一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂及其制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111349041 A(43)申请公布日 2020.06.30

(21)申请号 202010115875.1(22)申请日 2020.02.25

(71)申请人 烟台大学

地址 264000 山东省烟台市莱山区清泉路

30号(72)发明人 曾涛　李林　姜梦林　

(74)专利代理机构 烟台上禾知识产权代理事务

所(普通合伙) 37234

代理人 曲姮(51)Int.Cl.

C07D 211/94(2006.01)C08K 5/3435(2006.01)C08L 23/06(2006.01)C08L 23/12(2006.01)

权利要求书2页 说明书7页

CN 111349041 A(54)发明名称

一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂及其制备方法(57)摘要

本发明涉及一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，属于高分子材料稳定剂领域，其结构通式同时键合位阻酚基团和烷氧基位阻胺基团，使该稳定剂同时具有抗氧化和光稳定的功能；本申请制备该稳定剂的方法以丙二酸二酯、烷氧基位阻胺哌啶醇、N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺为原料，通过酯交换、位阻酚引入两个步骤，得到同时键合烷氧基位阻胺和位阻酚于分子上的高分子材料稳定剂，根据实验对比结果可知，分子中位阻酚与烷氧基位阻胺体现出优良的正向协同效应，显著的提高了高分子材料的抗氧化能力和光稳定性，一种稳定剂两种稳定功能，使高分子材料的助剂添加操作简单化。

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权　利　要　求　书

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1.一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，其特征在于，结构通式(Ⅰ)如下：

其中，R1为C1～C18直链烷基、支链烷基或环烷基中的任意一种；R2为苄基或苯基；R3为H、C1～C18烷基或C1～C18烯烃基中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，其特征在于，所述的

苄基的结构通式(Ⅱ)为：

其中：R4、R5、R6、R7为H、C1～C12直链或支链烷基中的任意一种，R8为H、OH或-OR9中的任意一种；所述的R9为C1～C18直链或支链烷烃基或烯烃基中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，其特征在于，所述的

苯基的结构通式(Ⅲ)为：

其中：R10、R11、R12、R13、R14为H、C1～C18直链或支链烷基或烯烃基中的任意一种。4.一种如权利要求1所述的具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将丙二酸二酯和烷氧基位阻胺哌啶醇加入到反应器中，丙二酸二酯和烷氧基位阻胺哌啶醇的摩尔比为1:0.20～4.0；加入催化剂A，催化剂A的添加量为丙二酸二酯和烷氧基位阻胺哌啶醇总质量的0.01～10.0％；在50～150℃的温度并常压下，反应4～24小时，得到酯交换产物A；

2)将步骤1)中得到的所述产物A与N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺加入到反应器中，产物A与N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺的摩尔比为1:1.0～10.0；加入催化剂B，催化剂B的添加量为所述产物A与N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺总质量的0.01～5.0％；再加入有机溶剂，在30～150℃的温度并常压下，反应6～72小时，即得到所述具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂化合物；

其中，所述的丙二酸二酯的结构通式(Ⅳ)为：

所述的烷氧基位阻胺哌啶醇

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权　利　要　求　书

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的结构通式(Ⅴ)为：其中，R15为H、苄基或苯基；R1为C1～C18直链烷基、支链烷

基或环烷基；R3为H、C1～C18烷基或C1～C18烯烃基中的任意一种。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，在加入催化剂A之前，往反应器中还加入反应溶剂，反应溶剂为C4～C12直链或支链烷烃、甲苯、二甲苯、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺或甲基叔丁基醚的任意一种或数种组合。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，所述的催化剂A为金属氨化物、碱金属醇盐、碱金属氢氧化物、四丁基钛酸酯、四异丙基钛酸酯、二丁基氧化锡、碱性离子液体中的任意一种或数种组合。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中，所述的催化剂B为碱金属氨化物、碱金属醇盐或碱金属氢氧化物中、碱性离子液体的任意一种或数种组合。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中，所述的有机溶剂为石油醚、环己烷、正庚烷、正辛烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、甲基叔丁基醚的任意一种或数种组合。

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一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂及其制备方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂及其制备方法，属于高分子材料稳定剂技术领域。

背景技术

[0002]为了改善高分子材料的性能，延长使用寿命，需要在高分子材料中添加各种稳定助剂。光稳定剂和抗氧化剂是高分子材料稳定剂中两个重要组成部分。光稳定剂能够抑制或减缓由于光氧化作用而导致的高分子材料降解。位阻胺光稳定剂是高分子材料光稳定剂中最常用的一类，由于位阻胺性能优良，且能够与紫外光吸收剂和抗氧剂具有良好的协同效应，已经成为光稳定剂的主流，占全世界光稳定剂消费量一半以上。抗氧化剂能延缓或抑制高分子材料化合物在空气中的热氧化，应用最为广泛的抗氧化剂是位阻酚类抗氧剂。在塑料、合成纤维、橡胶等多种高分子材料的使用过程中，为了减缓高分子材料的光降解和热氧化以延长其使用寿命，光稳定剂和抗氧剂是高分子材料添加助剂中必不可少的部分。[0003]通常，高分子材料助剂需要复配或分次添加于高分子材料加工过程中，整体过程非常复杂。有研究表明，在合适条件下不同稳定剂可能可以表现出良好的协同效应。因此，多功能、高效的高分子材料稳定剂的研发越来越受到重视。在此研究过程中，研究者多关注于复配助剂的开发，对于同一分子中键合不同官能团形成的多功能高效助剂的研究开发则相对较少。将不同官能团键合到同一分子中，有可能起到一剂多能的效果。如此，可以大大降低高分子材料稳定剂的使用复杂性。多功能高分子材料稳定剂的成功范例是Ciba-Geigy公司开发的Tinuvin144，其分子中的单位阻酚基团和五甲基哌啶位阻胺基团表现出了良好的协同效应，使得Tinuvin144成为Ciba-Geigy 公司的一个著名品牌。同时，为了提高位阻胺光稳定剂在酸性环境的使用寿命，提高与可能分解出酸性物质的高分子材料(如聚氯乙烯)在使用过程中保持相容性，低碱性的烷氧基位阻胺也发展成为位阻胺的一个重要趋势。[0004]因此，在同一分子中键合不同官能团以形成具有不同稳定效果的多功能稳定剂是本领域的一个重要研究方向。位阻胺和位阻酚作为最常用的高分子材料光稳定剂和抗氧化助剂，将光稳定和抗氧化的两种基团键合在一个化合物上，若两种基团能够表现出正向协同效应，则可使这种助剂同时具备光稳定和抗氧化的功能，由此则可以减少高分子材料助剂添加操作的复杂性。

发明内容

[0005]本发明针对现有高分子材料稳定剂使用的复杂性，提供一种同时键合位阻酚和烷氧基位阻胺基团的，具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂及其制备方法。[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，其特征在于，结构通式(Ⅰ)如下：

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[0007]

其中，R1为C1～C18直链烷基、支链烷基或环烷基中的任意一种；R2为苄基或苯基；

R3为H、C1～C18烷基或C1～C18烯烃基中的任意一种。[0009]在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下的改进：

进一步，所述的苄基的结构通式(Ⅱ)为：

[0008]

[0010]

其中：R4、R5、R6、R7为H、C1～C12直链或支链烷基中的任意一种，R8为H、OH或-OR9中的任意一种；所述的R9为C1～C18直链或支链烷烃基或烯烃基中的任意一种。

[0011]

[0012]进一步，所述的苯基的结构通式(Ⅲ)为：

其中：R10、R11、R12、R13、R14均为H、C1～C18直链或支链烷基或烯烃基中的任意一种。[0014]本发明同时公开了一种如上所述的具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0015]1)将丙二酸二酯和烷氧基位阻胺哌啶醇加入到反应器中，丙二酸二酯和烷氧基位阻胺哌啶醇的摩尔比为1:0.20～4.0；加入催化剂A，催化剂A 的添加量为丙二酸二酯和烷氧基位阻胺哌啶醇总质量的0.01～10.0％，在 50～150℃的温度并常压下，反应4～24小时，得到酯交换产物A；

[0016]2)将步骤1)中得到的所述产物A与N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺加入到反应器中，产物A与N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺的摩尔比为1:1.0～10.0；加入催化剂B，催化剂B的添加量为所述产物A与 N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺总质量的0.01～5.0％；再加入有机溶剂，在30～150℃的温度并常压下，反应6～72小时，即得到所述具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂化合物；

[0017]

[0013]

所述的丙二酸二酯的结构通式(Ⅳ)为：所述的烷氧基位阻 胺哌啶醇

的结构通式(Ⅴ)为：其中，R15为H、苄基或苯基；R1为C1～C18直链烷基、支链烷

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基或环烷基；R3为H、C1～C18烷基或C1～ C18烯烃基中的任意一种。[0018]本发明所设计的具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，以丙二酸二酯、烷氧基位阻胺哌啶醇、N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺为原料，通过酯交换、位阻酚引入两个步骤，得到同时键合位烷氧基阻胺和位阻酚于分子上的多功能高分子材料稳定剂。[0019]本发明反应通式如下：

[0020]

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下的改进：

[0022]进一步，所述的步骤1)中，在加入催化剂A之前，往反应器中还加入反应溶剂，反应溶剂为C4～C12直链或支链烷烃、甲苯、二甲苯、四氢呋喃、 N,N-二甲基甲酰胺或甲基叔丁基醚的任意一种或数种组合。[0023]进一步，所述的步骤1)中，所述的催化剂A为金属氨化物、碱金属醇盐、碱金属氢氧化物、四丁基钛酸酯、四异丙基钛酸酯、二丁基氧化锡、碱性离子液体中的任意一种或数种组合。

[0024]进一步，所述的步骤2)中，所述的催化剂B为碱金属氨化物、碱金属醇盐或碱金属氢氧化物中、碱性离子液体的任意一种或数种组合。[0025]采用碱性催化剂，有利于制备过程中溶剂的回收利用。[0026]进一步，所述的步骤2)中，所述的有机溶剂为石油醚、环己烷、正庚烷、正辛烷、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、甲基叔丁基醚的任意一种或数种组合。[0027]本发明的优点在于：通过酯交换、位阻酚基团引入两个步骤，将烷氧基位阻胺和位阻酚两种官能团键合在一个分子上，使一种稳定剂同时具有抗氧化和光稳定的功能，使高分子材料的助剂添加过程简单化，添加一种助剂可以达到两种稳定效果；同时，引入烷氧基位阻胺基团提高了稳定剂在酸性环境的使用寿命，提高了稳定剂与可能分解出酸性物质的高分子材料在使用过程中的相容性。

[0021]

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具体实施方式

[0028]以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。[0029]实施例1

[0030]一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，结构式如下：

[0031]

其可通过如下步骤制备：[0033](1)向250毫升四口瓶中加入100ml正庚烷，丙二酸二甲酯3.31g， 1-丙氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇10.78g，3ml氢氧化-1-丁基-3-甲基咪唑 ([BMIM]OH)，升温回流反应，以分水器分出反应中生成的甲醇，TLC监控至反应完毕，停止反应。以50ml去离子水洗涤反应体系，得到的水相蒸除水后回收，减压蒸除溶剂后回收氢氧化-1-丁基-3-甲基咪唑循环使用。有机相蒸出回收正庚烷后，依次以石油醚、乙酸乙酯洗涤后干燥，得到丙二酸二(1-丙氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯10.94g，收率87.9％。[0034](2)向250毫升四口瓶中加入150ml正庚烷，N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺10.52g，丙二酸二(1-丙氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯9.96g，甲醇钠0.8克，90℃反应，TLC监控至反应完毕后，将反应体系蒸除溶剂，水洗，干燥，浓缩。以石油醚与异丙醇混合溶剂(体积比3:1)重结晶得到白色粉末状产品双[3,5-二叔丁基-4-羟基苯基]甲基丙二酸二(1-丙氧基-2,2,6,6- 四甲基-4-哌啶基)酯12.91g，收率69.1％。

[0035]1HNMR(500MHz,CDCl3),&ppm:7.01～7.04(s，4H),5.02(s,2H),4.02～3.96 (t,2H),3.61～3.74(m,4H),3.23～3.29(m,4H),1.94～1.78(m,8H),1.37(s,18H),1.31 (s,18H),1.25(s,12H),1.17(s,12H),0.96(t,6H)；MS(ESI):[M+1]945.71；[0036]核磁共振及质谱分析结果证明所得产物结构正确。[0037]实施例2

[0038]一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，结构式如下：

[0032]

[0039]

[0040][0041]

其可通过如下步骤制备：

(1)向250毫升四口瓶中加入正辛烷150ml，丙二酸二甲酯3.32g，1- 环己氧基-2,

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2,6,6-四甲基哌啶醇12.83g，5ml氢氧化-1-丁基-3-甲基咪唑 ([BMIM]OH)，升温回流反应,以分水器分出反应中生成的甲醇，TLC监控至反应完毕，停止反应。以50ml去离子水洗涤反应体系，得到的水相蒸除水后回收，减压蒸除溶剂后回收氢氧化-1-丁基-3-甲基咪唑循环使用。有机相蒸除正辛烷后，以少量乙醚多次洗涤后干燥，得到丙二酸二(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯12.17g，收率83.7％。[0042](2)向500毫升四口瓶中加入200ml二甲苯，N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺7.89g，丙二酸二(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯8.67g，甲醇钠0.6g，90℃反应，TLC监控至反应完毕后，将反应体系水洗，干燥，浓缩。以二甲苯与异丙醇混合溶剂(体积比4:1)重结晶得到白色粉末状产品，即制得双[3,5-二叔丁基-4-羟基苯基]甲基丙二酸二(1-环己氧基-2,2,6,6- 四甲基-4-哌啶基)酯10.02g，收率65.9％。

[0043]1HNMR(500MHz,CDCl3)，&ppm:7.01～7.04(s，4H),5.02(s,2H),4.03～3.94 (t,2H),3.52～3.44(m,4H),3.23～3.17(m,2H),1.47～1.39(m,20H),1.38(s,18H), 1.31(s,18H),1.23(s,12H),1.15(s,12H)；MS(ESI):[M+1]1015.75，[0044]核磁共振及质谱分析结果证明所得产物结构正确。[0045]实施例3

[0046]一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，结构式如下：

[0047]

其可通过如下步骤制备：[0049](1)向500毫升四口瓶中加入2-(4-甲氧基)苄基丙二酸二甲酯6.31g， 1-丙氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇10.77g，180ml正庚烷，0.5克甲醇钠，回流反应，TLC监控至苄基丙二酸二甲酯全部反应完毕，减压蒸除溶剂，水洗，干燥，柱层析后得到2-(4-甲氧基)苄基丙二酸二(1-丙氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶) 酯9.47g，收率61.3％。[0050](2)向500ml四口瓶中加入300mlN,N-二甲基甲酰胺，N-(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)二甲胺2.65g，2-(4-甲氧基)苄基丙二酸二(1-丙氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯6.18g，0.2g氨基锂，80℃反应12h后，将反应体系水洗，干燥，浓缩。以石油醚与二氯甲烷混合溶剂(体积比6:1)重结晶得到产品2-(4-甲氧基)苄基-2-[[3,5-二叔丁基-4-羟基]苄基]丙二酸二(1-丙氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯4.46g，收率53.4％。

[0051]1HNMR(500MHz,CDCl3),&ppm:7.01(d,2H),6.91(s,2H),6.72(s,2H), 4.02～3.96(t,2H),3.82(s,2H),3.61～3.74(m,4H),3.23～3.29(m,4H),1.92～1.80 (m,8H),1.55(s,4H),1.35(s,18H),1.27(s,12H),1.21(s,12H),0.97(t,6H)； MS(ESI):[M+1]651.3。[0052]核磁共振及质谱分析结果证明所得产物结构正确。[0053]实施例4

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[0048]

CN 111349041 A[0054]

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一种具有抗氧化功能的高分子材料光稳定剂，结构式如下：

[0055]

其可通过如下步骤制备：

[0057](1)向500毫升四口瓶中加入2-(4-甲氧基)苄基丙二酸二甲酯5.05g， 1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇10.22g，200ml正庚烷，0.5g四异丙基钛酸酯，回流反应，分水器分出生成的甲醇，TLC监控至全部反应完毕，减压蒸除溶剂，水洗、石油醚洗涤后，干燥得到2-(4-甲氧基)苄基丙二酸二(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯9.85g，收率70.4％。[0058](2)向500ml四口瓶中加入300mlN,N-二甲基甲酰胺，2-(4-甲氧基) 苄基丙二酸二(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯7.01g，N-(3,5-二叔丁基-4- 羟基苄基)二甲胺2.65g，0.3g氨基锂，75℃反应10h后，将反应体系蒸除溶剂后，水洗、干燥，柱色谱分离后得到固体粉末产品2-(4-甲氧基)苄基-2-[[3,5- 二叔丁基-4-羟基]苄基]丙二酸二(1-环己

氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶)酯5.28g，收率57.4％。

[0059]1HNMR(500MHz,CDCl3),&ppm:7.03(d,2H),6.94(s,2H),6.83(s,2H), 4.02～3.96(t,2H),3.82(s,2H),3.61～3.74(m,4H),3.23～3.29(m,4H),1.92～1.80 (m,8H),1.55(s,4H),1.45～1.37(m,20H),1.35(s,18H),1.24(s,12H),1.15(s,12H)； MS(ESI):[M+1]916.73；

[0060]核磁共振及质谱分析结果证明所得产物结构正确。[0061]化合物性能测试：[0062]以化合物1、2、3、4、分别代指实施例1、2、3、4所得产物，分别在 PE、PP试样中添加0.2％化合物1、2、3、4，并设置空白样品以及添加 Tinuvin144的PE、PP样品进行对比试验，其性能评价对比结果如下：[0063]1、氧化诱导期测试：按照GB/T17391—1998《聚乙烯管材与管件热稳定性试验方法》,在美国PerkinElmer公司Pyris1DSC差示扫描量热分析装置上进行，测试结果如下：

[0056]

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[0064]

[0065]

2、紫外灯老化测试：按照GB/T16422.1-2006操作标准开展，以功率 200W、波长范

荧光紫外灯光照24小时，测试结果如下：

围

[0066]

添加 PE断裂伸长保留率(％) PP断裂伸长保留率(％) 化合物1 51 45 化合物2 43 49 化合物3 34 37 化合物4 33 36 Tinuvin144 20 24

[0067]实验结果显示，本发明实施例中得到的化合物1、2、3、4均能使PE、 PP氧化诱导期明显延长，抗紫外光照老化作用也明显优于Tinuvin144；尤其是分子结构中包含双位阻酚与双烷氧基位阻胺的化合物1、2，在氧化诱导实验和紫外光照老化实验中效果尤佳。根据实验对比结果可知，本发明中所设计的化合物的位阻酚与烷氧基位阻胺基团表现出优良的正向协同效应，可以显著的提高高分子材料的抗氧化能力和光稳定性。[0068]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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