CN111491915A - 用于生产碳二亚胺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新的用于生产碳二亚胺的方法。

Description

用于生产碳二亚胺的方法
技术领域
本发明涉及一种新的用于制备碳二亚胺、优选单体型空间位阻芳香族碳二亚胺的方法。已经证明碳二亚胺在很多应用中是有用的，例如作为水解抑制剂用于热塑性塑料、多元醇、聚氨酯、甘油三酯和润滑油等。
背景技术
现有技术的碳二亚胺的合成从在碱性或杂环催化下消去CO2被碳二亚胺化的异氰酸酯开始。这允许单官能或多官能的异氰酸酯转化成单体型或聚合型碳二亚胺。
典型地使用的催化剂是碱金属和碱土金属化合物以及还有含有磷的杂环化合物，参见Angew.Chem.1962,74,801-806和Angew.Chem.1981,93,855-866。
通常使用的含磷催化剂的完全除去是困难的。由于碳二亚胺优先用于生产聚氨酯，即使微量磷的存在也会造成严重的问题并且因此必须避免。此外，所制备的单体型碳二亚胺应具有尽可能低的颜色指数和低异氰酸酯含量，这通常只有通过涉及产量损失的蒸馏或多重结晶或者通过在CO2存在下的繁复反应才是在工业上可实现的，参见EP-A 0 602477和EP-A 2 855 573。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的用于制备某些单体型碳二亚胺的方法，该方法使得它们能够制备成具有低颜色指数；这些单体型碳二亚胺应理想地不含有机磷化合物和未反应的起始材料(优选异氰酸酯)，使得它们然后可以用于PU体系的生产和/或稳定。
现已出人意料地发现，当按以下步骤进行该方法时，实现了这些上述目的：
-在催化剂的存在下碳二亚胺化单体型芳香族异氰酸酯，
-在薄膜蒸发器中从反应产物中分离低沸物和催化剂，以及
-在另一个薄膜蒸发器中蒸馏残余物。
因此，本发明提供了一种用于制备单体型芳香族碳二亚胺的方法，该方法按以下步骤进行：
-在催化剂的存在下碳二亚胺化单体型芳香族异氰酸酯，
-在薄膜蒸发器中从反应产物中分离低沸物和催化剂，以及
-在另一个薄膜蒸发器中蒸馏残余物。
在本发明的上下文中，单体型芳香族碳二亚胺是这样的碳二亚胺，其带有通过苯基基团的碳原子或通过苯基基团上的烷基直接键合至碳二亚胺基团的氮的C1-C6烷基-和/或C1-C6烷氧基-取代的苯基基团。
在此给予特别优选的是式(I)的单体型碳二亚胺
R-N＝C＝N-R1 (I)
其中R以及还有R1是
Figure BDA0002546145600000031
R2＝异丙烯基、叔丁基或C1-C6烷氧基，
R3＝H、甲基、乙基、异丙基、正丙基和/或叔丁基，优选甲基、乙基、异丙基、正丙基和/或叔丁基，
并且A*表示在式(I)中与碳二亚胺官能团的氮的键联。
对于优选的式(I)的碳二亚胺，本发明的方法通过以下方式进行：
a)使选自组R-N＝C＝O和/或R1-N＝C＝O的异氰酸酯在催化剂的存在下反应(碳二亚胺化)，其中R和R1如以上所定义，
b)在薄膜蒸发器中从来自a)的反应产物中分离低沸物和催化剂，以及
c)在另一个薄膜蒸发器中蒸馏来自b)的残余物。
在本方法的优选实施例中，碳二亚胺对应于式(II)的化合物
Figure BDA0002546145600000041
在本发明方法的另一个优选的实施例中，碳二亚胺对应于式(I)R-N＝C＝N-R1的化合物，
其中R和R1是
Figure BDA0002546145600000042
R3是异丙基基团，并且A*表示在式(I)中与碳二亚胺官能团的氮的键联。
在本发明方法的上下文中，步骤a)中在催化剂的存在下异氰酸酯的碳二亚胺化是在缩合反应中进行的，其中消去了CO2，如例如在Angew.Chem.93,第855-866页(1981)或DE-A-11 30 594或Tetrahedron Letters48(2007),第6002-6004页描述的。
碳二亚胺化可以在有或没有溶剂的情况下进行。同样可能的是在没有溶剂的情况下开始碳二亚胺化并且然后在添加溶剂后完成碳二亚胺化。给予优选的是使用轻质汽油、苯和/或烷基苯作为溶剂。
所使用的异氰酸酯优选地是3-异丙烯基-α,α-二甲基苄基异氰酸酯(TMI)和/或2,4,6-三异丙基苯基异氰酸酯(TRIPI)。
在本发明的一个实施例中，用于制备式(I)的化合物的催化剂优选地是磷化合物。给予优选的是使用环磷烯氧化物、磷杂环戊烷(phospholidine)或二乙氧磷酰硫胆碱氧化物(phospholine oxide)、以及还有相应的硫化物。催化剂特别优选地是烷基环磷烯氧化物，其中烷基＝C1-C6烷基，优选甲基环磷烯氧化物。
反应优选地是在40℃至200℃的温度范围内进行的。
在本发明方法的另一个优选实施例中，碳二亚胺化之后是来自a)的反应产物的过滤。如果进行过滤，则优选使用过滤筒或袋式过滤器进行过滤，任选地在添加助滤剂如优选硅藻土或活性炭的情况下。
过滤优选地是在30℃至100℃的温度下进行的。
在碳二亚胺化a)和任选的过滤之后，在薄膜蒸发器中从来自a)的反应产物中分离低沸物和催化剂。
在本发明的上下文中，薄膜蒸发器是以薄膜形式蒸发液体的蒸发器。分离优选地在减压下操作，并且因此适用于在温和条件下物质混合物的分离。在本发明的上下文中，在薄膜蒸发器之中，给予优选的是具有旋转刮擦器的降膜蒸发器，如例如从德国瑞达有限公司(VTA GmbH&Co.KG)可获得的。
在本发明的上下文中，低沸物优选地是由进行碳二亚胺化产生的副产物或未反应的反应物/异氰酸酯，其具有至少50℃、优选至少60℃、更优选至少70℃的沸点，低于所制备的单体型碳二亚胺或相应的碳二亚胺混合物的沸点。
步骤b)中的分离优选地是在150℃至200℃、优选160℃至190℃、更优选170℃至180℃的温度下，并且在0.1至5毫巴、优选0.2-1毫巴、更优选0.3-0.6毫巴的压力下进行的。
在本发明的另一个优选实施例中，步骤b)与步骤c)之间的温度差是5℃、优选10℃。
在本发明的另一个优选实施例中，步骤c)中的温度比步骤b)中的温度高5℃、优选高10℃。
在另外的实施例中，所谓的夹带剂可以用于除去低沸物。在此给予优选的是C1-C12烷基-取代的苯和/或二苯和/或吡咯烷酮。对此优选的是N-甲基-和N-乙基吡咯烷酮和/或二甲苯。
在步骤c)中，在另一个薄膜蒸发器中蒸馏来自b)的残余物。来自c)的残余物的蒸馏优选地在另一个薄膜蒸发器中进行。所使用的薄膜蒸发器优选地是短程蒸发器。
在本发明的上下文中，短程蒸发器是修改的薄膜蒸发器，在这些薄膜蒸发器中，冷凝器集成在蒸发器气缸内。这意味着蒸气从产品膜到冷凝器所必须行进的路径是非常短的。
在本发明的上下文中，来自b)的残余物主要包含已经制备的单体型碳二亚胺以及所得副产物。
在步骤c)中，来自b)的残余物的蒸馏优选地是在160℃至220℃、优选165℃至210℃、更优选190℃至205℃的温度下，并且在0.05至5毫巴、优选0.1-1毫巴、更优选0.2-0.6毫巴的压力下进行的。
在本发明的另一个优选实施例中，步骤b)和c)在不分离来自b)的残余物的情况下连续地进行。
通过本发明的方法制备的单体型碳二亚胺优选地具有按照ISO11664-4根据CIEL*a*b*测量的<10的颜色指数(以b值计)，与少量的<0.1％的单体型异氰酸酯以及<1ppm的磷含量组合。
本发明进一步提供了通过本发明的方法制备的单体型碳二亚胺在水解稳定的基于聚氨酯的(基于PU的)体系，优选热塑性聚氨酯(TPU)、软质和硬质PU泡沫、和热铸PU弹性体的生产中的用途。
本发明的范围以一般术语或在优选范围内以及彼此一起，即包括各个范围和优选范围的任何组合，涵盖以上提及的和以下详述的所有的基团定义、指数、参数和说明。
具体实施方式
以下实例用来说明本发明而非限制本发明。
工作实例：
CDI 1：2,6-二异丙基苯基碳二亚胺
CDI 2：下式(II)的碳二亚胺
Figure BDA0002546145600000081
CDI 3：式(I)R-N＝C＝N-R1的碳二亚胺，其中R和R1表示
Figure BDA0002546145600000082
并且R3是异丙基基团并且其中A*表示在式(I)中与碳二亚胺官能团的氮的键联。
碳二亚胺化
在不锈钢罐中通过对应的异氰酸酯(对于CDI 1使用2,6-二异丙基苯基异氰酸酯(DIPPI)，对于CDI 2使用3-异丙烯基-α,α-二甲基苄基异氰酸酯(TMI)，并且对于CDI 3使用2,4,6-三异丙基苯基异氰酸酯(TRIPI))在200-500ppm的作为催化剂的甲基环磷烯氧化物的存在下在160℃-170℃的温度下的反应(其中消去CO2)制备碳二亚胺CDI 1至3。继续碳二亚胺化反应直至残余的异氰酸酯含量达到<1％。
然后将如此制备的碳二亚胺CDI 1至CDI 3进料至以下描述的蒸馏中。
a)根据EP-A-0 602 477的蒸馏以及在薄膜蒸发器中的蒸馏(对比)
首先在分批工艺中在大约200℃-220℃和0.3-0.4毫巴的压力下使用韦氏分馏柱(Vigreux column)将碳二亚胺CDI 1至3与低沸物分离，并且然后将其在VTA薄膜蒸发器中在190℃-200℃的温度和0.4毫巴的压力下连续蒸馏。
b)使用2个薄膜蒸发器的蒸馏(本发明)：
首先在160℃-170℃的温度和1.0毫巴的压力下在VTA薄膜蒸发器中从碳二亚胺CDI 1至3中除去低沸物，并将残余物在与第一薄膜蒸发器相同的第二薄膜蒸发器中在200℃-205℃的温度和0.4毫巴的压力下蒸馏。
按照ISO 11664-4通过CIE L*a*b*方法测定颜色。评估b*值。
通过HPLC测定单体型异氰酸酯的残余含量，并通过X射线荧光分析(XRF)测定磷含量。
结果在下表1中示出。
表1：
Figure BDA0002546145600000091
comp.＝对比
inv.＝本发明
**低于1ppm的检测限
与通过现有技术方法制备的那些相比，通过本发明的方法制备的碳二亚胺CDI 1至CDI 3具有改进的特性。
如从表1可以看出，特别地，优选的碳二亚胺CDI 2和CDI 3能够以特别高的品质制备，即低颜色指数，低有毒单体型异氰酸酯含量并且此外，没有可检测出的有机磷化合物含量。
这些理想地适合用于PU体系的生产和/或稳定。

Claims (11)

1.一种用于制备单体型芳香族碳二亚胺的方法，
其特征在于，该方法按以下步骤进行
a)在催化剂的存在下碳二亚胺化单体型芳香族异氰酸酯，
b)在薄膜蒸发器中从来自a)的反应产物中分离低沸物和催化剂，
c)在另一个薄膜蒸发器中蒸馏来自b)的残余物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，这些单体型芳香族碳二亚胺是式(I)的碳二亚胺
R-N＝C＝N-R1(I)，
其中R和R1是
Figure FDA0002546145590000011
和/或
Figure FDA0002546145590000012
R2＝异丙烯基、叔丁基或C1-C6烷氧基，
R3＝H、甲基、乙基、异丙基、正丙基和/或叔丁基，优选甲基、乙基、异丙基、正丙基和/或叔丁基，并且
A*表示在式(I)中与碳二亚胺官能团的氮的键联。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该式(I)的碳二亚胺对应于
Figure FDA0002546145590000021
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，这些蒸馏步骤b)和c)以连续过程操作。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)中的蒸馏是在150℃至220℃、优选160℃至200℃、更优选170℃至190℃的温度下，并且在0.1至5毫巴、优选0.2-1毫巴、更优选0.3-0.6毫巴的压力下进行的。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，C1-C12烷基取代的苯和/或二苯和/或吡咯烷酮在除去低沸物时用作夹带剂。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)中的温度比步骤b)中的温度高5℃、优选高10℃。
8.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)中的步骤中的蒸馏是在160℃至220℃、优选165℃至210℃、更优选180℃至205℃的温度下，并且在0.05至5毫巴、优选0.1-1毫巴、更优选0.2-0.6毫巴的压力下进行的。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所使用的异氰酸酯是3-异丙烯基-α,α-二甲基苄基异氰酸酯(TMI)和/或2,4,6-三异丙基苯基异氰酸酯(TRIPI)。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)中使用的薄膜蒸发器是短程蒸发器。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，由此制备的式(I)的碳二亚胺用于生产水解稳定的基于聚氨酯的(基于PU的)体系，优选热塑性聚氨酯(TPU)、软质和硬质PU泡沫、和热铸PU弹性体。
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