CN100369955C - 高分子型六芳基二咪唑光引发剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了下式所示的一类高分子型六芳基二咪唑光引发剂及其制备方法。这类光引发剂是以4-氟苯偶酰为原料,经取代反应、环化反应和氧化偶合反应得到高分子型六芳基二咪唑光引发剂。此类光引发剂含有供电子的叔胺侧基,有利于改善六芳基二咪唑类光引发剂的紫外-可见光吸收性能和光引发活性,同时其高分子结构有利于降低光固化后残留的六芳基二咪唑向材料表面的迁移,在光致抗蚀剂、印刷线路版等微电子领域有着广泛的应用前景。式中,n=5~200,R1、R2、R3、R4和R5分别独立选自氢、卤素、硝基、氰基、含1~3个碳原子的烷基或者含1~3个碳原子的烷氧基,X为二元叔胺基团。
Description
技术领域:本发明属于一类功能高分子材料及其制备方法,特别是高分子型六芳基二咪唑光引发剂及其制备方法。
背景技术:紫外光固化技术在光固化涂料、光刻胶、光固化油墨、微电子、粘合剂、光盘复制、纸张上光等工业领域上的广泛应用,显示了良好的发展前景。在光固化体系的技术进步过程中,光引发剂体系的研究与开发始终占据着十分重要的位置,例如美国专利3,784,557、美国专利4,622,286、美国专利3,844,790和日本公开专利2000247958。六芳基二咪唑类化合物具有特殊的化学结构,在紫外光的作用下可以光解产生自由基,是光致抗蚀剂中非常重要的光引发剂。例如世界专利9946644和日本公开专利2001002650。
微电子技术的迅速发展对光引发体系的各种性能要求(高紫外-可见光吸收、良好光引发活性和低迁移率等等)也越来越高。目前,工业上常用的六芳基二咪唑类光引发剂均为小分子,普遍存在着紫外-可见光吸收较弱和光固化后残留的六芳基二咪唑向材料表面的迁移等问题,限制了六芳基二咪唑类光引发剂在微电子材料领域的广泛应用。研究和开发具有良好的紫外-可见光吸收性能、优异的光引发活性和较低迁移率的六芳基二咪唑类光引发剂成为人们关注和研究的焦点,例如美国专利5,858,583、世界专利9946644和美国专利4,009,040。
发明内容:本发明的目的是将供电子的叔胺基团引入到六芳基二咪唑结构中,制备出一类具有良好的紫外-可见光吸收性能和较低迁移率的高分子型六芳基二咪唑光引发剂,拓宽六芳基二咪唑作为光引发剂的应用范围。
本发明高分子型六芳基二咪唑光引发剂的化学结构式如下式所示:
式中:n=5~200;R1、R2、R3、R4和R5分别独立选自氢、卤素、硝基、氰基、含1~3个碳原子的烷基或者含1~3个碳原子的烷氧基;X为二元叔胺基团,选自
m=1~18,R6为含有1~3个碳原子的烷基,
或m=1~18,R6为含有1~3个碳原子的烷基。
本发明高分子型六芳基二咪唑光引发剂的制备方法如下(以下均以质量份表示):
(a)取代反应:将1份的4-氟苯偶酰溶解于5~15份的有机溶剂中,然后加入3~5份的无水碳酸钾或者无水碳酸钠和1份的二元仲胺,在80~100℃下回流6~12小时,冷却后加入10~50份的蒸馏水,由有机溶剂萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得N,N’-二苯偶酰基二元叔胺;
(b)环化反应:在氮气的保护下,将1份的N,N’-二苯偶酰基二元叔胺、1~2份的取代苯甲醛、1~5份的乙酸铵和5~15份的冰醋酸混合均匀,在100~120℃下回流12~24小时,冷却后将反应物倒入20~50份的1~5wt%亚硫酸氢钠水溶液中,过滤即得N,N’-二咪唑基二元叔胺;
(c)氧化偶合反应:将1份的N,N’-二咪唑基二元叔胺溶解于5~15份的有机溶剂中,然后缓慢滴加到装有3~5份的铁***和2~10份的40wt%氢氧化钠水溶液的烧瓶中,在30~60℃下回流12~24小时,冷却后加入10~50份的蒸馏水,由有机溶剂萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得高分子型六芳基二咪唑光引发剂。
本发明所使用的有机溶剂为环己酮,甲苯,1,4-二氧六环,无水***,二氯甲烷或三氯甲烷。
本发明所使用的二元仲胺的结构式为
m=1~18,
其中有哌嗪、乙二哌嗪、甲***基二哌嗪、N,N’-二甲基乙二胺、N,N’-二甲基甲***基二胺或N,N’-二甲基苯***基二胺。
本发明所使用的取代苯甲醛的结构式为
式中,R1、R2、R3、R4和R5分别独立选自氢、卤素、硝基、氰基、含1~3个碳原子的烷基或者含1~3个碳原子的烷氧基,其中有苯甲醛、2-氯苯甲醛、2,4-二氯苯甲醛、2-硝基苯甲醛、2-氰基苯甲醛、2-甲基苯甲醛或2-甲氧基苯甲醛。
本发明制备高分子型六芳基二咪唑光引发剂的整个反应方程式如下:
式中,n=5~200,R1、R2、R3、R4和R5分别独立选自氢、卤素、硝基、氰基、含1~3个碳原子的烷基或者含1~3个碳原子的烷氧基,X为二元叔胺基团。
本发明将供电子的叔胺基团引入到六芳基二咪唑结构中,制备出一类具有良好的紫外-可见光吸收性能和较低迁移率的高分子型六芳基二咪唑光引发剂,在光致抗蚀剂、印刷线路版等微电子领域有着广泛的研究潜力和应用前景。光引发性能测试结果表明,本发明制备的高分子型六芳基二咪唑光引发剂对于丙烯酸酯类单体具有良好的光引发活性。
本发明测试高分子型六芳基二咪唑光引发性能的方法如下:
首先将高分子型六芳基二咪唑光引发剂、2-巯基苯并噁唑、聚丙二醇二丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液和甲苯按照下表配制成溶液,然后均匀涂膜在PET薄膜上,干燥后称取干膜约2.0mg,利用光差示扫描量热计(photo-DSC)在50ml/min氮气保护下利用光强为50mW/cm2的365nm光源在25℃下照射3min。
组分 | 重量(g) |
聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑2-巯基苯并噁唑聚丙二醇二丙烯酸酯聚甲基丙烯酸甲酯的甲苯溶液甲苯 | 0.2460.0924.010.03.0 |
本发明测试高分子型六芳基二咪唑光引发性能所用的聚丙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为540。
本发明测试高分子型六芳基二咪唑光引发性能所用的聚甲基丙烯酸甲酯的数均分子量为94,000,其甲苯溶液的固含量为40wt%。
附图说明
图1是聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑(poly-PA-TC-HABI,即R1和R3为Cl原子,R2、R4和R5为H原子,X为)的核磁共振氢谱图。
图2是聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑的红外光谱图。
图3是聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑的紫外吸收光谱图,其中,聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑溶解在三氯甲烷中,浓度为1.0×10-5mol/l。
图4是聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑的光差示扫描量热计测试图。
具体的实施方式:以下的实施例是对本发明的进一步说明,而不是限制本发明的范围。
实施例1:
(a)将5.0g 4-氟苯偶酰溶解于25.0g甲苯中,然后加入15.0g无水碳酸钾和1.0g哌嗪,在90℃下回流12小时,冷却后加入50.0g蒸馏水,由甲苯萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得4.24gN,N’-二(4-苯偶酰基)哌嗪黄色粉末,收率为77%,熔点为86-87℃,1H NMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):8.04-7.38(m,18H,苯基),3.65(m,8H,亚甲基),FTIR(KBr disc,cm-1):3065(w,vC-H苯基),2930(w,vC-H亚甲基),1660(s,vC=O),1600和1500(m,vC=C苯基);
(b)在氮气的保护下,将2.0gN,N’-二(4-苯偶酰基)哌嗪、2.0g2,4-二氯苯甲醛、3.0g乙酸铵和20.0g冰醋酸混合均匀,在110℃下回流12小时,冷却后将反应物倒入100g1.0wt%亚硫酸氢钠水溶液中,过滤即得2.88gN,N’-二[2-(2,4-二氯苯基)-4,5-二苯基-咪唑基]-哌嗪黄色粉末,收率为89%,熔点为86~88℃,1H NMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):12.75(m,2H,N-H),7.86-7.10(m,24H,苯基),3.32(m,8H,亚甲基),FTIR(KBr disc,cm-1):3440(m,vN-H),3065(m,vC-H苯基),2835(w,vC-H亚甲基),1610(s,vC=C咪唑),1510和1490(m,vC=C苯基),1045(m,vC-Cl);
(c)将2.0gN,N’-二[2-(2,4-二氯苯基)-4,5-二苯基-咪唑基]-哌嗪溶解于40.0g三氯甲烷中,然后缓慢滴加到装有4.0g铁***和10.0g40wt%氢氧化钠水溶液的烧瓶中,在50℃下回流12小时,冷却后加入50.0g蒸馏水,由三氯甲烷萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得1.33g聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑(poly-PA-TC-HABI)浅黄色固体,收率为67%,元素分析(C46H32N6Cl4)n:C,68.04%(68.16%,计算值),H,3.44%(3.98%),N,10.81%(10.37%),近似粘均分子量为9,000~12,000(由30℃下其0.1wt%二氯甲烷溶液测得的特性粘数[η]为0.221),图1是聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑(poly-PA-TC-HABI)的核磁共振氢谱图,1H NMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):7.80-6.60(m,24H,苯基),3.32(s,8H,亚甲基),图2是聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑的红外光谱图,FTIR(KBr disc,cm-1):3060(m,vC-H苯基),2850(w,vC-H亚甲基),1610(s,vC=C咪唑),1510和1480(m,vC=C苯基),1040(m,vC-Cl),图3是聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑的紫外吸收光谱图,其中,聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑溶解在三氯甲烷中,浓度为1.0×10-5mol/l,其最大吸收波长为λmax=272nm,而且其在目前工业上最为常用的光固化光源(λ=365nm)处的摩尔吸收系数为ε365nm=895mol-1·l·cm-1,图4是采用本发明测试含叔胺侧基的高分子型六芳基二咪唑光引发性能的方法得到的聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑引发聚丙二醇二丙烯酸酯光聚合的光差示扫描量热计测试图,Rpmax=0.1196s-1,ΔH总=148mJ/mg,C总=96.7%,由图4可以看出,聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑对丙烯酸酯体系具有良好的光引发活性。
实施例2:
(a)同实施例1(a);
(b)在氮气的保护下,将2.0g N,N’-二(4-苯偶酰基)哌嗪、2.0g2-氯苯甲醛、3.0g乙酸铵和15.0g冰醋酸混合均匀,在120℃下回流12小时,冷却后将反应物倒入150g2.0wt%亚硫酸氢钠水溶液中,过滤即得2.70gN,N’-二[2-(2-氯苯基)-4,5-二苯基-咪唑基]-哌嗪黄色粉末,收率为91%,熔点为104~106℃,1H NMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):12.80(m,2H,N-H),7.80-6.60(m,26H,苯基),3.35(m,8H,亚甲基),FTIR(KBr disc,cm-1):3435(m,vN-H),3060(m,vC-H苯基),2840(w,vC-H亚甲基),1660(s,vC=C咪唑),1510和1480(m,vC=C苯基),1050(m,vC-Cl);
(c)将2.0gN,N’-二[2-(2-氯苯基)-4,5-二苯基-咪唑基]-哌嗪溶解于50.0g三氯甲烷中,然后缓慢滴加到装有5.0g铁***和10.0g40wt%氢氧化钠水溶液的烧瓶中,在40℃下回流24小时,冷却后加入80.0g蒸馏水,由三氯甲烷萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得1.50g聚-哌嗪基-N-[2,2’-二(2-氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基]-1,2’-二咪唑(poly-PA-BC-HABI)浅黄色固体,收率为75%,1H NMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):7.80-6.60(m,26H,苯基),3.32(m,8H,亚甲基),FTIR(KBr disc,cm-1):3065(m,vC-H苯基),920(w,vC-H亚甲基),1680(s,vC=C咪唑),1510和1470(m,vC=C苯基),1040(m,vC-Cl),元素分析(C46H34N6Cl2)n:C,74.22%(74.49%,计算值),H,4.24%(4.62%),N,11.12%(11.33%),近似粘均分子量为8,000~11,000(由30℃下其0.1wt%二氯甲烷溶液测得的特性粘数[η]为0.205)。
实施例3:
(a)将5.0g4-氟苯偶酰溶解于30.0g环己酮中,然后加入15.0g无水碳酸钠和1.0gN,N’-二甲基乙二胺,在100℃下回流9小时,冷却后加入100.0g蒸馏水,由环己酮萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得3.84.gN,N’-二甲基-N,N’-二(4-苯偶酰基)乙二胺桔黄色粘稠液体,收率为73%,1HNMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):7.60-7.00(m,18H,苯基),3.32(m,4H,亚甲基),2.48(m,6H,甲基),FTIR(KBr disc,cm-1):3065(w,vC-H苯基),2930(w,vC-H亚甲基),1660(s,vC=O),1600和1500(m,vC=C苯基);
(b)在氮气的保护下,将2.0gN,N’-二甲基-N,N’-二(4-苯偶酰基)乙二胺、2.0g2,4-二氯苯甲醛、3.0g乙酸铵和15.0g冰醋酸混合均匀,在100℃下回流16小时,冷却后将反应物倒入100g5.0wt%亚硫酸氢钠水溶液中,过滤即得2.90g N,N’-二甲基-N,N’-二[2-(2,4-二氯苯基)-4,5-二苯基-咪唑基]-乙二胺黄色粉末,收率为90%,熔点为71~72℃,1H NMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):12.75(m,2H,N-H),8.16-7.10(m,24H,苯基),3.35(m,4H,亚甲基),2.48(m,6H,甲基),FTIR(KBr disc,cm-1):3440(m,vN-H),3060(m,vC-H苯基),2960(w,vC-H甲基),1610(s,vC=C咪唑),1510和1490(m,vC=C苯基),1040(m,vC-Cl);
(c)将2.0gN,N’-二甲基-N,N’-二[2-(2,4-二氯苯基)-4,5-二苯基-咪唑基]-乙二胺溶解于50.0g二氯甲烷中,然后缓慢滴加到装有5.0g铁***和15.0g40wt%氢氧化钠水溶液的烧瓶中,在40℃下回流24小时,冷却后加入100.0g蒸馏水,由二氯甲烷萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得1.27g聚-N,N’-二甲基乙二胺-N-[2,2’-二(2,4-二氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基-1,2’-二咪唑(poly-BMEDA-TC-HABI)浅黄色固体,收率为63%,1H NMR(DMSO-d6,400MHz,ppm):8.04-7.38(m,24H,苯基),3.65(m,4H,亚甲基),2.48(m,6H,甲基),FTIR(KBr disc,cm-1):3060(w,vC-H苯基),2940(m,vC-H甲基),1610(s,vC=C咪唑),1510和1470(m,vC=C苯基),1040(m,vC-Cl),元素分析(C46H36N6Cl4)n:C,67.36%(67.99%,计算值),H,4.66%(4.22%),N,10.22%(10.34%),近似粘均分子量为9,000~12,000(由30℃下其0.1wt%二氯甲烷溶液测得的特性粘数[η]为0.226)。
Claims (5)
2.如权利要求1所述的一种高分子型六芳基二咪唑光引发剂的制备方法,其特征在于其制备方法如下:以下均以质量份表示
(a)取代反应:将1份的4-氟苯偶酰溶解于5~15份的有机溶剂中,然后加入3~5份的无水碳酸钾或者无水碳酸钠和1份的二元仲胺,在80~100℃下回流6~12小时,冷却后加入10~50份的蒸馏水,由有机溶剂萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得N,N’-二苯偶酰基二元叔胺;
(b)环化反应:在氮气的保护下,将1份的N,N’-二苯偶酰基二元叔胺、1~2份的取代苯甲醛、1~5份的乙酸铵和5~15份的冰醋酸混合均匀,在100~120℃下回流12~24小时,冷却后将反应物倒入20~50份的1~5wt%亚硫酸氢钠水溶液中,过滤即得N,N’-二咪唑基二元叔胺;
(c)氧化偶合反应:将1份的N,N’-二咪唑基二元叔胺溶解于5~15份的有机溶剂中,然后缓慢滴加到装有3~5份的铁***和2~10份的40wt%氢氧化钠水溶液的烧瓶中,在30~60℃下回流12~24小时,冷却后加入10~50份的蒸馏水,由有机溶剂萃取得到的有机相经蒸馏水洗涤后用无水硫酸钠干燥,将蒸发浓缩后的有机相倒入十倍体积的石油醚中沉淀即得高分子型六芳基二咪唑光引发剂。
3.根据权利要求2所述的一种高分子型六芳基二咪唑光引发剂的制备方法,其特征是有机溶剂选自环己酮,甲苯,1,4-二氧六环,无水***,二氯甲烷或三氯甲烷。
5.根据权利要求2所述的一种高分子型六芳基二咪唑光引发剂的制备方法,其特征是取代苯甲醛的结构式为
式中:R1、R2、R3、R4和R5分别独立选自氢、卤素、硝基、氰基、含1~3个碳原子的烷基或者含1~3个碳原子的烷氧基。
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