CN101845013B - 一种用于光稳定剂的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种受阻胺化合物及其制备方法,尤其涉及一种用于光稳定剂的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物及其制备方法。
背景技术
光稳定剂是抑制或减缓由于光氧化作用而使高分子材料发生降解的助剂。因此,光稳定剂的加入可有效提高高分子材料的耐光、氧老化性能,延长户外使用寿命。
受阻胺类光稳定剂(HALS)是性能优良的高效光稳定剂。随着高分子材料的飞速发展,尤其对户外制品适用范围越来越大,涉及到几乎所有高分子材料应用领域,特别适用于聚烯烃、聚苯乙烯、聚氨酯等高分子材料,其效果为传统稳定剂的数倍,且与紫外光吸收剂和抗氧化剂有良好的协同效果,并逐渐代替传统型光稳定剂成为消费的主流,目前已占世界光稳定剂消耗量的一半以上。
传统的HALS一般分子量、功能基密度较低,在一些纤维等比表面积较大的制品中,由于其分子量较低而造成耐迁移、耐挥发和耐抽提等方面的相对不足。
因此,需要一类高分子量的且功能基密度增大的用于光稳定剂的受阻胺化合物以及简单、低成本地制备这种光稳定剂的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于光稳定剂的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物。
本发明的另一个目的是提供用于光稳定剂的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物的制备方法。
本发明的受阻胺化合物由通式(I)表示:
其中:R1,R2为H或C1-C4烷基;
R4为H、C1-C8烷基或苄基;
R5为H、O自由基(O·)、-OH、-Cl、-CH2CN、C1-C8烷基、C1-C8烷氧基、被羟基取代的C1-C8烷氧基、C5-C12环烷氧基、C3-C6链烯基、被苯基取代的C1-C3烷基。
在本发明更具体的实施方案中,R1、R2为H、CH3、CH3CH2;R4为H、CH3或苄基;R5为H、O自由基、-OH、-Cl、CH3、辛氧基、丙烯基、被苯基取代的甲基。
本发明提供的用于光稳定剂的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物的制备方法包括步骤:
(a)以由式(II)表示的丙二酸二酯与由式(III)表示的α,β-不饱和羧酸酯为起始原料,在加成反应催化剂存在下,于溶剂中经加成反应得到由式(IV)表示的加成产物,
其中式(II)为:
R3为C1-C4烷基;
式(III)为:
其中R1,R2为H或C1-C4烷基;R3为C1-C4烷基;
式(IV)为
其中R1,R2为H或C1-C4烷基;R3为C1-C4烷基;
以及
(b)将所述加成产物与由式(V)表示的取代的4-羟基哌啶在催化剂存在下,在进一步加入溶剂的情况下,进行酯交换反应得到式(I)所述的受阻胺化合物,
式(V)为
其中R4为H、C1-C8烷基或苄基;
R5为H、O氧自由基、-OH、-Cl、-CH2CN、C1-C8烷基、C1-C8烷氧基、被羟基取代的C1-C8烷氧基、C5-C12环烷氧基、C3-C6链烯基、被苯基取代的C1-C3烷基。
在本发明的更具体的实施方案中,该方法包括步骤:
(a)摩尔比为1∶2.0-1∶2.4的丙二酸二酯(如丙二酸二甲酯、丙二酸二乙酯等)与α,β-不饱和羧酸酯在反应物总质量的1.0%-5.0%的催化剂存在下,加入溶剂进行反应,在0℃-80℃,常压下,反应4-48小时,得到加成产物;
(b)摩尔比为1∶4.0-1∶4.8的第一步加成产物与取代的4-羟基哌啶在反应物总质量的0.01%-5.0%的催化剂存在下,加入溶剂,常压,反应温度60℃-210℃,反应4-48小时,使反应完全,重结晶,即得到目标产物。
步骤(a)中的溶剂可采用MeOH、EtOH、H2O、MeCN、THF、C6H6等。
步骤(a)中的催化剂可采用碱金属氢氧化物、碱金属氢化物、碱金属醇盐、碱金属氨基化物、碱金属碳酸盐等,碱金属包括锂、钠、钾等。其中优选NaOMe、KOH(使用时加入四丁基溴化铵)、K2CO3(使用时加入四丁基溴化铵)、LiNH2、NaB(OMe)4等。
步骤(b)中的溶剂为石油醚、正庚烷、正辛烷、苯、甲苯、二甲苯、环己烷、四氢呋喃等,溶剂用量为1-5L/mol的步骤(a)中的加成产物。
步骤(b)中的催化剂为碱金属氢氧化物、碱金属氢化物、碱金属醇盐、碱金属氨基化物、四异丙基酞酸酯或氧化二辛基锡等,碱金属包括锂、钠、钾等。其中优选LiNH2、NaOMe、NaOH、KH、Ti[OCH(CH3)2]4或(C8H17)2SnO等。
步骤(b)中酯交换反应产物重结晶所用溶剂为:石油醚、环己烷、正庚烷、正辛烷、苯、甲苯、二甲苯等。
本发明提供的受阻胺化合物具有多受阻哌啶基,因此增大了其功能基密度,将其用作光稳定剂时会增加耐热性、相容性和耐抽提性。本发明的用于光稳定剂的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物在添加到聚合物的制造中后,所得到的高分子材料产品颜色浅,透光率好。
本发明提供的制备方法,副产物少,工艺简单,成本低。
本发明的反应式如下:
具体实施方式
通过参考下面的各实施例可以更好地理解前述内容,各实施例期望是示例性的且并不期望限制本发明的范围。
实施例1:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二甲酯(66.05g,0.50mol)及29%甲醇钠的甲醇溶液(20.49g,0.11mol),在15℃-20℃搅拌下缓慢滴加丙烯酸甲酯(90.39g,1.05mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约15小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入1M HCl中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二甲氧羰基乙基丙二酸二甲酯,收率86.55%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入2,2-二甲氧羰基乙基丙二酸二甲酯(152.15g,0.50mol)、1,2,2,6,6-五甲基-4-哌啶醇(359.73g,2.10mol)以及1L正辛烷作溶剂,向反应液中加入2.56g四异丙基酞酸酯,加热至130℃,TLC跟踪反应,14小时后反应结束。减压蒸馏,得到粗产品。粗产品用正辛烷重结晶,得到白色产物,收率83.76%。结构式为:
实施例2:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二乙酯(80.09g,0.50mol)、氢氧化钾的饱和水溶液(6.16g,0.11mol)及100mL乙醇,15~20℃搅拌下缓慢滴加丙烯酸乙酯(110.13g,1.10mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约17小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入1M HCl中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二乙氧羰基乙基丙二酸二乙酯,收率87.20%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入2,2-二乙氧羰基乙基丙二酸二乙酯(180.20g,0.50mol)、2,2,6,6-四甲基-4-哌啶醇(322.36g,2.05mol)以及1L正辛烷作溶剂,向反应液中加入2.65g四异丙基酞酸酯,加热至130℃,TLC跟踪反应,14小时后反应结束。减压蒸馏,得到粗产品。粗产品用正辛烷重结晶,得到白色产物,收率82.75%。结构式为:
实施例3:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二甲酯(66.06g,0.50mol)、碳酸钾(69.10g,0.50mol)、四丁基溴化铵(1.84g,0.005mol)及200mL苯,15~20℃搅拌下缓慢滴加丙烯酸乙酯(110.13g,1.10mol),30分钟滴完。后移至80℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约10小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,降至室温,过滤,减压浓缩得产物2,2-二乙氧羰基乙基丙二酸二甲酯,收率84.50%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入2,2-二乙氧羰基乙基丙二酸二甲酯(166.18g,0.50mol)、1-辛氧基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶醇(613.76g,2.15mol)以及1L石油醚(沸程60~90℃)作溶剂,向反应液中加入23.40g氨基锂,加热至85℃,TLC跟踪反应,30小时后反应结束。减压蒸馏,得到粗产品。粗产品用石油醚重结晶,得到白色产物,收率80.17%。结构式为:
实施例4:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二正丙酯(94.11g,0.50mol)、氨基锂(2.76g,0.12mol)及200mL甲醇,15~20℃搅拌下缓慢滴加丁烯酸甲酯(120.14g,1.20mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约11小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入100mL蒸馏水中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二(1-甲基-2-甲氧羰基)乙基丙二酸二正丙酯,收率78.50%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入2,2-二(1-甲基-2-甲氧羰基)乙基丙二酸二正丙酯(194.23g,0.50mol)、1-氯-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶醇(431.33g,2.25mol)以及1.5L苯作溶剂,向反应液中加入19.30g甲醇钠,加热至80℃,TLC跟踪反应,37小时后反应结束。减压蒸馏,得到粗产品。粗产品用环己烷重结晶,得到白色产物,收率72.36%。结构式为:
实施例5:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二正丁酯(108.14g,0.50mol)四甲氧基硼钠(18.95g,0.12mol)及200mL甲醇,15~20℃搅拌下缓慢滴加甲基丙烯酸甲酯(115.14g,1.15mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约20小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入1M HCl中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二(2-甲基-2-甲氧羰基)乙基丙二酸二正丁酯,收率75.22%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入2,2-二(1-甲基-2-甲氧羰基)乙基丙二酸二正丁酯(208.26g,0.50mol)、1-丙烯基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶醇(359.73g,2.10mol)以及0.8L环己烷作溶剂,向反应液中加入20.16g氧化二辛基锡,加热至80℃,TLC跟踪反应,40小时后反应结束。减压蒸除溶剂,得到粗产品。粗产品用环己烷重结晶,得到白色产物,收率70.07%。结构式为:
实施例6:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二正丙酯(94.11g,0.50mol)、氢化钠(2.40g,0.10mol)及200mL四氢呋喃,15~20℃搅拌下缓慢滴加丙烯酸正丁酯(134.58g,1.05mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约17小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入100mL蒸馏水中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二正丁氧羰基乙基丙二酸二正丙酯,收率70.70%。
(2)向2L四口瓶中加入2,2-二正丁氧羰基乙基丙二酸二正丙酯(222.28g,0.50mol)、1-氧自由基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶醇(378.93g,2.20mol)以及1L甲苯作溶剂,向反应液中加入15.03g氢化钾,加热至110℃,TLC跟踪反应,35小时后反应结束。减压蒸馏,得粗产品。粗产品用正辛烷重结晶,得产品,收率61.30%。结构式为:
实施例7:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二异丙酯(94.11g,0.50mol)、氨基锂(2.53g,0.11mol)及200mL甲醇,15~20℃搅拌下缓慢滴加丙烯酸正丙酯(125.55g,1.10mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约11小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入100mL蒸馏水中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二正丙氧羰基乙基丙二酸二异丙酯,收率81.00%。
(2)向2L四口瓶中加入2,2-二正丙氧羰基乙基丙二酸二异丙酯(208.26g,0.50mol)、1-苄基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶醇(519.50g,2.10mol)以及1L正庚烷作溶剂,向反应液中加入36.39g氢氧化钠,加热至100℃,TLC跟踪反应,27小时后反应结束。减压蒸除溶剂,得到粗产品。粗产品用正辛烷重结晶,得产品,收率69.05%。结构式为:
实施例8:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二甲酯(66.06g,0.50mol)、碳酸钾(69.10g,0.50mol)、四丁基溴化铵(1.84g,0.005mol)及200mL苯,15~20℃搅拌下缓慢滴加甲基丙烯酸正丙酯(147.40g,1.15mol),30分钟滴完。后移至80℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约18小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,降至室温,过滤,减压浓缩得产物2,2-二(2-甲基-2-正丙氧羰基)乙基丙二酸二甲酯,收率64.90%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入2,2-二正丙氧羰基乙基丙二酸二甲酯(194.23g,0.50mol)、2,2,3,6,6-五甲基-4-哌啶醇(322.36g,2.05mol)以及0.8L二甲苯作溶剂,向反应液中加入15.50g四异丙基钛酸酯,加热至140℃,TLC跟踪反应,25小时后反应结束。减压蒸馏,得到粗产品。粗产品用石油醚重结晶,得到白色产物,收率71.15%。结构式为:
实施例9:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二乙酯(80.09g,0.50mol)氨基锂(2.53g,0.11mol)及200mL甲醇,15~20℃搅拌下缓慢滴加甲基丙烯酸乙酯(115.14g,1.15mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约15小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入100mL蒸馏水中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二(2-甲基-2-乙氧羰基)乙基丙二酸二乙酯,收率72.00%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入二加成产物(194.23g,0.50mol)、2,2,6,6-四甲基-3-苄基-4-哌啶醇(566.65g,2.30mol)以及0.8L正辛烷作溶剂,向反应液中加入22.83g氧化二辛基锡,加热至130℃,TLC跟踪反应,30小时后反应结束。减压蒸馏,得到粗产品。粗产品用环己烷重结晶,收率62.95%。结构式为:
实施例10:
(1)向干燥的500mL单口烧瓶中加入丙二酸二甲酯(66.05g,0.50mol)及29%甲醇钠的甲醇溶液(22.34g,0.12mol),15~20℃搅拌下缓慢滴加乙基丙烯酸甲酯(132.26g,1.15mol),30分钟滴完。后移至60℃的油浴加热反应,反应过程中采用TLC监控,大约17小时后反应液组成不再有明显的变化,停止反应,将反应液倒入1M HCl中,分液,水层用***萃取,合并有机层,无水MgSO4干燥,过滤,减压浓缩得产物2,2-二(2-乙基-2-甲氧羰基)乙基丙二酸二甲酯,收率79.20%。
(2)向装有共沸脱水装置的2L四口瓶中加入二加成产物(180.20g,0.50mol)、2,2,6,6-四甲基-1,4-二羟基哌啶(372.49g,2.15mol)以及1L正庚烷作溶剂,向反应液中加入16.58g氨基锂,加热至100℃,TLC跟踪反应,20小时后反应结束。减压蒸馏,得到粗产品。粗产品用正庚烷重结晶,收率77.55%。结构式为:
以PE为试样,分别添加上述各实施例中制得的化合物或其他助剂,如单体型低分子量受阻胺光稳定剂Tinuvin 770,即双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯;聚合型受阻胺光稳定剂Tinuvin 622;来自Ciba-Geigy公司的聚合型高分子量受阻胺光稳定剂Chimassorb 944;抗氧化剂1010与抗氧化剂168的复配物的Irganox B215。
对这样制备的PE试样进行了氧化诱导期测试和荧光紫外灯老化测试,结果分别显示在表1和表2中(各化合物编号对应于相应编号的实施例)。
氧化诱导期测试:该测试是在DSC 200PC热分析装置上进行的,接通氧气和氮气,打开气体切换装置分别调节两种气体的流量,使之均达到(50±5)ml/min,然后切换成氮气。将盛有(15±0.5)mg试样的开口铝皿置于热分析仪的样品支持架上,以20℃/min的速率升温至(200±0.1)℃,并使该温度恒定,开始记录热曲线。保持恒温5min后,迅速切换成氧气。当热曲线上记录到氧化放热达到最大值时终止试验。
荧光紫外灯老化测试:该测试是按照GB/T 16422.1-2006的要求进行的,其采用UV-A365荧光紫外灯照射试样,灯管功率300W,灯管长度1200mm,紫外波长260nm~360nm。试样暴露面处于完全的辐照范围内,正对试样端部260mm范围和灯管排列面边上50mm范围内,辐照温度60℃。试样每照射2h喷蒸馏水于样品表面2h。分别照射一定时间后取样测试拉伸功能,计算断裂伸长率和断裂伸长保留率。
表1添加了不同助剂的PE试样的氧化诱导期测试结果
样品 | 化合物1 | 化合物3 | 化合物6 | 化合物8 | Tinuvin770 | Chimassorb 944 | Tinuvin622 | IrganoxB215 |
氧化诱导期(min) | 24.71 | 33.12 | 48.10 | 22.52 | 10.58 | 20.90 | 13.40 | 26.80 |
表2添加了不同助剂的PE试样的荧光紫外灯老化测试结果
样品 | 化合物1 | 化合物3 | 化合物6 | 化合物8 | Tinuvin 770 | Chimassorb 944 |
断裂伸长保留率(%,PE) | 53 | 62 | 67 | 49 | 49 | 40 |
从表1的结果可以看出,化合物1、3、6和8的氧化诱导期明显高于添加了聚合型受阻胺光稳定剂Chimassorb 944和Tinuvin 622的样品。化合物3和6的氧化诱导期高于常用的抗氧化剂Irganox B215。可见在PE材料中,我们所设计合成的受阻胺光稳定剂的抗氧化效果高于抗氧化剂Irganox B215。
从表2的数据可以直观看出光稳定剂对材料的作用。当光照10个小时后,化合物1、3、6和8的断裂伸长保留率数值分别为53%、62%、67%和49%。
通过以上分析可以得知,本发明的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物用作光稳定剂能够使PE材料的性能得以很好的保持,且优于传统的聚合型受阻胺光稳定剂Chimassorb 944和单体型受阻胺光稳定剂Tinuvin 770,从而起到更好延长材料使用寿命作用。由于我们选用的荧光紫外灯的功率为300W,高于GB/T 16422所要求的40W,因此试样在荧光气候箱中除受光老化作用外,热老化作用也很明显。但在相同的试验条件下,本发明的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物用作光稳定剂时表现出更加优良的性能。
Claims (8)
2.如权利要求1所述的受阻胺化合物,其中R1、R2为H、CH3、CH3CH2;R4为H、CH3或苄基;R5为H、O自由基、-OH、-Cl、CH3、辛氧基、丙烯基、被苯基取代的甲基。
3.如权利要求1所述的受阻胺化合物,其中R1、R2、R4和R5都为H。
4.一种制备如权利要求1所述的用于光稳定剂的含多受阻哌啶基的受阻胺化合物的方法,其中所述方法包括步骤:
(a)以由式(II)表示的丙二酸二酯与由式(III)表示的α,β-不饱和羧酸酯为起始原料,在加成反应催化剂存在下,于溶剂中经加成反应得到由式(IV)表示的加成产物,该步骤所述的催化剂选自碱金属氢氧化物、碱金属氢化物、碱金属醇盐、碱金属氨基化物、碱金属碳酸盐和NaB(OCH3)4,所述碱金属是锂、钠或钾,
其中式(II)为:
其中R3为C1-C4烷基;
式(III)为:
其中R1,R2为H或C1-C4烷基;R3为C1-C4烷基;
式(IV)为
其中R1,R2为H或C1-C4烷基;R3为C1-C4烷基;以及
(b)将所述加成产物与由式(V)表示的取代的4-羟基哌啶在催化剂存在下,在进一步加入溶剂的情况下,进行酯交换反应得到式(I)所述的受阻胺化合物,该步骤所述的催化剂选自碱金属氨化物、碱金属醇盐、碱金属氢化物、碱金属氢氧化物、四异丙基酞酸酯和氧化二辛基锡,所述碱金属是锂、钠或钾,
式(V)为:
其中R4为H、C1-C8烷基或苄基;
R5为H、O氧自由基、-OH、-Cl、-CH2CN、C1-C8烷基、C1-C8烷氧基、被羟基取代的C1-C8烷氧基、C5-C12环烷氧基、C3-C6链烯基、被苯基取代的C1-C3烷基。
5.如权利要求4所述的方法,其中所述丙二酸二酯与所述α,β-不饱和羧酸酯的摩尔比为1∶2.0-1∶2.4;所述加成产物与所述取代的4-羟基哌啶的摩尔比为1∶4.0-1∶4.8。
6.如权利要求4所述的方法,其中在所述步骤(a)中,所述溶剂选自CH3OH、H2O、CH3CN和THF。
7.如权利要求4所述的方法,其中在所述步骤(a)中,所述催化剂选自NaOCH3、KOH、K2CO3、LiNH2和NaB(OCH3)4。
8.如权利要求4所述的方法,其中在所述步骤(b)中,所述溶剂选自石油醚、正庚烷、正辛烷、苯、甲苯、二甲苯、环己烷和四氢呋喃。
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