CN100457708C - 制备酯取代的碳酸二芳基酯的界面方法 - Google Patents
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Abstract
在界面反应体系中(该体系中的水相的pH大于9.3)，在相转移催化剂(PTC)存在下，使水杨酸甲酯和光气缩合，高产率地得到酯取代的碳酸二芳基酯，如碳酸二(甲基水杨基酯)。使用本发明的方法得到高于99%的转化率，而在标准条件下，使用三乙胺作为催化剂，甚至使用20%摩尔过量的光气，水杨酸甲酯原料的转化率仍然限制在70-75%。本发明的优化条件仅仅是使用稍微过量的光气，提出了一条制备碳酸二(甲基水杨基酯)和酯取代的碳酸二芳基酯的有吸引力的路线。
Description
发明背景
本发明涉及制备酯取代的碳酸二芳基酯的方法，具体是制备碳酸二(甲基水杨基酯)的方法。
酯取代的碳酸二芳基酯，如碳酸二(甲基水杨基酯)已被证明可用作通过碳酸二芳基酯和芳族二羟基化合物熔融反应制备聚碳酸酯的原料。参见如美国专利4,323,668，碳酸二(甲基水杨基酯)和双酚A的聚合速率高于双酚A和非取代的碳酸二芳基酯，如碳酸二苯酯的聚合速度。虽然酯取代的碳酸二芳基酯的结构简单，但是其制备方法未见报道。
碳酸二芳基酯的典型制备方法包括在含有水、酸接受体(如氢氧化钠)和溶剂(如二氯甲烷或三氯甲烷)的两相反应体系中，使羟基芳族化合物(如苯酚)和光气反应。用于制备碳酸二苯酯(DPC)的典型界面条件使用水和二氯甲烷两相、作为pH调节剂的氢氧化钠和作为催化剂的三甲胺。在这些条件下，苯酚基本上被定量转化为DPC。但是，如水杨酸甲酯采用同样的条件，则这种酯取代的苯酚转化为相应的碳酸二芳基酯仅有中等的转化率。即使使用高达20％过量光气，也只有不超过70％-75％的水杨酸甲酯被转化为碳酸二(甲基水杨基酯)。
因此，需要发现一种酯取代的碳酸二芳基酯的有效制备方法，特别是需要发现一种由水杨酸甲酯和光气制备碳酸二(甲基水杨基酯)的高效方法。
发明概述
本发明涉及一种制备酯取代的碳酸二芳基酯的方法，所述方法包括在有机溶剂和水相的存在下，将酯取代的苯酚和光气以及相转移催化剂接触一段时间，在整个接触过程中保持水相的pH值为至少大约9.3，光气的用量基于所述酯取代的苯酚计为大约0.95至大约1.20摩尔当量。本发明的一个实施方案提供了一种将至少90％的酯取代的苯酚转化为酯取代的碳酸二芳基酯产物的方法。
本发明还涉及以高产率制备碳酸二(甲基水杨基酯)的方法，碳酸二(甲基水杨基酯)可用作双酚熔融聚合制备聚碳酸酯的原料。
本发明详述
通过参考本发明的优选实施方案和其中包含的实施例的详细描述，可以更容易地理解本发明。在以下的说明书和权利要求书中所用的一些术语如下定义：
除非上下文有明确规定，否则所提及的物质均包括一类物质。
“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或条件可以发生或者可以不发生，该叙述还包括事件发生的情况以及事件不发生的情况。
本文所用的术语“聚碳酸酯”是指结合有衍生于一种或多种二羟基芳族化合物的结构单元的聚碳酸酯，并且包括共聚碳酸酯和聚酯聚碳酸酯共聚物。
本文所用的术语“熔融聚碳酸酯”是指通过包括碳酸二芳基酯和二酚的酯交换的方法制备的聚碳酸酯。
“催化有效量”是指能发挥催化作用的催化剂的量。
本文所用的术语“接触时间”可与反应时间交换使用。
本文所用的术语“烷基”是指包含直链或支链的、非环状的原子排列的化合价至少为1的基团。所述排列可包含如氮、硫和氧等杂原子或者仅由碳和氢组成。烷基的例子包含甲基、亚甲基、乙基、乙烯基、己基、1，6-亚己基等。
本文所用的术语“芳基”是指包含至少一个芳基的化合价至少为1的基团。芳基的例子包含苯基、吡啶基、呋喃基、噻吩基、萘基、亚苯基和联苯基。所述术语包括同时含芳族和脂族成分的基团，例如苄基。
本文所用的术语“环烷基”是指包含环状但非芳族的原子排列的化合价至少为1的基团。所述排列可包含如氮、硫和氧等杂原子或者仅由碳和氢组成。环烷基的例子包括环丙基、环戊基、环己基、四氢呋喃基等。
在本发明中，发现在温和的反应条件下，同时最大程度地减少过量使用光气，可有效地将酯取代的苯酚，如水杨酸甲酯，转化为酯取代的碳酸二芳基酯，如碳酸二(甲基水杨基酯)。
本发明一方面提供了一种具有结构式1的酯取代的碳酸二芳基酯的有效制备方法：
其中
R1每次出现时独立为C1-C20烷基、C4-C20环烷基或C4-C20芳基；
R2每次出现时独立为H、卤基、氰基、硝基、C1-C20烷基、C4-C20环烷基、C4-C20芳基、C1-C20烷氧基、C4-C20环烷氧基、C4-C20芳氧基、C1-C20烷硫基、C4-C20环烷硫基、C4-C20芳硫基、C1-C20烷基亚硫酰基、C4-C20环烷基亚硫酰基、C4-C20芳基亚硫酰基、C1-C20烷基磺酰基、C4-C20环烷基磺酰基、C4-C20芳基磺酰基、C1-C20烷氧基羰基、C4-C20环烷氧基羰基、C4-C20芳氧基羰基、C2-C60烷氨基、C6-C60环烷基氨基、C5-C60芳氨基、C1-C40烷氨基羰基、C4-C40环烷基氨基羰基、C4-C40芳氨基羰基和C1-C20酰氨基；并且
b每次出现时独立为0-4的整数。
可使用本发明方法制备的酯取代的碳酸二芳基酯的实例包括碳酸二(甲基水杨基酯)(CAS 82091-12-1)、碳酸二(乙基水杨基酯)、碳酸二(丙基水杨基酯)、碳酸二(丁基水杨基酯)、碳酸二(苯基水杨基酯)、碳酸二(甲基-4-氯水杨基酯)等。通常，由于碳酸二(甲基水杨基酯)分子量低，蒸汽压高，因此在熔融聚碳酸酯的合成中优选使用。
按照本发明的方法，将酯取代的苯酚和光气接触，其中每摩尔酯取代的苯酚大约0.95至大约1.20摩尔，优选大约1.0至大约1.1摩尔，更优选大约1.01至大约1.05摩尔的光气，所述接触在包含水和水不混溶的溶剂、酸接受体、相转移催化剂和任选的叔胺催化剂的两相体系中进行，所述酯取代的苯酚和光气接触的时间足以使至少90％的酯取代的苯酚转化为酯取代的碳酸二芳基酯产物I。
所述酯取代的苯酚为至少一种选自具有式II结构的苯酚的化合物：
其中R1和R2如结构式I中定义，b为0-4的整数。
可用作本发明方法的原料的酯取代的苯酚的实例包括水杨酸甲酯、水杨酸乙酯、水杨酸丙酯、水杨酸丁酯、水杨酸苄酯、4-氯水杨酸甲酯等等。通常优选水杨酸甲酯。
两相体系包括水相和有机相。在整个反应过程中通过加入碱水溶液来控制水相的pH值。适合的碱包括碱金属氢氧化物，如氢氧化钠、氢氧化锂和碱土金属氢氧化物，如氢氧化钙和氢氧化镁。优选包含大约5至大约50％重量NaOH的氢氧化钠水溶液。因为酯取代的碳酸二芳基酯的生成速率在低pH下显著下降，所以须小心保持接触时间内水相的pH值为至少大约9.3。在本发明的一个实施方案中，水相的pH保持在大约9.3至大约12之间，优选大约10.3至大约12之间。
有机相为至少一种水不混溶的溶剂。有机相可包括卤代或非卤代溶剂。适用于本发明方法的卤代溶剂的例子有二氯化碳和氯仿。适用于本发明方法的非卤代溶剂的例子有甲苯和乙酸乙酯。在此使用的溶剂的量应足够溶解酯取代的苯酚。通常，酯取代的苯酚在水不混溶溶剂中的溶液包含大约5至大约50％重量的酯取代的苯酚。在本发明的一个实施方案中，反应开始时，水相的体积大约等于有机相的体积。
酯取代的苯酚和光气的接触可以在低于环境温度、环境温度或高于环境温度下进行。在本发明的一个实施方案中，酯取代的苯酚和光气在大约0℃至大约50℃下，优选大约10℃至大约40℃下接触。
酯取代的苯酚和光气的接触时间应足够使大于90％，优选大于95％并且更优选大于98％的起始酯取代的苯酚转化为酯取代的碳酸二芳基酯，也称为反应时间。在本发明的一个实施方案中，反映时间为大约5-大约60分钟。在本发明的实施方案中，光气加入酯取代的苯酚的溶液中，反应时间被光气的加入速度所限制。
本发明的方法依靠意料之外的发现，当所述苯酚和光气在含有水和有机相的两相反应体系中接触，并通过加入水溶性碱如氢氧化钠水溶液来控制两相体系中水相的pH时，相转移催化剂显著地提高了酯取代的苯酚转化为产物碳酸二芳基酯的转化率。适合的相转移催化剂有广泛的来源，包括脂肪胺的季铵盐，芳胺的季铵盐、鏻盐、锍盐、聚醚等。脂肪胺的季铵盐的例子有氯化甲基三丁基铵，氯化四甲基铵等。芳胺的季铵盐的例子有氯化N-苄基吡啶鎓，N-苄基-4-N’，N’-二甲氨基氯化吡啶鎓等。季铵盐包括六烷基胍盐化合物，如氯化六烷基胍盐。鏻盐的例子有乙酸四丁基鏻等。锍盐的例子有氯化三甲基锍等。聚醚的例子有聚乙二醇和冠醚，如18-冠-6等。
在本发明的一个实施方案中，相转移催化剂为具有结构式III的季铵化合物：
其中R3-R6独立为C1-C20烷基、C4-C20环烷基或C4-C20芳基，X-为至少一个有机或无机阴离子。适合的阴离子X-包括氢氧根、卤离子、羧酸根、磺酸根、硫酸根、碳酸根和碳酸氢根。
其中X-为多价阴离子，如碳酸根或硫酸根，当然在结构式III中正负电荷应平衡。例如，其中结构式III中R3-R6为甲基，X-为碳酸根，应理解X-表示1/2(CO3 -2)。
适合用作本发明方法的相转移催化剂的具有式III结构的季铵化合物的例子有氯化甲基三丁基铵，氯化四丁基铵和氯化癸基三甲基铵。
相转移催化剂使用量的范围为每摩尔酯取代的苯酚使用大约0.1到大约2，优选大约0.25到大约1.0％摩尔的催化剂。
在本发明的一个实施方案中，还包括叔胺，以用作形成酯取代的碳酸二芳基酯的共催化剂。发现叔胺可加速酯取代的碳酸二芳基酯产物的形成，并且最大程度减少产物中存在的氯甲酸(酯取代的苯基)酯的存在量。发现在加入光气后选择使用叔胺对于所述氯甲酸酯中间体存在的反应体系有利。因此，在本发明的条件下，将光气加入到含有水不混溶的有机溶剂、水、酸接收体、酯取代的苯酚和相转移催化剂的两相反应体系中，多次得到含有酯取代的碳酸二芳基酯和氯甲酸(酯取代的苯基)酯中间体的混合产物。一般，氯甲酸(酯取代的苯基)酯中间体的量比较少，小于1％摩尔，基于所用的苯酚的摩尔总量计算，但是不希望产品中存在这种中间体。发现光气化步骤之后加入少量的叔胺可以消除产物混合物中残留的氯甲酸酯的量。一般叔胺共催化剂的用量为大约0.01摩尔至大约1摩尔％，基于所用酯取代的苯酚的总量计算。
适合用作本发明方法的共催化剂的叔胺的例子有三甲胺、二异丙乙胺、三丁胺和1，4-二氮杂二环辛烷。
实施例
以下阐述的实施例为本领域普通技术人员详细描述了如何实施本发明所要求保护的方法，但并非是对发明人发明范围的限定。除非特别说明，否则份数为重量份数，温度为℃。在表格中，将本发明的以下实施例用一个数字来表示，例如1代表实施例1。比较实施例用“CE-数字”表示，例如CE-1代表比较实施例1。
比较实施例1
在装有机械搅拌器、pH探针、氢氧化钠入口、冷凝器、光气入口、氮气入口和连接于高效光气洗涤器的气体出口的500毫升五颈挡板式圆底烧瓶中装入苯酚(40.00g，0.4255mol)、112ml二氯甲烷和84.5ml水。在反应混合物中加入三乙胺(0.0043g，0.0043mol)。以0.5g/min的速率加入光气(25.27g，0.2553mol)，同时抵偿地加入50％的氢氧化钠保持pH为10.3。加完光气后，往系统中通氮气5分钟。取样，用酸骤冷，并且用液相色谱分析。经高效液相色谱检测，苯酚基本定量地转化为碳酸二苯酯。
比较实施例2-5除了水相的pH在10.3-7.3之间变化外，在基本相同的条件下，使用20％摩尔过量的光气进行反应。比较实施例1-5的起始浓度为31％固体份。
表1 pH对酯取代的苯酚转化为碳酸二芳基酯的转化率的影响
| 实施例 | ArOH | Et<sub>3</sub>N％摩尔 | pH | 转化率％ |
| CE-1 | 苯酚 | 1 | 10.3 | 100 |
| CE-2 | 水杨酸甲酯 | 1 | 10.3 | 73.4 |
| CE-3 | 水杨酸甲酯 | 1 | 9.3 | 68.9 |
| CE-4 | 水杨酸甲酯 | 1 | 8.3 | 61.4 |
| CE-5 | 水杨酸甲酯 | 1 | 7.3 | 44.6 |
表1的数据表明虽然用20％摩尔过量的光气和三乙胺作为催化剂制备碳酸二苯酯(比较实施例1)效率很高，但是对于水杨酸甲酯使用相同的条件，得到碳酸二(甲基水杨基酯)(BMSC)产物的转化不完全。即使使用了20％摩尔过量的光气，水杨酸甲酯的转化率仍不完全，并且很强地依赖水相的pH。
实施例1
在装有机械搅拌器、pH探针、氢氧化钠入口、冷凝器、光气入口、氮气入口和连接于高效光气洗涤器的气体出口的500毫升五颈挡板式圆底烧瓶中装入水杨酸甲酯(42.92g，0.2821mol)、112ml二氯甲烷和84.5ml水和氯化甲基三丁基铵(0.0028mol MTAB)。以0.5g/min的速率加入光气(16.76g，0.1693mol)，同时抵偿地加入50％的氢氧化钠保持pH为10.3。加完光气后，往系统中通氮气5分钟。取样，用酸骤冷，并且用液相色谱分析。经高效液相色谱检测，高于99％的水杨酸甲酯被转化为碳酸二(甲基水杨基酯)(BMSC)。
表2汇集了实施例1-7的数据，这些实施例举例说明了本发明方法。实施例2-7在和实施例1基本相同的条件下进行，不同之处如下所述。实施例2-7各用少量三乙胺作为共催化剂。实施例3和4中，三乙胺在光气化之前加入，而在实施例2、5、6和7中，三乙胺是在光气化之后加入。实施例1-4在浓度等于表1中的比较实施例2-5中所示的浓度时进行。实施例1-4和比较实施例1-5的起始浓度为：假设水杨酸甲酯或苯酚转化为产物BMSC或DPC的转化率为100％，产物碳酸二芳基酯的重量占反应开始时所用的二氯甲烷重量的31％。这里表示为31％固体份。实施例5、6、7分别在稍高的浓度，37.3、45.4和70％固体份下进行。在大约45％固体份和更高的浓度下，观察到产物BMSC从反应混合物中析出，再加入二氯甲烷进行处理，并做HPLC分析。实施例1-6在环境温度下进行。在实施例7中，在反应过程中将反应混合物浸入冰浴中。提供了水杨酸甲酯的转化率和BMSC的选择性的数值。选择性为粗产品试样中由BMSC峰产生的HPLC峰面积与所有产物峰的总面积的比率。在表2中，符号“*”表示在光气化后加入三乙胺。
表2用于形成酯取代的碳酸二芳基酯的相转移催化剂
| 实施例 | Et<sub>3</sub>N％摩尔 | PTC％摩尔 | pH | ％转化率 | 选择性 |
| 1 | 0 | 1 | 10 3 | 100 | 99 8 |
| 2 | 0 05<sup>*</sup> | 0 5 | 10 3 | 100 | 99 5 |
| 3 | 0 025 | 0 5 | 10 3 | 100 | 99 8 |
| 4 | 0 025 | 0 5 | 10 3 | 100 | 99 3 |
| 5 | 0 5<sup>*</sup> | 1 | 10 3 | 100 | 99 1 |
| 6 | 0 5<sup>*</sup> | 1 | 10 3 | 100 | 99 2 |
| 7 | 0 5<sup>*</sup> | 0 5 | 10 3 | 99 8 | 97 6 |
表2中的数据举例说明使用本发明的方法得到了酯取代的苯酚转化为酯取代的碳酸酯的高转化率。
已经具体参考本发明优选的实施方案对其作出详细描述，但是本领域技术人员会理解，在本发明的宗旨和范围内可以作出各种变化和修改。
Claims (21)
1.一种制备酯取代的碳酸二芳基酯的方法，所述方法包括在有机溶剂和水相的存在下，将酯取代的苯酚和光气以及相转移催化剂接触一段时间，在整个接触时间中保持水相的pH值为至少9.3，所述光气的用量为每摩尔酯取代的苯酚0.6摩尔。
2.权利要求1的方法，其中所述酯取代的碳酸二芳基酯具有式I结构：
其中
R1每次出现时独立为C1-C20烷基、C4-C20环烷基或C4-C20芳基；
R2每次出现时独立为H、卤基、氰基、硝基、C1-C20烷基、C4-C20环烷基、C4-C20芳基、C1-C20烷氧基、C4-C20环烷氧基、C4-C20芳氧基、C1-C20烷硫基、C4-C20环烷硫基、C4-C20芳硫基、C1-C20烷基亚硫酰基、C4-C20环烷基亚硫酰基、C4-C20芳基亚硫酰基、C1-C20烷基磺酰基、C4-C20环烷基磺酰基、C4-C20芳基磺酰基、C1-C20烷氧基羰基、C4-C20环烷氧基羰基、C4-C20芳氧基羰基、C2-C60烷氨基、C6-C60环烷基氨基、C5-C60芳氨基、C1-C40烷氨基羰基、C4-C40环烷基氨基羰基、C4-C40芳氨基羰基和C1-C20酰氨基；并且
b每次出现时独立为0-4的整数。
3.权利要求2的方法，其中所述酯取代的碳酸二芳基酯为碳酸二(甲基水杨基酯)。
4.权利要求1的方法，其中所述酯取代的苯酚具有式II结构：
其中
R1为C1-C20烷基、C4-C20环烷基或C4-C20芳基；
R2每次出现时独立为H、卤基、氰基、硝基、C1-C20烷基、C4-C20环烷基、C4-C20芳基、C1-C20烷氧基、C4-C20环烷氧基、C4-C20芳氧基、C1-C20烷硫基、C4-C20环烷硫基、C4-C20芳硫基、C1-C20烷基亚硫酰基、C4-C20环烷基亚硫酰基、C4-C20芳基亚硫酰基、C1-C20烷基磺酰基、C4-C20环烷基磺酰基、C4-C20芳基磺酰基、C1-C20烷氧基羰基、C4-C20环烷氧基羰基、C4-C20芳氧基羰基、C2-C60烷氨基、C6-C60环烷基氨基、C5-C60芳氨基、C1-C40烷氨基羰基、C4-C40环烷基氨基羰基、C4-C40芳氨基羰基和C1-C20酰氨基；并且
b为0-4的整数。
5.权利要求4的方法，其中所述酯取代的苯酚选自水杨酸甲酯、水杨酸乙酯、水杨酸异丙酯和水杨酸苄酯。
6.权利要求1的方法，其中所述相转移催化剂是具有式III结构的季铵化合物：
其中R3-R6独立为C1-C20烷基、C4-C20环烷基或C4-C20芳基，X-为选自氢氧根、卤离子、羧酸根、磺酸根、硫酸根、碳酸根和碳酸氢根的至少一个有机或无机阴离子。
7.权利要求6的方法，其中所述相转移催化剂选自氯化甲基三丁基铵、氯化四丁基铵和氯化癸基三甲基铵。
8.权利要求1的方法，其中所述水相的pH保持在9.3至12。
9.权利要求8的方法，其中所述水相的pH通过加入碱金属氢氧化物水溶液、碱土金属氢氧化物水溶液或它们的混合物保持在9.3至12。
10.权利要求9的方法，其中所述碱金属氢氧化物为氢氧化钠。
11.权利要求1的方法，其中所述溶剂为卤代溶剂。
12.权利要求11的方法，其中所述卤代溶剂为二氯甲烷。
13.权利要求1的方法，其中所述溶剂为非卤代溶剂。
14.权利要求13的方法，其中所述溶剂为甲苯。
15.权利要求1的方法，其中所述相转移催化剂的用量占所述酯取代的苯酚的摩尔量的0.1至2％摩尔。
16.一种制备酯取代的碳酸二芳基酯的方法，所述方法包括在有机溶剂和水相的存在下，将酯取代的苯酚和光气、相转移催化剂以及叔胺接触一段时间，在整个接触时间中保持水相的pH值为至少9.3，光气的用量为每摩尔酯取代的苯酚0.6摩尔，其中至少90％所述酯取代的苯酚被转化为酯取代的碳酸二芳基酯产物。
17.权利要求16的方法，其中所述相转移催化剂是具有式III结构的季铵化合物：
其中R3-R6独立为C1-C20烷基、C4-C20环烷基或C4-C20芳基，X-为选自氢氧根、卤离子、羧酸根、磺酸根、硫酸根、碳酸根和碳酸氢根的至少一个有机或无机阴离子。
18.权利要求17的方法，其中所述叔胺选自三乙胺、二异丙乙胺、三丁胺和1，4-二氮杂二环辛烷。
19.权利要求18的方法，其中所述胺为三乙胺。
20.一种制备碳酸二(甲基水杨基酯)的方法，所述方法包括使水杨酸甲酯在二氯甲烷中的溶液和水相的两相混合物与0.6摩尔当量的光气和0.1至2摩尔当量的季铵化合物接触，所述光气和季铵化合物的摩尔当量基于水杨酸甲酯的摩尔量计算，所述水相的pH通过加入氢氧化钠水溶液保持在9.3至12，其中至少90％的水杨酸甲酯被转化为碳酸二(甲基水杨基酯)产物，其中所述季铵化合物具有式III的结构：
其中R3-R6独立为C1-C20烷基、C4-C20环烷基或C4-C20芳基，X-为选自氢氧根、卤离子、羧酸根、磺酸根、硫酸根、碳酸根和碳酸氢根的至少一个有机或无机阴离子。
21.权利要求20的方法，其中所述具有式III结构的化合物为氯化甲基三丁基铵。
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