TW201623262A - 製備苯并之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種自含有至少一個一級胺基團之芳香族胺、至少一種具有至少一個鄰位氫之酚類化合物及烷基氧甲醇(formcel)製備含有至少一個苯并□單元之苯并□化合物之合成方法。在一實施例中，使該芳香族胺與烷基氧甲醇反應以產生烷氧甲基中間體化合物。隨後，使該中間體化合物與酚反應以產生該苯并□化合物。在另一實施例中，藉由在一個反應步驟中使芳香族胺與烷基氧甲醇及酚反應來形成該苯并□化合物。亦揭示一種分離藉由使芳香族胺與烷基氧甲醇反應所形成之該烷氧甲基化合物之方法。該經分離之烷氧甲基化合物可用作隨後反應中之反應物。

Description

製備苯并 之方法
本申請案主張於2014年10月27號申請之美國臨時專利申請案第62/068,806號之權利，本揭示係以引用之方式全部併入本文中。
苯并係重要之一類熱固性樹脂。主要由於此等樹脂給予之許多優點，此類化合物作為酚樹脂、環氧樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂及其他熱固性樹脂之替代品已在包含航太及汽車工業在內之若干應用領域中引起顯著興趣。此等優點包含相對長之擱置壽命、分子設計彈性、低成本、高玻璃轉變溫度(Tg)、高模數、相對低黏度、良好阻燃劑性質、低吸濕性、在固化期間無副產物釋放及固化後極低收縮。此外，苯并能在加熱後自固化；即無需額外固化劑。另外，基於芳香族胺之苯并在芳香族胺上提供額外位點以構建聚苯并之分子量及/或提供交聯位點。
合成苯并之習用方法僅有限成功，因此在商業上仍需要以商業規模生產苯并之有效方法。
圖1示意性地說明根據本揭示實施例用於實施苯并合成之微型反應器系統。
苯并可藉由將胺與過量聚甲醛及酚反應來合成。一種方法係如在美國專利第5,543,516號中所揭示之無溶劑方法，其中在無任何 溶劑之情況下將胺、聚甲醛及酚混合在一起並加熱以形成苯并。
廣泛接受之形成苯并之機制以兩個步驟進行，如在下文反應圖1中所顯示。
在第一個步驟中，胺與聚甲醛反應以形成六氫三結構(亦稱為三氮雜中間體)。且在第二個步驟中，此中間體與酚及聚甲醛反應以產生苯并結構。此機制可藉由實際上分離三氮雜中間體並然後進一步將經分離之三氮雜中間體與間甲酚反應以形成在反應圖1中所顯示之苯并來確立(例如，參見Macromol.Chem.Phys.200,1745(1999)；Angelo G.Giumanini及Giancarlo Verardo,Journal fur.prakt.Chemie，第327卷，第739頁(1985)；R.Andreu、J.A.Reina及J.C.Honda,Journal of Polymer Science,Part A；Polymer Chemistry，第46卷，第3353頁(2008)；R.Andreu、M.A.Espinosa、M.Galia、V.Cadiz、J.C.Ronda及J.A.Reina,Journal of Polymer Science,Part A； Polymer Chemistry，第44卷，第1529頁(2006)；R.Andreu、J.A.Reina及J.C.Ronda，Journal of Polymer Science,Part A；Polymer chemistry，第6091頁(2008))。
絕大多數用於熱固性應用之苯并係基於單官能基芳香族胺及雙官能基酚(或雙酚)。眾多種可獲得之雙酚在分子設計中為針對特殊應用調整聚苯并提供巨大機會。然而，儘管事實上在市場上可購得大量芳香族二胺及單酚，但僅報導少數幾種來源於雙官能基芳香族胺(或芳香族二胺)及單官能基酚之單體。如在文獻中所報導，原因係自芳香族二胺與甲醛之縮合所形成之穩定三氮雜網絡之形成，其阻抑與酚反應以繼續形成苯并。此三氮雜網絡通常係不溶凝膠。另外，如在Tarek Agag、Lin Jin、Hatsuo Ishida,Polymer,50(2009)，第5940-5944頁中所揭示，其他副縮合反應係可能的。已注意到，利用眾多種市售芳香族二胺成功合成基於芳香族二胺之苯并可增加苯并之分子設計彈性，且因此擴展其應用。
Ishida及Liu亦注意到，「當使用相對不溶之二胺(例如芳香族二胺)時，中間體三氮雜環可尤其成問題，此乃因其形成具有幾乎無限之分子量之沈澱物。因此，此沈澱固體之分解變成限制速率之過程。此相分離固體之處置進一步添加困難」(Hatsuo Ishida及Jin-Ping Liu，「Handbook of Benzoxazine Resins」2011第2章第86頁，Hatsuo Ishida及Tarek Agag編輯，Elsevier出版)。
因此，不足為奇的是，若使用芳香族二胺作為受質，則其導致形成聚合六氫三結構，如在Jeannette等人，Science第344卷，第732頁(2014)中所報導，其中可回收熱固性六氫三聚合物係由4,4’-二胺基二苯醚與聚甲醛之縮合來製備，如在下文反應圖2中所顯示。
最近已報導可解決用芳香族二胺形成苯并之問題。在一種方法中，如在Ching Hsuan Lin、Sheng Lung Chang、Chau Wei Hsieh、Hao Hsin Lee,Polymer,49,1220(2008)之論文中所報導，來自芳香族二胺之雙苯并結構係以如在下文反應圖3中所顯示之三個步驟中製備：首先在DMF溶劑中將鄰羥苯甲醛與芳香族二胺反應以產生二亞胺結構，將其分離且然後用NaBH4及乙醇還原。在最終步驟中，在三氯甲烷中將所得二胺二羥基化合物與甲醛反應以形成最終之雙苯并結構。
此方法涉及三個步驟，且具有有限之範圍，此乃因其需要多種經取代鄰羥苯甲醛以合成在酚環中具有取代之不同苯并；然而，經取代鄰羥苯甲醛化合物在商業規模上不易獲得。
最近，上文方法已經改良，如Sheng Lung Chang及Ching Hsuan Lin,Journal of Polymer Science,Part A；Polymer chemistry，第2430頁(2010)中所報導，其中將鄰羥苯甲醛與二胺在還原性條件下在DMAC溶劑及用於還原之Pd/C-氫氣中反應(下文反應圖4)。將所得二胺不經分離即與甲醛反應，以自芳香族二胺形成雙苯并。此係作為一鍋式方法相對於先前方法之改良，但仍具有有限之範圍，此乃因合成在酚環中具有取代之不同苯并所需要之經取代鄰羥苯甲醛化合物在商業規模上不易獲得。
在又一方法中，芳香族二胺、酚及聚甲醛之反應係在高溫下、在非極性溶劑(例如二甲苯)中實施，如在期刊Polymer,50,5940(2009)中所報導。然而，此方法仍然產生不溶之聚(三氮雜)結構且在苯并合成中形成不溶性三氮雜網絡中間體之問題未完全解決。
上文方法僅有限成功，因此商業上仍需要產生基於芳香族二胺及酚之苯并之有效合成方法，該有效合成方法可增加可獲得之苯并樹脂之數目並擴展其熱固性應用。本揭示提供與苯并合成相關之問題之解決方案。
鑒於上文所述先前技術，已確定與自芳香族二胺製備苯并相關之問題之根本原因係不溶性中間體六氫三(三氮雜)衍生物之形成。現已令人驚訝地發現，幾乎可消除中間體六氫三(三氮雜)衍生物之形成。本揭示係關於中間無六氫三(三氮雜)衍生物之製備苯并之新方法。已發現，芳香族胺與烷基氧甲醇而非聚甲醛或福爾馬林(formalin)(如此項技術中傳統上所實踐)反應，導致形成N-甲氧基甲基及其類似物中間體，其與六氫三(三氮雜)中間體相比具有較低分子量及較高溶解度，可進一步與酚有效反應以成功地形成作為最終反應產物之苯并化合物。在此新方法中，未觀測到六氫三(三氮雜)衍生物之形成。因此，此方法在製造成本方面提供經濟優點，且另外可將其施用至所有芳香族單胺、芳香族二胺或芳香族多胺，由此使得可在商業規模上獲得眾多種苯并。
根據本揭示，苯并之合成包含含有至少一個一級胺基團之芳香族胺與烷基氧甲醇及至少一種酚類化合物之反應。來源於該反應之苯并反應產物係含有至少一個苯并單元(其包含懸垂於苯環之環)之化合物。可合成之苯并化合物包含單官能基及多官能基苯并單體及寡聚物。
根據本揭示之一實施例，苯并化合物係藉由首先將芳香族胺與烷基氧甲醇反應以產生烷氧甲基中間體化合物來形成。隨後，將該中間體化合物與在OH基團鄰位上含有至少一個氫之酚反應以產生苯并化合物。
在替代實施例中，苯并化合物係藉由混合芳香族胺、烷基 氧甲醇及酚且同時藉由加熱所得混合物以影響反應來反應而形成。
芳香族胺
在一些實施例中，芳香族胺包含以下由式I、II及III所代表之一般結構：
其中a=1或2；且b=0-50；在式III中，X及Y係獨立地選自以下之連接基團：直接鍵、O、S、SO2、P=O、(Ph)P=O、OP(=O)O、C=O、經取代或未經取代伸烷基、經取代或未經取代亞烷基、側氧基伸烷基、經取代或未經取代環脂族或芳香族基團，其中Ph係苯基；Z係H或NH2；R5、R6、R7及R8係相同或不同的且獨立地選自氫、鹵素、經取代或未經取代之C1至C20碳原子之烷基、烯基、炔基或烷氧基、羧基、氰基、芳基、芳烷基或芳氧基，且視情況R5與R6一起及/或R7與R8一起係視情況在環中含有O、N或S原子之飽和或不飽和稠合碳環之一部分；在式II中，當a=1時，X係如對式III所定義的，且當a=2時，X係 以下中之一者：
適宜芳香族胺包含單胺以及多胺。芳香族單胺之實例包含：
芳香族二胺之實例包含：
4,4’-亞甲基雙(2-異丙基-6-甲基苯胺)
芳香族三胺之實例包含：
酚
在一些實施例中，酚包含由以下式IV、V及VI所代表之結構：
其中a=1或2；且b=0-50；在式VI中，X及Y係獨立地選自以下之連接基團：直接鍵、O、S、SO2、P=O、(Ph)P=O、OP(=O)O、C=O、經取代或未經取代伸烷基、經取代或未經取代亞烷基、側氧基伸烷基、經取代或未經取代環脂族或芳香族基團，其中Ph係苯基；Z’係H或OH；R5、R6、R7及R8係相同及/或不同的且獨立地選自氫、鹵素、經取代或未經取代之C1至C20碳原子之烷基、烯基、炔基或烷氧基、羧基、氰基、芳基、芳烷 基或芳氧基，且視情況R5與R6及/或R7與R8一起係視情況在環中含有O、N或S原子之飽和或不飽和稠合碳環之一部分，其限制條件係每一酚OH在芳香族環中具有至少一個鄰位氫；在式V中，當a=1時，X係如對式VI所定義的，且當a=2時，X係以下中之一者：
因此，適宜酚包含單酚及多酚化合物。單酚化合物之一些具體實例包含：
適宜雙酚化合物之實例包含：
適宜三苯酚化合物之實例包含：
由以下各式所代表之多酚化合物亦係適宜的：
其中對於上文多酚化合物，n=1-50。
烷基氧甲醇
在本文中定義烷基氧甲醇為一類包括烷氧基甲醇ROCH2OH之化合物。在烷基氧甲醇中之R基團係選自C1-C12直鏈、支鏈、非環狀或環狀、飽和或不飽和烴基；較佳地R=C1-C4烷基，且更佳地R=甲基。市售烷基氧甲醇之具體實例包含甲基氧甲醇(甲氧基甲醇，CAS註冊號4461-52-3)及丁基氧甲醇(丁氧基甲醇，CAS註冊號3085-35-6)(Celanese)。
烷氧基甲基中間體
烷氧基甲基中間體化合物係芳香族胺與烷基氧甲醇之反應產物，其係由以下式VII代表：
其中x=0-10且y=1-10；在一些實施例中，x=0-5且y=1-5；在其他實施例中，x=0-2且y=1-3；R’係H或R；R係選自C1-C12直鏈、支鏈、非環狀或環狀、飽和或不飽和基團；Ar係式I、II或III胺之芳香族殘基部分。
化學計量
在上文所述形成苯并之反應中，反應物之化學計量可如下：對於每莫耳芳香族胺(NH2)，存在約1.5莫耳至約20莫耳、或約2莫耳至約20莫耳、或約2莫耳至約10莫耳之烷基氧甲醇；及約0.8莫耳至約1.25莫耳之單羥基酚或約0.4莫耳至約0.625莫耳之二羥基酚(或雙酚)。
方法條件
在一實施例中，首先在室溫(20℃至26℃)下將酚及芳香族胺混合。然後將烷基氧甲醇逐漸添加至混合物中，使得放熱反應完全在控制下，較佳地在無加熱之情況下將溫度控制在50℃至60℃範圍內。接下來，在將反應混合物放置在惰性氛圍(例如氮氣)下之同時，使所得反應混合物在回流溫度(其可視溶劑而改變)下回流一段時間以完成反應，同時收集經蒸發溶劑。適宜溶劑包含醇、二烷基酮、脂肪族烴、芳香族烴、二烷基醚、環醚或其組合。示例性溶劑包含甲醇、甲基乙基酮、甲基丁基酮、甲基異丁基酮(MIBK)、環己酮、二噁烷、四氫 呋喃(THF)、正庚烷、正辛烷、甲苯及二甲苯。在回流後，使反應產物經歷後處理程序，其包含：將反應產物溶解於有機溶劑中；在含有有機溶劑及水之水溶液中稀釋所得混合物；允許水層及有機層分離；用含有有機溶劑及水之水溶液洗滌。用於後處理過程之有機溶劑可包含二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、甲基異丁基酮(MIBK)及乙酸乙酯。
在替代實施例中，如上所述方法係在回流期間不收集(即去除)經蒸發溶劑之情況下實施。
在又一實施例中，首先在室溫下將烷基氧甲醇與芳香族胺混合以形成預反應產物(即，直至觀測到芳香族胺消失為止)，形成上文所述式VII之烷氧基甲基中間體。經分析，預反應產物一般含有通式VII組份之混合物。然後，將酚與包括式VII化合物之預反應產物混合。在將混合物放置在惰性氛圍(例如氮氣)下之同時在回流溫度下將所得反應混合物回流一段時間以完成反應。然後反應產物經歷如上文所述之後處理過程以獲得苯并單體。在一些情形下，反應產物可含有微量之其他副產物或雜質。
在又一實施例中，自芳香族胺及烷基氧甲醇形成之N-烷氧基甲基中間體在其形成後經分離。然後可在之後時間使用經分離N-烷氧基甲基中間體作為苯并合成中或完全不同之合成中之反應物。舉例而言，可使用N-烷氧基甲基中間體作為熱固性樹脂或塗層應用之交聯劑。
微型反應器方法
本文所揭示反應可使用微型反應器技術來實施。圖式圖1圖解說明示例性微型反應器系統，其一般以連續流動模式操作。用溶液A(例如先前製備之烷基氧甲醇中間體)裝填高壓高容量注射幫浦幫浦A，且用溶液B(例如酚)裝填第二相似注射幫浦幫浦B。將此等幫浦連接至三元靜態混合器，將其出口連接至不銹鋼反應線圈(例如1/16" OD×0.04" ID×10米管道)，且然後連接至背壓調節器及短出口線。所有連接管道皆具有與反應線圈所用相同之材料。自反應線圈出口至出口線末端之管道係利用加熱帶熱追蹤，絕緣(例如用玻璃絨)，且使用溫度控制器保持在期望溫度下。將反應線圈浸漬在加熱介質(例如油浴)中，該加熱介質維持在適於影響反應之溫度範圍內。
在典型反應條件中，調整幫浦A及B之流速以在反應線圈中產生反應物之期望莫耳比及期望滯留時間。通常在允許系統平衡兩倍之滯留時間後取樣品，且然後藉由高效液相層析法(HPLC)、高效粒徑篩析層析法(HPSEC)、液相層析-質譜法(LCMS)及核磁共振法(NMR)來分析樣品。
苯并 之應用
本文所揭示之苯并化合物易於經由開環聚合作用聚合。此聚合作用通常係以陽離子方式(使用陽離子起始劑)或熱方式來起始。
另外，可將本揭示之苯并化合物與其他苯并單體或寡聚物或其他可熱固樹脂摻合以形成具有期望性質之聚合物摻合物。可在與苯并化合物之摻合物中使用之其他可熱固樹脂包含：環氧樹脂、雙馬來醯亞胺(BMI)、甲醛縮合樹脂(例如甲醛-酚樹脂)、氰酸酯、不飽和聚酯、酚樹脂及其組合。
上文所述之苯并摻合物可與其他組份(例如觸媒及韌化劑)組合以形成適於製造樹脂膜(例如黏著膜、貼面膜)或纖維強化複合物(例如預浸體)之可固化組合物。
苯并單體/寡聚物與其他可熱固樹脂之摻合物可經調配以形成可固化樹脂組合物，其具有適於使用標準複合物製造技術(例如預浸及樹脂浸漬)製造複合物之性質。
實例
在下文所有實例中，「當量」係指基於所用芳香族胺之莫耳之 莫耳比率。
HPLC係高效液相層析。
LCMS係液相層析質譜。
GCMS係氣相層析質譜。
HPSEC係高效粒徑篩析層析。
NMR係核磁共振光譜。
DSC係差示掃描量熱。
TLC係薄層層析。
實例1 使用聚甲醛合成單官能基苯并 (習用)
單官能基苯并(結構1及2)係基於下文所述之習用反應來合成。
將1當量間甲苯胺，1.05當量間氯酚及3.5當量聚甲醛添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在此階段觀測到放熱。攪拌反應混合物且溫度逐漸升高。在約65℃下，觀測到突然放熱(另一放熱)且反應溫度自65℃達到95℃。在5小時後，在HPLC中不再觀測到起始材料產生之峰。繼續再加熱1小時，但在HPLC中未觀測到變化。停止加熱且混合物經歷標準後處理程序，其涉及將反應混合物與作為稀釋劑/溶劑之甲苯一起轉移至分液漏斗中且用50mL之5%氫氧化鈉水溶液洗滌。然而，形成不可分解乳液，導致丟棄反應混合物。因此，習用程序導致突然放熱， 且產物由於乳液問題而難以分離。
實例2 使用聚甲醛及分離程序合成單官能基苯并
將50g(1當量)間甲苯胺，66g(1.05當量)間氯酚及55g(3.5當量)聚甲醛添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在此階段觀測到放熱。攪拌混合物且溫度逐漸升高。在約65℃下，觀測到突然放熱且反應溫度自65℃達到95℃。在5小時後，在HPLC中不再觀測到起始材料產生之峰。繼續再加熱1小時，但在HPLC中未觀測到變化。停止加熱且混合物經歷以下後處理過程：首先將其溶解在100mL二氯甲烷中並轉移至分液漏斗中，且然後用50mL甲醇及15mL水稀釋。混合該等內容物且允許該等層分離。用甲醇/水(50mL/15mL)溶液將下層洗滌兩次且然後在減壓下去除溶劑，以產生兩種異構苯并結構1及2及一些寡聚物之呈褐色濃稠液體之混合物，藉由LCMS、NMR及HPSEC對其進行表徵。儘管新後處理程序解決了分離問題，但保留了反應階段期間之突然放熱。
實例3 使用甲基氧甲醇及分離程序合成單官能基苯并
如在實例1中所揭示，單官能基苯并結構1及2係根據本揭示之實施例使用甲基氧甲醇來製備。
將50g(1當量)間甲苯胺及66g(1.05當量)間氯酚添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在室溫下將混合物攪拌15分鐘。在此階段中，將100mL(3.5當量)之甲基氧甲醇(美散仿55A(Methaform 55A)，由Momentive Specialty Chemicals,Inc.供給，含有55%甲醛、10%水及35%甲醇之溶液，pH 5-6)逐漸添加，使得完全控制放熱反應，且允許溫度上升至55℃至60℃。一旦甲基氧甲醇之添加完成，將反應混合物使用維持在110℃下之油浴加熱至回流並保持5小時，同時使用迪安-斯達克(Dean-Stark)裝置收集甲醇。停止加熱且混合物經歷以下後處理程序：首先將反應混合物溶解在100mL二氯甲烷中並將混合物轉移至分液漏斗中，且然後用50mL甲醇及15mL水稀釋經分離產物。混合該等內容物且允許有機層及水層分離。用甲醇/水(50mL/15mL)將下層洗滌兩次且然後在減壓下去除溶劑，以產生結構1及2之兩種異構苯并及一些寡聚物之呈褐色濃稠液體之混合物。此程序解決了與使用聚甲醛相關聯之突然放熱問題且分離方法運作良好。
實例4 使用甲基氧甲醇合成單官能基苯并 且在反應期間不去除甲醇
重複如在實例3中所述之反應，不同之處在於未使用迪安-斯達克裝置且在反應過程期間未去除甲醇。如上所述之反應產物之後處理產生含有結構1及2之苯并單體與一些寡聚物之產物混合物。此產物混合物與在實例3中所合成者相似。
實例5 藉由將間甲苯胺與甲基氧甲醇預反應合成單官能基苯并
將90mL(3當量)甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在室溫下將50g(1.0當量)之間甲苯胺在放熱之有效控制下逐滴添加至此燒瓶 中。在室溫下將混合物攪拌約120分鐘，導致形成含有N-甲氧基甲基中間體之預反應產物(「預反應物(pre-react)」)。將66g(1.05當量)間氯酚在劇烈攪拌下逐滴添加至預反應產物中。調諧添加速率以在無外部加熱之情況下將反應溫度控制在40℃與50℃之間。然後將反應混合物加熱至90℃左右(使用維持在110℃之油浴)並藉由HPLC監測反應進度中起始材料之消失及期望反應產物之形成。在3至4小時後，停止加熱且混合物經歷實例3中所述之後處理過程以產生橙色高黏性液體，其藉由LCMS及HPSEC表徵為含有結構1及2之苯并與一些寡聚物。
實例6 用於製備苯并 之微型反應器/流動反應器方法 製備預反應物
將3.5當量甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在室溫下將1.0當量間甲苯胺逐滴添加至燒瓶中。在室溫下將混合物攪拌約120分鐘。在此階段中，形成含有N-甲氧基甲基中間體之預反應產物。
進料至幫浦
將兩個高壓高容量注射幫浦(幫浦A及B)連接至三元靜態混合器(如在圖1中所顯示)。將靜態混合器之出口連接至不銹鋼反應線圈(1/16" OD×0.04" ID×10米管道)，然後連接至不銹鋼背壓調節器及短出口線。所有管道皆具有與反應線圈相同之材料。自反應線圈出口至出口線末端之管道係利用加熱帶熱追蹤，用玻璃絨絕緣且使用溫度控制器保持在45℃。將反應線圈浸漬在填充矽流體且初始處於75℃之油浴之油中。用294.84g N-甲氧基甲基中間體加載幫浦A並用135.8g間氯酚加載幫浦B，並清除每一幫浦之頂隙空氣。
表1提供用於微型反應器方法之條件。
在任何特定條件集合下達到穩定狀態後，收集代表性樣品，並在實例3中所述之標準後處理過程後使用HPLC、LCMS、SEC及NMR分析樣品。該分析確認結構1及2之苯并及一些寡聚物之形成。
實例7 來自分批反應器方法及微型反應器/流動反應器方法之比較結果
根據實例5中所述之合成方法(樣品1號及2號)及使用如實例6中所述之微型反應器方法(樣品3號-8號)來製備苯并樣品。以下表2概述基於HPSEC及LCMS分析之結果。該等結果展示可將微型反應器有效地用於製備苯并，其優點在於時間較短且產量更大。
實例8 使用甲基氧甲醇合成單官能基苯并
將45g(約3當量)甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在室溫下將27g(0.25M)間甲苯胺逐滴添加至燒瓶中。在室溫下將混合物攪拌約120分鐘至180分鐘(或直至觀測到間甲苯胺之消耗及預反應產物之形成為止)。在劇烈攪拌下經15分鐘逐份添加42g(0.27M)第三丁基苯酚。未觀測到放熱且在添加第三丁基苯酚期間反應溫度係20℃左右。然後將反應混合物加熱至90℃左右(使用維持在110℃之油浴)並藉由TLC及HPLC監測反應進度中起始材料之消失及期望產物之形成。在6小時後，停止加熱且混合物經歷標準後處理程序，即將反應混合物轉移至具有100mL二氯甲烷及50mL甲醇之分液漏斗中，並將15mL水添加至此溶液，隨後去除頂層；用甲醇/水混合物(50mL/15mL)洗滌底層三次；然後用鹽水溶液洗滌有機底層、使用MgSO4乾燥、過濾；在減壓下去除二氯甲烷以產生橙色高黏性液體，其基於NMR及LCMS表徵為結構3之苯并化合物。所形成最終產物之重量係57gm(產率%=81%)。
實例9 使用甲基氧甲醇合成二官能基苯并
將325g(2當量)間甲苯胺及450g(1.05當量)DABA(二烯丙基-雙酚-A)添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在室溫下將混合物攪拌約15分鐘。接 下來，伴隨劇烈攪拌逐滴添加450mL(5.5當量)甲基氧甲醇。反應放熱，但在無外部加熱之情況下調諧添加速率以控制反應溫度在50℃與60℃之間。然後將反應混合物加熱至85℃至100℃左右(使用油浴維持在110℃)並藉由HPLC監測反應進度中起始材料之消失及期望產物之形成。在5小時後(在不再觀測到間甲苯胺產生之峰且幾乎蒸餾出所有甲醇後)，停止加熱且混合物經歷標準後處理程序。將反應混合物轉移至具有1L二氯甲烷之分液漏斗中，並用250mL甲醇及75mL水洗滌，隨後去除頂層。用甲醇/水混合物(250mL/75mL)將含有產物之底層洗滌兩次。然後用鹽水溶液洗滌有機層、乾燥、過濾、並在減壓下去除二氯甲烷以產生淺黃色高黏性液體，其藉由LCMS表徵為含有結構4之二官能基苯并作為唯一主要組份。
實例10 使用甲基氧甲醇合成二官能基苯并
將360mL(6.0mol)甲基氧甲醇裝填至配備有回流冷凝器、迪安-斯達克阱、頂置式攪拌器、熱電偶、滴液漏斗及N2入口之4頸3L圓底燒瓶中。然後在攪拌下藉助滴液漏斗逐滴添加216g(2.0mol)間甲苯胺。觀測到放熱反應但控制間甲苯胺添加之速率以將反應混合物之溫 度保持在40℃以下。在間甲苯胺添加後，在40℃下將反應混合物攪拌2小時。接下來，在40℃下在攪拌下經40分鐘以15g/份添加230g(1.0mol)雙酚-A(BPA)。在BPA添加後，在80℃至85℃下將反應物攪拌6小時。關閉加熱並允許反應混合物冷卻至50℃。
隨後，反應混合物經歷標準後處理程序。將900mL二氯甲烷添加至反應混合物並攪拌20分鐘。然後，添加220mL水及215mL甲醇並攪拌15分鐘。將反應混合物轉移至2L分液漏斗，並允許水層及有機層分離。藉由去除水層分離含有反應產物之底部有機層。用甲醇/水混合物(220mL/215mL)將有機層洗滌兩次。在真空下去除溶劑以獲得400g至430g(82-88%產率)之呈琥珀色液體之間-雙-BPA-苯并 結構5。藉由LC-MS分析苯并化合物具有490.65g/mol之MW。
實例11 使用甲基氧甲醇合成三官能基苯并
結構6
將324mL(9.00當量)甲基氧甲醇與100mL MIBK(甲基異丁基酮)在配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、迪安-斯達克阱、滴 液漏斗及N2入口之4頸1L圓底燒瓶中組合。將186mL(3.00當量)苯胺逐滴添加至此混合物。在環境溫度下將反應混合物攪拌3小時，且然後藉助粉末漏斗批量添加200g(1.02當量)三苯酚。將反應物回流9.5小時且經由迪安-斯達克阱去除約130mL冷凝物。關閉加熱並允許反應產物冷卻至環境溫度。
隨後，反應產物經歷標準後處理程序。將200mL二氯甲烷添加至反應中並攪拌1小時。接下來，將所得混合物轉移至2L分液漏斗中。將100mL甲醇添加至分液漏斗中之混合物中並劇烈搖動。將30mL去離子(DI)水添加至分液漏斗中以幫助在劇烈搖動期間分解所形成之乳液。去除並丟棄頂部水層，而將底層返回至分液漏斗。將此甲醇/水處理步驟再重複三(3)次，隨後用100mL水及200mL鹽水溶液連續萃取。經無水硫酸鎂乾燥有機層，並在真空下去除溶劑以產生呈黏性液體形式之反應產物。
隨後，實施後處理程序。使用100mL二氯甲烷將所得黏性液體再溶解。將此溶液傾倒至1L燒杯中之500mL甲醇中，並用頂置式攪拌器攪拌以獲得白色糊狀沈澱物。傾析溶劑，並添加更多甲醇且進一步攪拌。再次傾析溶劑。將此甲醇處理再重複一次並在環境溫度下在真空爐中乾燥材料以去除任何殘留二氯甲烷/甲醇，以獲得379.8g(90%產率)呈固體形式之反應產物。藉由TLC、LC-MS及NMR表徵反應產物，其主要為具有657.81g/mol MW之結構6之三官能基苯并 。
實例12 使用甲基氧甲醇合成三官能基苯并
結構7
將81mL甲基氧甲醇(1.48莫耳)添加至配備有回流冷凝器、熱電偶、頂置式攪拌器及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。將54g(0.5莫耳)間甲苯胺逐滴添加至該燒瓶。然後在室溫下將溶液攪拌2小時。藉由TLC觀測間甲苯胺之消失。在此階段中，逐份添加固體1,1,1-三(4-羥苯基)乙烷。然後將反應混合物加熱至回流。藉由HPLC監測該反應，其顯示一個主要產物峰。將反應混合物冷卻，且然後藉由用二氯甲烷稀釋反應混合物來經歷如上文實例11中所述之後處理程序。然後用甲醇/水混合物洗滌所得溶液。經Na2SO4乾燥二氯甲烷層(其含有反應產物)，過濾，並在減壓下去除溶劑。用甲醇處理殘留物以獲得白色固體，將其過濾，用甲醇洗滌並乾燥。藉由LCMS及藉由NMR譜表徵所得固體，其顯示具有699g/mol MW之結構7之三官能基苯并為主要組份。
實例13 自甲基氧甲醇及第三丁基苯酚製備基於4,4’-DDS之雙苯并
將45g(0.8M)甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在室溫下 經15分鐘將4,4’-DDS(31g；0.12M)逐份添加至此燒瓶中。在室溫下將混合物攪拌約120分鐘至180分鐘(直至觀測到4,4’-DDS之消耗為止)。將混合物加熱至50℃並攪拌4小時。在劇烈攪拌下經15分鐘逐份添加第三丁基苯酚(42g；0.27M)。未觀測到放熱。然後將反應混合物加熱至90℃左右(油浴溫度110℃)並藉由TLC監測反應進度。在8小時後，停止加熱並對混合物進行如下後處理。
後處理程序
將150ml甲醇添加至反應混合物，其導致產物沈澱。過濾產物並在減壓下乾燥。實施樣品之NMR及HPLC分析。經過濾產物之重量係31g(產率%=55%)。母液亦含有部分產物。
實例14 4,4’-DDS與甲基氧甲醇之反應及N-甲氧基甲基中間體之分離
將60g甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之500mL 4頸圓底燒瓶中。將內容物在攪拌下加熱至50℃。經15分鐘將30g 4,4’-DDS逐份添加至此燒瓶中。在4,4’-DDS添加過程期間添加約80mL甲醇。將溫度上升至60℃並保持2小時。然後將混合物加熱至回流並保持4小時。然後允許其冷卻並過濾所形成之沈澱物，用甲醇洗滌，並乾燥以產生31.6g產物，其藉由LCMS表徵為主要由N,N’-四(甲氧基甲基)-4,4’-DDS衍生物組成。將濾液濃縮以產生另外19.6g產物，其藉由LCMS表徵為主要由N,N’-四(甲氧基甲基)-4,4’-DDS及在一個甲氧基甲基中含有額外CH2單元之次要組份組成。
實例15： 自甲基氧甲醇及第三丁基苯酚製備基於APB-133之雙苯并
將60g甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。在室溫下將0.125M APB-133[1,3'-雙(3-胺基苯氧基)苯](36.5g)逐份添加至此燒瓶中。由於在此階段混合物之黏度增加，因此添加150ml甲醇。在室溫下將混合物攪拌約120分鐘至180分鐘(直至經由TLC觀測到APB之消耗為止)。經15分鐘在劇烈攪拌下逐份添加42g第三丁基苯酚(0.27M)。未觀測到放熱。添加另外100ml甲醇。然後將反應混合物加熱至90℃左右(油浴溫度110℃)並藉由TLC監測反應進度。然後使用迪安-斯達克裝置自反應混合物去除100ml甲醇。在6小時後，停止加熱並使用標準程序對混合物進行後處理。
後處理程序
將反應混合物置於具有300mL二氯甲烷及100mL甲醇之分液漏斗中。將100mL水添加至此溶液中，隨後去除頂層。用甲醇水混合物處理底層三次。然後用鹽水溶液洗滌有機層，使用MgSO4乾燥並過濾。在減壓下去除二氯甲烷以產生橙色高黏性液體。所形成產物之重量係65g(產率%=81%)，其藉由LCMS表徵為基於APB-133之期望雙苯并。
實例16 自甲基氧甲醇及間甲酚製備基於APB-133之雙苯并
將120g(約8當量)甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、滴液漏斗及氮氣入口之4頸圓底燒瓶中。將甲基氧甲醇預加熱至50℃，然後逐份添加73g(0.25M)APB-133。在50℃下將混合物攪拌約120分鐘(直至經由TLC觀測到APB之消耗為止)。經15分鐘在劇烈攪拌下逐滴添加58.4g間甲酚(0.54M)。然後將反應混合物加熱至90℃左右(油浴溫度110℃)並藉由TLC監測反應進度。在6小時後，停止加熱並使用標準程序對混合物進行後處理。
後處理程序
將反應混合物置於具有300mL二氯甲烷及100mL甲醇之分液漏斗中，將100mL水添加至此溶液中，隨後去除頂層。用甲醇水混合物處理底層三次。然後用鹽水溶液洗滌有機層並在真空下乾燥。所形成產物之重量係160g。
實例17： 使用甲基氧甲醇及第三丁基苯酚合成基於亞甲基二胺(MDA)之雙苯并
將160mL(8.0當量)甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、回流冷凝器、迪安-斯達克阱、熱電偶及氮氣入口之4頸1L圓底燒瓶中，並將其加熱至高達50℃。將74.8g(1.0當量)4,4'-亞甲基二苯胺(MDA)經由粉末漏斗在不斷攪拌下以8.0g/份添加至此溶液。添加50mL MIBK作為共溶劑。在50℃下將反應加熱10小時直至MDA斑點在TLC上消失為止。取樣品並藉由LCMS分析。LCMS確認N-甲氧基甲基中間體之形成。然後，將119.1g(2.1當量)第三丁基苯酚(TBP)分批添加至反應並回流6小時，同時經由迪安-斯達克阱連續去除甲醇/水/MIBK混合物。藉由TLC監測並藉由LCMS確認產物形成。藉由在甲醇中沈澱分離產物以產生198g(99%產率)。
實例18 使用甲基氧甲醇合成單官能基苯并
在室溫下，將89.0mL(4.0當量)甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、迪安-斯達克阱及氮氣入口之4頸500mL圓底燒瓶中。將50.0g(1.0當量)對甲氧苯胺以約10g/份經10至15分鐘添加至此燒瓶中。在添加對甲氧苯胺後觀測到放熱(19℃→37℃)且反應混合物之顏色變成橄欖綠。將反應物加熱至50℃保持5小時。此時取樣品並藉由LCMS分析。LCMS確認N-甲氧基甲基中間體之形成。將61.0g(1.0當量)第三丁基苯酚(TBP)分批添加至此混合物。在TBP添加後反應物變成紫紅色，且然後白色沈澱物開始形成。將反應回流3小時；藉由迪安-斯達克阱去除約35mL MeOH/水。將100mL MIBK添加至反應並回流3小時。藉由TLC監測反應之完成。允許反應冷卻至室溫。添加約100mL MeOH以獲得呈白色沈澱物之產物。將其過濾且用冷甲醇洗滌3至4次並在真空下乾燥。藉由NMR及LCMS確認產物結構。
實例19 使用甲基氧甲醇合成雙苯并
在室溫下，將114mL甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、熱電偶、回流冷凝器、迪安-斯達克阱及氮氣入口之4頸1L圓底燒瓶中。將52.1g(1.0當量)4,4'-二胺基二苯醚(ODA)以約10g/份經10至15分鐘添加至此燒瓶中。將反應物加熱至50℃保持5小時。此時取樣品並藉由LCMS分析。LCMS數據確認N-甲氧基甲基中間體之形成。將56.3g(2.0當量)間甲酚經由滴液漏斗添加至此混合物。將反應混合物加熱至回流。經由迪安-斯達克裝置去除10mL MeOH/水餾出液導致白色固體之形成。將200mL MIBK添加至反應混合物並回流總計6小時，同時使用迪安-斯達克阱去除更多餾出液。藉由TLC監測反應之完成。允許反應混合物冷卻至室溫。添加約100mL MeOH產生白色沈澱物，將其過濾並用冷甲醇洗滌3至4次並在真空下乾燥。藉由NMR及LCMS確認雙苯并產物之結構。
實例20 使用甲基氧甲醇及第三丁基苯酚合成基於亞甲基二胺(MDA)之雙苯并
將160mL(8.0當量)甲基氧甲醇添加至配備有頂置式攪拌器、回流冷凝器、迪安-斯達克阱、熱電偶及N2入口之4頸1L圓底燒瓶中， 並將其加熱至高達50℃。將74.8g(1.0當量)4,4'-亞甲基二苯胺(MDA)經由粉末漏斗在不斷攪拌下以8.0g/份添加至此溶液。添加50mL MIBK作為共溶劑。在50℃下將反應混合物加熱10小時直至MDA斑點在TLC上消失為止。取樣品並藉由LCMS分析。LCMS確認N-甲氧基甲基中間體之形成。然後，將119.1g(2.1當量)第三丁基苯酚(TBP)分批添加至反應混合物並回流6小時，同時經由迪安-斯達克阱連續去除甲醇/水/MIBK混合物。藉由TLC監測並藉由LCMS確認產物形成。藉由在甲醇中沈澱分離產物以產生198g(99%產率)。
本文所揭示範圍係包含性且可獨立組合，且包含端點及在該等範圍內之所有中間值。舉例而言，「1%至10%」之範圍包含1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%以及例如1.1%、1.2%、1.3%等之中間值。
儘管本文闡述各種實施例，但自說明書應瞭解，彼等熟習此項技術者可作出要素之各種組合、本文所揭示實施例之變形，且此在本發明範疇內。另外，可在不背離本發明之基本範疇之情況下進行多種修改，以使特定情況或材料適應本文所揭示實施例之教示。因此，本發明並不意欲受限於本文所揭示之特定實施例，但本發明將包含在隨附申請專利範圍之範疇內之所有實施例。

Claims (30)

  1. 一種製備一或多種苯并化合物之方法，其包括使包括至少一個一級胺基團之芳香族胺與烷基氧甲醇(formcel)及至少一種在相對於-OH基團之鄰位上包括至少一個氫之酚類化合物反應。
  2. 如請求項1之方法，其中該芳香族胺係選自由式I、II及III所代表之結構： 其中a=1或2；且b=0至50；在式III中，X及Y係獨立地選自以下之連接基團：直接鍵、O、S、SO2、P=O、(Ph)P=O、OP(=O)O、C=O、經取代或未經取代之伸烷基、經取代或未經取代之亞烷基、側氧基伸烷基、經取代或未經取代之環脂族或芳香族基團，其中Ph係苯基；Z係H或NH2；R5、R6、R7及R8係相同或不同的且係獨立地選自氫、鹵素、經取代或未經取代之C1至C20碳原子之烷基、烯基、炔基 或烷氧基、羧基、氰基、芳基、芳烷基或芳氧基，且視情況R5與R6一起及/或R7與R8一起係視情況在環中含有O、N或S原子之飽和或不飽和稠合碳環之一部分；在式II中，當a=1時，X係如針對式III所定義，且當a=2時，X係以下中之一者：
  3. 如請求項1之方法，其中該酚係選自由以下式IV、V及VI所代表之結構： 其中a=1或2；且b=0至50；在式VI中，X及Y係獨立地選自以下之連接基團：直接鍵、O、S、SO2、P=O、(Ph)P=O、OP(=O)O、C=O、經取代或未經取代之伸烷基、經取代或未經取代之亞烷基、側氧基伸烷基、經取代或未經取代之環脂族或芳香族基團，其中Ph係苯基；Z’係H或OH；R5、R6、R7及R8係相同及/或不同的且係獨立地選自氫、鹵素、經取代或未經取代之C1至C20碳原子之烷基、烯基、炔基或烷氧基、羧基、氰基、芳基、芳烷基或芳氧基，且視情況R5與R6及/或R7與R8一起係視情況在環中含有O、N或S原子之飽和或不飽和稠合碳環之一部分，其限制條件係每一酚OH在芳香族環中具有至少一個鄰位氫；在式V中，當a=1時，X係如針對式VI所定義，且當a=2時，X係以下中之一者：
  4. 如請求項1之方法，其包括(i)使該芳香族胺與烷基氧甲醇反應以產生烷氧基甲基中間體，及然後(ii)進一步使該烷氧基甲基中間體與該酚類化合物反應以形成包括該苯并化合物之反應產物。
  5. 如請求項4之方法，其中該烷氧基甲基中間體係由式VII所代表： 其中x=0至10且y=1至10；R’=H或R；R=C1-C12直鏈、支鏈、非環狀或環狀、飽和或不飽和基團；且Ar係式I、II或III之胺之芳香族殘基部分。
  6. 如請求項1之方法，其中該反應係藉由混合該芳香族胺、該烷基氧甲醇及該酚類化合物且然後加熱所得混合物來實施。
  7. 如請求項1之方法，其中該烷基氧甲醇包括ROCH2OH，其中R係選自C1-C12直鏈、支鏈、非環狀或環狀、飽和或不飽和烴基團。
  8. 如請求項1之方法，其中該芳香族胺係芳香族單胺。
  9. 如請求項1之方法，其中該芳香族胺係芳香族二胺。
  10. 如請求項1之方法，其中該芳香族胺含有2個以上之一級胺基團。
  11. 如請求項1之方法，其中該酚化合物係具有一個-OH基團之單酚。
  12. 如請求項1之方法，其中該酚化合物係具有兩個或更多個-OH基團之多酚。
  13. 如請求項1之方法，其中該酚化合物係選自：
  14. 如請求項1之方法，其中該酚化合物係選自：
  15. 如請求項1之方法，其中該酚化合物係選自：
  16. 如請求項1之方法，其中該酚化合物係選自由以下式所代表之多酚類化合物： 其中n=1至50。
  17. 如請求項1之方法，其中該胺化合物係選自：
  18. 如請求項1之方法，其中該胺化合物係選自：
  19. 如請求項1之方法，其中該胺化合物係選自：
  20. 如請求項1之方法，其中該等芳香族胺、烷基氧甲醇及酚之相對量係使得對於每一莫耳芳香族胺，存在約1.5至約20莫耳烷基氧甲醇、及約0.8至約1.25莫耳之單羥基酚或約0.4至約0.625莫耳二羥基酚(或雙酚)。
  21. 如請求項4之方法，其中該烷氧基甲基中間體化合物與該酚之該反應係以分批方法或連續方法來實施。
  22. 如請求項1之方法，其中該反應係在選自以下之溶劑之存在下實施：醇、二烷基酮、脂肪族烴、芳香族烴、二烷基醚、環醚及其組合。
  23. 如請求項1之方法，其中該反應係在選自以下之溶劑之存在下實施：甲醇、甲基乙基酮、甲基異丁基酮、環己酮、二噁烷、四氫呋喃、正庚烷、正辛烷、甲苯或二甲苯。
  24. 如請求項1之方法，其中藉由該方法所產生之該(等)苯并化合物包括單官能基苯并、二官能基苯并、含有兩個以上苯并單元之聚苯并或其組合。
  25. 一種合成方法，其包括使芳香族胺與烷基氧甲醇反應足以消耗該芳香族胺之時間，以形成烷氧基甲基中間體化合物或烷氧基甲基中間體化合物之混合物。
  26. 如請求項25之合成方法，其中該芳香族胺係選自由式I、II及III所代表之結構： 其中a=1或2；且b=0至50；在式III中，X及Y係獨立地選自以下之連接基團：直接鍵、O、S、SO2、P=O、(Ph)P=O、OP(=O)O、C=O、經取代或未經取代之伸烷基、經取代或未經取代之亞烷基、側氧基伸烷基、經取代或未經取代之環脂族或芳香族基團，其中Ph係苯基；Z係H或NH2；R5、R6、R7及R8係相同或不同的且係獨立地選自氫、 鹵素、經取代或未經取代之C1至C20碳原子之烷基、烯基、炔基或烷氧基、羧基、氰基、芳基、芳烷基或芳氧基，且視情況R5與R6一起及/或R7與R8一起係視情況在環中含有O、N或S原子之飽和或不飽和稠合碳環之一部分；在式II中，當a=1時，X係如針對式III所定義，且當a=2時，X係以下中之一者： 該烷氧基甲基中間體化合物係由以下式所代表： 其中x=0至10且y=1至10；R’=H或R；R=C1-C12直鏈、支鏈、非環狀或環狀、飽和或不飽和基團；且Ar係式I、II或III之胺之芳香族殘基部分。
  27. 一種反應產物組合物，其係藉由如請求項1之方法所產生。
  28. 一種反應產物組合物，其係藉由使芳香族胺與烷基氧甲醇反應足以消耗該芳香族胺之時間所產生。
  29. 一種可固化樹脂組合物，其包括如請求項27之反應產物組合物及一或多種添加劑。
  30. 一種可固化樹脂組合物，其包括如請求項28之反應產物組合物及一或多種添加劑。
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