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JP2015003864A - 新規なジシアン酸エステル化合物 - Google Patents

新規なジシアン酸エステル化合物 Download PDF

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JP2015003864A
JP2015003864A JP2013128085A JP2013128085A JP2015003864A JP 2015003864 A JP2015003864 A JP 2015003864A JP 2013128085 A JP2013128085 A JP 2013128085A JP 2013128085 A JP2013128085 A JP 2013128085A JP 2015003864 A JP2015003864 A JP 2015003864A
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一仁 芦田
Kazuhito Ashida
一仁 芦田
祐樹 橋本
Yuki Hashimoto
祐樹 橋本
智也 山本
Tomoya Yamamoto
智也 山本
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Honshu Chemical Industry Co Ltd
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Honshu Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

【課題】耐熱性、低誘電性などに優れた新規なシアン酸エステル化合物を提供する。
【解決手段】一般式(I)

(式中、R、R2、3は各々独立して、アルキル基、アルコキシ基、フェニル基又はハロゲン原子を表し、l、mは各々独立して0又は1〜4の整数を示し、nは0又は1〜8の整数を示し、lが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、mが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、nが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよい。)で表されるジシアン酸エステル化合物。
【選択図】なし

Description

本発明は、シクロヘキサン環の1,3−位に2つのシアン酸フェニル基を結合してなる新規な1,3−ジフェニル−シクロヘキサン骨格を有するジシアン酸エステル化合物に関する。
シアン酸エステル系樹脂は、硬化によってトリアジン環を生じ、その高い耐熱性、優れた電気特性から、従来、構造用複合材料、接着剤、電気用絶縁材料、電気電子部品など、種々の機能性高分子材料の原料として幅広く用いられている。しかしながら、近年これらの応用分野における要求性能の高度化に伴い、機能性高分子材料として、難燃性、耐熱性、低誘電率、低誘電正接、耐候性、耐薬品性、低吸水性、高破壊靭性等、諸性能の一段の向上が強く求められており、そこで、そのような要請に応える新規なシアン酸エステル化合物の開発が望まれている。
このような高い耐熱性を有するシアン酸エステル系樹脂の原料としては、従来、幾つかの多核ビスフェノールのシアン酸エステル化合物が知られている。例えば、代表的なシアン酸エステル化合物として、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン(ビスフェノールA)誘導体である2,2−ビス(4−シアナトフェニル)プロパンが知られている(特許文献1)。
また、中心骨格にシクロ環を有するビスフェノール類から得られるシアン酸エステル類としては、4−[1−[4−[4−ヒドロキシフェニル]−4−メチルシクロヘキシル]−1−メチルエチル]フェノールのシアネート化合物(特許文献2)が知られており、低誘電性に優れたシアネート樹脂を与えることが知られている。
しかしながらこれら従来知られたジシアン酸エステル化合物は、樹脂としたとき、耐熱性と低誘電性の両方を十分に満たしていないなどの点において未だ満足できるものではなく改善が望まれている。
特開昭50−93000号公報 特開平6−247922号公報
従って、本発明は、耐熱性、低誘電性、耐湿性などに優れた新規なジシアン酸エステル化合物を提供することを目的とする。
本発明者らは、上述の課題解決のために鋭意検討した結果、シクロヘキサン環の1,3−位に2つのシアン酸フェニル基を結合してなる1,3−ジフェニル−シクロヘキサン骨格を有する新規なジシアン酸エステル化合物を見出し、またこのようなジシアン酸エステル化合物は、従来公知のジシアン酸エステル化合物と比較し、耐熱性、低誘電性共に優れ、しかも耐湿性にも優れていること、更に、低融点であり、溶解性に優れていることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明によれば、一般式(1)
一般式(1)
(式中、R、R2、3は各々独立して、アルキル基、アルコキシ基、フェニル基又はハロゲン原子を表し、l、mは各々独立して0又は1〜4の整数を示し、nは0又は1〜8の整数を示し、lが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、mが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、nが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよい。)
で表されるジシアン酸エステル化合物が提供される。
本発明による新規なジシアン酸エステル化合物は、シクロヘキサン環の1,3−位に2つのシアン酸フェニル基を結合してなる1,3−ジフェニル−シクロヘキサン骨格を有しているので、従来知られたジシアン酸エステル化合物と比較して、例えばビスフェノールA型ジシアン酸エステル化合物や、4−[1−[4−[4−ヒドロキシフェニル]−4−メチルシクロヘキシル]−1−メチルエチル]フェノールのシアン酸エステル化合物と比較し、耐熱性、耐湿性に優れており、しかも低誘電性も併せ持っている。
或いはまた、1,4−ビス(4−オキシフェニル)シクロヘキサン骨格に比べて低融点であり、溶剤溶解性にすぐれている。
また、これを硬化樹脂原料とした場合には、耐熱性、低誘電性に加えて、低吸湿性、基盤密着性に優れていることが期待される。
本発明によるジシアン酸エステル化合物は、上記一般式(1)で表わされる。上記一般式(1)において、置換基R〜R3は各々独立して、アルキル基、アルコキシ基又はフェニル基、ハロゲン原子を示す。
、R2、3がアルキル基の場合、アルキル基としては炭素原子数1〜8の直鎖状、分岐鎖状のアルキル基または炭素原子数5〜10の環状のアルキル基が好ましく、具体的には例えばメチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、イソブチル基、シクロヘキシル基、シクロペンチル基、シクロへプチル基等を挙げることができる。
また、アルコキシ基としては、炭素原子数1〜8の直鎖状、分岐鎖状のアルコキシ基または炭素原子数5〜10の環状のアルコキシ基が好ましく、具体的には例えばメトキシ基、エトキシ基を挙げることができる。
また、置換基R〜R3がフェニル基の場合、フェニル基には、炭素原子数1〜4のアルキル基及び/又はアルコキシ基が1〜3個程度置換していてもよい。
また、ハロゲン原子の場合、ハロゲン原子としては塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等を挙げることができる。
l、mは各々独立して0又は1〜4の整数を示し、nは0又は1〜8の整数を示し、lが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、mが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、nが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよい。l、m、nは好ましくは0、1、又は2であり、更に好ましくはl、mは0又は1、nは0である。
従って、本発明の好ましいジシアン酸エステル化合物としては、下記一般式(2)で表される。
一般式(2)
(式中、R4は各々独立して、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、フェニル基又はハロゲン原子を表す。)
がアルキル基、アルコキシ基、フェニル基又はハロゲン原子の場合の好ましい範囲及び具体的な例は、R、Rがアルキル基、アルコキシ基、フェニル基又はハロゲン原子の場合とそれぞれ同じである。
また、本発明の一般式(1)で表されるジシアン酸エステル化合物は、中央のシクロヘキサン骨格において、下記一般式(1a)又は一般式(1b)で表される立体異性体(シス体、トランス体)が存在する。
一般式(1a) 一般式(1b)
従って、本発明の一般式(1)で表されるジシアン酸エステル化合物は、一般式(1a)又は一般式(1b)で表される立体異性体の混合物であっても良いし、一方の立体異性体のみを分離したものであってもよい。
このような本発明のジシアン酸エステル化合物としては、具体的には例えば、
1,3−ビス(4−シアネートフェニル)シクロヘキサン

1,3−ビス(4−シアネート−3−メチルフェニル)シクロヘキサン

1,3−ビス(4−シアネート−3−エチルフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−シアネート−3−メトキシフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−シアネート−3,5−ジメチルフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−シアネート−3,5−ジメトキシフェニル)シクロヘキサン、cis-1,3−ビス(4−シアネートフェニル)シクロヘキサン、trans-1,3−ビス(4−シアネートフェニル)シクロヘキサン、cis-1,3−ビス(4−シアネート−3−メチルフェニル)シクロヘキサン、trans-1,3−ビス(4−シアネート−3−メチルフェニル)シクロヘキサン等が挙げられる。
このような本発明によるジシアン酸エステル化合物は、その製造方法は特に制限されるものではなく、例えばフェノール類とハロゲン化シアンを脱ハロゲン化水素剤である3級アミン等の塩基の存在下で反応させる方法、フェノールのアルカリ金属塩とハロゲン化シアンを反応させる方法など公知の製造方法を適用することができる。
例えば、本発明のジシアン酸エステル化合物を、フェノール類とハロゲン化シアンを3級アミン存在下で反応させて得る方法について詳述する。
上記方法を、例えば1,3−ビス(4−フェニル)シクロヘキサンと臭化シアンの場合について反応式で例示すると下記反応式(1)で表される。
反応式(1)
上記製造方法においては、目的とするジシアン酸エステル化合物のシアン酸エステル基に対応したヒドロキシ置換基を有する下記一般式(3)で表される1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類を原料とし、3級アミンを塩基として用い、溶媒中、ハロゲン化シアン化合物と反応させる。
一般式(3)

上記一般式(3)で表される1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類において、式中、R、R、R3、l、m、nは一般式(1)のそれと同じである。
従って、上記一般式(3)で表される1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類において、好ましい1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類としては、下記一般式(4)で表される。
一般式(4)

上記一般式(4)で表される1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類において、式中、R4は、一般式(2)のそれと同じである。
このような1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類としては、具体的には例えば、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−ヒドロキシ−3−エチルフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−ヒドロキシ−3−メトキシフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)シクロヘキサン、1,3−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメトキシフェニル)シクロヘキサン等が挙げられ、これらはシス体又はトランス体の異性体分離体であってもかまわない。
このような一般式(3)で表される原料の1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類は 公知の製造方法、例えば、1,3−シクロヘキサンジオンとフェノールより合成した1,1,3,3−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンを、水素受容体を使用せずに分解反応させる方法(特開平1−168634号公報)、4−メトキシフェニルマグネシウムブロミドと2−シクロヘキセン−1−オンを反応させた後、水素化反応を行う方法(JACS,1951年,73,2377)により得られた1,3−ビス(4−ジメトキシフェニル)シクロヘキサンを脱保護する方法などにより得ることができる。
また、上記以外の方法として、2−シクロヘキセン−1−オン類又は3−ヒドロキシシクロヘキサン−1−オン類とフェノール類とを出発原料として、これらを反応させ、必要により得られた1,1,3−トリス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類を分解反応に付し、次いで得られた分解反応生成物を水素化反応に付す方法によっても得ることが出来る。
また、脱ハロゲン化水素剤であるハロゲン化シアン化合物としては、例えば塩化シアン、臭化シアン等が挙げられる。
ハロゲン化シアンとしては、シアン化ナトリウム等の金属シアニドとハロゲンとを反応させる方法等の公知の製造方法により得られたハロゲン化シアンを用いてもよいし、市販品を用いてもよい。また、金属シアニドとハロゲンとを反応させて得られたハロゲン化シアンを含有する反応液をそのまま用いることもできる。
ハロゲン化シアンの使用量は、1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類の水酸基に対して、通常1〜5当量、好ましくは1.0〜1.5当量である。
3級アミンとしては、特に制約ないが、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ−n−ブチルアミン、トリアミルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、トリベンジルアミン、トリエタノールアミン等の脂肪族第3級アミン、N,N−ジメチルアニリン、ジフェニルメチルアミン、ピリジン等の芳香族環状アミン;ジエチルシクロヘキシルアミン、トリシクロヘキシルアミン等の脂肪族環状アミン等が挙げられる。これらの中でも、収率よく目的物が得られることなどから、脂肪族第3級アミンが好ましく用いられる。
3級アミンの使用量は、1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類の水酸基に対して、通常1.0〜10当量であり、好ましくは1.0〜3.0当量である。
反応溶媒としては、1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類等の反応原料を溶解し、反応に不活性なものであれば特に制限はなく、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、シクロヘキサン、ベンゼンなどの炭化水素系溶剤、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフランなどのエーテル系溶剤、イソプロパノール、メチルセロソルブなどのアルコール系溶剤、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどの非プロトン性極性溶剤、アセトニトリルなどのニトリル系溶剤、クロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素系溶剤、酢酸エチル、安息香酸エチルなどのエステル系溶剤などいずれも用いることができ、また、これらの1種または2種以上を組み合わせて用いることもできる。反応溶媒の使用量は、特に制限はないが通常1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類1重量部に対し1〜50重量である。
また、反応温度は通常−20℃〜15℃の範囲、好ましくは−15℃〜5℃の範囲である。
反応操作方法については、特に制限はないが、例えば原料1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類とトリエチルアミン等の3級アミンをテトラヒドロフラン等の有機溶媒に溶解させた後、温度−15℃〜0℃程度に保持し、そこに、攪拌下にハロゲン化シアン化合物例えば臭化シアンをテトラヒドロフラン等の有機溶媒に溶解させた溶液を、好ましくは逐次添加して反応させるか、或いは、原料1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン類とハロゲン化シアン化合物例えば臭化シアンをテトラヒドロフラン等の有機溶媒に溶解させた後、温度−15℃〜0℃程度に保持し、そこに、攪拌下にトリエチルアミン等の3級アミンの溶液を、好ましくは逐次添加して反応させる。
反応終了後、反応終了混合液から副生したハロゲン化水素塩を除去した後、濃縮、沈澱化あるいは晶析など常法により目的物を得ることができる。例えば、反応により副生した臭化水素酸塩を含む反応終了混合液から濾過又は水洗等の方法でハロゲン化水素塩を除去する。また、水と混和する溶媒を用いた場合は、得られた反応終了混合液を水に注下した後に水と混和しない有機溶剤で抽出操作する、もしくは析出した結晶を濾取することで目的物を得ることができる。
また、洗浄工程の際に過剰のアミン類を除去するため、うすい塩酸などの酸性水溶液を用いる方法も採られる。充分に洗浄された反応液から水分を除去するために、硫酸ナトリウムや硫酸マグネシウムなどの一般的な方法を用いて乾燥操作をすることができる。そのような操作の後、得られた溶液を濃縮、沈殿化または晶析操作に付し、目的物の粗生成物を得る。濃縮或いは乾燥の際には、シアン酸エステル化合物が不安定な構造であることから、150℃以下に抑制しながら、減圧する方法が採られる。
沈殿化または晶析の際には、例えば、エーテル系の溶剤やヘキサン等の炭化水素系溶剤、もしくはアルコール系溶剤等の溶解度の低い溶媒を用いることができる。更に粗生成物から再結晶、濃縮等の常法により高純度のシアン酸エステル化合物を得ることができる。
以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
参考例1
[ cis-1.3-ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンの合成 ]
(工程(1):1,1,3−トリス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンの合成)
フェノール1412g、35%塩酸78.2g、ドデシルメルカプタン15.2g、メタノール144gを3リットル容量4つ口フラスコに仕込み、窒素雰囲気下で、液温を30〜35℃に保ちながら、2−シクロヘキセン−1−オン144gを10時間で滴下し、滴下終了後、30℃で46時間撹拌した。反応終了後、水酸化ナトリウム水溶液を加え中和した後、昇温してメタノールを留去した。次いで、水層を分離除去後、油層に水とメチルイソブチルケトンを加えて撹拌して水洗し、水層を分離除去して得られた油層からメチルイソブチルケトンと未反応のフェノールを減圧下で留出させ、除去した。残渣にトルエンを加えて析出した結晶を室温で濾別し、乾燥して、純度95%(高速液体クロマトグラフィー分析法)の1,1,3−トリス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンの粗製結晶を得た。
この粗製結晶をメチルイソブチルケトンに溶解し、水を加えて水洗後、水層を分離した。得られた油層を濃縮後、残渣にトルエンを加えて析出した結晶を室温で濾別し、乾燥して、純度99.4%(高速液体クロマトグラフィー分析法)の1,1,3−トリス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン223.2gを得た。
収率: 42%(2−シクロヘキセン−1−オンに対する収率)
分子量: 359 (M−H)−(液体クロマトグラフィー質量分析法)
融点: 202℃( 示差走査熱量測定法 )
H−NMR(400MHz)測定(溶媒:DMSO−d6)表1参照
H−NMR(400MHz)同定結果(内部標準:テトラメチルシラン)
(工程(2):1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセン及び1,5−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセンの合成)
温度計、冷却器及び撹拌翼を取り付けた四つ口フラスコに、工程(1)で得られた1,1,3−トリス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン18.0gとテトラエチレングリコール9.0g、16%水酸化ナトリウム水溶液1.3gを仕込み、10kPaに減圧しながら撹拌下に170℃まで昇温した後、攪拌下に減圧下で生成したフェノールを留出させながら、同温度でさらに9時間分解反応を行った。反応中、フェノールを主成分とする液が留出した。
反応終了後、100℃に冷却してから酢酸を加えて中和した。さらにメチルイソブチルケトンと水を加えて撹拌した後、水層を分離した。得られた油層に水を加えて撹拌し、水層を分離する水洗操作を3回実施した。その後、水洗された油層から溶媒を蒸留して除去した後、トルエン18gを加えて晶析、濾過して、乾燥し、純度91%(高速液体クロマトグラフィー分析法)の1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセン及び1,5−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセンの混合物6g(高速液体クロマトグラフィー分析法による異性体比:A/B=49/51)を得た。
この混合物の一部を液体クロマトグラフィーにて分取して精製し、純度98%(高速液体クロマトグラフィー法)の1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセン(A)及び1,5−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセン(B)の混合物(高速液体クロマトグラフィー分析法による異性体比:A/B=50/50)を得て、これについてH−NMR、分子量、融点を測定した。
分子量:265(M−H)(液体クロマトグラフィー質量分析法)
融点:159℃( 示差走査熱量測定法 )
H−NMR(400MHz)測定(溶媒:CD3OD):表2参照
(工程(3):1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンの合成)
工程(2)で得られた1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセン及び1,5−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−シクロヘキセンの混合物2.6gとイソプロピルアルコール13.0g、5%パラジウムカーボン(以下、5%Pdカーボンと称呼する。)0.3gをオートクレーブに仕込み、系内を水素ガス置換した後、40℃で反応容器内の水素圧が140kPa(ゲージ圧)になるように調整しながら1時間撹拌した。反応終了後、反応液にイソプロピルアルコール26gを加えて析出している結晶を溶解後、5%Pdカーボンを濾別し、濾液を濃縮して1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン(立体異性体混合物)2.6gを得た。
収率: 44%(対1,1,3−トリス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン)
純度: 92%(高速液体クロマトグラフィー法)
シス/トランス比:65/35(高速液体クロマトグラフィー法)
1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン(立体異性体混合物)
H−NMR(400MHz)測定(溶媒:DMSO−d6):表3参照
工程(4):1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンの異性体分離精製
工程(3)で得られた1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン(立体異性体混合物)2.6gを酢酸エチル13g中で、60℃で1時間撹拌した後、室温まで冷却して、析出した結晶を濾過、乾燥させてcis−1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン0.7gを得た。
回収率: 27%
シス体回収率: 41%
純度: 99%(立体異性体混合物,高速液体クロマトグラフィー法)
純度: 98% (シス体,高速液体クロマトグラフィー法)
分子量:267(M−H)(液体クロマトグラフィー質量分析法)
融点: 236℃(示差走査熱量測定法)
H−NMR(400MHz)測定(溶媒:DMSO−d6):表4参照
実施例1[ cis-1.3-ビス(4−シアナトフェニル)シクロヘキサンの合成 ]
攪拌機、温度計、還流冷却器、滴下ロートを備えた500ml四つ口フラスコに参考例1と同様にして得られたcis-1.3-ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン7.50g(0.028モル)、トリエチルアミン9.75ml、テトラヒドロフラン150mlを仕込み、撹拌して溶解させ、その後、溶解液を−10℃まで冷却した。
臭化シアン7.61g(0.072モル)をテトラヒドロフラン150mlに溶解した液を、反応液の温度を−10〜−5℃を保ちながら滴下し、全量を滴下した後、反応液の温度を−10〜0℃に保持して5時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、生成した塩を濾別し、得られた濾液を加熱して減圧蒸留し、淡褐色粘調液体9.64gを得た。得られた粘調液体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製を行い、cis-1.3-ビス(4−シアナトフェニル)シクロヘキサン5.32gを得た。
純度 99.0%(高速液体クロマトグラフィー法)
融点 67.4℃(示差走査熱量測定法)
質量分析 318(EI法)
赤外吸収スペクトル
2250cm−1の吸収有り(ニトリル基の吸収)
3200〜3600cm−1の吸収消失(フェノール性水酸基の吸収)
H−NMR測定(300MHz)(溶媒:DMSO−d6)表5参照

Claims (1)

  1. 一般式(I)


    (式中、R、R2、3は各々独立して、アルキル基、アルコキシ基、フェニル基又はハロゲン原子を表し、l、mは各々独立して0又は1〜4の整数を示し、nは0又は1〜8の整数を示し、lが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、mが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよく、nが2以上のとき、Rは各々同一でも異なっていてもよい。)で表されるジシアン酸エステル化合物。
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