专利名称：2－噁唑啉－苯并噁嗪类化合物和其组合物及制备方法
技术领域：
本发明涉及一类含2-噁唑啉基团的新型苯并噁嗪中间体和组合物及其制备方法，更具体地说，本发明涉及以2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉、伯胺、甲醛或多聚甲醛制备的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，以及使用该类苯并噁嗪中间体与其他热固性树脂和/或填料通过混合或原位聚合而制备的组合物，以及它们的制备方法。
背景技术：
聚苯并噁嗪树脂是在传统的制备酚醛树脂方法基础上，通过伯胺、酚类和醛类进行成环反应得到的苯并噁嗪中间体，在加热(还可以使用催化剂)的条件下，苯并噁嗪开环聚合生成开环酚醛树脂，它是具有含氮且类似酚醛树脂网状结构的一类新型热固性树脂。
有关苯并噁嗪及其主要合成方法的背景技术可以参考本发明人在“含N-烯丙基的苯并噁嗪中间体和组合物及其制备方法”(中国专利申请号03146797.0)和“酚酞型苯并噁嗪中间体和组合物及其制备方法”(中国专利申请号200510087724.5)中所述的内容。在各种公开文献中，提出的制备苯并噁嗪类之间体的原料中醛为甲醛水溶液或多聚甲醛；酚为含酚羟基的化合物，包括单酚化合物、双酚化合物、三苯酚化合物、多官能苯酚、酚醛树脂、对羟基苯乙烯及其聚合物或共聚物，以及本发明人提出的酚酞。尚未见到使用2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉为酚源的报道。
2-噁唑啉是一种含有氮氧原子的五元杂环化合物，分子结构中含有一个双键。C.Stefano等人(C.Stefano，S.Dominique，J.Comb Chem，2005，7，688)研究发现，许多生物活性化合物结构中都含有2-噁唑啉结构，由于其独特的化学活性，因而日益受到研究者的重视。关于2-噁唑啉及其衍生化合物的专利也有很多，P.M.Samufl等人(P.M.Samufl，J.P.Willam，U.P.Charles，J.Polym.SciPolym chem.Ed.1975，13，1721)曾经总结了有关2-噁唑啉体系在丙烯酸涂料(U.S.Patent2,831,858(1958)、2,897,182(1959))、高光泽涂料(U.S.Patent 3,348,958(1967))、纺织纤维调节剂(German Patent 1,048,862(1959))、医药品(British Patent 957，297(1964))和粘合剂助剂(German Patent 1,287,039(1969))等方面的应用。由于其特有的结构，它可以和带有羧酸、酸酐、醛、环氧、胺、羟基等官能团的化合物反应。George等人(P.K.George，A.P.Eleni，J.Appl.Polym.Sci，2000，77，2206)将2-噁唑啉类化合物用做PET、尼龙-6等扩链剂，取得了很好的效果。Kimura等人(H.Kimura，A.Matsumoto，K.Hasegawa，A.Fukuda，J.Appl.Polym.Sci.1999，72，1551)研究显示，将双噁唑啉加入双酚A苯并噁嗪体系中，能降低体系的熔融粘度，同时体系中的酚羟基引发噁唑啉环阳离子开环反应。余鼎声等人(Q，Chen，R.W.Xu，J.Zhang，D.S.Yu，Macromol.Rapid.Commun，2005，26，1878)将双噁唑啉与苯并噁嗪、POSS类化合物共混制备三组分纳米复合材料，结果显示双噁唑啉化合物能增进体系的相容性，得到均匀分散的共混复合材料。从现在对2-噁唑啉化合物的研究来看，由于其独特的化学结构和化学反应活性，其在化学领域和高分子材料领域的研究将日益丰富和完善，其应用领域也必将日益扩展。
综合以往的资料，至今尚未看到关于2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体相关的任何报道。此外，由于此类型的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体含有2-噁唑啉结构片段，因而具有相当好的溶解性能，不仅能溶解其他类型苯并噁嗪，与很多其他的热固性树脂和一些填料也有很好的相容性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种成本相对低廉，合成、后处理方法简单，且固化物具有较高耐热性能和较好韧性的一种全新结构的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体及其制备方法；依据分子结构中2-噁唑啉结构片断的良好溶解性和反应活性，提出将此类型苯并噁嗪中间体作为一种组分，和其他热固性树脂和/或填料制备均匀分散体系。这是一类不仅具有良好的可固化性和加工性能，且它们的固化物具有优异的耐高温性能，并且保持了苯并噁嗪类树脂固有的优异力学性能、阻燃性能、尺寸稳定性、和介电性能的新型热固性树脂，可以用作复合材料基体树脂、复合材料预浸料、绝缘材料、电子封装材料、密封材料、互穿网络材料、粘合剂、涂料等，此类中间体具有2-噁唑啉类化合物的特征，具有良好的反应活性，必将开拓苯并噁嗪体系和2-噁唑啉体系的应用范围。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体包含以下结构单元 式中，R碳原子数6～20的芳香烃，碳原子数3～20的脂环烃、碳原子数1～20的脂肪烃、碳原子数2～20的不饱和脂肪烃、呋喃基甲基。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体的制备方法，将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉、伯胺和醛用溶液合成法制备2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体；酚是2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉，酚羟基、胺基、醛基官能团的摩尔比为1∶(1～1.2)∶(2～2.4)。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，采用本领域技术人员熟知的溶液法将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉、伯胺化合物、醛(甲醛水溶液或多聚甲醛)按摩尔比1∶(1～1.2)∶(2～2.4)(注摩尔比为酚羟基、胺基、醛基官能团的摩尔比)定量，先将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉和伯胺化合物分散于溶剂中，混合均匀后，再分次加入醛，并升温90℃反应2～10小时后结束反应；1N的NaOH水溶液洗涤、去离子水洗涤后，将所得溶液浓缩后，脱除残余的溶剂而得到2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体。
本发明所采用的酚类化合物为2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉。
本发明采用的伯胺化合物包括包括碳原子数6～20的芳香伯胺，例如苯胺、对甲基苯胺、间甲基苯胺、邻甲基苯胺、对乙基苯胺、对壬基苯胺；碳原子数3～20的脂环烃胺，例如环丙胺、环丁胺、环戊胺、环己胺、环辛胺；碳原子数1～20的脂肪胺，例如甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、戊胺、己胺、辛胺、癸胺、十二胺、十六胺、十八胺；碳原子数2～20的不饱和脂肪烃胺、例如烯丙基胺；以及呋喃基甲胺等各种伯胺化合物。
本发明所采用的醛类为本领域技术人员所熟知的甲醛水溶液或多聚甲醛。
本发明采用的溶剂包括四氢呋喃、二氧六环、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二甲基乙酰胺(DMA)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)或甲苯等为本领域技术人员熟知的溶剂。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，其制备方法是将伯胺与多聚甲醛反应制备1，3，5-三取代基-六氢-1，3，5-三嗪(简称三嗪)，再将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉、三嗪和(多聚)甲醛以3∶(1～1.2)∶(3～3.4)的摩尔比用溶液的方法在90℃左右反应2～10小时制备得到相应的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体。
伯胺(例如苯胺、甲胺、乙胺、环己胺等)首先与多聚甲醛反应制备1，3，5-三取代基(例如苯基、甲基、乙基、环己基)-六氢-1，3，5-三嗪(简称三嗪)，再将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉、三嗪和(多聚)甲醛以3∶(1～1.2)∶(3～3.4)的摩尔比用溶液的方法在90℃左右反应2～10h制备得到相应的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂混合得到组合物，其他热固性树脂包括N-烷基苯并噁嗪中间体、N-苯基苯并噁嗪中间体、N-脂环基苯并噁嗪中间体、N-烯丙基的苯并噁嗪中间体、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、氰酸酯树脂、热固性聚酰亚胺、芳基乙炔树脂或呋喃树脂中的至少一种；2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂的重量比为1∶(0.1～9)。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与填料混合或原位聚合得到的组合物，填料包括下列两类(1)无机填料有机改性粘土，纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙；云母粉、石棉、二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、玻璃纤维或/和碳纤维；(2)有机填料聚合物纤维、交联粉末橡胶胶粉、木粉；2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与填料的重量比例为100份∶0.5～50份。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)类化合物纳米复合材料，所述POSS包括可以与苯并噁嗪和/或2-噁唑啉反应的POSS，例如八胺基苯基倍半硅氧烷(OAPS)、含环氧基团的POSS、含苯并噁嗪的POSS等；POSS化合物的重量含量0.5～5％。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体/POSS复合材料的制备方法是，采用溶剂的方法将2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体和POSS类化合物溶解在溶剂中，得到均一体系后常温低压蒸出溶剂，将得到共混物干燥固化得到POSS的纳米复合材料。
本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体的组合物还包括2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂或/和填料混合或原位聚合得到的组合物。
本发明提出的POSS纳米复合材料是用2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与POSS类化合物在溶剂中均匀共混，得到均一的共混物，然后将共混物分段固化得到其纳米复合材料。此纳米杂化材料在加入很少量的POSS(1-2wt％)下，能使基体树脂的玻璃化转变温度有明显的提高(八胺基POSS为例，加入2wt％的量，玻璃化转变温度提高20℃左右。)本发明提出的组合物，是采用2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂和/或填料通过混合或原位聚合而得到的组合物。2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂具有很好的相容性，与部分填料也可以形成分散均匀的体系。
本发明用2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂构成组合物，其方法是采用2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂通过机械混合、溶液混合或熔融混合等本领域技术人员公知的混合方法而得到组合物，其中其他热固性树脂包括N-烯丙基苯并噁嗪中间体、N-烷基苯并噁嗪中间体、N-苯基苯并噁嗪中间体、N-脂环基苯并噁嗪中间体、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、氰酸酯树脂或热固性聚酰亚胺等均是本领域技术人员熟知的热固性树脂及其组合物。本发明提供的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体自身固化物具有很高的Tg(例如p-(2-噁唑啉)-3-苯基-3，4-二氢-2H-1，3-苯并噁嗪(POB)为277℃，DMTA测试损耗因子数据)，与其他热固性树脂混合制备组合物，相对于采用普通苯并噁嗪中间体制备的组合物而言，具有较高的玻璃化转变温度，可以改善所得组合物的固化物的耐热性能。
本发明用2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与填料构成的组合物，本发明采用的无机填料和或有机填料是本领域技术人员熟知的填料，它们可以单独使用，也可以混合使用；2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体为100份，填料为0.5～50份。本领域技术人员可以根据填料种类、用途确定。
本发明提供2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体具有很好的溶解性，它几乎能够溶于任何有机溶剂，甚至能溶于水中，尤其酸性或碱性水溶液对其有很大的溶解性。2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂和/或填料形成的组合物，据其结构和/或配比的不同，其状态为液体或固体；得到的组合物一律分散均匀，而且，部分组合物是均一、透明的粘稠液体。2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体的组合物也易溶解于溶剂，例如丙酮、乙醇、四氢呋喃、二氯甲烷、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、DMF、DMSO等。因此本发明提出的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体及其组合物可适用于本领域技术人员熟知的各种热固性树脂的加工工艺和复合材料的成型工艺。例如涂布工艺，浸渍工艺，拉挤工艺，也可采用旋转模塑成型工艺(RTM)等；制备复合材料使用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维等本领域技术人员熟知的各种纤维，以及碳纳米管、纳米无机填料(如纳米二氧化钛、有机改性粘土等)等纳米增强填料；所得制品或复合材料的耐热性、阻燃性得到明显改善。
具体实施方法实施例1采用溶液的方法，以三嗪为反应原料，制备p-(2-噁唑啉)-3-苯基-3，4-二氢-2H-1，3-苯并噁嗪，简写为POB，其结构如下所示 室温下将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉溶于DMF中，以3∶1∶3的摩尔比依次加入1，3，5-三苯基-六氢-1，3，5-三嗪和多聚甲醛。搅拌均匀后升温到90℃，反应2小时后减压蒸馏出部分DMF，冷却静置，得到浅黄色半透明粘稠体。室温下将适量的去离子水加入得到的产品中，搅拌后加入适量的乙醚，搅拌均匀后静置，稳定后取出上层淡黄色透明溶液，碱洗水洗后，减压蒸馏出乙醚，将得到的产品放入真空烘箱中45℃真空干燥24小时，得到浅黄色透明的粘稠体。称量、计算产率为78.3％。得到的产品为2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，其中含有少量的二聚体化合物，如果用甲醇进一步沉淀处理，将得到100％纯度的POB单体，为白色晶体。
随后对其进行固化，固化分段温度与时间在120℃下1小时，在180℃下1小时，在220℃下40分钟，在240℃下20分钟，即得到固化物；经热分析测定，其玻璃化转变温度(Tg)达到277℃(用DMTA测试损耗因子数据)。
实施例2采用溶液的方法制备p-(2-噁唑啉)-3-烯丙基-3，4-二氢-2H-1，3-苯并噁嗪，简写为POAB，其结构如下所示
室温下将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉溶于DMF中，以1∶1∶2的摩尔比依次加入烯丙基胺和多聚甲醛。搅拌均匀后升温到90℃，反应2小时后减压蒸馏出部分DMF，冷却静置，得到浅黄色半透明粘稠体。室温下将适量的去离子水加入得到的产品中，搅拌后加入适量的乙醚，搅拌均匀后静置，稳定后取出上层淡黄色透明溶液，碱洗水洗后，减压蒸馏出乙醚，将得到的产品放入真空烘箱中45℃真空干燥24小时，得到浅黄色透明的粘稠体。称量、计算产率为73％。
实施例3采用溶液的方法制备p-(2-噁唑啉)-3-呋喃基-3，4-二氢-2H-1，3-苯并噁嗪，简写为POFB，其结构如下所示 方法与实例2相同，不同是烯丙基胺换做呋喃胺，最后得到淡黄色粘稠体，产率69.7％。
实施例4采用溶液的方法制备p-(2-噁唑啉)-3-甲基-3，4-二氢-2H-1，3-苯并噁嗪，简写为POMB，其结构如下所示 方法与实例2相同，不同是烯丙基胺换做甲胺，最后得到淡黄色粘稠体，产率71％。
实施例5采用溶液的方法制备p-(2-噁唑啉)-3-环己基-3，4-二氢-2H-1，3-苯并噁嗪，简写为POHB，其结构如下所示 方法与实例2相同，不同是烯丙基胺换做环己胺，最后得到淡黄色粘稠体，产率63％。
实施例6采用溶液的方法将八胺基POSS与POB共混，溶剂选用丙酮或者四氢呋喃。首先将定量的POB溶解在溶剂中，然后按1wt％的POSS含量加入八胺基POSS到溶液中，混合均匀后减压除去溶剂得到浅褐色透明粘稠体，在真空烘箱中45℃下干燥一天。得到的产品分段固化即制备得到POSS的纳米复合材料。分段固化按照在120℃下1小时，在180℃下1小时，在220℃下40分钟，在240℃下20分钟进行。此复合材料的玻璃化转变温度为291℃(DMTA测试损耗因子数据)。
实施例7按照实施例6的方法制备POB/POSS复合材料，不同是POSS的加入量为2wt％，复合材料的玻璃化转变温度为296℃(DMTA测试损耗因子数据)。
实施例8按照实施例6的方法制备POB/POSS复合材料，不同是POSS的加入量为5wt％，复合材料的玻璃化转变温度为262℃(DMTA测试损耗因子数据)。
实施例9按照实施例6的方法制备POB/POSS复合材料，不同是POSS的加入量为0.5wt％，复合材料的玻璃化转变温度为264℃(DMTA测试损耗因子数据)。
实施例10用溶液的方法可以将POB和双酚A苯胺型苯并噁嗪以任意比共混得到两者的共混材料，两者相容性好，除去溶剂后采用分段固化的方法制备复合材料，得到深褐色透明固体树脂。摩尔比1∶1的复合材料的玻璃化转变温度为226℃(DMTA测试损耗因子数据)实施例11用溶液的方法可以将POB和双酚A苯胺型苯并噁嗪以任意比共混得到两者的共混材料，两者相容性好，除去溶剂后采用分段固化的方法制备复合材料，得到深褐色透明固体树脂。摩尔比1∶9的复合材料的玻璃化转变温度为187℃(DMTA测试损耗因子数据)实施例12用溶液的方法可以将POB和双酚A苯胺型苯并噁嗪以任意比共混得到两者的共混材料，两者相容性好，除去溶剂后采用分段固化的方法制备复合材料，得到深褐色透明固体树脂。摩尔比9∶1的复合材料的玻璃化转变温度为265℃(DMTA测试损耗因子数据)
权利要求
1.2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，其特征是中间体含有以下结构片段 R-碳原子数6～20的芳香烃，碳原子数3～20的脂环烃、碳原子数1～20的脂肪烃、碳原子数2～20的不饱和脂肪烃、呋喃基甲基
2.根据权利要求1所述的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，其制备方法是将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉、伯胺和醛用溶液合成法制备2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，其特征在于酚是2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉，酚羟基、胺基、醛基官能团的摩尔比为1∶(1～1.2)∶(2～2.4)。
3.根据权利要求1所述的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体，其制备方法是将伯胺与多聚甲醛反应制备1，3，5-三取代基-六氢-1，3，5-三嗪(简称三嗪)，再将2-(对羟基苯基)-2-噁唑啉、三嗪和(多聚)甲醛以3∶(1～1.2)∶(3～3.4)的摩尔比用溶液的方法在90℃左右反应2～10小时制备得到相应的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体。
4.根据权利要求1所述的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂和/或填料混合制备的组合物，其特征在于其他热固性树脂包括苯并噁嗪类中间体、噁唑啉类化合物、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、氰酸酯树脂、热固性聚酰亚胺、芳基乙炔树脂或呋喃树脂中的至少一种；2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与其他热固性树脂的重量比为1∶(0.1～9)。
5.根据权利要求1所述的2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)制备的复合物，其特征在于2-噁唑啉-苯并噁嗪类中间体与POSS类化合物采用溶液的方法共混复合制备纳米复合材料，所述POSS包括可以与苯并噁嗪和/或2-噁唑啉反应的POSS，其中POSS的重量含量0.5～5％。
全文摘要
本发明涉及一类含2－噁唑啉基团的苯并噁嗪中间体和组合物及其制备方法，该类苯并噁嗪中间体是利用2－(对羟基苯基)－2－噁唑啉、伯胺、甲醛或多聚甲醛制备的2－噁唑啉－苯并噁嗪类中间体；相关组合物是使用该类苯并噁嗪与其他热固性树脂单体或填料(如胺基苯基多面体倍半硅氧烷等)通过机械混合或原位聚合而制备的组合物。该类2－噁唑啉－苯并噁嗪类中间体及其组合物具有优良的综合性能。
文档编号C07D265/00GK1944429SQ200610114118
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月30日 优先权日2006年10月30日
发明者余鼎声, 徐日炜, 曹宏伟 申请人:北京化工大学