水溶性抗氧化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明有关一种制备亲水性抗氧化剂的方法，尤其是有关一种制备含3, 5-甲酯 基团/聚亚烷基二醇架桥/羧酸基团亲水性抗氧化剂的方法。
【背景技术】
[0002] 塑料高分子链在紫外光、热的作用下容易发生断链而生成活性自由基，活性自由 基再与氧反应形成过氧化自由基后，再与剩余的分子链反应，形成氧化产物和新的活性自 由基，活性自由基则持续引发自由基链锁反应，而使塑料发生老化现象。
[0003] 3-(3, 5-二叔丁基-4-羟苯基）丙酸甲酯（简称3, 5-甲酯）类受阻酚类分子是塑 料中常用的一级抗氧化剂，其具有高分子量、低挥发性、高抗氧化特性与低毒性的优点，但 此类抗氧化剂受限于水溶性差，故无法单独于水相系统中使用。
[0004] 常见的水溶性抗氧化剂多为天然物，例如维他命C、维他命B、茶多酚，多应用于生 物系统的医疗研究，此类天然水溶性抗氧化剂未含有3, 5-甲酯基团。
[0005] 3, 5-甲酸类受阻酚类小分子如3, 5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸、3, 5-二叔丁 基-4-羟基苯乙酸与3, 5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸虽兼具水溶性与抗氧化性，但属于低分 子量小分子，于高温受热下易迀移离开（挥发散逸）基材表面，且本身也会因老化分解而降 低抗氧化能力，造成此类小分子抗氧化剂对基材的抗老化作用无法长久有效。
[0006] 聚乙二醇（PEG)具有无毒性、无刺激性与良好的水溶性，属于非离子型界面活性 剂而与许多有机物具良好的相溶性，其在化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油漆、电镀、 农药、金属加工、生物工程及食品加工等行业中被广泛的应用。
[0007] 美国专利案US 4, 032, 562报导将3, 5-甲酯与PEG进行单边酯交换反应得 到3,5_甲酯/PEG单边酯化产物，如23-羟基-3, 6, 9, 12, 15, 18, 21-七氧杂二十三烷 基3-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸甲酯，此结构引入了亲水性聚合物PEG，虽然使 其分子量上升而改善挥发性过低的问题，但水溶性仍属于微溶（5. 8g/L@pH = 1~10、文 献理论计算），类似的合成反应可参考US3285855、US3441575、US5696281、DE2231671与 CN100430366C，其产物也是属于油溶性。
[0008] 聚乙二醇与3, 5-甲酯进行双边酯交换反应得到3, 5-甲酯/PEG双边酯化产物， 如三甘醇双[(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基）丙酸酯]、二甘醇双[3-(3, 5-二叔丁 基-4-羟基苯基）丙酸酯]、三甘醇双[3-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]、四甘醇 双[3-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]、九甘醇双[3-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯 基）丙酸酯]，此类结构虽含两个3, 5甲酯基团，使其相较单边产物具较佳的抗氧化性与更 低的挥发性，但水溶性却变得更差，无法单独应用在水相系统。
[0009] 德文期刊「应用巨分子化学与物理（Die Angewandte Makromolekulare Chemie)」 260期（1998年）第77-81页揭示将3, 5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸与11-[(2R，3S)-3-戊 基-2-环氧乙烷基]-(9Z)-9-十一碳烯酸进行环氧基开环反应而得到含有羧酸基的 3,5-甲酯单边分子（92)-13-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酰氧基）-12-羟基十八 碳-9-烯酸，此抗氧化剂虽含有一个亲水性羧酸基，但其水溶性仍属于微溶。
[0010] 综合上述论点，同时兼具低挥发性、水溶性佳且含3, 5-甲酯基团的抗氧化剂分子 尚未被报导。
【发明内容】
[0011] 本发明的一目的在于提供一种水溶性抗氧化剂及其制备方法，以解决现有技术的 抗氧化剂水溶性仍属于微溶的缺陷。
[0012] 为实现上述目的，本发明提供一种水溶性抗氧化剂，该水溶性抗氧化剂为具有式 (1)的化合物，
[0013]
[0014] 其中，
[0015] 札与R2可互为相同或互不相同的含C1~C18的直链或支链烷基或C5~C12环 烷基；
[0016] 私与R4可互为相同或互不相同的含C1~C6的直链或支链烷基或氢；
[0017] Μ为IA金属离子或氢原子；
[0018] a为2至6的整数；
[0019] b为0、1、2、3或4;
[0020] m 为 1 或 2 ;
[0021] η为2至500的整数；
[0022] ρ 为 1、2 或 3;
[0023] q 为 1、2 或 3;及
[0024] r为0或1，且p、q与r须满足p+q+2r = 4的式子。
[0025] 其中，η为5至300的整数。
[0026] 而且，为实现上述目的，本发明提供一种制备上述水溶性抗氧化剂的方法，其特征 在于，包含步骤：
[0027] (a)使3, 5-甲酯类结构的化合物与聚亚烷基二醇类结构的化合物反应而得到具 有单边酯交换类结构的一中间体（4);
[0028] (b)使单烯多元酸的化合物（5)与该中间体（4)反应而得到一中间体（6);
[0029] (c)该中间体（6)于碱性条件下经皂化反应而得到水溶性抗氧化剂的水溶液。
[0030] 其中，该化合物（5)为单烯二元酸、单烯三元酸、单烯四元酸或环状单烯酸酐。
[0031] 其中，该化合物（5)的单烯二元酸为顺式、反式或偕式异构物。
[0032] 其中，该化合物（5)的环状单烯酸酐为马来酸酐。
[0033] 其中，该皂化反应所用的碱液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液。
[0034] 其中，该3, 5-甲酯类结构的化合物为3-(3, 5-二叔丁基-4-羟苯基）丙酸甲酯。
[0035] 其中，该聚亚烷基二醇类结构的化合物为聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇或聚己二 醇。
[0036] 本发明的抗氧化剂含3, 5-甲酯基团，具有低挥发性、高水溶性等特质，可应用在 工业上水相系统。本发明的抗氧化剂同时具有界面活性剂（乳化剂）的特性，可帮助其它 油溶性抗氧化剂应用于水相系统。
【具体实施方式】
[0037] 本发明主要合成一种水溶性抗氧化剂，该水溶性抗氧化剂为含3, 5-甲酯基团的 化合物（1)，其具低挥发性与水溶性佳，
[0038]
[0039] 其中札与R2可互为相同或互不相同之含C1~C18的直链或支链烷基；
[0040] a为2至6的整数；
[0041] b为0、1、2、3或4;
[0042] m 为 1 或 2 ;
[0043] η为2至500的整数，较佳η为5至300的整数；
[0044] 私与R4可互为相同或互不相同含C1~C6的直链或支链烷基或氢；
[0045] Μ为IA金属离子或氢原子；
[0046] ρ 为 1、2 或 3;
[0047] q 为 1、2 或 3;及
[0048] r为0或1，且p、q与r须满足p+q+2r = 4的式子。
[0049] 本发明提供一种制备上述水溶性抗氧化剂的方法，式（1)化合物系由三个反应步 骤合成：
[0050] 第一步在催化剂催化下，化合物（2)对化合物（3)进行单边酯交换反应而得到中 间体⑷。
[005 Γ
[0052] 化合物⑵为3, 5-甲酯类结构，其中X可为1?素例如氯或溴、羟基或烷氧基，例如 碳数小于4的烷氧基，诸如甲氧烷基或乙氧烷基；
[0053] 札与1? 2可互为相同或互不相同含C1~C18的直链或支链烷基，支链烷基含有 二级与三级碳，如甲基、乙基、丙基、异丙基、正-丁基、仲-丁基、异丁基、叔-丁基、2-乙 基丁基、正-戊基、异戊基、1-甲基戊基、1，3_二甲基丁基、正-己基、1-甲基己基、正-庚 基、异庚基、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，较佳为甲基与叔丁基；
[0054] 又，&与R2可互为相同或互不相同含C5~C18环烷基，如环戊基、环己基、环庚基、 环辛基、环壬基、环癸基、环十一烷基或环十二烷基，较佳为环己基；m为1或2 ;化合物（2) 较佳为3-(3, 5-二叔丁基-4-羟苯基）丙酸甲酯。
[0055] 化合物（3)为聚亚烷基二醇类结构，其中a为2至6的整数，如聚乙二醇、聚丙 二醇、聚丁二醇或聚己二醇，较佳为聚乙二醇；η为2至500的整数，如CARB0WAX?系列的 PEG200、300、400、540、600、1000、1450、3350、4000、6000、8000 与 20000。
[0056] 反应可于无溶剂且反应物呈熔融态下进行酯化。
[0057] 使用的催化剂可为有机磺酸，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、对-甲基苯磺酸与十二烷基苯磺酸，较佳为对-甲基 苯磺酸。
[0058] 酯交换是一种常见的平衡反应，为了使平衡的方向偏向于产物，在反应进行过程 中可以持续地将副产物从反应系统移除，比较便利的方式是酯交换反应进行中蒸除低沸点 的低碳数醇类副产物如甲醇；另外也可增加反应物的浓度达平衡偏向产物之目的，此处选 择将化合物（3)配比增量除了使平衡偏向于产物外还可达使单边酯交换的中间体（4)成为 主要产物之目的。
[0059] 中间体（4)可用水洗、有机溶剂萃取、分馏或管柱层析等常见的方法去分离与纯 化，萃取与管柱层析较佳的有机溶剂为正己烷、乙酸乙酯或正己烷与乙酸乙酯的混合液。
[0060] 第二步在有催化剂催化下，中间体（4)对化合物（5)进行部分酯交换反应而得到 中间体（6)。
[0061] 化合物（5)为一系列单烯多元酸，可为单烯二元酸（5-1)、单烯三元酸（5-2)、单烯 四元酸（5-3)或环状单烯酸酐（5-4)，其中单烯二元酸（5-1)包含顺式（5-la)、反式（5-lb) 或偕式（5-lc)异构物；上述单烯多元酸为本发明3, 5-甲酯基团/聚亚烷基二醇架桥/羧 酸基团抗氧化剂中之羧酸基团的来源。
[0062]
[0063] 于（5-la)、（5-lb)、（5-lc)与（5-4)中，b为0、1、2、3或4中的其中一个或任两个 组合；
[0064] 于（5-2)中，b为0、1、2、3或4中的其中一个、任两个或任三个组合；于（5-3)中， b为0、1、2、3或4中的其中一个、任两个组合、任三个组合或任四个组合；
[0065] 私与R4可互为相同或互不相同含C1~C6的直链或支链烷基与氢，直链烷基如 甲基、乙基、丙基、正-丁基、正-戊基或正-己基，支链烷基如异丙基、仲-丁基、异丁基、 叔-丁基、2-乙基丁基、异戊基、1-甲基戊基或1，3-二甲基丁基；
[0066] 顺式单烯二元酸（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_ 丁稀二酸与 2, 3_ 二甲基-(2Z) _2_ 丁稀二酸， 较佳为（2Z)-2-丁烯二酸；
[0067] 反式单烯二元酸（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,