制备噻吨酮和其衍生物的方法 【发明领域】
概括地说，本发明涉及制备适合用作聚合引发剂的化合物的方法，更具体地说，涉及制备适合在光诱导聚合反应中用作光引发剂的化合物的方法。
技术背景
噻吨酮和其衍生物被认为是药物和精细化学品制备领域有用的中间体。该化合物也可用作暴露于辐射之下即固化或交联的不饱和化合物的光致聚合的光引发剂或活化剂，而这些化合物反过来又适用于生产光致固化的表面涂料油墨。市售可得到的适用作光引发剂的噻吨酮衍生物的例子包括：2-氯噻吨酮(CTX)及2-和4-异丙基噻吨酮(ITX)的混和物。通常，噻吨酮和其衍生物是在浓硫酸的介质中，通过硫代水杨酸(TSA)或二硫代水杨酸(DTSA)和未取代的或相应的取代的芳香化合物(如枯烯或氯苯)的取代和环化来制备的。参见，例如：有机化学杂志(J.O.C.第24卷第1914-1916页(1959年)；美国化学会志(J.A.C.S.)74卷，4296-4309页(1952年)；化学会志(英国)(J.C.S.)97卷，197页；化学会志(英国)(J.C.S.)97卷，1290-1299页；化学会志(英国)(J.C.S.)1911卷，640-649页，1353-1358页，2046-2051页和化学会志(英国)(J.C.S.)1910卷，1290-1299页。
已知的制备噻吨酮和其衍生物，包括异丙基噻吨酮的技术并不完全令人满意。这些方法导致目标产物的收率低或者最后形成地混合物难以通过惯用技术分离副产物。除了低的分离收率外，通常使用大量浓硫酸和随后的分离步骤中用水稀释或用碱中和以游离出产物。很难处理如此大量的硫酸，并且也很难回收和再利用(而且成本很高)所消耗的酸。而且由于洗涤和干燥步骤很困难而且耗时，使得将噻吨酮产物从高酸性介质中过滤出来极慢，这些过程的复杂性，反过来又可不利地影响产品的质量和成本。
曾尝试解决低收率和分离技术复杂的问题。然而，这些尝试结果都导致得到具有所不希望的深色的低质量产品。因为噻吨酮和其衍生物在紫外固化工业上广泛地被用作光引发剂。所得产物应当优选具有很浅的黄色至白色，并且只包含最少量或不含有有机或无机的不溶物。
而且，在紫外固化工业上有利的光引发剂是易溶于可光致聚合体系中的，它典型地为液体。然而，按照传统技术所制备的噻吨酮衍生物，尤其是ITX，在有机溶剂和可光致聚合体系中典型地为溶解度较低的晶体或粉末状固体。然而，溶解该化合物或制成其分散体将增加生产步骤，增加劳动成本，并且生成在持续的搅拌时问和加热过程中可意外聚合的不稳定溶液。
本发明的目的和概述
因此，本发明的目的是提供一种制备噻吨酮和其衍生物的方法，该方法可增加所希望的产物的分离收率。
本发明的另一个目的是提供一种制备噻吨酮和其衍生物的方法，该方法可改善所想要的产物的质量，使其含有最少量或不含有残余的有机的或无机的副产物并且具有所想要的颜色。
本发明的又一目的是提供一种制备噻吨酮和其衍生物的方法，该方法不需要长的反应时间和复杂的反应流程即能实现增加收率和/或改善产品质量。
本发明的再一目的是提供一种制备噻吨酮和其衍生物的方法，由该方法所得到的产品可易溶于聚合反应体系中。
从下面的本发明概括的和详细的描述中可以明显看出本发明的这些和其它目的。本发明的目的是通过制备噻吨酮和其衍生物的方法来实现的，其中，将式(Ⅰ)的化合物其中，R独立地选自氢、卤素、C1至C10烷基、C6-C10芳基、C7至C24烷基芳基和C1-C10烷氧基，并且n为1-4，与硫代水杨酸(TSA)或二硫代水杨酸(DTSA)在硫酸的存在下反应。优选R为C1-C4烷基、更优选为异丙基并且n为1。
本反应的结果得到一反应混和物，它包括作为其成份的具有式(Ⅱ)的噻吨酮或其衍生物：其中，式(Ⅱ)的R和n和上述式(Ⅰ)所定义的每一个均相同，即式(Ⅰ)的R和式(Ⅱ)的R是相同的部分，并且在式(Ⅰ)和式(Ⅱ)中的n也是相同的。例如：如果式(Ⅰ)的R为异丙基并且n为1，即式(Ⅰ)的化合物为枯烯，则反应混和物中包含式(Ⅱ)的化合物(作为其成份)，其中R也是异丙基并且Ⅱ为1。
反应混和物除了式(Ⅱ)的所想要的噻吨酮产物外还包含副产物。例如：反应混和物可包含有所消耗的硫酸和硫酸与式(Ⅰ)的芳香化合物的产物以及其它的含硫化合物副产物。所得到的反应混和物大体上可被描述为粘稠的、糖浆红色至黑色溶液。它的深色很大一部分归结于各种含硫副产物的存在。
为了从反应混和物中回收或纯化式(Ⅱ)的噻吨酮产物，用合适的有机溶剂将噻吨酮产物从反应混和物中萃取出来。反应混和物还有利地处理以便稀释可回收或处理的残余硫酸和其它酸副产物。
然后蒸馏有机萃取产物。本发明者已经发现，与常识相反，在低压条件下，通过蒸馏有机萃取产物可回收上述式(Ⅱ)的化合物。具体地说，在压力不大于约25托的条件下，通过蒸馏可回收式(Ⅱ)的化合物。蒸馏的温度范围可高至约300℃，并优选温度范围为约215-250℃。如本领域技术人员已知的，转膜蒸馏器、分子蒸馏器或其它的停留时间较短的蒸馏设备可以在较高的压力和温度下操作。
这是没有预料到的，因为这些类型的化合物具有相对较高的分子量，在本领域中被视为具有极低的蒸气压。由于其极低的蒸气压，这些化合物被认为是基本上不挥发的。确实，仔细查阅文献，可以发现1145种噻吨酮化合物，其中报道了沸点的只有两种。这样，人们预计这些化合物在高温下将会分解，并且根本不会预期这些化合物会能被蒸馏，更不用说蒸馏会是回收或纯化该化合物的一种有效技术。确实，据报道这些化合物中的许多在它们的熔点温度下即分解。
经过蒸馏回收以后，噻吨酮化合物可通过结晶进一步加以纯化。具体地说，将回收的噻吨酮化合物与有机溶剂一起形成溶液，并将该溶液置于足够的条件下使噻吨酮化合物结晶。
在本发明的方法中，制备噻吨酮和其衍生物的分离收率可以高至约75％和更高。反应时间可较短，所得到的产物含有极少量的或不含有残余的有机的或无机的副产物，并且具有所希望的颜色，颜色范围从很浅的黄色到偏白色。而且，所回收的产物可易溶于聚合介质中。
本发明还提供了可光致聚合的组合物，其中包含如上所述制备的式(Ⅱ)的化合物，以及应用这种组合物的方法。优选实施方案的详细描述
在本发明方法中，噻吨酮和其衍生物是通过将式(Ⅰ)的化合物其中，R独立地选自氢、卤素、C1-C10烷基、C6-C10芳基、C7-C24烷基芳基和C1-C10烷氧基并且n为1-4，与硫代水杨酸(TSA)或二硫代水杨酸(DTSA)、优选DTSA，在酸优选硫酸的存在下、反应从而有效地取代和关环来制备的。优选R为C1-4烷基，更优选为异丙基并且n为1。
所采用的硫酸的量优选为每份(重量)DTSA或TSA使用约1至约20份(重量)的硫酸。DTSA和式(Ⅰ)的芳香化合物的摩尔比范围为约1∶2至约1∶10,TSA和式(Ⅰ)的芳香化合物的摩尔比范围为约1∶1至约1∶5。硫酸的浓度优选大于约98％。
典型地，将反应试剂加料到反应区并搅拌足够长的时间以确保反应完全。在反应试剂的加料过程中反应温度范围典型地为约15～25℃并且在反应过程中可升至约40～90℃。反应进行约0.5～3小时后可将反应混和物冷却。
所得到的反应混和物包括式(Ⅱ)的化合物组分，其中，R同上述定义。可用本发明方法制备的反合物的具体例子包括(但不仅限于此)：噻吨酮、2-和4-异丙基噻吨酮、2-氯噻吨酮、2-溴噻吨酮、2-甲基噻吨酮、2-苯基噻吨酮、2-苄基噻吨酮、2-乙酰基噻吨酮等。本发明方法尤其适用于制备烷基取代的噻吨酮，包括2-和4-异丙基噻吨酮。
所得到的反应混和物中除了所想要的噻吨酮化合物外还包括副产物。副产物可包括废硫酸、硫酸与式(Ⅰ)的芳香化合物的产物(例如枯烯磺酸，其中R为异丙基)以及其它含硫化合物副产物。所得到的反应混和物通常可被描述成为一种粘稠的、糖浆似的红至黑色溶液，它的深色很大一部分归结于各种含硫化合物的存在。
反应混和物可有利地处理以便稀释残余硫酸和副产物，然后可用常用的技术将其有效地从反应混和物中除去和处理。优选向反应混和物中加入足够量的水以改善噻吨酮产物的提取性。然而，所加入的水量又不能太多以至于使所想要的噻吨酮产物开始沉淀。优选向反应混和物中加入足够量的水以便将酸成份稀释至浓度为约50-70％。
然后，将反应混和物萃取到一合适的有机溶剂中，典型地有烃，如甲苯、苯、二甲苯、枯烯、庚烷、辛烷、石脑油、氯仿、二氯甲烷等。包含有稀释的硫酸和酸的副产物的水相可通过(例如)滗析除去。
该有机萃取的产物仍就可含有残余的硫酸和副产物。有利地是，用合适的碱性试剂，如氨、碱金属和碱土金属的氢氧化物(氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁等)等中和有机萃取产物。除去所得到的废水层。可进一步用水(优选)洗涤有机萃取产物以除去任何残余的副产物，并蒸发除去有机溶剂。
随后，在有效地回收或纯化所想要的式(Ⅱ)的噻吨酮化合物的条件下蒸馏所述有机萃取产物。有机产物优选在压力小于大气压、更优选不大于约25托、最优选约5～10托的条件下进行蒸馏。蒸馏的温度范围可高至约300℃，并且优选范围为约215-250℃。例如，回收异丙基噻吨酮，产物可在约230-250℃的液体温度、约5～10托的压力和约为215～235℃的蒸气温度范围的条件下进行蒸馏。
回收得到的包含噻吨酮化合物的馏出液可通过刨片(flaking)、喷雾干燥或本领域已知的其它方法来进行结晶。包含有噻吨酮化合物的回收馏出液可通过将其溶于一合适的溶剂中来进行结晶。随后将该溶液置于足够的条件(优选冷却溶液)下使其形成结晶噻吨酮化合物并过滤得到的晶体。溶剂的例子包括醚、羧酸酯(如乙酸乙酯)、酮、醇(甲醇、乙醇)、腈(如乙腈)和其混和物。优选的溶剂为具有1-8个碳原子、优选1-4个碳原子、最优选为甲醇的低级链烷醇。
分离得到的噻吨酮化合物的收率可高达75％和更高，并且其基本不含有不溶物而且产品质量要远远超过目前任何市售的产品的质量。
本发明的噻吨酮化合物适合用作光引发剂而作为可光致聚合组合物的一种成分。正如这里所应用的一样，并且将会被本领域技术人员所意识到。术语“可光致聚合组合物”是指暴露于辐射即变硬或固化的组合物。
通常可光致聚合的组合物包括烯属不饱和化合物，它包括单体、低聚物、聚合物、预聚物、树脂材料，它们可选地分散或溶解于合适的可与其共聚的溶剂中，及其混和物。当其暴露于紫外(UV)辐射源时，可以光致聚合。本领域的技术人员将会了解到，可光致聚合的化合物可以是单管能团的或每分子可包含两个或更多的末端可聚合的烯属不饱和基。
可光致聚合化合物或前体的例子包括(但不仅限于此)活性乙烯基单体，包括丙烯酸类单体如丙烯酸和甲基丙烯酸以及它们的酰胺、酯、盐和相应的腈。合适的乙烯基单体包括(但不限于此)：丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正或叔丁基酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异丁酯；相应的羟基丙烯酸酯，即丙烯酸羟乙基酯、丙烯酸羟丙基酯、甲基丙烯酸羟基乙基己酯；二醇的丙烯酸酯，即二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸六亚甲基二醇酯；丙烯酸烯丙酯，即甲基丙烯酸烯丙酯、甲基丙烯酸二烯丙酯；环氧丙烯酸酯，即甲基丙烯酸缩水甘油酯；以及氨基塑料丙烯酸酯，即蜜胺丙烯酸酯。其它的如乙酸乙烯酯、乙烯基和亚乙烯基卤化物和酰胺(即甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺)、丁二烯、苯乙烯、乙烯基甲苯等也包括在内。预聚物包括丙烯酸化的环氧化物、聚酯和聚亚胺酯，并且通常和合适的单体结合在一起以调节粘度。可光致聚合化合物可以聚合成均聚物或与各种其它单体一起共聚。
根据本发明制备的噻吨酮的另一个优点在于其易溶于合适的介质或载体中而制备可光致聚合组合物。这是与常规的噻吨酮光引发剂(包括常用的ITX)相反，它是很难溶解的。可光致聚合组合物中的光引发剂的量要足够多使得一旦暴露于紫外辐射即可引发其中的可光致聚合的化合物的聚合。优选地，组合物包含约0.2-10％(重量)的光引发剂和约99.8-90％(重量)可光致聚合化合物，两种含量都是基于组合物的总重量来表示的。
作为组合物的一种成份，还可有利地包含助引发剂或增效剂，即用作氢原子给体的分子。本领域公知的助引发剂或增效剂典型地是与杂原子相邻的碳原子上连有氢的醇、叔胺或醚。基于组合物的总重量，这种助引发剂典型的存在的量为约0.2～约25％(重量)。合适的化合物包括三乙醇胺、甲基-二乙醇胺(MDEA)、乙基二乙醇胺和二甲氨基苯甲酸酯。这些化合物作为基本光引发剂的助引发剂或加速剂可以增加聚合过程的效率和速率。
另外，可光致聚合的组合物可包含聚合抑制剂、填料、紫外吸收剂和有机过氧化物。
可光致聚合的组合物可通过惯用的技术和设备应用到或沉积到基材的表面上。组合物可以涂布成基本连续的膜或者也可以涂布成不连续的方式。通常本发明的组合物在通常的操作温度(在室温和高至约60℃)下为流体。
所沉积的组合物的厚度可以变化，它取决于得到的固化产物所希望的厚度。有利地，应用到基材表面的组合物的量足够多以得到厚度为约1微米至5密耳的固化涂层。
典型地，将未固化的可光致聚合组合物涂到基材上，并通过以预定速度移动的传送带使其在紫外辐射(假定为光束)下通过。被涂的基材可以是(例如)金属、木材、矿物、玻璃、纸张、塑料、织物、陶瓷等。
本发明所使用的活化能量光束可以是可见光或紫外光或在其光谱中同时包含有可见和紫外光。通过采用本领域已知的任何提供紫外辐射的技术用紫外光辐照组合物使聚合反应得到活化。所述的紫外辐射，也就是范围为240nm～420nm的紫外辐射。辐射可以是自然的或人工的、单色的或复合的、不相干的或相干的，并且应具有足够的强度来活化本发明的光引发剂，并因此活化聚合反应。常用的辐射源包括荧光灯、汞、金属添加剂(metal additive)和弧光灯。相干光源是激发辐射落在或覆盖本发明化合物的紫外或可见吸收带的脉冲的氮、氙、氩离子和电离的氖激光。
本发明组合通过暴露于紫外辐射而聚合得到一种基本上不粘的产品，而且经耐普通的处理。该组合物适用于光致聚合领域已知的任何类型的应用，包括作为固体粘合剂生成色漆、清漆、瓷漆、亮油、着色剂或油墨性质的固化产物。本发明组合物尤其适用于印刷工艺(例如平板印刷、丝网印刷等)中的可光致聚合的表面涂层的生产。
本发明将通过下述非限制性的实施例加以进一步说明。
实施例1
异丙基噻吨酮(ITX)的制备
在室温下将浓硫酸(139g)、DTSA(10g)和枯烯(31.7g)加料到反应器中，然后搅拌0.5小时。加入水(30g)和甲苯(60g)并滗析去硫酸层。
中和甲苯产物层。滗析去水层并用水将甲苯层再洗一次。
在减压条件下蒸去甲苯，并且残余物(粗品异丙基噻吨酮)在约5托的压力和沸点约231-240℃下减压蒸馏。
将熔融的蒸馏产物溶于甲醇中，冷却、过滤并干燥。分析回收得到的ITX产物(10.1g)的含量大于99.0％，并且溶于甲苯形成10％的溶液时没有不溶物，1％的甲苯溶液的加纳尔色值小于1。堆积密度小于0.5g/cc，熔程为67-72℃。
以甲醇作为溶剂尤其有利，可以无限制重复使用。这种重复使用是可行的，因为蒸馏所得到的ITX并不留下杂质在甲醇中。通常在杂质积累到不能接受的含量水平之前，母液只可重复使用有限次。甲醇的重复使用可以降低成本，并且还能增加收率，因为后续各批所加入的甲醇已经被ITX所饱和，所以对于后续各批的结晶操作来说，得到的收率为100％。
实施例2
本发明的ITX的溶解性
将如上述实施例1所述的ITX的溶解速率和各种市售的噻吨酮光引发剂所表现出来的溶解速率进行衡量和比较。溶解速率的测定
在20ml的管瓶中精确称取200-400mg的引发剂。然再精确称取约10g的二丙烯酸三丙二醇酯到该管瓶中。向瓶中放入搅拌磁棒并用磁性搅拌机搅拌该溶液。记录引发剂完全溶解所需的时间。以单位时间内所溶解的引发剂的量来计算平均溶解速率
表1列出了在两种不同含量、即2和4％(在大部分实际操作中的典型浓度)下，这些引发剂溶解速率的结果比较。
表1
噻吨酮引发剂的溶解速率 引发剂 ％平均溶解速率(克/分钟) ％平均溶解速率 (克/分钟) ITX 本发明 2.0 25.2 4.0 44.8 ITX 比较 2.0 16.8 4.0 28.81-氯-4-丙氧基噻吨酮 (“CPTX”) 2 10.1 4 4.92,4-二乙基噻吨酮 (“DETX”) 2.0 11.1 4.0 16.3
表1显示，根据本发明所制备的ITX的溶解速率要优于通过常用方法制备得到的ITX，并且优于其它市售的噻吨酮，而且这种差异在较高浓度下更为显著。
所以，根据本发明制备得到的ITX具有比对照的噻吨酮溶解快的优点。
实施例3
固化特性的比较
以下还研究了根据本发明制备得到的ITX的固化特性，以确定制备方法对固化特征的影响(如果有的话)。根据本发明制备的ITX和市售的ITX的固化特性比较如下。a．光差示扫描量热法
Photo DSC是一种在相同的条件下比较引发剂效率的快速和常规的分析工具。根据本发明制备的和市售的ITX的Photo DSC分析，结果显示这两种引发剂具有同样的效率。b．固化速率测量和摆测硬度
除了Photo DSC外，还比较了在实际组合物中这两种引发剂的性能。固化速率和摆测硬度的结果如表2所示
表2
ITX(本发明)和ITX(比较)的固化特征的比较 涂料的颜色 引发剂 固化速率 (ft./min.) 摆测硬度 (s) 蓝 ITX，本发明 180.0 31.0 ITX，比较 190.0 34.0 红 ITX，本发明 250.0 29.0 ITX，比较 240.0 29.0 黄 ITX，本发明 120.0 18.0 ITX，比较 120.0 15.0
表2的数据说明，两种引发剂得到相似的固化速率和摆测硬度值，表明了它们的效率是相当的。
实施例4
泛黄度指数测量
由于噻吨酮有将黄色传递给涂料的趋势，通常认为噻吨酮不适合用于固化白色涂料。然而，根据本发明制备的ITX的颜色较浅，因而促使了其在固化白色涂料中的应用研究。泛黄度指数测量
泛黄度纸数(YI)的测量是通过用Datacolor International Microflash的200D型号分光光度计来进行的。对于每一组合物方来说，涂有白色涂料的纸板都在尽可能最大的固化速率下进行固化并测量YI。在三个点各作一次测量，并记录其平均值作为YI。
结果如表3所示。
表3
本发明的ITX在白色涂料中的固化速率和泛黄度指数 光引发剂固化速率(ft./min.)泛黄度指数DEAP+ITX(对比)+MDEA 70 4.9DEAP+ITX(本发明)+MDEA 60.0 4.5注：DEAP为2,2-二乙氧基苯乙酮
表3的数据显示，包含有根据本发明制备的ITX的组合物的固化速率稍微小于包含有根据常用方法制备的ITX的组合物的固化速率。然而，包含有根据本发明制备的ITX的涂料的泛黄程度小于包含有由常用方法制备的ITX的涂料。
选择使用本发明的ITX作为白色涂料中的光引发剂之一可取决于具体应用的需要。
实施例5
本发明的ITX和市售的ITX的比较
将根据本发明制备的和目前市售的以及用常规技术制备得到的ITX(指定为下面的A、B和C)的各种性质进行评价和比较。
结果如下面表4所示
表4
用不同方法制备的噻吨酮的质量比较质量参数 A B C 发明外观 黄色粉末 暗黄色粉末 浅黄色粉末 偏白色熔程 66-73℃ 高至72 ℃ 50-76 ℃ 67-72鉴定 95％-100％ 96-103％ ＞98％ 99.2-99.8％5-10％的甲苯 透明/清澈 基本透明 透明/清澈 透明溶液中的透明度上述溶液的加 9最大 9最大 5-7 1-2纳尔颜色指数 (5％甲苯) (5％甲苯) (1％甲苯) (5％甲苯)干燥损失 0.5最大 0.5最大 ＜0.1 ＜0.1硫酸灰 ＜0.2％ ND
上述实施例表明，本发明方法生产的ITX具有很浅的颜色。另外，本发明的ITX的溶解速率要大于按照其它技术所生产的ITX以及其它的噻吨酮引发剂的溶解速率。结果使得与使用ITX作为光引发剂有关的缺点中的两点基本上减少为最小或基本消除。Photo DSC分析和固化速率的结果显示本发明的ITX的效率并未因为其生产方法的改进而受到影响。由于通过本发明的ITX所传递的泛黄度非常浅，因此它在单独用于白色涂料或和其它的光引发剂一起结合使用方面具有很大的潜力。
前述的实施例只是用于解释本发明的，不应理解为对本发明的限制。本发明通过下面的权利要求书及其等同替换来加以限定。