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新型氮-磷-硅有机无机共聚物的制备及其表征

2023-04-01 来源:步旅网
第39卷第5期 2017年9月 湖北大学学报(自然科学版) Journal of Hubei University(Natural Science) V01.39 No.5 September,2017 文章编号:1000—2375(2017)05—0500—06 新型氮.磷.硅有机无机共聚物的制备及其表征 张旺,宋文朋,林涛,卢翠芬,杨桂春,陈祖兴 (湖北大学化学化工学院,湖北武汉430062) 摘要:以对氨基苯酚和对羟基苯甲醛为原料,得到亚胺化合物;将产物与9,10.二氢_9一氧杂一10一磷杂菲一10一氧化物 (DOPO)反应后进一步与溴丙炔反应得到一种氮磷化合物;最后,氮磷化合物与双层倍半硅氧烷在karstedt催化剂的作用 下进行硅氢加成反应得到新型的磷一氮 硅有机无机共聚物,该聚合物易溶于常用溶剂如四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷等 溶剂中.通过核磁‘H、 si以及凝胶色谱法对该共聚物的结构进行表征,与其结构相吻合,经热重分析,该共聚物具有很 好的热稳定性. 关键词:双层倍半硅氧烷;DOPO;硅氢加成反应;共聚物;表征 中图分类号:0631.3 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1000—2375.2017.05.012 Prepared and characterization of novel organic and inorganic phosphorus-nitrogen-silicon copolymer ZHANG Wang,SONG Wenpeng,LIN Tao,LU Cuifen,YANG Guichun,CHEN Zuxin (College of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China) Abstract:The imine compound was prepared by using p-aminophenol and p-hydroxybenzaldehyde.Then imine compound reacted with 9,10・dihydro-9-oxa一10一ph0sphaphenanthrene-10一oxide(DOPO),followed by reaction with propargyl bromide to get the compound containing nitrogen and phosphorus.Finally,in the presence of karstedt catalyst,the hydrosilylation reaction between nitrogen—phosphorus compound and double— decker silsesquioxane was carried out to obtain a novel organic and inorganic phosphorus,nitrogen and silicon copolymer which could be easily dissolved in common solvents such as tetrahydrofuran,ethyl acetate and dichloromethane.The copolymer was characterized by( H, Si)NMR and gel permeation chromatography. The spectral analysis data was consistent with the structure of the copolymer.Moreover,the thermal stability of the copolymer was also studied by thermogravimetric analysis(TGA)and the results indicated that the copolymer had good thermal stability. Key words:double-decker silsesquioxane;DOPO;hydrosilylation;copolymer;characterization 0 引言 9,10一二氢-9.氧杂.10.磷杂菲.10氧化物(DOPO)及其衍生物是一类环境友好型高效阻燃剂,具有高 的热稳定性和抗氧化性,被广泛应用于高分子材料以改善其阻燃性和热稳定性….但DOPO及其衍生物 熔点高,很难溶于高分子聚合物中 .有机硅化合物具有良好的热稳定性和抗氧化性而被用作高分子材 料的改性剂 .多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一类新型的有机.无机杂化材料,由无机的si一0连接 而成的笼型结构,有机官能团通过共价键与si原子连接,可以是一个或者多个反应型官能团….近年 收稿日期:2016—12—10 基金项目:湖北省科技支撑计划(2015BCA243)资助 作者简介:张旺(1990一),男,硕士生;杨桂春,通信作者,教授,E—mail:yangguichun@hubu.edu.cn 第5期 张旺,等:新型氮.磷 硅有机无机共聚物的制备及其表征 501 来,POSS以及含POSS的有机.无机纳米复合物由于其有机与无机组份的协同作用,将其加入高分子材 料中,不仅可以提高材料的阻燃性,而且也可以显著改善材料的机械性能[5.7] 基于阻燃剂中磷、氮、硅元素的协同阻燃效应[8].我们以对氨基苯酚和对羟基苯甲醛为原料.得到含 氮的亚胺化合物1,并与DOPO反应得到化合物2,随后将该化合物与溴丙炔反应,得到氮磷化合物3,化 合物3与含硅氢的双层倍半硅氧烷4在karstedt催化剂作用下得到一类含磷.氮一硅的有机无机共聚物5 (Scheme 1和Scheme 2),并对其结构进行表征. HO 、 NH2+HO 、 CHO l ∞ N< 秘 ∞ 一I 一THF∞ 舯Q DO  ̄P'O m ;i = 壶 Q 嚣 。 3 OpO OMe Meo—s二ph \ bM ̄ 异丙醇 ’ 竺± H l薹 e一戳 ——————— 兰乙胺 一IO--S ̄ 4 Scheme 1化合物3和4的合成 。器。 3  ̄ o-o.o|O/ G 醺 嚣 旗 4 5 scheme 2化合物5的合成路线 1 实验部分 1.1仪器及试剂 1.1.1仪器核磁共振仪:Varian Unity Inova( H在600 MHz, C在150 MHz,29Si and。 P NMR在 79.5 MHz),以氘代(DMs0.d6,CDC13)为溶剂,TMS为内标;质谱仪:Agilent 126045224 LC-MS TOF或 湖北大学学报(自然科学版) 第39卷 Agilent LC/MSD TOF(DHB为基质,DCM做溶剂);热重分析仪(TGA):US Perkin Elmer Diamond TG/ DTA(air.20%/min);熔点仪:(X-6,北京泰克仪器有限公司). 1.1.2试剂karstedt催化剂(2%的二甲苯溶液,sigma.aldrich),苯基三甲氧基硅烷(98%,百灵威试 剂),溴丙炔.对氨基苯酚,对羟基苯甲醛,甲基二氯硅烷均为阿拉丁试剂和分析纯. 1.2实验步骤 1.2.1 化合物1的合成将对氨基苯酚(6.54 g,60 mmo1),对羟基苯甲醛(7.7 g,62 mmo1),无水硫酸 镁以及乙醇(120 mL)加入三颈瓶中,氮气保护下,70℃反应4 h.反应完,减压去溶剂及乙腈重结晶,真空 干燥得到淡黄色粉末化合物1(11.29 g,产率:88.3%).mp:202.6~204.5℃(文献203~2o5℃)L9j). H NMR(DMSO.d ):10.01(s,1H,一0H),9.38(s,1H,一0H),8.43(s,1H,一CH—N一),7.73~ 6.78(8H,苯环上的氢).B C NMR(DMSO—d6):160.08,156.85,155.66,143.22,130.13,127.91, 122.12,115.63,115.56.LC—MS:m/z[M+H] :214.090 8. 1.2.2化合物2的合成将化合物1(10 g,46.89 mmo]),DOPO(20.26 g,93.79 mmo|)以及THF(90 mL) 加人三颈瓶中.氮气保护,60℃反应12 h,过滤并用冰THF洗涤真空干燥得到白色固体化合物2(13.69 g, 产率:68%).mp:162.1~163.5℃. H NMR(DMSO—d6):9.40(s,1H,一0H),8.44(s,1H,一OH), 8.19~6.39(16H,苯环上的氢),5.98(d,1H,一CHNH一),4.79(q,1H,一CHNH一). 1.2.3 化合物3的合成将化合物2(11 g,25.62 mmo1),无水K2cO3(17.70 g,128.08 mmo])以及无水 DMF(110 mL)分别加入到反应瓶中,室温搅拌6 h,随后加入溴丙炔(1O.90 g,90.12 mmo|),在60 cC下 反应20 h.反应完后减压去溶剂,将得到的黄色固体溶于乙酸乙酯,并用盐水(50 mL×3)洗涤,有机相 无水硫酸镁干燥,过滤、浓缩得到粗产物,经柱分离得到灰色固体化合物3(6.73 g,产率:52%).mp: 159.6~160.1 cc. H NMR(CDC13):3.43[S,1H,一NHPhOcH2c三三三cH],3.56[S,1H,一CHPhOCH2C cH],4.53[s,2H,mNHPhOCH2C三CH],4.77[s,2H,一cH PhOCH2 C CH],4.96[m,1H, 一CHPh0CH,C三CH],6.38[1TI,1H。mNHPHOCH,C三三三CH],6.61(s,4H),6.90~8.19(16H,苯 (--NHPhOCH2C三三三CH一),75.99(mCHPhOCH2C三CH),77.67(一CHNH一),78.75(一NHPh0CH2C 环上的氢);”C NMR(CDC1 ):56.14一NHPh0 CH2C三CH),56.88(mCHPhOCH2C三CH),75.51 三三三CH),79.28(--NHPhOCH2 C三CH).。 P NMR(DMSO—d6):6=31.78,LC—MS.m/z[M+Na] : 528.125 0. 1.2.4化合物4的合成在三颈瓶中依次加人去离子H,O(2.22 g,123 mmo1),NaOH(2.83 g,70 mmo1)以及异丙醇(120 mL),搅拌,将苯基三甲氧基硅烷(21.24 g,107 mmo|)滴加到反应体系中,滴加 完后回流4 h,冷却至室温并搅拌70 h,过滤得到白色固体即为Na O Si。(C6H ) (14.9 g,96.3%);然 后,将该白色固体(14.9 g,12.89 reoo1),三乙胺(7.2 mL,51.57 mmo1)以及无水THF(130 mL)加入三 t颈瓶中,氮气保护,将甲基二氯硅烷(5.93 g,51.57 mmo])溶于THF(9 mL)中,在冰浴条件下滴加,滴加 完后,0℃下反应4 h后室温反应20 h.过滤,减压蒸馏得到白色固体,用石油醚重结晶并真空干燥得到 的白色化合物4(5.4 g,产率42%). H NMR(CDC13):0.37(d,6H,CH3一Si),4.98(d,2H,si—H), 7.12__7.54(In,40H,苯环上的氢); Si NMR(CDC13):一32.72,一77.66,一78.91,一79.09 and 一79.29.MALDI.TOF.MS:m/z[M+Na] :1 176.1 Da. 1.2.5共聚物5的合成 在三颈瓶中加入化合物4(2 g,1.74 mmo]),化合物3(0.885 g,1.74 mmo]),无水THF(90 mL),氮气保护下加入72 uL karstedt催化剂,搅拌30 min后,60℃反应36 h,减压 蒸馏出去溶剂,柱分离得到灰色固体共聚物6(2.45 g,产率:85%). H NMR(CDC1 ):0.41(3H, CH3 si一),0.48(3H,CH3 si一),4.46(2H,一CH2O一),4.56(2H,一CH20一),4.61(1H, CHNH一),5.69~5.92(4H,一CH—CH一),6.22(1H,一CHNH一),6.35~8.02(约96H,苯环 j二的氢); Si NMR(CDCI ):一31.40,一77.66 and一78.70. 2结果与讨论 化合物④的氢谱和硅谱如图1、图2所示,从图1中可以看到甲基、硅氢以及苯环氢的化学位移分别 第5期 ,等:新型氮一磷.硅有机无机共聚物的制备及其表征 503 为0.37,4.98,7.12~7.54,三者氢的个数比为3:1:20,这与其化学结构相符.图2是化合物4的硅谱 图,一32.72归属于与甲基相连的硅原子,一77.66以及一79.29则归属于另外两个硅环境的化学位移: 值得注意的是从-77到一79的共振信号出现了裂分,化学位移在一32.72,一77.66以及一79.09归属 于化合物4的反式结构,而一32.72,一77.66,一78.91以及一79.29在属于化合物4的顺式结构. Hsi |l3C 穗 娶釜萋曩妻 曼 暑 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.5一I 图1化合物4的核磁共振氢谱图 —7.6.5-77.5-78.5—79.5 b 0 —5一lO—l5—20-25-30-35-_40-45-50-55-60-65-70-75-80-85-90-95一lOO 艿 图2化合物4的核磁共振硅谱图 图3是共聚物5的核磁共振氢谱图,从图中可以看出,随着化合物3与化合物4发生聚合,与硅原 子相连的甲基质子出现了两个信号峰,分别为0.48以及0.41.与氧原子相连的亚甲基质子也表现类似 的结果,这可能是由于随着聚合物的分子链的形成后对氢核产生屏蔽效应.从而导致了峰的裂分.在 4.61,6.22,6.35~8.02分别归属于与氮原子相连的亚甲基质子、叔胺以及苯环上的质子;4.98(si— H)信号峰消失,以及出现新的信号峰4.46(一c O一),4.56(CH,O一),5.69~5.92(一cH— cH一)说明了硅氢化反应成功;从图3可看出,化合物3与化合物4发生 加成的信号峰很弱,说明硅 氢加成主要发生的是 加成方式.图4是共聚物5的硅谱图,从图中可以看到,随着硅氢加成反应,化合 物4中与氢原子相连的硅核的化学位移从一32.72变化到一31.40.而一78.70以及一77.66化学位移 基本没变,进一步说明硅氢加成反应成功,该聚合物易溶于常用溶剂如四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷等 溶剂中. 对该共聚物进行了分子量(GPC)的测试,图5为共聚物5的GPC曲线,其分子量在14 000 Da左 右,粘度系数(MJM )在2.5左右,从GPC可以看出该共聚物的分子量不是很高,这可能是由于化合物 湖北大学学报(自然科学版) 第39卷 ,势 八 弗睾簸 r。...__厂。m. 1 器 梦 届 。 ≤9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 图3共聚物5的核磁共振氢谱图 。 一 ~ 上 一 穗; 40 30 20 10 0 —lO—-20—-30—-40—-50..60..70 .80 .90..100..110 120 .130 图4共聚物5的核磁共振硅谱图 10 12 14 l6 l8 2O 22 24 26 28 3O 32 34 T ̄tention time/min 图5共聚物5的GPC曲线 3与化合物4发生硅氢加成反应时空间位阻比较大的原因. H, Si以及GPC的结果表明,新型氮.磷.硅 第5期 张旺,等:新型氮.磷.硅有机无机共聚物的制备及其表征 505 有机无机共聚物已经成功得到.图6是共聚物5在空气中的TGA曲线,从该曲线中可以看出,该共聚物 在354 ̄C n ̄5%,最大分解温度为581 oC,700 oC时的残炭量高达64.57%,具有很好的热稳定性. .石 儡 若l霉np譬。 图6共聚物5的TGA曲线 3 结论 以对氨基苯酚和对羟基苯甲醛为原料,得到亚胺化合物,与DOPO反应后再进一步与溴丙炔反应得 到一类氮磷化合物;最后在karstedt催化剂的作用下,与双层倍半硅氧烷(POSS)经硅氢加成反应得到一 类含磷.氮一硅的有机无机共聚物,产率85%;经 H、凹si以及质谱确定目标产物的分子结构的正确性: GPC结果表明该共聚物的分子量达到14 000 Da;TGA曲线表明该共聚物在354℃时分解5%,最大分 解温度为581 oC,700℃时的残炭量高达64.57%;该共聚物分子结构中含有磷、氮和硅元素,具有很高 的热稳定性,有利于保护环境。具有较好的应用前景. 4参考文献 [1]Zhong H F,Wei P,Jiang P K,et a1.Synthesis and characteristics of a novel silicon-containing lfame ret ardant and its application in poly[2,2-propane一(bispheno1)carbonate]/acrylonitrile butadiene styrene[J].J Polym Sci,Part B:Polym Phys,2007,45(13):1542—1551. [2]Chao P,Li Y,Gu X,et 1a.Novel phosphorus・nitrogen—silicon lfame retardants and their application in eycloaliphatic epoxy systems[J].Polym Chem,2015,6(15):2977-2985. [3]Singh H,Jain A K.Ignition,combustion,toxicity and ifre retardancy of polyurethane foams:A comprehe—nsive review[J]. J Appl Polym Sci,2009,111(2):1115-1143. [4]Wang L,Zheng S,Wei K,et a1.Organic—inorganic polyurethanes with 3,1 3一dihydroxy propyloctaphenyl d-ouble—decker silsesquioxane chain extender[J].Polym Chem,2013,4(5):1491—1501. [5]Zhang W,He X,Song T,et a1.Comparison of intumescence mechanism and blowing—out effect in flame—retarded epoxy resins[J].Polym Degrad Stab,2015,112:43-51. [6]Zhang W,Li X,Yang R J,et a1.Blowing-out effect in epoxy composites lfame retarded by DOPO・POSS and its correlation wiht amide curing agents[J].Polym Degrad Stab,2012,97(8):1314—1324. [7]caIja I D,Serbezeanu D,Vlad-Bubulac T,et a1.A straightforward,eeo—friendly and cost-effective approach towards lfame retardant epoxy resins[J].J Mater Chem A,2014,2(38):16230-16241. [8]Jinag P,Gu X Y,Zhang S,et a1.Flammability and thermal degradation of poly(1actic acid)/polycarbonate alloys contianing a phosphazene deirvative and trisilnaollsobutyl POSS[J].Polymer,2015,79:221-231. [9]Cheng L X,Tang J J,Luo H,et a1.Antioxidant and antiproliferative activities of hydroxyl・substituted Sch if bases[J]. Bioorg Med Chem Lett,2010,20(8):2417-2420. (责任编辑胡小洋) 

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