TWI548672B

TWI548672B - 水溶性抗氧化劑及其製備方法

Info

Publication number: TWI548672B
Application number: TW103137695A
Authority: TW
Inventors: 陳雅玲; 劉士彬; 林明賢
Original assignee: 品青企業股份有限公司; 王童基; 葉景裕
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-09-11
Also published as: EP3015450B1; EP3015450A1; CN105566680A; CN105566680B; TW201615690A

Description

水溶性抗氧化劑及其製備方法

本發明有關一種製備親水性抗氧化劑的方法，尤其是有關一種製備含3,5-甲酯基團/聚亞烷基二醇架橋/羧酸基團親水性抗氧化劑的方法。

塑料高分子鏈在紫外光、熱的作用下容易發生斷鏈而生成活性自由基，活性自由基再與氧反應形成過氧化自由基後，再與剩餘的分子鏈反應，形成氧化產物和新的活性自由基，活性自由基則持續引發自由基鏈鎖反應，而使塑料發生老化現象。

3-(3,5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸甲酯 (簡稱3,5-甲酯) 類受阻酚類分子是塑料中常用的一級抗氧化劑，其具有高分子量、低揮發性、高抗氧化特性與低毒性的優點，但此類抗氧化劑受限於水溶性差，故無法單獨於水相系統中使用。

常見的水溶性抗氧化劑多為天然物，例如維他命C、維他命B、茶多酚，多應用於生物系統的醫療研究，此類天然水溶性抗氧化劑未含有3,5-甲酯基團。

3,5-甲酸類受阻酚類小分子如3,5-二叔丁基-4-羥基苯甲酸、3,5-二叔丁基-4-羥基苯乙酸與3,5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸雖兼具水溶性與抗氧化性，但屬於低分子量小分子，於高溫受熱下易遷移離開(揮發散逸)基材表面，且本身也會因老化分解而降低抗氧化能力，造成此類小分子抗氧化劑對基材的抗老化作用無法長久有效。

聚乙二醇（PEG）具有無毒性、無刺激性與良好的水溶性，屬於非離子型界面活性劑而與許多有機物具良好的相溶性，其在化妝品、製藥、化纖、橡膠、塑料、造紙、油漆、電鍍、農藥、金屬加工、生物工程及食品加工等行業中被廣泛的應用。

美國專利案US 4,032,562報導將3,5-甲酯與PEG進行單邊酯交換反應得到3,5-甲酯/PEG單邊酯化產物，如23-羥基-3,6,9,12,15,18,21-七氧雜二十三烷基3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯，此結構引入了親水性聚合物PEG，雖然使其分子量上升而改善揮發性過低的問題，但水溶性仍屬於微溶 (5.8g/L @pH =1~10、文獻理論計算)，類似的合成反應可參考US3285855、US3441575、US5696281、DE2231671與CN100430366C，其產物也是屬於油溶性。

聚乙二醇與3,5-甲酯進行雙邊酯交換反應得到3,5-甲酯/PEG雙邊酯化產物，如三甘醇雙[(3-叔丁基-4-羥基-5-甲基苯基)丙酸酯]、二甘醇雙[3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯]、三甘醇雙[3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯]、四甘醇雙[3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯]、九甘醇雙[3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯]，此類結構雖含兩個3,5甲酯基團，使其相較單邊產物具較佳的抗氧化性與更低的揮發性，但水溶性卻變得更差，無法單獨應用在水相系統。

德文期刊「應用巨分子化學與物理（Die Angewandte Makromolekulare Chemie）」260期(1998年) 第77–81頁揭示將3,5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸與11-[(2R,3S)-3-戊基-2-環氧乙烷基]-(9Z)-9-十一碳烯酸進行環氧基開環反應而得到含有羧酸基的3,5-甲酯單邊分子(9Z)-13-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙醯氧基)-12-羥基十八碳-9-烯酸，此抗氧化劑雖含有一個親水性羧酸基，但其水溶性仍屬於微溶。

綜合上述論點，同時兼具低揮發性、水溶性佳且含3,5-甲酯基團的抗氧化劑分子尚未被報導，故本發明主要著重於合成具上述特點的抗氧化劑。

本發明之一目的，在於提供一種含3,5-甲酯基團的抗氧化劑，兼具低揮發性、水溶性佳。

為了達成上述之目的，本發明係主要合成含3,5-甲酯基團的化合物 (1)，其具低揮發性與水溶性佳，

其中R₁ 與R₂ 可互為相同或互不相同之含C1~C18的直鏈或支鏈烷基； a為2至6的整數； b為0、1、2、3或4； m為1或2； n為2至500的整數，較佳n為5至300的整數； R₃ 與R₄ 可互為相同或互不相同含C1~C6的直鏈或支鏈烷基或氫； M為IA金屬離子或氫原子； p為1、2或3； q為1、2或3；及 r為0或1，且p、q與r須滿足p + q + 2r = 4的式子。

本發明提供一種製備具有式(1)的化合物的方法，式(1)化合物係由三個反應步驟合成：

第一步在催化劑催化下，化合物(2)對化合物(3)進行單邊酯交換反應而得到中間體(4)。

化合物(2)為3,5-甲酯類結構，其中X可為鹵素例如氯或溴、羥基或烷氧基，例如碳數小於4的烷氧基，諸如甲氧烷基或乙氧烷基；

R₁ 與R₂ 可互為相同或互不相同含C1~C18的直鏈或支鏈烷基，支鏈烷基含有二級與三級碳，如甲基、乙基、丙基、異丙基、正-丁基、仲-丁基、異丁基、叔-丁基、2-乙基丁基、正-戊基、異戊基、1-甲基戊基、1,3-二甲基丁基、正-己基、1-甲基己基、正-庚基、異庚基、1,1,3,3-四甲基丁基、1-甲基庚基、3-甲基庚基、正-辛基、2-乙基己基、1,1,3-三甲基己基、1,1,3,3-四甲基庚基、壬基、癸基、十一烷基、1-甲基十一烷基、十二烷基、1,1,3,3,5,5-六甲基己基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基或十八烷基，較佳為甲基與叔丁基；

又，R₁ 與R₂ 可互為相同或互不相同含C5~C18 環烷基，如環戊基、環己基、環庚基、環辛基、環壬基、環癸基、環十一烷基或環十二烷基，較佳為環己基；m為1或2；化合物(2)較佳為3-(3,5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸甲酯。

化合物(3)為聚亞烷基二醇類結構，其中a為2至6的整數，如聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇或聚己二醇，較佳為聚乙二醇；n為2至500的整數，如CARBOWAX^TM 系列的PEG200、300、400、540、600、1000、1450、3350、4000、6000、8000與20000。

反應可於無溶劑且反應物呈熔融態下進行酯化。

使用的催化劑可為有機磺酸，例如甲基磺酸、乙基磺酸、三氟甲烷磺酸、三氯甲烷磺酸、4-氯磺酸、2,4-二硝基苯磺酸、對-甲基苯磺酸與十二烷基苯磺酸，較佳為對-甲基苯磺酸。

酯交換是一種常見的平衡反應，為了使平衡的方向偏向於產物，在反應進行過程中可以持續地將副產物從反應系統移除，比較便利的方式是酯交換反應進行中蒸除低沸點的低碳數醇類副產物如甲醇；另外也可增加反應物的濃度達平衡偏向產物之目的，此處選擇將化合物(3)配比增量除了使平衡偏向於產物外還可達使單邊酯交換的中間體(4)成為主要產物之目的。

中間體(4)可用水洗、有機溶劑萃取、分餾或管柱層析等常見的方法去分離與純化，萃取與管柱層析較佳的有機溶劑為正己烷、乙酸乙酯或正己烷與乙酸乙酯的混合液。

第二步在有催化劑催化下，中間體(4)對化合物(5)進行部分酯交換反應而得到中間體(6)。

化合物(5)為一系列單烯多元酸，可為單烯二元酸(5-1)、單烯三元酸(5-2)、單烯四元酸(5-3) 或環狀單烯酸酐(5-4)，其中單烯二元酸(5-1)包含順式(5-1a)、反式(5-1b)或偕式(5-1c)異構物；上述單烯多元酸為本發明3,5-甲酯基團/聚亞烷基二醇架橋/羧酸基團抗氧化劑中之羧酸基團的來源。

於(5-1a)、(5-1b)、(5-1c) 與(5-4)中，b為0、1、2、3或4中的其中一個或任兩個組合；

於(5-2)中，b為0、1、2、3或4中的其中一個、任兩個或任三個組合；於(5-3)中，b為0、1、2、3或4中的其中一個、任兩個組合、任三個組合或任四個組合；

R₃ 與R₄ 可互為相同或互不相同含C1~C6的直鏈或支鏈烷基與氫，直鏈烷基如甲基、乙基、丙基、正-丁基、正-戊基或正-己基，支鏈烷基如異丙基、仲-丁基、異丁基、叔-丁基、2-乙基丁基、異戊基、1-甲基戊基或1,3-二甲基丁基；

順式單烯二元酸(5-1a)如(2Z)-2-丁烯二酸、(5Z) -5-癸烯二酸、(4Z)-4-癸烯二酸、(3Z)-3-庚烯二酸、2-辛基-(2Z)-2-戊烯二酸、2-丁基-(2Z)-2-戊烯二酸、4-甲基-(3Z)-3-庚烯二酸、2,3-二乙基-(2Z)-2-丁烯二酸與2,3-二甲基-(2Z)-2-丁烯二酸，較佳為(2Z)-2-丁烯二酸；

反式單烯二元酸(5-1b)如(2E)-2-丁烯二酸、(5E) -5-癸烯二酸、(4E)-4-癸烯二酸、(3E)-3-庚烯二酸、2-辛基-(2E)-2-戊烯二酸、2-丁基-(2E)-2-戊烯二酸、4-甲基-(3E)-3-庚烯二酸、2,3-二乙基-(2E)-2-丁烯二酸與2,3-二甲基-(2E)-2-丁烯二酸，較佳為(2E)-2-丁烯二酸；

偕式單烯二元酸(5-1c)如2-亞甲基-戊二酸、4-亞甲基-壬二酸、5-亞甲基-壬二酸、2-羧基-3-甲基-2-壬烯酸、2-(1-甲基亞乙基)-戊二酸、2-(1,3-二甲基-1-丁烯-1-基)-丁二酸、(1,3-二甲基亞丁基)-丁二酸、2-庚基-(2Z)-丁二酸、2-庚基-(2E)-丁二酸、2-己基-(2Z)-丁二酸、2-己基-(2E)-丁二酸與4-亞乙基-庚二酸，較佳為2-亞甲基-戊二酸；

單烯三元酸(5-2)如3-(羧甲基)-2-戊烯二酸、2-戊烯-1,3,5-三羧酸、(2E)-2-戊烯-1,2,5-三羧酸、(2Z)-2-戊烯-1,2,5-三羧酸、(2E)-2-戊烯-1,2,3-三羧酸、(2Z)-2-戊烯-1,2,3-三羧酸、(3E)-3-十二碳烯-1,3,4-三羧酸、(3Z)-3-十二碳烯-1,3,4-三羧酸與3-戊烯-1,3,4-三羧酸，較佳為3-(羧甲基)-2-戊烯二酸；

單烯四元酸(5-3)如1,1,2,2-乙烯-四羧酸、1-丙烯基-1,1,2,3 -四羧酸與2-丁烯-1,2,3,4-四羧酸，較佳為1,1,2,2-乙烯-四羧酸；

環狀單烯酸酐如2,5-呋喃二酮 (馬來酸酐)、3-甲基-2,5-呋喃二酮、3,4 -二甲基-2,5-呋喃二酮、3-乙基-4-甲基-2,5-呋喃二酮、3-丙基-2,5-呋喃二酮、3,4 –二丙基-2,5-呋喃二酮、3-甲基-4-(1-甲基乙基)-2,5-呋喃二酮、3-甲基-4-(2-甲基丙基)-2,5-呋喃二酮、3,4-二己基-2,5-呋喃二酮、2H-吡喃-2,6(3H)-二酮 (戊烯二酸酐)、4-甲基-2H-吡喃-2,6(3H)-二酮 (3-甲基戊烯二酸酐)、3,6-二氫-2,7-氧雜七環二酮、3,6-二氫-4-甲基-2,7-氧雜七環二酮、3,4,7,8-四氫-2,9-氧雜九環二酮，較佳為2,5-呋喃二酮；

可於無溶劑且反應物呈熔融狀態下進行酯化反應。

適用的催化劑為有機磺酸，如甲基磺酸、乙基磺酸、三氟甲烷磺酸、三氯甲烷磺酸、4-氯苯磺酸、2,4-二硝基苯磺酸、對-甲基苯磺酸與十二烷基苯磺酸，較佳為對-甲基苯磺酸；

中間體(4)與化合物(5)莫耳配比可隨化合物(5)與產物中間體(6)的結構而有所不同。

當以單烯三元酸(5-2)或單烯四元酸(5-3)作為反應物時，可藉由中間體(4)與單烯三元酸(5-2)或單烯四元酸(5-3)間的配比調控，而得到以3,5-甲酯/聚亞烷基二醇基團為主要組成或以羧酸基團為主要組成之中間體(6)混合物。酯化程度越高，則化合物(5)接上3,5-甲酯/聚亞烷基二醇基團的程度也會越高，分子量增加的程度也會越高；酯化程度越低，則化合物(5)未反應殘留的羧酸基團會越多，分子量增加的程度也會越低，所以主要是藉由GPC來定量中間體(6)混合物中的主要組成為何。

以3,5-甲酯/聚亞烷基二醇基團為主要組成的中間體(6)混合物其抗氧化性能較佳，但水溶性較差；以羧酸基團為主要組成的中間體(6)混合物其水溶性較佳，但抗氧化性能較差。

最後一步為中間體(6)於鹼性條件下進行皂化反應而得到化合物(1)的水溶液，適用的鹼液有氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液。

本發明的抗氧化劑具有低揮發性、高水溶性等特質，可應用在工業上水相系統。本發明的抗氧化劑同時具有界面活性劑(乳化劑)的特性，可幫助其他油溶性抗氧化劑應用於水相系統。

以下藉由實施例進一步說明本發明。

（實施例一）

(Z)-1-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)- 3,17-二氧-4,7,10,13,16-五氧雜-18-烯-20酸鈉

將20.0g 3-(3,5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸甲酯、23.9g PEG200與3.0g對-甲基苯磺酸，放入裝有機械攪拌器、溫控器與迴流冷凝器的反應瓶中，於氮氣下，125~130℃攪拌反應4小時後冷卻至室溫，加入500ml甲苯溶解反應混合物，水洗多次(以除去反應殘留的PEG200與對-甲基苯磺酸)，接著以無水亞硫酸鈉除水並過濾。

接著，加入4.8g馬來酸酐與3.0g對-甲基苯磺酸，於氮氣下，105~110℃攪拌反應，定時取樣測定酸價，直到酸價穩定且小於8即可降溫停止反應；加入45.0g水攪拌，去除甲苯層(含有殘留的3,5-甲酯/PEG200單邊酯化中間體與3,5-甲酯/PEG200雙邊酯化中間體)，加入6.4g 45%液鹼進行皂化反應至水溶液pH=13.0~14.0，固含量實際值35%(理論值40%)。

（實施例二）

(Z)-1-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)- 3,32-二氧-4,7,10,13,16,19,22,25,28,31-十氧雜-33-烯-35酸鈉

將20.0g 3-(3,5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸甲酯、56.7g PEG 400與3.0g對-甲基苯磺酸放入裝有機械攪拌器、溫控器與迴流冷凝器的反應瓶中，於氮氣下，125~130℃攪拌反應4小時後冷卻至室溫，加入500ml甲苯溶解反應混合物，水洗多次(以除去反應殘留的PEG 400與對-甲基苯磺酸)，接著以無水亞硫酸鈉除水並過濾。

接著，加入4.2g馬來酸酐與3.0g對-甲基苯磺酸，於氮氣下，105~110℃攪拌反應，定時取樣測定酸價，直到酸價穩定且小於7即可降溫停止反應；加入45.0g水攪拌，去除甲苯層(含有殘留的3,5-甲酯/PEG 400單邊酯化中間體與3,5-甲酯/PEG 400雙邊酯化中間體)，加入6.4g 45%液鹼進行皂化反應至水溶液pH=13.0~14.0，固含量實際值38%(理論值43%)。

（實施例三）

將20.0g 3-(3,5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸甲酯、23.9g PEG200與3.0g 4-氯苯磺酸放入裝有機械攪拌器、溫控器與迴流冷凝器的反應瓶中，於氮氣下，125~130℃攪拌反應4小時後冷卻至室溫，加入500ml甲苯溶解反應混合物，水洗多次(以除去反應殘留的PEG200與4-氯苯磺酸)，接著以無水亞硫酸鈉除水並過濾。

加入5.4g馬來酸酐與3.0 g 4-氯苯磺酸，於氮氣下，105~110℃攪拌反應，定時取樣測定酸價，直到酸價穩定且小於9即可降溫停止反應；加入45.0g水攪拌，去除甲苯層(含有殘留的3,5-甲酯/PEG200單邊酯化中間體與3,5-甲酯/PEG200雙邊酯化中間體)，加入6.4g 45%液鹼進行皂化反應至水溶液pH=12.0~13.0，固含量實際值36%(理論值42%)。

（實施例四）

將20.0g 3-(3,5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸甲酯、56.7g PEG 400與3.0g 4-氯苯磺酸放入裝有機械攪拌器、溫控器與迴流冷凝器的反應瓶中，於氮氣下，125~130℃攪拌反應4小時後冷卻至室溫，加入500ml甲苯溶解反應混合物，水洗多次(以除去反應殘留的PEG 400與4-氯苯磺酸)，接著以無水亞硫酸鈉除水並過濾。

接著，加入5.1g馬來酸酐與3.0g 4-氯苯磺酸，於氮氣下，105~110℃攪拌反應，定時取樣測定酸價，直到酸價穩定且小於8即可降溫停止反應；加入45.0g水攪拌，去除甲苯層(含有殘留的3,5-甲酯/PEG 400單邊酯化中間體與3,5-甲酯/PEG 400雙邊酯化中間體)，加入6.4g 45%液鹼進行皂化反應至水溶液pH=12.0~13.0，固含量實際值41%(理論值43%)。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，非用以限定本發明之專利範圍，其他運用本發明之專利精神之等效變化，均應俱屬本發明之專利範圍。

無

Claims

一種具有式(1) 的化合物，其中， R₁ 與R₂ 可互為相同或互不相同之含C1~C18的直鏈或支鏈烷基或C5~C12環烷基； R₃ 與R₄ 可互為相同或互不相同之含C1~C6的直鏈或支鏈烷基或氫； M為IA金屬離子或氫原子； a為2至6的整數； b為0、1、2、3或4； m為1或2； n為2至500的整數； p為1、2或3； q為1、2或3；及 r為0或1，且p、q與r須滿足p + q + 2r = 4的式子。
根據請求項1的具有式(1) 的化合物，其中n為5至300的整數。
一種製備請求項1的具有式(1) 的化合物之方法，包含步驟： (a) 使3,5-甲酯類結構之化合物與聚亞烷基二醇類結構之化合物反應而得到具有單邊酯交換類結構的一中間體(4)；（b）使單烯多元酸之化合物(5)與該中間體(4)反應而得到一中間體(6)；（c）該中間體(6)於鹼性條件下經皂化反應而得到具有式(1) 的化合物的水溶液。
根據請求項3的方法，其中該化合物(5)為單烯二元酸、單烯三元酸、單烯四元酸或環狀單烯酸酐。
根據請求項4的方法，其中該化合物(5)之單烯二元酸為順式、反式或偕式異構物。
根據請求項4的方法，其中該化合物(5)之環狀單烯酸酐為馬來酸酐。
根據請求項3的方法，其中該皂化反應所用的鹼液為氫氧化鈉水溶液或氫氧化鉀水溶液。
根據請求項3的方法，其中該3,5-甲酯類結構之化合物為3-(3,5-二叔丁基-4-羥苯基)丙酸甲酯。
根據請求項3的方法，其中該聚亞烷基二醇類結構之化合物為聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇或聚己二醇。