一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯的方法

摘要

本发明提供了一种制备N‑环己氧基‑4‑羟基‑2,2,6,6‑四甲基哌啶醇的方法，该方法将4‑羟基‑2,2,6,6‑四甲基哌啶氮氧自由基和环己烯进行烷基化反应，然后进行催化加氢反应。在此基础上，本发明进一步提供了以所述N‑环己氧基‑4‑羟基‑2,2,6,6‑四甲基哌啶醇为原料制备双(1‑环己氧基‑2,2,6,6‑四甲基哌啶‑4‑基)烷基二酸酯的方法。本发明提供的方法反应效率较高，产物的收率和纯度较高，且后处理简单、环保，对环境压力较小，处理废液成本较低。

说明书

技术领域

本发明属于有机合成技术领域，涉及一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯的方法。

背景技术

受阻胺光稳定剂770已经有近半个世纪的开发应用历史，作为受阻胺光稳定剂的代表性品种，受阻胺光稳定剂770具有不着色、低毒性、相容性和分散性好等特点，并且已经有很多应用实例进行了报道。但是在应用过程中发现受阻胺光稳定剂的耐酸性较弱，容易与酸性物质成盐析出，因此提高受阻胺类光稳定剂的耐酸性才能够进一步扩大其在高分子材料中的应用范围。

N-烷氧基受阻胺是近些年提出的新型受阻胺结构，已有研究表明N-烷氧基结构能够有效的降低受阻胺分子的碱性，能够提高受阻胺光稳定剂的耐酸性，从而能够提高受阻胺光稳定剂在酸性环境下的稳定性，有效的拓展了N-烷氧基受阻胺的应用范围，尤其是在农用塑料薄膜等环境下的应用。

在目前的工业化受阻胺光稳定剂中，由于化学结构和合成工艺均较为复杂，目前市面上N-烷氧基受阻胺品种较少。Schoening K U提出了一种通用的制备烷氧基化受阻胺的方法，利用TEMPO及其衍生物与烷基的醛类衍生物进行反应，使用氯化亚铜作催化剂，能够得到不同烷基取代基的受阻胺分子，虽然该方法的普适性较好，能够实现不同的烷氧基化，但是该方案的成本较高，且报道的转化率较低，约为62％，难以进行大规模的应用。Kai-Uwe Schoening,Walter Fischer,Stefan Hauck.Synthetic Studies on N-Alkoxyamines:A Mild and Broadly Applicable Route Starting from NitroxideRadicals and Aldehy[J].Journal of Organic Chemistry.2009,74,1567-1573公开的N-烷氧基受阻胺的合成反应式如下：

R

类似的，CN109705023A公开了一种双(1-烷氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的制备方法，以1-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇和癸二酸二甲酯为原料利用氢氧化锂和四丁基溴化铵作催化剂，经过酯交换反应制备得到目标化合物，收率为79.94％；但在提纯过程中，主要采用蒸馏的方法进行提纯，其原料1-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇沸点较高约330℃，并且有文献报道在200℃以上时，1-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇容易发生副反应，导致杂质进一步升高；并且在反应的过程中使用到的氢氧化锂毒性较大，增加了后处理压力。EP1644329A1公开了一种利用过氧化氢催化制备N-烷氧基受阻胺的方法，其利用二(1-烃氧基-2,2,6,6,-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯与环己烷反应生成双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯，收率较低，在43％左右。

因此，希望提供一种生产效率较高，后处理压力小，相对污染较小的N-烷氧基受阻胺的制备方法。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种环境友好、产物产率高且纯度高的制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法。

具体而言，本发明提供的制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法，包括如下步骤：

将4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(ZJ-701)和环己烯进行烷基化反应，然后进行催化加氢反应，得到N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇。

所述N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的结构为：

作为本发明的优选方案，所述烷基化反应使用的催化剂包括铜基催化剂，包括正一价铜基催化剂或正二价铜基催化剂。所述铜基催化剂可以是以离子键结合的铜基化合物，如CuCl，也可以是以配位键结合的铜基配位化合物，如2,2'-二联吡啶铜配合物(II)。

作为本发明的优选方案，所述烷基化反应还可以使用相转移催化剂，优选采用季铵盐类相转移催化剂，如苯甲基三乙基氯化铵、三辛基甲基氯化铵、四甲基溴化铵、四丙基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵、三乙基苄基溴化铵等。作为本发明的一种具体实施方式，所述相转移催化剂选用四丁基溴化铵。

作为本发明的优选方案，所述烷基化反应以过氧化氢作为过氧化试剂。本发明特异性的选择了过氧化氢作为过氧化试剂，可以降低反应温度，并且可以降低毒性，减小后处理的压力。

作为本发明的优选方案，所述烷基化反应以水或者水与乙醇的混合液作为溶剂，安全环保。

为了确保产物在具有较高的收率的同时保证原料的利用率较高，在本发明所述的制备方法中，优选环己烯相对于4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基过量。作为一种优选方案，所述4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基和环己烯的摩尔比为1:(1～4)。

为了更好地进行烷基化反应，本发明对烷基化反应的温度进行优化。具体而言：所述烷基化反应在常温下将4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基和环己烯搅拌反应，之后在冰水浴条件下缓慢滴加过氧化氢水溶液，滴加完毕后继续常温搅拌，再缓慢升温至35～45℃反应。

作为本发明的优选方案，所述方法还包括：所述烷基化反应结束后，将反应液用二氯甲烷萃取，收集有机相，用环己烷重结晶，过滤收集母液，除去溶剂后，得中间体；以所述中间体为原料进行所述催化加氢反应。进一步优选地，先将有机相依次使用饱和碳酸钠水溶液、水、饱和食盐水洗涤，再经过无水硫酸钠干燥后，再加入环己烷重结晶。

作为本发明的优选方案，所述催化加氢反应选用的催化剂为钯碳催化剂。优选地，所述催化加氢反应在温度40～80℃、加入1～3MPa H

本发明的第二目的是提供一种反应效率高、后处理简单环保的制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯的方法。

本发明提供的N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的制备方法产率较高，纯度较高，因此在该方法的基础上进一步制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯，有利于提高反应效率和目标产物的品质，简化了后处理的步骤，降低了工业化生产的总成本。

具体而言，本发明提供的制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯的方法，包括如下步骤：

(1)采用本发明所述方法制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇；

(2)将步骤(1)所得N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇和二元酸二甲酯进行酯交换反应，得到双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯。

本发明所述二元酸二甲酯是指：具有C2～C12烷基的二元羧酸的二甲酯，如乙二酸二甲酯、丁二酸二甲酯、癸二酸二甲酯等烷基二酸二酯。

作为本发明的优选方案，所述二元酸二甲酯为丁二酸二甲酯或癸二酸二甲酯，相应的，所得到的产物为双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)丁二酸酯或双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯。

所述双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯的结构为：

R可以为C1-C10的烷基，或，R可以不存在。

当R为C8时，为双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯，结构式如下：

作为本发明的优选方案，所述酯交换反应采用的催化剂选自钛酸酯类催化剂、氨基锂、氢氧化锂、有机锡类催化剂或甲醇钠，优选钛酸四异丙酯。相比于现有技术常用的氢氧化锂催化剂，采用钛酸酯类催化剂作为催化剂，具有毒性小，安全性较好，催化效率高等优点。进一步优选地，采用钛酸四异丙酯的催化效果最佳。

作为本发明的优选方案，所述酯交换反应还可以使用相转移催化剂，优选采用季铵盐类相转移催化剂，如苯甲基三乙基氯化铵、三辛基甲基氯化铵、四甲基溴化铵、四丙基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵、三乙基苄基溴化铵等。作为本发明的一种具体实施方式，所述相转移催化剂选用四丁基溴化铵。

作为本发明的优选方案，所述酯交换反应采用的溶剂为正庚烷。

作为本发明的优选方案，所述酯交换反应在油浴条件下进行回流反应。当回流至无甲醇分出时，作为反应终点。

作为本发明的优选方案，所述方法还包括：酯交换反应后，对反应液进行过滤，收集滤液，进行重结晶，即得双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯。所述重结晶优选包括：先浓缩，再加入石油醚进行重结晶。

与现有技术相比，本发明提供的制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法产率较高，纯度较高，原料毒性较小，对环境污染较小。在上述方法的基础上，制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯，可以提高反应效率以及目标产物的品质，后处理简单且环保，对环境压力较小，处理废液成本较低。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供一种制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法，具体为：

a.取5.00g(29.1mmol)ZJ-701加入到干燥的100mL二口圆底烧瓶，侧口装配温度计，在中间装配恒压滴液漏斗，加入30mL水作溶剂，50mg 2,2'-二联吡啶铜配合物(II)以及0.7g四丁基溴化铵(10wt％)做催化剂，加入9.56g(117mmol)的环己烯，在室温下搅拌20分钟，之后装配冰水浴，缓慢滴加10mL的30％的过氧化氢水溶液。在1h内滴加完毕后继续常温搅拌1h，缓慢升温至40℃，反应8h；TLC检测反应进行，反应结束后冷却到室温，将反应液使用20mL水溶液稀释使用二氯甲烷萃取分相，将有机相依次使用饱和碳酸钠水溶液、水、饱和食盐水洗涤；经过无水硫酸钠干燥后；使用环己烷重结晶过滤，将滤饼干燥回收，将母液真空除去溶剂，得到中间体，产量为6.28g，收率为85.44％。

b.取5.00g中间体加入到200mL高压釜中，加入100mg 5％Pd/C做催化剂，50mL甲醇做反应溶剂，使用氮气置换三次，使用氢气置换三次，并加压3MPa H

实施例2

本实施例提供一种制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法，具体为：

a.取5.00g(29.1mmol)ZJ-701加入到干燥的100mL三口圆底烧瓶，侧口装配温度计，在中间装配恒压滴液漏斗，加入50mL水作溶剂，50mg 2,2'-二联吡啶铜配合物(II)以及0.3g四丁基溴化铵(5wt％)做催化剂，加入2.39g(29.3mmol)的环己烯，在室温下搅拌20分钟，之后装配冰水浴，缓慢滴加5mL的30％的过氧化氢水溶液。在1h内滴加完毕后继续常温搅拌1h，缓慢升温至40℃，反应8h；TLC检测反应进行，反应结束后冷却到室温，将反应液使用20mL水溶液稀释使用二氯甲烷萃取分相，将有机相依次使用饱和碳酸钠水溶液、水、饱和食盐水洗涤；经过无水硫酸钠干燥后；使用环己烷重结晶过滤，将滤饼干燥回收，将母液真空除去溶剂，得到中间体，产量为4.57g，收率为70％。

b.取5.00g中间体加入到200mL高压釜中，加入150mg 5％Pd/C做催化剂，50mL甲醇做反应溶剂，关闭高压釜，使用氮气置换三次，使用氢气置换三次，并加压1MPa H

实施例3

本实施例提供一种制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法，具体为：

a.取5.00g(29.1mmol)ZJ-701加入到干燥的100mL三口圆底烧瓶，侧口装配温度计，在中间装配恒压滴液漏斗，加入30mL水和乙醇(4:1)作溶剂，50mg CuCl作催化剂，加入2.39g(29.3mmol)的环己烯，在室温下搅拌20分钟，之后装配冰水浴，缓慢滴加3.3mL的30％的过氧化氢水溶液；在1h内滴加完毕后继续常温搅拌1h，缓慢升温至40℃，反应10h；TLC检测反应进行，反应结束后冷却到室温，将反应液使用20mL水溶液稀释使用二氯甲烷萃取分相，将有机相依次使用饱和碳酸钠水溶液、水、饱和食盐水洗涤；经过无水硫酸钠干燥后；使用环己烷重结晶过滤，将滤饼干燥回收，将母液真空除去溶剂，得到中间体，产量为4.57g，收率为70％。

b.取5.00g中间体加入到200mL高压釜中，加入50mg 5％Pd/C做催化剂，50mL甲醇做反应溶剂，关闭高压釜，使用氮气置换三次，使用氢气置换三次，并加压1MPa H

实施例4

本实施例提供一种制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法，具体为：

a.取5.00g(29.1mmol)ZJ-701加入到干燥的100mL三口圆底烧瓶，左侧口装配温度计，在中间装配恒压滴液漏斗，加入30mL水和乙醇(1:1)作溶剂，50mg CuCl作催化剂，加入2.39g(29.3mmol)的环己烯，在室温下搅拌20分钟，之后装配冰水浴，缓慢滴加5mL的30％的过氧化氢水溶液。在1h内滴加完毕后继续常温搅拌1h，缓慢升温至40℃，反应8h；TLC检测反应进行，反应结束后冷却到室温，将反应液使用20mL水溶液稀释使用二氯甲烷萃取分相，将有机相依次使用饱和碳酸钠水溶液、水、饱和食盐水洗涤；经过无水硫酸钠干燥后；使用环己烷重结晶过滤，将滤饼干燥回收，将母液真空除去溶剂，得到中间体，产量为4.89g，收率为75％。

b.取5.00g中间体加入到200mL高压釜中，加入200mg 5％Pd/C做催化剂，50mL甲醇做反应溶剂，关闭高压釜，使用氮气置换三次，使用氢气置换三次，并加压3MPa H

实施例5

本实施例提供一种制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法。与实施例1相比，区别仅在于：将步骤a中的过氧化氢替换为叔丁基过氧化氢。

最终得到泡沫状白色固体5.10g，N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇含量为83％。

实施例6

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的方法，具体为：

向装配有分水器、冷凝器的干燥的150mL单口圆底烧瓶中加入5.00g(19.6mol)实施例1提供的N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇(泡沫状白色固体)、2.50g(9.8mmol)癸二酸二甲酯、0.35g钛酸四异丙酯(5wt％)、0.35g四丁基溴化铵(5wt％)和50mL正庚烷，磁力搅拌，使用油浴进行回流反应，回流至无甲醇分出，停止反应，将反应液使用水进行洗涤，之后过滤，将滤饼回收，滤液进行浓缩，使用石油醚进行重结晶，得到产物6.34g，产率85％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯含量为96％。

实施例7

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的方法，具体为：

向装配有分水器、冷凝器的干燥的150mL单口圆底烧瓶中加入5.00g(19.6mmol)实施例2提供的N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇(泡沫状白色固体)、2.50g(9.8mmol)癸二酸二甲酯、0.35g钛酸四异丙酯(5wt％)、0.35g四丁基溴化铵(5wt％)和50mL正庚烷，磁力搅拌，使用油浴进行回流反应，回流至无甲醇分出，停止反应，将反应液使用水进行洗涤，之后过滤，将滤饼回收，滤液进行浓缩，使用石油醚进行重结晶，得到产物6.86g，产率92％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯含量为98％。

实施例8

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的方法，具体为：

向装配有分水器、冷凝器的干燥的150mL单口圆底烧瓶中加入5.00g(19.6mmol)实施例3提供的N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇(泡沫状白色固体)、2.50g(9.8mmol)癸二酸二甲酯、0.35g钛酸四异丙酯(5wt％)和50mL正庚烷，磁力搅拌，使用油浴进行回流反应，回流至无甲醇分出，停止反应，将反应液使用水进行洗涤，之后过滤，将滤饼回收，滤液进行浓缩，使用石油醚进行重结晶，得到产物5.47g，产率73％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯含量为82％。

实施例9

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的方法，具体为：

向装配有分水器、冷凝器的干燥的150mL单口圆底烧瓶中加入5.00g(19.6mmol)实施例4提供的N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇(泡沫状白色固体)、2.50g(9.8mmol)癸二酸二甲酯、0.35g钛酸四异丙酯(5wt％)和50mL正庚烷，磁力搅拌，使用油浴进行回流反应，回流至无甲醇分出，停止反应，将反应液使用水进行洗涤，之后过滤，将滤饼回收，滤液进行浓缩，使用石油醚进行重结晶，得到产物5.09g，产率68％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯含量为80％。

实施例10

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的方法。与实施例6相比，区别仅在于：将钛酸四异丙酯替换为钛酸四丁酯。

最终得到产物4.83g，产率64％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯含量为78％。

实施例11

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的方法。与实施例6相比，区别仅在于：将钛酸四异丙酯替换为氢氧化锂。

最终得到产物4.32g，产率57％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯含量为73％。

实施例12

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯的方法。与实施例6相比，区别仅在于：在停止反应后的后处理步骤不同，本实施例的后处理步骤为：

将反应液降至室温后使用水洗涤，之后减压蒸出溶剂和未反应的原料，然后加入到甲醇中搅拌10min，静置，倾倒出上层液，按以上操作重复洗涤三次，随后蒸出溶剂的产品5.48g，产率73％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)癸二酸酯含量为90％。

实施例13

本实施例提供一种制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)丁二酸酯的方法，具体为：

向装配有分水器、冷凝器的干燥的150mL单口圆底烧瓶中加入5.00g(19.6mmol)实施例1提供的N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇(泡沫状白色固体)、1.43g(9.8mmol)丁二酸二甲酯、0.35g钛酸四异丙酯(5wt％)、0.35g四丁基溴化铵(5wt％)和50mL正庚烷，磁力搅拌，使用油浴进行回流反应，回流至无甲醇分出，停止反应，将反应液使用水进行洗涤，之后过滤，将滤饼回收，滤液进行浓缩，使用石油醚进行重结晶，得到产物5.52g，产率74％，其中双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)丁二酸酯含量为92％。

对比例1

本对比例提供一种制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法，具体为：

将0.25mol(43.1g)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基、3.24mol(273g)环己烷、400g无水乙醇、10.8g CuCl

由以上结果可知，本对比例提供的方法所得产物的纯度显著低于实施例1～4。

对比例2

本对比例提供一种制备N-环己氧基-4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶醇的方法，具体为：

将6.8g(39.5mmol)ZJ-701、25mL叔丁醇/水(体积比2:1)、39mg CuCl

虽然对比例2的纯度较高，但是后处理步骤过于复杂，导致收率较低，且能耗较高，成本较高。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的制备双(1-环己氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-基)烷基二酸酯的方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。