KR101371534B1

KR101371534B1 - 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노 포스피닉산 화합물 유도체

Info

Publication number: KR101371534B1
Application number: KR1020120035592A
Authority: KR
Inventors: 정영진; 진의
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2014-03-10
Also published as: KR20130113199A

Abstract

본 발명은 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 할로겐 원소를 함유하지 않는 친환경 열안정성 화합물 합성을 위해 인계 화합물에 헤테로 원자인 질소와 수산기를 도입함으로써, 내열성과 소재에 대한 친화성이 뛰어난 형태의 효율 높은 감연성과 난연성을 가지는 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체 조성물에 관한 것이다.

Description

디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노 포스피닉산 화합물 유도체 {Dialklyaminoalkyl phosphonic acid derivatives and dialklyaminoalkyl phosphinic acid derivatives}

본 발명은 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노 포스피닉산 화합물 유도체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 할로겐 원소를 함유하지 않는 친환경 열안정성 화합물 합성을 위해 인계 화합물에 헤테로 원자인 질소와 수산기를 도입함으로써, 내열성과 소재와의 친화성이 뛰어난 형태의 효율 높은 감연성과 난연성을 가지는 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노 포스피닉산 화합물 유도체 조성물에 관한 것이다.

종래의 건자재 및 내구재는 화재시 인체에 유해한 독성가스의 발생 및 연기에 대한 피해로 인하여 인명사고에 대한 피해가 컸다. 이러한 문제로 인해 각종 감연제가 사용되기는 하였으나, 감연 및 방염제를 건자재 및 내구재에 적용시 적용 성분 물질이 탈리되어 내구성이 불량하고, 열안정 효과도 기대하기 어려운 문제가 있었다.

최근 목재를 사용한 건축물의 증가와 자동차, 선박, 전기제품 등 첨단 산업에 고분자 재료의 사용이 확대됨에 따라 화재 발생시 안전을 고려한 방염 물질의 개발이 중요한 이슈가 되고 있으며, 특히 이러한 감연성 물질의 경우 환경과 방염특성을 고려하여 비할로겐화 필요성이 지속적으로 증대하고 있으며, 이를 대체할 수 있는 친환경 다용도 열적안정제의 개발이 시급히 요구되고 있다.

종래에 난연성이나 방염성을 갖는 조성물로서는 한국공개특허 제2010-0128046호에서는 1,3-디아미노 벤젠과 인계 화합물을 반응시켜 신규한 1,3-페닐렌-N,N'-비스(포스포아미데이트) 화합물을 제조하고, 제조된 화합물을 비할로겐계 환경친화성 난연제로 이용하여 연소시 환경오염이 없으며 우수한 난연성을 갖는 난연성 열가소성 수지 조성물이 제안되어 있고, 공개특허 10-2011-0078259호에서는 하기 화학식 (가)로 표시되는 포스포네이트계 화합물을 제공하고 있다.

[화학식 (가)]

상기 식에서 R₁　및 R₂는 각각 독립적으로 C₁-C₄의 알킬렌이고, X는 시아노기이다. 그러나 이 경우는 열안정성이 충분하지 못하고 내구성도 부족한 문제를 여전히 안고 있다.

또한, 한국공개특허 제2011-34978호에서는 하기 화학식 (나)의 구조를 갖는 유기-질소계 화합물이 제안되어 있다.

[화학식 (나)]

상기 식에서, A는 NX₁-NX₂ 또는 N=N이고, X₁ 및 X₂는 각각 독립적으로 수소, C_1-50 알킬, C_3-50 사이클로알킬, C_6-50 아릴, 또는 핵원자수 5 내지 50개의 헤테로아릴기이며, 상기 X₁ 및 X₂는 각각 선택적으로 C_1-50 알킬, C_6-50 아릴, 핵 원자수 5 내지 50개의 헤테로아릴 및 C_7-50 아르알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 기로 치환될 수 있으며, R₁ 내지 R₄는 각각 독립적으로, 수소, 시아노, 니트로, 아미노, 싸이오, 포스포릴, 포스피닐, 카보닐, 실릴, 보란일, C_1-50 알킬, C_2-50 알케닐, C_2-50 알키닐, C_1-50 알콕시, C_3-50 사이클로알킬, C_6-50 아릴, 핵 원자수 5 내지 50개의 헤테로아릴, C_6-50 아릴옥시 또는 C_6-50 아릴퍼옥시기이며, 상기 R₁ 내지 R₄는 각각 선택적으로 치환 또는 비치환된, 시아노, 니트로, 아미노, 싸이오, 하이드록시, 카보닐, 카복시, 카바모일, 에폭시, 포스포릴, 포스피닐, 실릴, 보란일, C_1-50 알킬, C_2-50 알케닐, C_2-50 알키닐, C_1-50 알콕시, C_3-50 사이클로알킬, C_6-50 아릴, 핵원자수 5 내지 50개의 헤테로아릴, C_6-20 아릴옥시 및 C_7-50 아르알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 기로 치환될 수 있다.

이 경우는 인계 화합물에 질소를 도입한 점에서 진일보한 것으로 평가될 수는 있으나, A에 대한 -N=N-의 2중 결합(파이 결합) 및 NX₁-NX₂의 X₁ 및 X₂에 대하여 열안정성이나 내구성 면에서 아직 개선의 여지가 많다.

이와 같이, 종래의 인 화합물을 포함하는 난연성 수지 조성물들은 여러 조성을 결합하여 난연성을 개선하는 것으로 인 화합물에 특정 치환기를 도입하여 방염 특성을 부여할 경우의 내구성과 열안정성, 소재에 대한 친화성을 동시에 구현하는 기술로서는 아직 미흡한 점이 있어 개선의 여지가 많았다.

본 발명자들은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 내열성, 소재와의 친화성이 뛰어난 형태의 효율 높은 감연성을 제공하기 위해, 기존의 인(P)화물만의 단점을 해소하고, 열안정성 및 인의 단점을 보완할 수 있는 물질을 연구하던 중에 인 화합물에 질소 화합물과 수산기를 도입하게 되면 시너지 효과를 통해 이러한 문제점을 해결할 수 있고 환경 친화적이면서도 열적 안정성이 우수한 화합물의 제조가 가능하다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명은 신규한 화합물 구조의 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 환경친화적이면서 열적 안정성이 우수하여 감연제로 유용한 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체를 제공하는데 목적이 있다.

위와 같은 과제 해결을 위해, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체를 제공한다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, R¹은 H, -N[(CH₂)_mCH₃]₂(m= 0 ~ 5의 정수), R²는 -OH 또는 -O(CH₂)_mCH₃(m= 0 ~ 5의 정수), R³는 -OH, -N[(CH₂)_mCH₃]₂(m= 0 ~ 5의 정수) 또는 -O(CH₂)_mCH₃(n=0, m= 0 ~ 5의 정수)이고, n은 0 ~ 1의 정수이고, R⁴, R⁵는 각각 독립적으로 H 또는 -(CH₂)_mCH₃ (m=0~3의 정수)이다.

또한, 본 발명은 디알킬아민에 인산을 반응시켜서 상기 화학식 1의 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체는 아인산에 질소와 수산기를 도입함으로써, 환경친화적이면서도 열안정성이 우수한 효과가 있다.

특히, 본 발명의 화합물은 수산기를 도입함으로써 적용되는 소재와의 친화성이 우수하므로 열안정성 뿐만 아니라 내구성도 우수한 효과가 있다.

따라서 본 발명의 화합물은 목조, 플라스틱, 섬유 등에 대한 방염 열안정성이 우수하고 친환경적 특성을 나타내므로 감연제로서 상용화가 가능하다.

이하 본 발명을 하나의 구현예로서 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 하기 화학식 1과 같이 표현되는 신규한 화합물 구조의 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체를 제공한다.

[화학식 1]

본 발명에 따른 상기 화학식 1은 기존의 인계 방염성 화합물에 질소와 수산기를 도입한 것이다.

상기 화학식 1의 화합물의 예로서는 디메틸아미노메틸포스페이트(DMAP), 디에틸아미노메틸포스페이트(DEAP), 디메틸아미노메틸 디메틸포스페이트(DMDMP), 비스(디에틸아미노메틸) 포스포닉산(DEDAP), 비스(디부틸아미노메틸) 포스포닉산(DBDAP) 등을 들 수 있다.

본 발명에 따른 상기 화학식 1의 화합물은 인 화합물에 질소를 도입하여 제조할 수 있는데, 예컨대 디알킬아민과 인 화합물을 반응시켜서 제조할 수 있다. 이때 포름알데히드, 혹은 CH₃, CH₂CH₃, CH₂CH₂CH₃또는CH₂CH₂CH₂CH₃로 치환된 알데히드를 사용하여 카르보닐 반응물로서 인원자와 탄소원자를 연결시키는 연결고리로 사용될 수 있다. 반응조건은 100~130℃에서에서 반응시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 디알킬아민으로서는 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민, 디헥실아민이 사용될 수 있다. 인을 제공하는 인 화합물로는 예컨대 인산, 아인산, 차아인산 또는 C₁~C₆의디알킬포스파이트 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 상기 화학식 1의 화합물은 전형적으로는 예컨대 다음 반응식 1 또는 반응식 2와 같이 간단하게 제조될 수 있다.

[반응식 1]

[반응식 2]

상기 반응식 1, 2에서 치환기 R은 -(CH₂)_mCH₃(m= 0 ~ 5의 정수)이고 R'은 -(CH₂)_mCH₃(m= 0 ~ 3의 정수)을 의미한다.

본 발명에서는 인 화합물에 질소를 도입하여 합성하였으며, 화합물의 열 안정성 확보를 위해 선형 C₁∼C₆ 알킬기 도입하였다. 또한, 플라스틱과 및 유기 화합물 등과의 친화성을 위하여 지방족 사슬을 도입하여 친유성을 부여하였고, 친수성 물질과의 친화성 확보를 위하여 OH기를 함유하고 질소를 도입하여 합성하였다.

본 발명의 반응과정에서 인 화합물의 반응량은 아민에 대해 0.5배 ~ 2배를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명은 인화합물에 질소를 도입하여 합성하되 화합물의 열 안정성 확보를 위해 선형 알킬기를 도입하고, 특히 본 발명에서는 목재, 플라스틱, 각종 유기 화합물 소재 등과 같이 방염성이 요구되는 재질과의 친화성 확보를 위하여 OH기를 함유한 질소를 도입하여 인-질소계 화합물로 합성함으로써 내구성과 열적 안정성을 동시에 크게 개선할 수 있는 것이다.

따라서 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 감연제를 포함한다.

또한 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 난연제를 포함한다.

이러한 본 발명의 화합물은 목조, 플라스틱, 섬유 등에 대한 저발연제 또는 난연제, 열안정제 등으로 사용하는 경우 열안정성이 우수하고 친환경적 특성을 나타내므로 상용화가 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : DMAP의 합성

3구 둥근바닥 플라스크에 포름알데히드 4.0 g (0.133 mol)을 넣고 50% 디메틸아민 0.72 g (0.008 mol)을 첨가하되 드롭핑 펀넬을 이용하여 첨가시킨다. 그 후 c-HCl 0.8 g을 넣는다.

그 다음으로, H₂O 1.6 g에 H₃PO₃ 1.3 g (0.016 mol)을 녹여 상기 혼합물에 첨가한 다음 반응된 시료를 분리하여 흰색 고체 oil상의 디메틸아미노메틸포스포닉산 (DMAP) 1.0 g을 얻었다.(수득률 90.1% )

실시예 2 : DEAP의 합성

3구 둥근바닥 플라스크에 포름알데히드 4.0 g (0.133 mol)을 넣고, 여기에 디에틸아민 0.59 g (0.008 mol)을 첨가하되 드롭핑 펀넬을 이용하여 첨가시킨다. 그 후 c-HCl 0.8 g을 넣는다.

그 다음으로는 H₂O 1.6 g에 H₃PO₃ 1.3 g (0.016 mol)을 녹여 상기 혼합물에 첨가여 반응시키고 얻어진 시료를 분리하여 흰색 고체 oil상의 디에틸아미노메틸포스포닉산 (DEAP)를 1.28 g 얻었다.(수득률 95.5% )

실시예 3 : DMDMP의 합성

3구 둥근바닥 플라스크에 포름알데히드 4.0 g (0.133 mol)을 넣고, 여기에 50% 디메틸아민 0.72 g (0.008 mol)을 첨가하되 드롭핑 펀넬을 이용하여 첨가시킨다. 그 후 c-HCl 0.8 g을 넣는다.

그 다음으로, H₂O 1.6 g에 디메틸포스파이트 1.76 g (0.016 mol)을 녹여 상기 혼합물에 첨가하고, 반응하여 얻어진 시료를 분리하여 흰색 고체 oil상의 디메틸아미노메틸 디메틸포스페이트 (DMDMP)을 1.3 g 얻었다.(수득률 97% )

실시예 4 : DMDAP의 합성

3구 둥근바닥 플라스크에 포름알데히드 8.0 g (0.26 mol)을 넣고, 디메틸아민 1.44 g (0.016 mol)을 첨가하되 드롭핑 펀넬을 이용하여 첨가시킨다. 그 후 c-HCl 0.8 g을 넣는다.

그 다음으로, H₂O 1.6 g에 H₃PO₂ 2.1 g (0.016 mol)을 녹여 상기 혼합물에 첨가하고 반응시켜서 얻어진 시료를 분리하여 투명 oil상의 비스(디메틸아미노메틸)포스피닉산 (DMDAP)를 1.42 g 얻었다.(수득률 98.6% )

실시예 5 : DEDAP의 합성

3구 둥근바닥 플라스크에 포름알데히드 8.0 g (0.26 mol)을 넣고, 여기에 디에틸아민 1.18 g (0.016 mol)을 첨가하되 드롭핑 펀넬을 이용하여 첨가시킨다. 그 후 c-HCl 0.8 g을 넣는다.

그 다음으로, H₂O 1.6 g에 H₃PO₂ 2.1 g (0.016 mol)을 녹여 상기 혼합물에 첨가하고 반응시켜서 얻어진 시료를 분리하여 투명 oil상의 비스(디에틸아미노메틸)포스피닉산 (DEDAP)을 1.77 g 얻었다.(수득률 93.7% )

실시예 6 : DBDAP의 합성

3구 둥근바닥 플라스크에 포름알데히드 8.0 g (0.26 mol)을 넣고, 여기에 디부틸아민 2.07 g (0.016 mol)을 첨가하되 드롭핑 펀넬을 이용하여 첨가시킨다. 그 후 c-HCl 0.8 g을 넣는다.

그 다음으로, H₂O 1.6 g에 H₃PO₂ 2.1 g (0.016 mol)을 녹여 상기 혼합물에 첨가하여 반응시키고 얻어진 시료를 분리하여 흰색 고체 oil상의 비스(디부틸아미노메틸)포스포피닉산 (DBDAP)을 2.51 g 얻었다.(수득률 90.0% )

실험예 1 : 화합물 확인 실험

상기 실시예 1 ~ 6에서 얻어진 각 시료 화합물을 확인한 결과 다음 표 1과 같이 화합물의 합성이 확인되었다.

시료	¹H NMR(ppm in D₂O)	FT-IR(cm^-1)(neat)
DMAP	δ 2.4(s,6H), δ 2.8(d,2H)	P(O)-OH 2710, 2273, 1640, P-CH₂1472, P=O 1151, C-N 1108
DEAP	δ 0.8(t,6H), δ 2.8(m,6H)	P(O)-OH 2670, 2256, 1642, P-CH₂1465, P=O 1148, C-N 1145
DMDMP	δ 2.5(s,6H), δ 2.9(d,2H) δ 4.3(s, 6H)	P(O)-OH 2705, 2326, 1632, P-CH₂1469, P=O 1151, C-N 1116, P-O-C 920
DMDAP	δ 2.7(s,12H), δ 3.4(d,4H)	P(O)-OH 2694, 2250, 1641, P-CH₂1469, P=O 1154, C-N 1115
DEDAP	δ 1.1(t,12H), δ 3.1(m,8H), δ 3.7(d,4H)	P(O)-OH 2662, 2361, 1643, P-CH₂1464, P=O 1171, C-N 1118
DBDAP	δ 0.7(t,12H), δ 1.1(m,8H), δ 1.5(m,8H), δ 3.1(m,8H), δ 3.5(d,4H)	P(O)-OH 2623, 2531, 1642, P-CH₂1467, P=O 1180, C-N 1108

실험예 2 : 연기밀도(발연성능) 실험

상기 실시예에서 제조된 시료에 대한 발연성능을 평가하기 위하여 최대연기밀도 실험을 실시하였다.

시험규격은 ASTM E 662 방법으로 실시하였으며 2.5W/cm²의 방열기와 파이롯트버너(프로판 가스 50cm³/분, 공기 500cm³/분으로 공급)를 사용하여 가열하여 측정하였다. 시험목재는 중밀도섬유판(MDF)를 사용하였고 크기는75*75*5 mm³였다.

평가항목	DMAP (실시예 1)	DEAP (실시예 2)	DMDMP (실시예 3)	DMDAP (실시예 4)	DEDAP (실시예 5)	DBDAP (실시예 6)
연기밀도	256.6	254.6	-	237.3	281.5	224.5

합판과 목재에 대한 방염성능 기준인 소방시설 설치 유지 및 안전관리에 관한 법률 제12조 동시행령 제20조 ②항(소방방재청 고시 제2009-31호)은 최대연기밀도가 400이하 이어야한다. 상기 표 4에서 실험결과 모든 실시예의 연기밀도가 방염성능 기준에 부합되는 것으로 나타났다. 따라서 감연제로써 사용 가능함을 알 수 있다.

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체:
[화학식 1]

상기 화학식에서, R¹은 -N[(CH₂)_mCH₃]₂ (m= 0 ~ 5의 정수), R²는 -OH 또는 -O(CH₂)_mCH₃(m= 0 ~ 5의 정수), R³는 -OH, -N[(CH₂)_mCH₃]₂(m= 0 ~ 5의 정수) 또는 -O(CH₂)_mCH₃(n=0, m= 0 ~ 5의 정수)이고, n은 0 ~ 1의 정수이고, R⁴, R⁵는 각각 독립적으로 H 또는 -(CH₂)_mCH₃ (m=0~3의 정수)이다.
청구항 1에 있어서, 화학식 1 화합물은 디메틸아미노메틸포스포닉산(DMAP), 디에틸아미노메틸포스포닉산(DEAP), 디메틸아미노메틸 디메틸포스페이트(DMDMP),비스(디메틸아미노메틸) 포스피닉산(DMDAP),비스(디에틸아미노메틸) 포스피닉산(DEDAP), 비스(디부틸아미노메틸) 포스포피닉산(DBDAP) 중에서 선택된 화합물.
디알킬아민에 인 화합물을 반응시켜서 다음 화학식 1의 디알킬아미노알킬 포스포닉산 및 디알킬아미노알킬 포스피닉산 화합물 유도체를 제조하는 방법.
[화학식 1]

상기 화학식에서, R¹은 -N[(CH₂)_mCH₃]₂ (m= 0 ~ 5의 정수), R²는 -OH 또는 -O(CH₂)_mCH₃(m= 0 ~ 5의 정수), R³는 -OH, -N[(CH₂)_mCH₃]₂(m= 0 ~ 5의 정수) 또는 -O(CH₂)_mCH₃(n=0, m= 0 ~ 5의 정수)이고, n은 0 ~ 1의 정수이고, R⁴, R⁵는 각각 독립적으로 H 또는 -(CH₂)_mCH₃ (m=0~3의 정수)이다.
청구항 3에 있어서, 반응과정에 포름알데히드, 혹은 CH₃, CH₂CH₃, CH₂CH₂CH₃또는CH₂CH₂CH₂CH₃로 치환된 알데히드를 사용하여 화합물을 제조하는 방법.
청구항 3에 있어서, 디알킬아민은 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민 및 디헥실아민 중에서 선택하여 화합물을 제조하는 방법.
청구항 3에 있어서, 인 화합물로서는 인산, 아인산, 차아인산과 C₁~C₆의 디알킬포스파이트 중에서 선택된 것을 사용하여 화합물을 제조하는 방법.
청구항 3에 있어서, 반응과정에 인 화합물의 반응량은 아민에 대해 몰비 0.5배 ~ 2배를 사용하여 화합물을 제조하는 방법.
청구항 1에 따른 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 감연제.
청구항 1에 따른 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 난연제.