新型含磷阻燃劑DOPO的合成研究

管仲達 黃紅英 姚漢清

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

0 前言

9，10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物，簡稱DOPO，分子式：C12H9PO2，CAS號：35948-25-5，分子量：216.2，熔點：117℃～121℃，為白色片狀或粉末狀固體，是新一代綠色環保的反應型含磷阻燃劑，是符合RoHS指令的新產品。由Saito于1972年首先合成［1］。DOPO作為近年來國外開發的無鹵環保型阻燃劑新品種，目前其合成與應用在國內已經引起廣泛的關注。DOPO分子結構中含有聯苯環和菲環結構，比一般的、未成環的有機磷酸酯熱穩定性和化學穩定性要高，阻燃性能更好。DOPO及其衍生物合成的阻燃劑具有高效、無鹵、少煙、低毒、不遷移，阻燃性能持久等特點。DOPO能與對苯醌、馬來酸、衣康酸、甲醛等反應生成一系列含磷阻燃劑，可用于線性聚酯［2］、環氧樹脂［3］、聚酰胺、雙馬來酰亞胺、聚氨酯等多種高分子材料的阻燃。它們在提高高分子材料的阻燃性、熱穩定性、耐水性和有機溶解性的同時，保持了其良好的物理機械性能。因此DOPO的市場和應用前景廣闊。

1 實驗部分

1.1 原料及規格

鄰苯基苯酚，工業一級品；三氯化磷，分析純；無水氯化鋅，化學純；甲苯，分析純；氯苯，分析純；乙醇，分析純；四氫呋喃，分析純。

1.2 主要儀器設備

加熱與控制系統；磁力攪拌器；低溫冷卻液循環泵；旋片式機械真空泵；電子天平；WRS-1A數字熔點儀：日本島津公司LC-10AT VP液相色譜儀；美國Varian公司INOVA-400核磁共振儀（溶劑：DMSO-d6，內標：TMS）。

1.3 DOPO的合成原理

DOPO的合成包括（1）鄰苯基苯酚（OPP）與三氯化磷（PCl3）的酯化反應。（2）2-苯基-苯氧基亞磷酰二氯在催化劑作用下分子內的付克?；磻?。（3）6-氯-（6H）-二苯并-（c，e）（1，2）-磷雜菲（CDOP）的開環水解反應。（4）2’-羥基聯苯基-2-次磷酸（HPPA）分子內脫水酯化成環反應。

化學反應方程式如下：

1.4 合成方法

在一裝有磁力攪拌器、溫度計、回流冷凝管及HCl氣體吸收裝置的250mL三口燒瓶內加入34g（0.2mol）OPP，0.2g無水ZnCl2，33.0g（0.24mol）PCl3，緩緩加熱，當溫度升到30℃左右，OPP溶解。開啟攪拌，當溫度達40℃～50℃時，有HCl氣體放出，當溫度達60℃～70℃時，回流產生。待溫度升至110℃～120℃時，又有大量的HCl氣體放出，回流加快。待溫度升至150℃時，HCl氣體減少，回流減少。繼續加溫到180℃～220℃，直到HCl氣體不再放出時，繼續保溫2h，得到一棕黃色粘稠液體。之后停止加熱，慢慢冷卻反應液至80℃～100℃，加入60mL甲苯，常壓蒸除PCl3，然后向其中再慢慢滴加40mL蒸餾水水解，在回流下恒溫反應3h，冷卻后得到淡黃色固體，抽濾洗滌干燥得HPPA白色晶狀固體。

將HPPA加熱至完全熔化，再緩慢升溫真空脫水，得到DOPO粗品。用四氫呋喃重結晶，得到純DOPO白色粉末狀固體，測定熔點，核磁共振氫譜和純度。

圖1 DOPO的1H-NMR譜圖

DOPO1H-NMR數據如下：δ=8.885（s，1H，P-H）；δ=7.367～8.244（m，8H，ph-H）?；瘜W位移及積分面積說明有9個氫原子處于不同的位置上，與DOPO分子中的氫原子相符。

2 結果與討論

2.1 三氯化磷與鄰苯基苯酚摩爾比（nPCl3/nOPP）對DOPO產率的影響

從化學平衡和成本控制角度看，增大三氯化磷與鄰苯基苯酚摩爾比（npcl3/nOPP）有利于提高產率，降低成本。由于產生的HCl氣體會帶走少量的PCl3，因此PCl3適當過量有利于反應進行完全，但過量太多會導致副反應。我們通過實驗發現，隨著npcl3/nOPP的提高，水解產物底部有棕紅色粘稠的液體生成，這可能產生了分子間?；狈磻?。我們采用0.6％ZnCl2，相同的反應終止溫度（200℃）和合成方式，考察了不同的npcl3/nOPP對DOPO產率的影響。結果如表一所示。

表1 nPCl3/nOPP對DOPO產率的影響

由表1可以看出，DOPO產率先隨npcl3/nOPP的增大而提高，但當npcl3/nOPP＞1.3時，DOPO產率下降。合適的npcl3/nOPP在1.1～1.2之間，優選1.2。

2.2 反應終止溫度對DOPO產率的影響

CDOP的合成，文獻報導?；瘻囟茸罴芽刂圃?00℃～220℃，溫度太低，傅克反應進行過慢或反應不完全。從本實驗反應現象看，傅克反應溫度應在120℃以上。我們采用0.6％ZnCl2、npcl3/nOPP=1.2和相同的合成方式，分別考察了反應終止溫度在160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃下對DOPO產率的影響。結果如表2所示。

表2 反應溫度對DOPO產率的影響

可見，反應溫度低于160℃時，DOPO產率較低。隨著反應溫度的提高，DOPO的產率提高，但當200℃以上時，副產物含量逐漸增加，顏色變深，這可能由于OPP在高溫下易氧化的緣故。通過對不同反應溫度的比較，我們認為反應溫度在180℃，不僅反應速度快，而且副反應少，產率高，是合成CDOP的最佳反應溫度。

2.3 CDOP的后處理

國外專利、文獻對合成的CDOP提純有采用高溫高真空下的減壓蒸餾法［4-5］的；有在高溫下快速過濾的；有加溶劑趁熱過濾的；有采用合適的有機溶劑如正己烷、四氫呋喃［1-3］重結晶的。高真空減壓蒸餾法能耗高、對反應設備要求高，工業化存在較大困難。我們通過實驗發現CDOP過于粘稠，過濾并不容易。我們采用不提純直接將CDOP水解制備HPPA的方法，簡化了合成工藝。

2.4 CDOP水解方式對HPPA收率的影響

CDOP水解合成HPPA，主要有堿液水解法［1，3］、直接水解法、冰解法、醇類輔助水解法、溶劑水解法［6-8］等。研究初期一般采用堿液水解法，但該法pH值不易控制，鈉鹽不能全部轉化為HPPA，產率不高。2000年以后，研究者傾向于溶劑水解法。該法安全性較好，收率較高，而且簡便易行，易工業化，成本較低。

我們分別采用氯苯、甲苯、乙醇分別與過量水一起水解，發現效果都較好。水解方式對HPPA收率的影響結果如表3。

表3 水解方式對HPPA收率的影響

氯苯、甲苯分別與水一起水解的方法，HPPA的收率高，但結晶物易結塊。采用乙醇與水一起水解的方法結晶物疏松，但由于HPPA易溶于乙醇，HPPA的收率比用甲苯和氯苯的降低7％以上。鑒于氯苯在熱水中性質不穩定，宜采用在甲苯中水解合成HPPA。

2.5 HPPA脫水環化成DOPO的研究

DOPO的合成，Buysch［7］采用純的CDOP溶液與定量的水反應直接合成的方法，但采用該法的CDOP須進行高真空精餾提純，設備投資大，操作困難。我們采用將HPPA熔化后，在一定的溫度下減壓脫水環化制備DOPO的方法。

我們將HPPA加熱至106℃使之完全熔化，再緩慢升溫到140℃～150℃，在真空度0.090MPa下反應脫水2h，得到DOPO粗品。用四氫呋喃重結晶，得到DOPO白色固體。把按該工藝得到制得的DOPO進行測試，測得其熔點為119.3℃～119.6℃，與文獻［3］報導的相吻合；測得的核磁共振氫譜與標準圖譜一致。證明按該工藝合成DOPO是可行的。

3 結論

（1）采用酯化、?；?、水解反應連續進行的方法制得中間體HPPA，然后HPPA分子內脫水成環得到DOPO，兩步合成總收率達90.1％。

（2）在合成CDOP時，采用無水ZnCl2為催化劑，三氯化磷與鄰苯基苯酚摩爾比為1.2，反應終止溫度為180℃。

（3）CDOP粗品無需提純直接水解制HPPA。CDOP水解宜采用溶劑水解法，優選甲苯作為溶劑。

（4）HPPA在真空度0.090MPa，溫度140℃～150℃下脫水2h，能得到DOPO。

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