方法に対する要望が存在する。

本発明は、上記合成上の欠点に対する解決方法を提供する。

より具体的には、本発明はベンゾキサジンを製造する方法を提供する。本発明の方法は、反応体としてのフェノール性化合物、第１級アミン化合物、およびアルデヒド化合物をアルキルエステル溶媒中に含有する反応混合物を調製するステップ；および前記反応体が化学的に結合する温度に前記反応体を導き、ベンゾキサジンを形成するのに十分な時間、この温度で前記反応体を維持するステップを含む。

溶媒としてトルエンを使うベンゾキサジン合成は、例えば、減圧下でも沸点が高いトルエンに苦労する。その結果、ベンゾキサジン生成物からトルエン溶媒を除去するのに高い温度が必要になる。しかしながら、ベンゾキサジン生成物は、高い温度条件下で、ある程度は揮発性があるので、このトルエン溶媒を完全に分離しようとすれば、同様にベンゾキサジン生成物も分離することになり、ベンゾキサジン生成物を著しく高価なものにして、保存安定性を低下させる。図１および図２を参照すると、トルエン溶媒中で合成したベンゾキサジン生成物は、なおもＧＣで検出される残存トルエンを含み、１２０℃でのレオメーター粘度によって不安定性が示されることが分かる。

これを背景にして、溶媒の代替が好ましく、この溶媒としては水と非混和性で、原材料、生成中間体およびベンゾキサジン生成物を容易に溶解し、常圧で６５℃から１０５℃の沸点を有し、および毒性が低いという特性を有するものが挙げられる。下にもっと詳細に記載されている通り、選択する溶媒はエチルアセテートのようなアルキルエステルである。エチルアセテートは、常圧で７６．５から７７．５℃の沸点を有する。プロピルアセテート（沸点：１０２℃）およびイソプロピルアセテート（沸点：８５から９１℃）も使用することができる。同様に、アセテートではなく、プロピルホルメート（沸点：８０から８１℃）も使用することができ、従って、アルキルエステルに包含される。

下記の溶媒ファミリーは、次の理由でベンゾキサジンの商業的合成には不適切であることが決まった。

芳香族（例えば、ベンゼン、トルエンまたはキシレン）は、毒性であること、沸点が高すぎることのいずれか、または毒性と高すぎる沸点のために、本発明の実施には適していない。

アルコール（例えば、メタノール、エタノール、またはｔ−ブチルアルコール）は、水と混和すること、沸点が高すぎることのいずれかのために、または水との混和性と高い沸点のために、本発明の実施には適していない。

エーテル（例えば、エチルエーテル、ジプロピルエーテルまたはＴＨＦ）は、毒性のために本発明の実施には適していない。

ケトン（例えば、アセトンまたはＭＥＫ）は、反応体、中間体および／またはベンゾキサジン生成物と反応する可能性があるので、本発明の実施には適していない。

エーテル溶媒と同様に、アルキルハロゲン化物溶媒（例えば、塩化メチレン、クロロホルム、および四塩化炭素）は毒性があるので、本発明の実施には適していない。

エチルアセテートの沸点は、０．１ＭＰａよりわずかに低い圧力下で、トルエンより２０℃以上低い。従って、ベンゾキサジンは、生成物の価格と粘度が上がる恐れ（保存安定性を欠く方向へ導く）もなく、７０℃で乾燥することができる。エチルアセテート中で製造したベンゾキサジン生成物は、ガスクロマトグラフィー／質量分析が示すように溶媒を含んではおらず（図として示していないが、図１が示す結果とは対照的である）、トルエン中で製造したベンゾキサジンと比較して、１２０℃でのレオメーター粘度測定で保存安定性を示す（図２ＡおよびＢを参照されたし）。

は、トルエン中で製造したベンゾキサジンのガスクロマトグラフィー／質量分析の追跡を示す。

は、トルエン中で製造したベンゾキサジン（Ａ）と、比較するエチルアセテート中で製造したベンゾキサジン（Ｂ）の２つ分のゲルパーミエーションクロマトグラムを示す。

は、トルエン中で製造したベンゾキサジン（上の曲線）と比較するエチルアセテート中で製造したベンゾキサジン（下の曲線）の時間をかけたレオメーター粘度測定の追跡を示す。

前記のように、今日までベンゾキサジン樹脂は、フェノール、アルデヒド、および第１級アミンから、トルエン、ジオキサン、およびアルコールのような溶媒中、または溶媒のない系で合成されてきた。典型的には、ベンゾキサジン化合物の合成を完結するため反応は、合成反応およびその後の溶媒除去のための時間が必要であるので数時間以上を要する。生成物の精製を所望する場合は、追加の時間も必要になる。溶媒を使用する方法ではベンゾキサジンの収率および分子量分布は申し分ないが、毒性、高い沸点、水との混和性ならびに反応体、中間体および／またはベンゾキサジン生成物との反応性があるという理由で、代替の溶媒を選択することが好ましい。

前記の生成物に導く反応に触媒は必要ではないが、所望であれば、例えば、反応混合物中の形成された生成物の組成を変えるために、ＨＣｌのような酸性触媒、または塩基性触媒、例えば、ＮａＯＨを使用することができる。

任意の、各種アルデヒド、例えば、溶液のホルムアルデヒド（例えば、ホルマリン）、パラホルムアルデヒド、ポリオキシメチレン、さらに一般式ＲＣＨＯ（ここで、Ｒは脂肪族）を有するアルデヒド、これらのアルデヒドの混合物を合成に使用することができる。

多数のフェノール類も同様に合成で使用することができる。例えば、フェノール、クレゾール、２−ブロモ−４−メチルフェノール、２−アリルフェノール、１，４−アミノフェノールなどの単官能フェノールを使用することができる。適した２官能フェノールとしては、フェノールフタレイン、ビフェノール、４−４’−メチレン−ジ−フェノール、４−４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、ビスフェノール−Ａ、１，８−ジヒドロキシアントラキノン、１，６−ジヒドロキシナフタレン、２，２’−ジヒドロキシアゾベンゼン、レゾルシノール、フルオレンビスフェノールなどが挙げられる。適した３官能フェノールとしては、１，３，５−トリヒドロキシベンゼンなどが挙げられる。

多くの第１級アミンをベンゾキサジンの合成で使用することができる。適した化合物としては、単官能アミン、例えば、アンモニウム、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、イソプロピルアミン、オクタデシルアミン、シクロヘキシルアミン、アルキルアミン、１−アミノアントラセン、４−アミノベンズアルデヒド、４−アミノベンゾフェノン、アミノビフェニル、２−アミノ−５−ブロモピリジン、Ｄ−３−アミノ−ε−カプロラクタム、２−アミノ−２，６−ジメチルピペリジン、３−アミノ−９−エチルカルバゾール、４−（２−アミノエチル）モルホリン、２−アミノフルオレノン、２−アミノフルオレン、１−アミノホモピペリジン、９−アミノフェナントレン、１−アミノピレン、４−ブロモアニリン、アニリンなどが挙げられる。適した２官能アミンとしては、２−アミノ−ベンジルアミン、１，３−ジアミノプロパン、１，４−ジアミノブタン、１，１０−ジアミノデカン、２，７−ジアミノフルオレン、１，４−ジアミノシクロヘキサン、９，１０−ジアミノフェナントレン、１，４−ジアミノピペラジン、メチレンジアニリン、１，４−ジアミノベンゾフェノン、４，４−ジアミノジフェニルスルホン、フルオレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、４，４’−オキシジアニリンなどが挙げられる。適した３官能アミンとしてはメラミン、一方、４官能アミンとしては、フルオレンテトラアミン、テトラアミンジフェニルエーテルなどが挙げられる。

さらに、アミン官能化ポリジメチルシロキサンおよびこのコポリマー、アミン官能化ポリブタジエンおよびこのコポリマー、ポリアリルアミンなどが挙げられる。

反応条件に関しては、ほぼ室温で十分な時間、反応を進めることができ、または反応温度は約１５０℃に制御してもよい。

反応による合成は、大気圧または所望であれば、最高、約７ｋｇｆ／ｃｍ^２（１００ｐｓｉ）までの圧力で実施することができる。

反応時間は、反応体の性質、加えて反応条件によって決まると考えられる。しかしながら、通常、反応時間は約１５から約３０分であるが、前述のように、これよりも短いか、または長くてもよく、反応の状況に依存する。

必要とする反応体の相対量は、これらの化学的性質、例えば、反応に関与する反応性基の数に依存すると考えられる。化学量論は、当該技術分野を熟知しているものの技能の範囲であり、反応体の必要な相対量は容易に選択され、反応させる化合物の官能性によって決まる。

ベンゾキサジンは、下記の構造：

に包含されてもよく、上式中、ｏは、１−４であり、Ｘは、直接結合（ｏが２である場合）、アルキル（ｏが１である場合）、アルキレン（ｏが２−４である場合）、カルボニル（ｏが２である場合）、チオール（ｏが１である場合）、チオエーテル（ｏが２である場合）、スルホキシド（ｏが２である場合）、およびスルホン（ｏが２の場合）から選択され、Ｒ_１は、水素、アルキル、アルケニルおよびアリールから選択され、Ｒ_４は、水素、ハロゲン、アルキルおよびアルケニルから選択されるものである。

より具体的には、構造Ｉの内、ベンゾキサジンは、下記の構造：

に包含されてもよく、上式中、Ｘは、直接結合、ＣＨ_２、Ｃ（ＣＨ_３）_２、Ｃ＝Ｏ、Ｓ、Ｓ＝ＯおよびＯ＝Ｓ＝Ｏから選択され、Ｒ_１およびＲ_２は、同じであるかまたは異なっており、水素、メチル、エチル、プロピルおよびブチルのようなアルキル、アリルのようなアルケニルおよびアリールから選択され、Ｒ_４は、同じであるかまたは異なっており、水素またはアリルのようなアルケニルから選択されるものである。

構造ＩＩの内、代表的なベンゾキサジンは：

が挙げられ、上式中、Ｒ_１、Ｒ_２およびＲ_４は、上記の定義と同様である。

あるいは、ベンゾキサジンは下記の構造：

に包含されてもよく、上式中、ｐは、２であり、Ｙは、ビフェニル（ｐが２である場合）、ジフェニルメタン（ｐが２である場合）、ジフェニルイソプロパン（ｐが２である場合）、ジフェニルスルフィド（ｐが２である場合）、ジフェニルスルホキシド（ｐが２である場合）、ジフェニルスルホン（ｐが２である場合）、およびジフェニルケトン（ｐが２である場合）から選択され、Ｒ_４は、水素、ハロゲン、アルキルおよびアルケニルから選択されるものである。

構造ＩまたはＶＩＩには包含されないが、追加のベンゾキサジンは、下記の構造：

の内にあり、上式中、Ｒ_１、Ｒ_２およびＲ_４は、上記と同様に定義され、Ｒ_３は、Ｒ_１、Ｒ_２またはＲ_４と同様に定義される。

これらのベンゾキサジンの具体例としては：

が挙げられる。

ベンゾキサジン成分は、多官能ベンゾキサジンおよび単官能ベンゾキサジンの組合せであってもよく、または１種以上の多官能ベンゾキサジンまたは１種以上の単官能ベンゾキサジンの組合せであってもよい。

単官能ベンゾキサジンの例としては、下記の構造：

に包含されてもよく、上式中、Ｒは、メチル、エチル、プロピルおよびブチルのようなアルキル、または置換基が付くことのできる位置の１つで、いくつかで、もしくは全てで置換されているもしくは置換されていないアリールであり、Ｒ_４は、水素、ハロゲン、アルキルおよびアルケニルから選択されるものである。

例えば、単官能ベンゾキサジンとしては、構造：

に包含されてもよく、上式中、Ｒは、アルキル、アルケニル（これらの各々は、任意に、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓ、Ｃ＝Ｏ、ＣＯＯ、およびＮＨＣ＝Ｏで置換または割込まれている）、およびアリールから選択され、ｍは、０−４であり、Ｒ_１からＲ_５は、独立して、水素、アルキル、アルケニル（これらの各々は、任意に、１つ以上のＯ、Ｎ、Ｓ、Ｃ＝Ｏ、ＣＯＯＨ、およびＮＨＣ＝Ｏで置換または割込まれている）、およびアリールから選択されるものである。

このような単官能ベンゾキサジンの具体例は：

または

であり、上式中、Ｒは、上記の定義と同じである。

下記の例は、本発明を例示するのに役立つ。

２つの反応を、１つはトルエン中で、他はエチルアセテート中で実施した。第１の反応では、７０．５ｇのフェノールおよび２７．９ｇのアニリンに、４４．６ｇのメチレンジアミンとともに１３５ｇの３７％ホルマリンを添加した。６９ｇのトルエンを溶媒として使用した。室温でこの反応混合物を撹拌し、８０℃の温度に加熱した。約８０℃の還流温度で５時間、混合物の反応を続けた。

第２の反応では、６９ｇのトルエンの代わりに７１．９５ｇのエチルアセテートを使用した以外は、同じ量の反応体を混合した。ここで、反応混合物を室温で撹拌し、次いで還流温度（約６５℃から始まり、７８℃以下で安定）に加熱した。還流温度で５時間、混合物の反応を続けた。

各反応が完結した後、水酸化ナトリウム水溶液で３回、続いて水で２回洗浄した。次いで、水洗浄した反応混合物を乾燥し、減圧下、第１反応の場合は８０℃から９３℃の温度で、第２反応の場合は最高、７０℃で濃縮した。

図２を参照すると、２つの反応における各ベンゾキサジン生成物に対する主要ピークは、２官能ベンゾキサジンモノマーの３１７および単官能ベンゾキサジンモノマーの１０２であることを示している。他のピークは不純物の原料物質、中間体またはオリゴマーである。図２Ａを参照すると、１５．５から１８分の間に多量の物質の存在を示してはいるが、定性的には、２つの反応からのベンゾキサジン生成物は同じである。この物質「高分子量オリゴマー物質」はトルエンを除去するために必要とする乾燥工程での高い温度と関連がある。これらの高分子量オリゴマー物質は、トルエン溶媒から製造した最終ベンゾキサジン生成物の不安定性の原因となると考えられる。

図３は、エチルアセテート中で製造したベンゾキサジン（下の曲線）と比較した、トルエン中で製造したベンゾキサジン（上の曲線）の時間経過による１２０℃のレオメーター粘度測定を示している。下の曲線は相対的に平坦であり、粘度上昇の点では安定であることを示しており（これは、反応によってもたらされたベンゾキサジン生成物の進歩になる）、一方、増加する上の曲線は、反対の結果を示している。

図３を参照した直前のパラグラフのように、時間経過で１２０℃の測定結果に現れたベンゾキサジン生成物の進歩は、トルエンを除去するために生成物を乾燥する間の最高、９３℃までの加熱熟成が引き起こすベンゾキサジンの開環によって説明することができる。

Claims (9)

1. ベンゾキサジンを製造する方法であって、以下のステップ：
   （ａ）アルキルアセテート溶媒中に、反応体としてフェノール性成分、第１級アミン成分、およびアルデヒド成分を含む反応混合物を調製するステップ；および
   （ｂ）前記反応体が化学的に結合する温度に前記反応体および溶媒を至らせ、ベンゾキサジンを形成するのに十分な時間、この温度に維持するステップを含む方法。
2. 前記アルキルエステル溶媒が、エチルアセテート、プロピルアセテート、イソプロピルアセテートおよびプロピルホルメートからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
3. さらに、アルカリ水溶液で前記ステップ（ｂ）の反応混合物を洗浄するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. さらに、水で前記ステップ（ｂ）の反応混合物を洗浄するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. ベンゾキサジンが約９０％以上の収率で形成される、請求項１に記載の方法。
6. 前記ステップ（ｂ）における温度が、約６５℃以上である、請求項１に記載の方法。
7. 前記反応が、５時間以内で起きる、請求項１に記載の方法。
8. 前記溶媒が高い温度で除去される、請求項１に記載の方法。
9. 前記温度が約７０℃である、請求項８に記載の方法。

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