CN110066229A - 一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，先将催化剂多金属氧酸盐、溶剂加入反应容器，再加入原料联邻甲苯胺以及苯硅烷、缚酸剂和脱水剂，一同混合均匀，最后加入气态二氧化碳，一定温度下磁力搅拌充分反应，即得到产物。本发明方法采用M‑Anderson型杂多酸作为催化剂，该催化剂所需反应条件温和、专一选择性高，可回收利用对环境友好，提高了工业反应的清洁性，提高了工艺的经济性，降低制造成本和三废的产生，减轻环保压力，有利于工业化生产。

Description

一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域，具体涉及一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法。
背景技术
二甲基联苯二异氰酸酯是聚氨酯弹性体的原料，可用于制备橡胶、涂料、发泡体，可作为油封材料原料，耐热树脂改性剂，脲醛树脂及耐热涂料的原料。由于其应用十分广泛从而使得甲苯二异氰酸酯的合成和应用得到国内外研究人员的广泛关注。
传统制备二甲苯联苯二异氰酸酯通过光气和盐酸3,3’-二甲基联苯胺合成二甲基联苯二异氰酸酯，但光气在制备、储运和使用过程中都具有较大的危险性，且对操作和设备的要求极高，限制了其在工业上的大量广泛应用。因此，现有的工作人员迫切希望寻找一种廉价环保的高效合成工艺。
专利号CN1935783B公开了一种3,3’-二甲基-4,4’-联苯二异氰酸酯的合成方法，但该工艺流程复杂繁琐，不易控制以及大规模工业化生产，且合成目标产物过程中使用的氯化氢气体，对眼和呼吸道粘膜有强烈的刺激作用。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种环境友好、反应毒性低、成本低的二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，以联邻甲苯胺和气态的二氧化碳为原料，以多金属氧酸盐为催化剂进行偶联反应，反应通式为：
优选地，将联邻甲苯胺、多金属氧酸盐以及溶剂混合加入到反应容器内，再加入苯硅烷、缚酸剂及脱水剂，混合均匀，最后通入气态二氧化碳，设定反应温度为0～50℃，搅拌反应6～36h，分离纯化即得到产品，苯硅烷用来还原二氧化碳。
优选地，所述多金属氧酸盐采用M-Anderson型的多金属氧酸盐，其中M＝Fe、Ni、Cu、Zn、Mn、Al、Cr、Co，可以是Fe、Cu等非贵族金属为中心的Anderson型多金属氧酸盐，也可以是Tris衍生物(三烷氧基衍生物)修饰的Fe、Cu等为中心金属的Anderson型多金属氧酸盐，表征图谱见附图1-5。最优选采用Fe-POM催化剂，催化剂的量为0.1mol％～5mol％较为合适，1mol％时为最优。
优选地，所述缚酸剂为吡啶或三乙胺，加入缚酸剂吸收反应过程中产生的酸以提高反应产率。
优选地，所述脱水剂为二甲基亚砜或三氯氧磷。
优选地，所述溶剂选自无水乙腈或N,N-二甲基甲酰胺。
优选地，设定反应温度为0～40℃，反应时间为6～24h，进一步优选地，设定反应温度为30℃，反应时间为12h。
优选地，所述多金属氧酸盐、联邻甲苯胺、苯硅烷、缚酸剂及脱水剂的摩尔比为0.02：2：4：1：2，所述溶剂的用量与联邻甲苯胺的比例为3mL/mmol。
优选地，采用有机溶剂回收反应后的多金属氧酸盐催化剂，回收催化剂循环利用，所述有机溶剂采用乙醚、乙醇、乙酸乙酯、甲醇等。
本发明以胺和二氧化碳为原料，Anderson型多金属氧酸盐为催化剂，添加苯硅烷、缚酸剂和脱水剂，充分搅拌反应偶联生成相应的二甲苯联苯二异氰酸，相比传统方法，降低了反应毒性，且以二氧化碳为原料合成有用的化合物，属于环境友好的化学方法，催化剂廉价易得且可循环重复多次利用，符合原子经济性。
与现有制备二甲基联苯二异氰酸酯的方法相比较，具有以下优点：
1、工艺流程简单、生产成本低、无三废、产品收率高等特点，采用无毒、无害以及可再生资源二氧化碳作为为原料之一，是一种原子经济性高、环境友好的制备二甲基联苯二异氰酸酯的方法。
2、采用的催化剂是一种新型的催化剂，以Anderson型为主的多金属氧酸盐(杂多酸)，中心金属都为常见的非贵金属，是一种高效的多功能催化剂，具有较高的反应活性及稳定性，且氧化还原催化性能优异，属于绿色高效催化剂，经简单处理后还可以循环使用多次，且对设备腐蚀性极小，有利于工业化生产。
附图说明
图1是本发明以Anderson型或Tris衍生物修饰的Anderson型多金属氧酸盐的红外图谱(以铁是金属中心为例)；
图2是本发明以Anderson型为主的多金属氧酸盐与多次回收利用后的XRD对比图(以铁是金属中心为例)；
图3是本发明Tris衍生物修饰的Anderson型多金属氧酸盐的核磁图谱(以铁是金属中心为例)；
图4是本发明Anderson型多金属氧酸盐的SEM图(以铁是金属中心为例)；
图5是本发明Tris衍生物修饰的Anderson型多酸SEM图(以铁是金属中心为例)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
在25mL洁净的反应管中加入0.0240g(0.02mmol)以铁为中心的多金属氧酸盐[NH4]3[FeMo6O18(OH)6]·7H2O(FeMo6)、0.4246g(2mmol)联邻甲苯胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.3067g(2mmol)三氯氧磷，6mL无水乙腈溶剂，最后在反应管上方套上装有二氧化碳的氧气球，在30℃下反应12h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于96％，产物选择性为96％，分离提纯得无色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例2
在25mL洁净的反应管中加入0.0240g(0.02mmol)以铝为中心的多金属氧酸盐[NH4]3[AlMo6O18(OH)6]·7H2O(AlMo6)、0.4246g(2mmol)联邻甲苯胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.3067g(2mmol)三氯氧磷，6mL无水乙腈溶剂，最后在反应管上方套上装有二氧化碳的氧气球，在30℃下反应12h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于91％，产物选择性为92％，分离提纯得无色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例3
在25mL洁净的反应管中加入0.0240g(0.02mmol)以铜为中心的多金属氧酸盐[NH4]4[CuMo6O18(OH)6]·7H2O(CuMo6)、0.4246g(2mmol)联邻甲苯胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.3067g(2mmol)三氯氧磷，6mL无水乙腈溶剂，最后在反应管上方套上装有二氧化碳的氧气球，在30℃下反应12h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于90％，产物选择性为90％，分离提纯得无色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例4
在25mL洁净的反应管中加入0.0363g(0.02mmol)以Tris衍生物单侧修饰的以铁为中心的多金属氧酸盐[[N(C4H9)4]3[FeMo6O18(OH)3{(OCH2)3CCH2OH}]·13H2O(CH2OH-FeMo6)、0.4246g(2mmol)联邻甲苯胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.3067g(2mmol)三氯氧磷，6mL无水乙腈溶剂，最后在反应管上方套上装有二氧化碳的氧气球，在30℃下反应12h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于94％，产物选择性为96％，分离提纯得无色晶体。向反应体系中加入乙醚(或乙醇、乙酸乙酯等)，过滤得到白色固体，洗涤干燥，收集再循环利用，将滤液分离提纯得白色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例5
在25mL洁净的反应管中加入0.0407g(0.02mmol)以Tris衍生物单侧修饰的以铝为中心的多金属氧酸盐[[N(C4H9)4]3[AlMo6O18(OH)3{(OCH2)3CCH2OH}]·13H2O(CH2OH-AlMo6)、0.4246g(2mmol)联邻甲苯胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.3067g(2mmol)三氯氧磷，6mL无水乙腈溶剂，最后在反应管上方套上装有二氧化碳的氧气球，在30℃下反应12h；取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于89％，产物选择性为91％，分离提纯得无色晶体。向反应体系中加入乙醚(或乙醇、乙酸乙酯等)，过滤得到白色固体，洗涤干燥，收集再循环利用，将滤液分离提纯得白色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例6
在25mL洁净的反应管中加入0.0376g(0.02mmol)以Tris衍生物单侧修饰的以铜为中心的多金属氧酸盐[[N(C4H9)4]3[CuMo6O18(OH)3{(OCH2)3CCH2OH}]·13H2O(CH2OH-CuMo6)、0.4246g(2mmol)联邻甲苯胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.3067g(2mmol)三氯氧磷，6mL无水乙腈溶剂，最后在反应管上方套上装有二氧化碳的氧气球，在30℃下反应12h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于92％，产物选择性为91％，分离提纯得无色晶体。向反应体系中加入乙醚(或乙醇、乙酸乙酯等)，过滤得到白色固体，洗涤干燥，收集再循环利用，将滤液分离提纯得白色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例7
反应步骤同实施例4，与实施例1不同之处在于，所用催化剂为回收后第1次使用，GC-MS分析得知联邻甲苯胺转化率大于94％，选择性约为93％，分离提纯得到产物，核磁确认为二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例8
反应步骤同实施例4，与实施例1不同之处在于，所用催化剂为回收后第2次使用，GC-MS分析得知联邻甲苯胺转化率大于93％，选择性约为93％，分离提纯得到产物，核磁确认为二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例9
反应步骤同实施例4，与实施例1不同之处在于，所用催化剂为回收后第3次使用，GC-M分析得知联邻甲苯胺转化率为92％，选择性为91％，分离提纯得到产物，核磁确认为二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例10
反应步骤同实施例4，与实施例1不同之处在于，所用催化剂为回收后第4次使用，GC-MS分析得知联邻甲苯胺转化率为90％，选择性约为91％，分离提纯得到产物，核磁确认为二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例11
反应步骤同实施例4，与实施例1不同之处在于，所用催化剂为回收后第5次使用，GC-MS分析得知联邻甲苯胺转化率为89％，选择性约为89％，分离提纯得到产物，核磁确认为二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例12
反应步骤同实施例4，与实施例1不同之处在于，所用催化剂为回收后第6次使用，GC-MS分析得知联邻甲苯胺转化率为86％，选择性约为88％，分离提纯得到产物，核磁确认为二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例13
反应步骤与实施例1相同，缚酸剂采用吡啶，脱水剂采用二甲基亚砜，在10℃下反应36h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于90％，产物选择性为90％，分离提纯得无色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例14
反应步骤与实施例1相同，在20℃下反应24h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于91％，产物选择性为91％，分离提纯得无色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例15
反应步骤与实施例2相同，缚酸剂采用吡啶，脱水剂采用二甲基亚砜，溶剂采用N,N-二甲基甲酰胺，在50℃下反应6h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于85％，产物选择性为86％，分离提纯得无色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
实施例16
反应步骤与实施例3相同，在40℃下反应10h；反应结束后，取样测GC-MS，经测试分析得知反应底物转化率大于90％，产物选择性为91％，分离提纯得无色晶体，经核磁确认是产物二甲基联苯二异氰酸酯。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，以联邻甲苯胺和气态的二氧化碳为原料，以多金属氧酸盐为催化剂进行偶联反应。
2.根据权利要求1所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，将联邻甲苯胺、多金属氧酸盐以及溶剂混合加入到反应容器内，再加入苯硅烷、缚酸剂及脱水剂，混合均匀，最后通入气态二氧化碳，设定反应温度为0～50℃，搅拌反应6～36h，分离纯化即得到产品。
3.根据权利要求1或2所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，所述多金属氧酸盐采用M-Anderson型的多金属氧酸盐，其中M＝Fe、Ni、Cu、Zn、Mn、Al、Cr、Co。
4.根据权利要求2所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，所述缚酸剂为吡啶或三乙胺。
5.根据权利要求2所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，所述脱水剂为二甲基亚砜或三氯氧磷。
6.根据权利要求2所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自无水乙腈或N,N-二甲基甲酰胺。
7.根据权利要求2所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，设定反应温度为0～40℃，反应时间为6～24h。
8.根据权利要求7所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，设定反应温度为30℃，反应时间为12h。
9.根据权利要求2所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，所述多金属氧酸盐、联邻甲苯胺、苯硅烷、缚酸剂及脱水剂的摩尔比为0.02：2：4：1：2，所述溶剂的用量与联邻甲苯胺的比例为3mL/mmol。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种二甲基联苯二异氰酸酯的制备方法，其特征在于，采用有机溶剂回收反应后的多金属氧酸盐催化剂循环使用。
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