一种水杨醛亚胺席夫碱金属配合物催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种水杨醛亚胺席夫碱金属配合物催化剂及其制备方法和应用,其可用于制备分子量分布可控的聚异氰酸酯固化剂。
背景技术
长久以来,人们对制备含异氰脲酸酯的聚异氰酸酯化合物的文献及专利进行了大量的报道。脂肪族和芳香族异氰酸酯三聚体也被广泛应用于底漆材料或者聚氨酯弹性体和聚氨酯泡沫领域。
异氰酸酯单体因其挥发性和毒性高,一般不直接用于涂料工业。从职业健康和卫生角度出发,将其转化为低游离单体含量的三聚体是目前主要的应用形式之一。目前,降低游离单体主要通过薄膜蒸发或提高转化率的直接合成法两种途径实现,后一种方法主要应用于TDI三聚体的制备过程。
直接合成法相较于薄膜蒸发,无疑大大降低了能耗,同时也能解决单体回用过程所产生的一系列问题。然而,简单的通过持续三聚来提高转化率实现降低单体目的同时,会造成产品中高聚物的含量增多,进而导致粘度上升、NCO值偏低,同时,会造成固化剂与树脂的相容性变差。
催化剂分子设计是另一个众多专利和文献关注的重点,合适的分子设计能够获得高效的催化效果。GB9492530叙述了一种碱性金属羧酸盐催化剂,其能够在50℃-70℃条件下,在N-取代的氨基甲酸酯的共催化作用下,制备TDI三聚体,得到的产品NCO值在13-15%,单体低于1.25%,未达到低游离标准,金属羧酸盐的溶解度较差,需要向体系中加入相转移催化剂或表面活性剂,无疑造成催化体系更加复杂,甚至影响下游应用。DE1201992则选取了膦类化合物作为TDI三聚催化剂,仍未获得单体合格的产品,除此之外,膦类催化剂特别是脂肪族取代的膦类化合物对空气敏感,极易引燃,而且,膦类物质本身属于剧毒品,无疑大大增加了生产过程中的安全风险。不仅如此,膦作为催化剂,反应过程中不可避免得生成大量的脲二酮。US4115373描述了一种Mannich碱类型的高效催化剂,在该类催化剂的作用下,反应能得到游离单体合格的产品,但该催化剂活性高,产品分子量分布不能控制。虽然新型催化剂的设计解决了游离单体含量的问题,但是仍然无法避免直接合成工艺得到的产品高聚物含量偏高的缺点。因此,如何解决直接合成法得到的产品的高聚物含量偏高,使其能获得与高真空薄膜蒸发接近的分子量分布,同时,保证产品中的游离单体符合标准是亟待解决的问题,也是这个领域新的挑战。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种水杨醛亚胺席夫碱金属配合物催化剂及其制备方法,本发明从催化剂的设计出发,通过催化剂修饰使其具备一定的空间位阻,利用位阻效应,促进小分子之间的反应同时抑制大分子与小分子或大分子之间的反应,得到分子量分布优良的产品。
本发明的另一个目的在于提供一种水杨醛亚胺席夫碱金属配合物催化剂在二异氰酸酯自聚反应制备分子量分布可控的聚异氰酸酯固化剂中作为催化剂的用途,既解决了固化剂直接化学合成法中高聚物偏高的问题,同时又能够得到分子量分布优良的产品且产品中游离单体低于0.3wt%。
为实现以上目的,本发明的技术方案如下:
一种水杨醛亚胺席夫碱金属配合物催化剂,该催化剂包含如下组分制备而成:(A)一种水杨醛亚胺席夫碱配体,(B)一种可与水杨醛亚胺席夫碱配体配位的过渡金属化合物,(C)一种碱金属或碱土金属化合物。本发明中,(A)一种水杨醛亚胺席夫碱配体具有如下结构式:
其中,R1为卤素、烷基或烷氧基,优选卤素、C1-C10的烷基,更优选C1-C10的烷基,R1为1~4个,其取代苯环上的任意空余取代位置;
R2为C1-C16的烷基、C3-C16的环烷基或C6-C16的芳香基,优选C1-C10的烷基、C3-C10的环烷基或C6-C10的芳香基,更优选C1-C6的的烷基、C3-C6的环烷基或C6的芳香基,R1,R2代表的基团可以相同或不同。
具体地可以是,组分(A)一种水杨醛亚胺席夫碱配体为3-甲氧基-N-乙基水杨醛亚胺席夫碱、2-叔丁基-N-苯基水杨醛亚胺席夫碱、4-溴-N-苯基水杨醛亚胺席夫碱、2-氯-N-乙基水杨醛亚胺席夫碱、2,4-二叔丁基-N-苯基水杨醛亚胺席夫碱、2,4-二叔丁基-N-甲基水杨醛亚胺席夫碱、2,4-二叔丁基-N-丁基水杨醛亚胺席夫碱、2,4-二叔丁基-N-异丙基水杨醛亚胺席夫碱、2,4-二叔丁基-N-异丙基水杨醛亚胺席夫碱、2,4-二叔丁基-N-环丁基水杨醛亚胺席夫碱、2,4-二叔丁基-N-(环丙基甲基)水杨醛亚胺或2,4-二叔丁基-N-环己基水杨醛亚胺席夫碱。
本发明中,所述(A)一种水杨醛亚胺席夫碱配体制备方法如下:以醇类(优选甲醇或乙醇)为溶剂,将不同取代的水杨醛溶于溶剂中保持质量分数在7%-20%范围内,并加入对应水杨醛质量比范围为0.5%-3%的对甲苯磺酸(TsOH)作催化剂,50℃-80℃条件下缓慢向体系中滴加摩尔量为水杨醛摩尔量的0.8-1.3倍的胺(H2N-R2),反应维持3-8h。反应结束后,将溶剂蒸发除掉,剩余产物用良性溶剂与不良溶剂的混合溶剂中进行重结晶提纯,其中良性溶剂可以是甲醇、乙醇、二氯甲烷、氯仿、丙酮中的一种或多种组合,不良溶剂可以是甲苯、氯苯、正己烷中的一种或多种组合。H2N-R2中的R2代表的基团同上所述。
反应方程式如下所示:
本发明中,组分(B)优选为过渡金属盐,更优选镍、钯、铂的醋酸盐或氯化物,进一步优选镍、钯、铂的氯化物。
本发明中,组分(C)优选碱金属化合物,更优选碱金属的碳酸盐、醋酸盐或氢氧化物中的一种或多种,具体地,可以是碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯、醋酸钠、醋酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾等,优选碳酸钾、碳酸铯和碳酸钠中的一种或多种。
本发明中,所述的水杨醛亚胺席夫碱金属配合物催化剂的制备方法如下:
将组分(A)、(B)、(C)溶于溶剂中,并在相应溶剂沸点温度下回流1-5h,反应完成后蒸发掉溶剂,剩余组分在良性溶剂与不良溶剂的混合溶剂中进行重结晶提纯,其中良性溶剂可以是甲醇、乙醇、二氯甲烷、氯仿、丙酮中的一种或多种组合,不良溶剂可以是甲苯、氯苯、正己烷中的一种或多种组合。
催化剂的制备中,所述的溶剂为乙腈、三氯甲烷、丁酮、二甲基乙醚中的一种或多种。溶剂的用量为组分(A)、(B)、(C)总质量的5-20倍。
催化剂的制备中,所述的组分(A)、(B)、(C)的质量比为:(A):(B):(C)=(20-60):(10-30):,(10-70);优选(A):(B):(C)=(30-50):(15-25):(25-55)。
本发明中,所述的催化剂在催化二异氰酸酯自聚反应制备分子量分布可控的聚异氰酸酯固化剂的用途。所述的二异氰酸酯为脂肪族二异氰酸、脂环族二异氰酸酯或芳香族二异氰酸酯,优选六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、氢化苯二亚甲基二异氰酸酯(H6XDI),甲苯二异氰酸酯(TDI)或苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI),更优选甲苯二异氰酸酯(TDI)。上述物质可以单独或按一定比例混合作为三聚反应的起始物质。
本发明中,催化剂的加入方式为分批加入或一次性加入,基于二异氰酸酯的质量,所述催化剂的浓度为50-6000ppm,优选100-3000ppm,更有选200-1000ppm。
将催化剂用于TDI三聚体的制备:
按重量百分比计,其配方组成为:TDI-80占46.0%-54.0%、溶剂占46%-54%,投入反应容器中,N2保护,升温至40-60℃,保温1-2h。分批次加入本发明合成的催化剂和溶剂的组合物,控制反应温度在40-80℃,反应开始后每1h检测产品NCO值,当NCO%值达到特定范围后,加入阻聚剂终止反应,无需后续分离过程,测试产品的游离单体含量、粘度、二甲苯容忍度和分子量分布,达到要求后出料。所述的溶剂为醋酸乙酯、醋酸丁酯、碳酸二甲酯的一种或多种的组合并预先做脱水处理;所述的催化剂和溶剂的组合物,催化剂的质量分数占6~10%;所述的阻聚剂为磷酸、次磷酸或苯甲酰氯的一种,用量为催化剂摩尔量的1-1.5倍。
本发明的积极效果在于:(1)本发明从催化剂的设计出发,通过催化剂修饰使其具备一定的空间位阻,利用位阻效应,促进小分子之间的反应同时抑制大分子与小分子或大分子之间的反应,得到分子量分布优良的产品。(2)现有工业化制备TDI三聚体固化剂均采用化学法,该方法的缺点在于得到的产品往往分子量分布,尤其是高聚物含量偏高,影响下游应用,例如高聚物含量高,导致固化剂与树脂相容性较差,两者形成的漆膜光泽度较差。本发明合成的催化剂可通过取代基的调整,得到高聚物含量相对较低、分子量分布优良的TDI三聚体固化剂。本发明涉及的所有百分数,除特殊说明,均为质量百分数。
具体实施方式
本发明所述的二异氰酸酯单体未加特别说明均在100Pa搅拌的条件下脱气30min,脱气后反应过程采用N2保护。
本发明按照GB/T 12009.4-1989的方法测定NCO含量。
本发明设计的动力学粘度采用BrookField DV-I Prime粘度计,采用S21转子于25℃获得。
本发明所述的三聚体分子量分布由Waters(1515/2707/2414)分子凝胶色谱进行表征。
本发明合成过程使用的试剂均为Alfa Aesar提供。
本发明合成得到的催化剂配体核磁分析采用Bruker 400MHZ Advance进行表征。高分辨质谱采用Thermo Q Exactive Focus/Ultimate 3000进行表征。
实施例1:
催化剂I的制备
在合成釜中,按配方重量比计,将200份3-氯邻羟基苯甲醛溶于2000份甲醇中并加入1份的对甲苯磺酸(TsOH)作催化剂,60℃条件下缓慢向体系中滴加70份乙胺,反应维持4h。反应结束后,将甲醇与过量的乙胺在常压下80℃蒸发除掉,剩余产物用乙醇溶剂/甲苯进行重结晶提纯。
产物的核磁及质谱分析如下:1H NMR(CDCl3,400MHz):δ 8.54(1H,s),7.54-7.02(3H,m),5.35(1H,br s),3.59(2H,t,J=8.0Hz),1.18(3H,q,J=8.0Hz);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ159.8,157.5,134.9,130.2,126.0,124.3,122.8,53.3,16.3;HRMS(ESI):Calcd for C9H11ClNO[M+H]+184.0524,Found:184.0529;
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入2-氯-N-乙基水杨醛亚胺38份、氯化钯18份、碳酸铯38份、乙腈500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应5h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在200pa,80℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用二氯甲烷/正己烷室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为89%。产物为无色晶体。催化剂I的配体络合物结构如下:
实施例2:
催化剂II的制备
在合成釜中,按配方重量比计,将250份2,4-二叔丁基苯甲醛溶于2000份乙醇中并加入2.5份的对甲苯磺酸(TsOH)作催化剂,80℃条件下缓慢向体系中滴加100份苯胺,反应维持6h。反应结束后,将乙醇在200pa下40℃蒸发除掉,剩余产物用甲醇/甲苯进行重结晶提纯。
产物的核磁及质谱分析如下:1H NMR(CDCl3,400MHz):δ 8.87(1H,s),7.52-7.06(7H,m),5.35(1H,br s),1.35(9H,s),1.34(9H,s);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ160.0,153.7,152.0,138.4,137.7,130.0,128.3,127.2,122.3,117.7,34.5,34.4,31.6,31.3;HRMS(ESI):Calcd for C21H28NO[M+H]+310.2165,Found:310.2164;
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入2,4-二叔丁基-N-苯基水杨醛亚胺44份、氯化钯13份、碳酸钾28份、丁酮500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应4.5h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在100pa,60℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用甲醇/甲苯室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为85%。产物为无色晶体。催化剂II的配体络合物结构如下:
实施例3:
催化剂III的制备
在合成釜中,按配方重量比计,将200份4-甲氧基邻羟基苯甲醛溶于2000份甲醇中并加入1份的对甲苯磺酸(TsOH)作催化剂,80℃条件下缓慢向体系中滴加75份乙胺,反应维持4.5h。反应结束后,将乙醇和乙胺在200pa下40℃蒸发除掉,剩余产物用乙醇/甲苯进行重结晶提纯。
产物的核磁及质谱分析如下:1H NMR(CDCl3,400MHz):δ 8.54(1H,s),7.71-6.48(3H,m),5.35(1H,br s),3.83(3H,s),3.59(2H,t,J=8.0Hz),1.18(3H,q,J=8.0Hz);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ164.3,162.1,157.5,133.4,116.9,107.0,103.4,55.8,53.3,16.3;HRMS(ESI):Calcd for C10H14NO2[M+H]+180.1019,Found:180.1022;
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入3-甲氧基-N-乙基水杨醛亚胺36份、氯化钯18份、碳酸铯75份、乙腈500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应3.5h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在200pa,80℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用二氯甲烷/正己烷室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为88%。产物为无色晶体。催化剂III的配体络合物结构如下:
实施例4:
催化剂IV的制备
在合成釜中,按配方重量比计,将250份3,5-二叔丁基邻羟基苯甲醛溶于2800份甲醇中并加入1.5份的对甲苯磺酸(TsOH)作催化剂,70℃条件下缓慢向体系中滴加90份异丙胺,反应维持5h。反应结束后,将乙醇和过量的异丙胺在200pa下60℃蒸发除掉,剩余产物用二氯甲烷/正己烷进行重结晶提纯。
产物的核磁及质谱分析如下:1H NMR(CDCl3,400MHz):δ 8.65(1H,s),7.52-7.48(2H,m),5.35(1H,br s),3.27(3H,s),1.35(9H,s),1.33(9H,s);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ160.8,153.7,138.4,137.7,128.3,123.8,123.7,48.0,34.5,34.4,31.6,31.3;HRMS(ESI):Calcd for C16H26NO[M+H]+248.2009,Found:248.2005;
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入2,4-二叔丁基-N-异丙基水杨醛亚胺35份、氯化钯11份、碳酸钾18份、丁酮500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应7h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在100pa,60℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用二氯甲烷/正己烷室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为85%。产物为无色晶体。催化剂IV的配体络合物结构如下:
实施例5:
催化剂V的制备
在合成釜中,按配方重量比计,将250份3,5-二叔丁基邻羟基苯甲醛溶于2000份甲醇中并加入1.5份的对甲苯磺酸(TsOH)作催化剂,70℃条件下缓慢向体系中滴加100份正丁胺,反应维持6h。反应结束后,将乙醇和过量的正丁胺在100pa下80℃蒸发除掉,剩余产物用甲醇/甲苯进行重结晶提纯。
产物的核磁及质谱分析如下:1H NMR(CDCl3,400MHz):δ 8.56(1H,s),7.52-7.48(2H,m),5.35(1H,br s),3.71(2H,t,J=7.1Hz),1.65(2H,m),1.35(9H,s),1.33(9H,s),1.31(2H,m),0.90(3H,q,J=8.0Hz);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ157.5,156.7,141.0,136.8,130.4,125.1,124.2,61.5,33.8,33.5,23.3,22.3,20.3,14.8,13.8;HRMS(ESI):Calcd for C19H32NO[M+H]+290.2478,Found:290.2475;
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入2,4-二叔丁基-N-丁基水杨醛亚胺30份、氯化钯9份、碳酸铯25份、乙腈500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应5h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在100pa,60℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用二氯甲烷/正己烷室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为89%。产物为无色晶体。催化剂V的配体络合物结构如下:
实施例6:
催化剂VI的制备
在合成釜中,按配方重量比计,将250份3,5-二叔丁基邻羟基苯甲醛溶于1500份乙醇中并加入1.3份的对甲苯磺酸(TsOH)作催化剂,80℃条件下缓慢向体系中滴加100份环丙基甲基胺,反应维持5h。反应结束后,将乙醇和过量的环丙基甲基胺在100pa下80℃蒸发除掉,剩余产物用甲醇/甲苯进行重结晶提纯。
产物的核磁及质谱分析如下:1H NMR(CDCl3,400MHz):δ 8.56(1H,s),7.52-7.48(2H,m),5.35(1H,br s),3.51(2H,d,J=7.0Hz),1.35(9H,s),1.33(9H,s),0.20(1H,m),0.05(4H,m);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ157.5,153.7,138.4,137.7,128.3,123.8,123.7,67.8,34.5,34.4,31.6,31.3,10.9,3.9;HRMS(ESI):Calcd for C19H30NO[M+H]+288.2322,Found:288.2328;
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入2,4-二叔丁基-N-环丙基甲基水杨醛亚胺29份、氯化钯9份、碳酸铯20份、丁酮500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应7h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在200pa,80℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用二氯甲烷/正己烷室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为84%。产物为无色晶体。催化剂VI的配体络合物结构如下:
实施例7:
催化剂VII的制备
配体与实施例2一致。
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入2,4-二叔丁基-N-苯基水杨醛亚胺30份、氯化镍6份、碳酸钾8份、丁酮500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应6.5h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在200pa,80℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用二氯甲烷/正己烷室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为82%。产物为无色晶体。催化剂VII的配体络合物结构如下:
实施例8:
催化剂VIII的制备
配体与实施例2一致。
在合成釜中,按配方重量比计,依次加入2,4-二叔丁基-N-苯基水杨醛亚胺32份、氯化钴6份、碳酸钾9份、丁酮500份,升温至80℃左右开始回流,继续反应6.5h后。反应终止后,过滤并保留有机相,在200pa,80℃条件下将有机溶剂脱除后,剩余组分使用二氯甲烷/正己烷室温下挥发进行重结晶提纯,产率约为79%。产物为无色晶体。催化剂VIII的配体络合物结构如下:
实施例9-16:
TDI三聚体的制备
在合成釜中,按配方重量比计,一次加入1000份TDI-80、1000份乙酸丁酯。反应体系升温至60℃。将本发明中催化剂用乙酸丁酯稀释至浓度为10%逐滴加入到反应体系中。反应过程中检测NCO%值变化,当NCO%值达到8.0时,此时向体系中加入与催化剂等摩尔量的磷酸终止反应。将获得的三聚体产品进行游离单体含量、粘度、二甲苯容忍度和分子量分布(主要检测高聚物含量)的测试。
对比例:
TDI三聚体的制备
在合成釜中,按配方重量比计,一次加入800份TDI-80、800份乙酸丁酯。反应体系升温至60℃。将1.2份Mannich碱催化剂催化剂逐滴加入到反应体系中。反应过程中检测NCO%值变化,反应时间26h,此时NCO%值为8.0%,向体系中加入对甲苯磺酸甲酯终止反应。将获得的三聚体产品进行游离单体含量、粘度、二甲苯容忍度和分子量分布(主要检测高聚物含量)的测试。
Mannich碱结构
表1给出了实施例9-16及对比例的反应情况及产品性质:
对比例与实施例的对比可以看出:本发明通过催化剂修饰使其具备一定的空间位阻,利用位阻效应,促进小分子之间的反应同时抑制大分子与小分子或大分子之间的反应,能够得到分子量分布优良的产品。这种水杨醛亚胺席夫碱金属配合物催化剂应用于聚异氰酸酯的合成,既解决了固化剂直接化学合成法中高聚物偏高的问题,同时又能够使产品中游离单体低于0.3wt%。