水溶性抗氧化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明有關(guān)一種制備親水性抗氧化劑的方法，尤其是有關(guān)一種制備含3, 5-甲酯 基團(tuán)/聚亞烷基二醇架橋/羧酸基團(tuán)親水性抗氧化劑的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 塑料高分子鏈在紫外光、熱的作用下容易發(fā)生斷鏈而生成活性自由基，活性自由 基再與氧反應(yīng)形成過氧化自由基后，再與剩余的分子鏈反應(yīng)，形成氧化產(chǎn)物和新的活性自 由基，活性自由基則持續(xù)引發(fā)自由基鏈鎖反應(yīng)，而使塑料發(fā)生老化現(xiàn)象。
[0003] 3-(3, 5-二叔丁基-4-羥苯基）丙酸甲酯（簡(jiǎn)稱3, 5-甲酯）類受阻酚類分子是塑 料中常用的一級(jí)抗氧化劑，其具有高分子量、低揮發(fā)性、高抗氧化特性與低毒性的優(yōu)點(diǎn)，但 此類抗氧化劑受限于水溶性差，故無法單獨(dú)于水相系統(tǒng)中使用。
[0004] 常見的水溶性抗氧化劑多為天然物，例如維他命C、維他命B、茶多酚，多應(yīng)用于生 物系統(tǒng)的醫(yī)療研究，此類天然水溶性抗氧化劑未含有3, 5-甲酯基團(tuán)。
[0005] 3, 5-甲酸類受阻酚類小分子如3, 5-二叔丁基-4-羥基苯甲酸、3, 5-二叔丁 基-4-羥基苯乙酸與3, 5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸雖兼具水溶性與抗氧化性，但屬于低分 子量小分子，于高溫受熱下易迀移離開（揮發(fā)散逸）基材表面，且本身也會(huì)因老化分解而降 低抗氧化能力，造成此類小分子抗氧化劑對(duì)基材的抗老化作用無法長(zhǎng)久有效。
[0006] 聚乙二醇（PEG)具有無毒性、無刺激性與良好的水溶性，屬于非離子型界面活性 劑而與許多有機(jī)物具良好的相溶性，其在化妝品、制藥、化纖、橡膠、塑料、造紙、油漆、電鍍、 農(nóng)藥、金屬加工、生物工程及食品加工等行業(yè)中被廣泛的應(yīng)用。
[0007] 美國(guó)專利案US 4, 032, 562報(bào)導(dǎo)將3, 5-甲酯與PEG進(jìn)行單邊酯交換反應(yīng)得 到3,5_甲酯/PEG單邊酯化產(chǎn)物，如23-羥基-3, 6, 9, 12, 15, 18, 21-七氧雜二十三烷 基3-(3, 5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸甲酯，此結(jié)構(gòu)引入了親水性聚合物PEG，雖然使 其分子量上升而改善揮發(fā)性過低的問題，但水溶性仍屬于微溶（5. 8g/L@pH = 1~10、文 獻(xiàn)理論計(jì)算），類似的合成反應(yīng)可參考US3285855、US3441575、US5696281、DE2231671與 CN100430366C，其產(chǎn)物也是屬于油溶性。
[0008] 聚乙二醇與3, 5-甲酯進(jìn)行雙邊酯交換反應(yīng)得到3, 5-甲酯/PEG雙邊酯化產(chǎn)物， 如三甘醇雙[(3-叔丁基-4-羥基-5-甲基苯基）丙酸酯]、二甘醇雙[3-(3, 5-二叔丁 基-4-羥基苯基）丙酸酯]、三甘醇雙[3-(3, 5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸酯]、四甘醇 雙[3-(3, 5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸酯]、九甘醇雙[3-(3, 5-二叔丁基-4-羥基苯 基）丙酸酯]，此類結(jié)構(gòu)雖含兩個(gè)3, 5甲酯基團(tuán)，使其相較單邊產(chǎn)物具較佳的抗氧化性與更 低的揮發(fā)性，但水溶性卻變得更差，無法單獨(dú)應(yīng)用在水相系統(tǒng)。
[0009] 德文期刊「應(yīng)用巨分子化學(xué)與物理（Die Angewandte Makromolekulare Chemie)」 260期（1998年）第77-81頁(yè)揭示將3, 5-二叔丁基-4-羥基苯丙酸與11-[(2R，3S)-3-戊 基-2-環(huán)氧乙烷基]-(9Z)-9-十一碳烯酸進(jìn)行環(huán)氧基開環(huán)反應(yīng)而得到含有羧酸基的 3,5-甲酯單邊分子（92)-13-(3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酰氧基）-12-羥基十八 碳-9-烯酸，此抗氧化劑雖含有一個(gè)親水性羧酸基，但其水溶性仍屬于微溶。
[0010] 綜合上述論點(diǎn)，同時(shí)兼具低揮發(fā)性、水溶性佳且含3, 5-甲酯基團(tuán)的抗氧化劑分子 尚未被報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的一目的在于提供一種水溶性抗氧化劑及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的 抗氧化劑水溶性仍屬于微溶的缺陷。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種水溶性抗氧化劑，該水溶性抗氧化劑為具有式 (1)的化合物，
[0013]
[0014] 其中，
[0015] 札與R2可互為相同或互不相同的含C1~C18的直鏈或支鏈烷基或C5~C12環(huán) 烷基；
[0016] 私與R4可互為相同或互不相同的含C1~C6的直鏈或支鏈烷基或氫；
[0017] Μ為IA金屬離子或氫原子；
[0018] a為2至6的整數(shù)；
[0019] b為0、1、2、3或4;
[0020] m 為 1 或 2 ;
[0021] η為2至500的整數(shù)；
[0022] ρ 為 1、2 或 3;
[0023] q 為 1、2 或 3;及
[0024] r為0或1，且p、q與r須滿足p+q+2r = 4的式子。
[0025] 其中，η為5至300的整數(shù)。
[0026] 而且，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種制備上述水溶性抗氧化劑的方法，其特征 在于，包含步驟：
[0027] (a)使3, 5-甲酯類結(jié)構(gòu)的化合物與聚亞烷基二醇類結(jié)構(gòu)的化合物反應(yīng)而得到具 有單邊酯交換類結(jié)構(gòu)的一中間體（4);
[0028] (b)使單烯多元酸的化合物（5)與該中間體（4)反應(yīng)而得到一中間體（6);
[0029] (c)該中間體（6)于堿性條件下經(jīng)皂化反應(yīng)而得到水溶性抗氧化劑的水溶液。
[0030] 其中，該化合物（5)為單烯二元酸、單烯三元酸、單烯四元酸或環(huán)狀單烯酸酐。
[0031] 其中，該化合物（5)的單烯二元酸為順式、反式或偕式異構(gòu)物。
[0032] 其中，該化合物（5)的環(huán)狀單烯酸酐為馬來酸酐。
[0033] 其中，該皂化反應(yīng)所用的堿液為氫氧化鈉水溶液或氫氧化鉀水溶液。
[0034] 其中，該3, 5-甲酯類結(jié)構(gòu)的化合物為3-(3, 5-二叔丁基-4-羥苯基）丙酸甲酯。
[0035] 其中，該聚亞烷基二醇類結(jié)構(gòu)的化合物為聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇或聚己二 醇。
[0036] 本發(fā)明的抗氧化劑含3, 5-甲酯基團(tuán)，具有低揮發(fā)性、高水溶性等特質(zhì)，可應(yīng)用在 工業(yè)上水相系統(tǒng)。本發(fā)明的抗氧化劑同時(shí)具有界面活性劑（乳化劑）的特性，可幫助其它 油溶性抗氧化劑應(yīng)用于水相系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 本發(fā)明主要合成一種水溶性抗氧化劑，該水溶性抗氧化劑為含3, 5-甲酯基團(tuán)的 化合物（1)，其具低揮發(fā)性與水溶性佳，
[0038]
[0039] 其中札與R2可互為相同或互不相同之含C1~C18的直鏈或支鏈烷基；
[0040] a為2至6的整數(shù)；
[0041] b為0、1、2、3或4;
[0042] m 為 1 或 2 ;
[0043] η為2至500的整數(shù)，較佳η為5至300的整數(shù)；
[0044] 私與R4可互為相同或互不相同含C1~C6的直鏈或支鏈烷基或氫；
[0045] Μ為IA金屬離子或氫原子；
[0046] ρ 為 1、2 或 3;
[0047] q 為 1、2 或 3;及
[0048] r為0或1，且p、q與r須滿足p+q+2r = 4的式子。
[0049] 本發(fā)明提供一種制備上述水溶性抗氧化劑的方法，式（1)化合物系由三個(gè)反應(yīng)步 驟合成：
[0050] 第一步在催化劑催化下，化合物（2)對(duì)化合物（3)進(jìn)行單邊酯交換反應(yīng)而得到中 間體⑷。
[005 Γ
[0052] 化合物⑵為3, 5-甲酯類結(jié)構(gòu)，其中X可為1?素例如氯或溴、羥基或烷氧基，例如 碳數(shù)小于4的烷氧基，諸如甲氧烷基或乙氧烷基；
[0053] 札與1? 2可互為相同或互不相同含C1~C18的直鏈或支鏈烷基，支鏈烷基含有 二級(jí)與三級(jí)碳，如甲基、乙基、丙基、異丙基、正-丁基、仲-丁基、異丁基、叔-丁基、2-乙 基丁基、正-戊基、異戊基、1-甲基戊基、1，3_二甲基丁基、正-己基、1-甲基己基、正-庚 基、異庚基、1，1，3, 3-四甲基丁基、1-甲基庚基、3-甲基庚基、正-辛基、2-乙基己基、 1，1，3-三甲基己基、1，1，3, 3-四甲基庚基、壬基、癸基、^^一烷基、1-甲基^^一烷基、十二烷 基、1，1，3, 3, 5, 5-六甲基己基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基或十八 烷基，較佳為甲基與叔丁基；
[0054] 又，&與R2可互為相同或互不相同含C5~C18環(huán)烷基，如環(huán)戊基、環(huán)己基、環(huán)庚基、 環(huán)辛基、環(huán)壬基、環(huán)癸基、環(huán)十一烷基或環(huán)十二烷基，較佳為環(huán)己基；m為1或2 ;化合物（2) 較佳為3-(3, 5-二叔丁基-4-羥苯基）丙酸甲酯。
[0055] 化合物（3)為聚亞烷基二醇類結(jié)構(gòu)，其中a為2至6的整數(shù)，如聚乙二醇、聚丙 二醇、聚丁二醇或聚己二醇，較佳為聚乙二醇；η為2至500的整數(shù)，如CARB0WAX?系列的 PEG200、300、400、540、600、1000、1450、3350、4000、6000、8000 與 20000。
[0056] 反應(yīng)可于無溶劑且反應(yīng)物呈熔融態(tài)下進(jìn)行酯化。
[0057] 使用的催化劑可為有機(jī)磺酸，例如甲基磺酸、乙基磺酸、三氟甲烷磺酸、三氯甲烷 磺酸、4-氯磺酸、2, 4-二硝基苯磺酸、對(duì)-甲基苯磺酸與十二烷基苯磺酸，較佳為對(duì)-甲基 苯磺酸。
[0058] 酯交換是一種常見的平衡反應(yīng)，為了使平衡的方向偏向于產(chǎn)物，在反應(yīng)進(jìn)行過程 中可以持續(xù)地將副產(chǎn)物從反應(yīng)系統(tǒng)移除，比較便利的方式是酯交換反應(yīng)進(jìn)行中蒸除低沸點(diǎn) 的低碳數(shù)醇類副產(chǎn)物如甲醇；另外也可增加反應(yīng)物的濃度達(dá)平衡偏向產(chǎn)物之目的，此處選 擇將化合物（3)配比增量除了使平衡偏向于產(chǎn)物外還可達(dá)使單邊酯交換的中間體（4)成為 主要產(chǎn)物之目的。
[0059] 中間體（4)可用水洗、有機(jī)溶劑萃取、分餾或管柱層析等常見的方法去分離與純 化，萃取與管柱層析較佳的有機(jī)溶劑為正己烷、乙酸乙酯或正己烷與乙酸乙酯的混合液。
[0060] 第二步在有催化劑催化下，中間體（4)對(duì)化合物（5)進(jìn)行部分酯交換反應(yīng)而得到 中間體（6)。
[0061] 化合物（5)為一系列單烯多元酸，可為單烯二元酸（5-1)、單烯三元酸（5-2)、單烯 四元酸（5-3)或環(huán)狀單烯酸酐（5-4)，其中單烯二元酸（5-1)包含順式（5-la)、反式（5-lb) 或偕式（5-lc)異構(gòu)物；上述單烯多元酸為本發(fā)明3, 5-甲酯基團(tuán)/聚亞烷基二醇架橋/羧 酸基團(tuán)抗氧化劑中之羧酸基團(tuán)的來源。
[0062]
[0063] 于（5-la)、（5-lb)、（5-lc)與（5-4)中，b為0、1、2、3或4中的其中一個(gè)或任兩個(gè) 組合；
[0064] 于（5-2)中，b為0、1、2、3或4中的其中一個(gè)、任兩個(gè)或任三個(gè)組合；于（5-3)中， b為0、1、2、3或4中的其中一個(gè)、任兩個(gè)組合、任三個(gè)組合或任四個(gè)組合；
[0065] 私與R4可互為相同或互不相同含C1~C6的直鏈或支鏈烷基與氫，直鏈烷基如 甲基、乙基、丙基、正-丁基、正-戊基或正-己基，支鏈烷基如異丙基、仲-丁基、異丁基、 叔-丁基、2-乙基丁基、異戊基、1-甲基戊基或1，3-二甲基丁基；
[0066] 順式單烯二元酸（5-la)如（2Z) -2- 丁烯二酸、（5Z) -5-癸烯二酸、（4Z) -4-癸烯 二酸、（3Z)-3_庚稀二酸、2-辛基-(2Z)_2-戊稀二酸、2- 丁基-(2Z)_2-戊稀二酸、4-甲 基-(3Z) _3_ 庚稀二酸、2, 3_ 二乙基-(2Z) _2_ 丁稀二酸與 2, 3_ 二甲基-(2Z) _2_ 丁稀二酸， 較佳為（2Z)-2-丁烯二酸；
[0067] 反式單烯二元酸（5-lb)如（2E) -2- 丁烯二酸、（5E) -5-癸烯二酸、（4E) -4-癸烯 二酸、（3E) -3-庚烯二酸、2-辛基-(2E) -2-戊烯二酸、2- 丁基-(2E) -2-戊烯二酸、4-甲 基-(3E) _3_ 庚稀二酸、2,