DE10209305A1 - Thermische Spaltung von Allophanaten - Google Patents
Thermische Spaltung von AllophanatenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spaltung von DOLLAR A Allophanaten, bei DOLLAR A dem in eimem Reaktionsgefäß eine thermische Spaltung durchgeführt und DOLLAR A die DOLLAR A anfallenden gasförmigen Spaltprodukte unter Einsatz von inertem Trägergas oder Flüssigkeitsdämpfen als Strip-Medium aus dem Reaktionsgefäß abgeführt und kondensiert werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die thermische Spaltung von
chemischen Verbindungen, vorzugsweise Allphanaten, insbesondere
solchen Verbindungen, die als charakteristische funktionelle Gruppe eine
dreifach alkylsubstituierte Allophanat-Funktion (N,N',O-
Trialkylallophanate) tragen.
N,N',O-trisubstituierte Allophanate, die aus der Addition von Isocyanaten
an Urethan-Funktionen entstehen, sind seit langem bekannt und
ausführlich beschrieben worden. Sie werden häufig gezielt als
Vernetzungsstellen bei der Herstellung von Polyurethanen bzw.
isocyanathaltigen und isocyanat-verkappten Prepolymeren gebildet (u. a.
in Houben/Weyl "Methoden der Organischen Chemie" in E. Müller Bd.
XIV/2, Kap. III "Polyurethane" sowie D. Dieterich Bd. E20.2, Kap. II b y3)
"Polyurethane" - Georg Thieme Verlag und D. Dieterich in "Ullmann's
Encyclopedia of Industrial Chemistry" Vol. A21, capt. "Polyurethanes" -
VCH).
Zur Bestimmung des Allophanat-Gehaltes in diesen Polyurethanen bzw.
Prepolymeren müssen die Allophanat-Gruppen wieder gespalten werden.
Diese Allophanat-Spaltung kann beispielsweise durch Aminolyse erfolgen
(vgl. z. B. D. Joel, G. Schulz, Plaste Kautsch., 32(4), 1985, 151-153; D.
Joel, M. Weiler, Plaste Kautsch., 27(7), 1980, 374-376; M. Furukawa, T.
Yokoyama, J. Polym. Sci. - Polym. Lett., 17, 1979, 175-180; I.G.
Foliforowa, B.M. Bulgyin, L.I. Kopusov, Zavod. Lab., 41(6), 1975, 671-673).
Eine andere Methode zur Allophanat-Gehaltsbestimmung erfolgt mittels
Pyrolyse und anschließender chromatographischer (GC) und/oder
spektroskopischer Bestimmungen (IR, MS) der Spaltprodukte (vgl. z. B. N.
Yoshitake, M. Furukawa, J. Anal. Appl. Pyrol., 33, 1995, 269-281; N.
Yoshitake, N. Furukawa, T. Yokoyama, Polym. Degrad. and Stab, 29,
1990, 341-352 und 18, 1987, 341-348).
Diese Arbeiten beziehen sich jedoch ausdrücklich auf N,N'-diaryl-O-alkyl-
Allophanate als Modellverbindungen für Polyurethan-Materialien und
-Elastomere. Dabei erfolgt die Pyrolyse bei Temperaturen zwischen 250°C
und 550°C. Neben den Arylisocyanaten und der Alkohol-Komponente
entstehen bei der Pyrolyse auch noch zusätzliche Spaltungsprodukte, wie
beispielweise Carbodiimide und Kohlendioxid.
Eine basenkatalysierte thermische Spaltung von Allophanaten zur
Freisetzung von Isocyanaten wird beschrieben in DE 30 40 692 A1. Diese
Methode beschränkt sich jedoch auf die Spaltung von N,N'-dialkyl-O-aryl-
Allophanaten und bedingt die Gegenwart organischer Carbonate.
Auch bei der phosgenfreien Herstellung von Isocyanaten durch
thermische Spaltung von Urethanen kommt es durch die Reaktion der
eingesetzten Urethane mit den bei der Spaltung freigesetzten Isocyanaten
oftmals zur unerwünschten Bildung von Allophanaten. Diese Allophanate
bilden dabei häufig schwerflüchtige Sumpfprodukte, können jedoch durch
Alkoholyse in Gegenwart der entsprechenden O-substituierten Carbamate
bei 240°C teilweise wieder in die entsprechenden Urethane rücküberführt
werden. Diese Vorgehensweise wird bspw. beschrieben in DE 196 28 552 A1.
Die Darstellung von Carbaminsäureestern durch Alkoholyse aus den
entsprechenden Allophanaten wird darüber hinaus bspw. auch in DE 33 27 824 A1
beschrieben.
Ferner ist aus der US 3,392,184 die thermische Spaltung von Trialkyl-
Allophanaten zu Isocyanaten bekannt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist
allerdings, daß die anfallenden Spaltprodukte aus dem Reaktionsgemisch
nicht mit ausreichender Ausbeute ausgetrieben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur
thermischen Spaltung von Allophanaten zur Verfügung zu stellen, mit dem
die beschriebenen Nachteile des Standes des Technik vermieden und
insbesondere die Spaltprodukte sich in verbesserten Ausbeuten gewinnen
lassen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur thermischen Spaltung von
Allophanaten in einem Reaktionsgefäß gelöst, bei dem die anfallenden,
gasförmigen Spaltprodukte unter Einsatz von inertem Trägergas oder
Flüssigkeitsdämpfen als Stripmedium aus dem Reaktionsgefäß entfernt
und kondensiert werden.
Erfindungsgemäß werden Temperatur und Druck in dem Reaktionsgefäß
so gewählt, daß die gewünschten Spaltprodukte gasförmig anfallen.
Die thermische Allophanat-Spaltung erfolgt vorzugsweise bei
Temperaturen zwischen 150°C und 350°C, insbesondere zwischen 180°C
und 280°C. Dabei wird die Reaktion vorzugsweise unter Normaldruck,
besonders bevorzugt unter vermindertem Druck, durchgeführt. Ganz
besonders bevorzugt beträgt der Druck 0,01-1 bar.
Die thermische Allophanat-Spaltung kann gegebenenfalls durch geeignete
Katalysatoren beschleunigt werden. Als geeignete Allophanat-
Spaltkatalysatoren werden bevorzugt anorganische oder organische
Metall-Verbindungen (wie Metallalkoholate, -acetylacetonate,
-carboxylate, -halogenide und -pseudohalogenide) der Gruppen IIIa,
IVa, Ib, IIb, IVb, VIb, VIIb, VIIIb, insbesondere Verbindungen des
Aluminium, Zinn, Kupfer, Zink, Titanium, Zirkonium, Molybdän, Mangan,
Eisen, Kupfer und Nickel verwendet.
Zur Abtrennung der Allophanat-Spaltprodukte aus dem Reaktionsgemisch
werden erfindungsgemäß geeignete inerte Trägergase und/oder
Flüssigkeits-Dämpfe, Stickstoff, inerte Lösungsmittel-Dämpfe und/oder
Alkohol-Dämpfe als Strip-Medium verwendet. Bevorzugt sind Stickstoff,
inerte Lösungsmittel-Dämpfe, Alkohol-Dämpfe ganz besonders bevorzugt
ist Stickstoff.
Erfindungsgemäß werden als Ausgangsstoffe vorzugsweise
Alkylallophanate eingesetzt. Zur Spaltung können insbesondere folgende
Verbindungen eingesetzt werden:
- - von (cyclo)aliphatischen Monoisocyanaten abgeleitete Mono- und/oder Polyallophanate
- - von (cyclo)aliphatischen Polyisocyanaten abgeleitete isocyanatgruppen- und/oder carbamatgruppenhaltige Mono- und/oder Polyallophanate
- - von (cyclo)aliphatischen Mono- und/oder Polyalkoholen abgeleitete Mono- und/oder Polyallophanate.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz von N,N',O-Trialkylallophaten.
Dabei können die genannten Alkylallophanate einzeln und/oder im
Gemisch mit weiteren Allophanaten und/oder im Gemisch mit
hochsiedenden, und den gewählten Spaltungsbedingungen nicht
flüchtigen, gegenüber den Spaltprodukten, insbesondere gegenüber den
Isocyanaten unreaktiven, Lösungsmitteln zur Spaltung eingesetzt werden.
Vor allem zur Minimierung von Rekombinations- und/oder Folgereaktionen
(insbesondere Allophanat- und Isocyanurat-Bildung) kann es
empfehlenswert sein, die Reaktion in Gegenwart eines oder mehrerer
hochsiedender, insbesondere gegenüber Isocyanaten unreaktiven,
Lösungsmittel durchzuführen.
Als hochsiedende, unter den gewählten Spaltungsbedingungen nicht
flüchtige, gegenüber Isocyanaten unreaktive, Lösungsmittel dienen
insbesondere gesättigte langkettige lineare und/oder aromatische
Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe und Ether. Die Auswahl
der entsprechend verwendeten Lösungsmittel wird dabei
zweckmäßigerweise so getroffen, daß die zur Spaltung verwendeten
Trialkylallophanate sich unter den ausgewählten Spaltungsbedingungen
im jeweilige Lösungsmittel hinreichend lösen.
Zur Verhinderung von Folgereaktionen können reaktive Spaltprodukte,
z. B. Isocyanate - sofern erforderlich - auch desaktiviert werden. Dies
kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Spaltprodukte, insbesondere
das Isocyanat, mittels geeigneter Stoffe (bspw. Mono- oder disubstituierte
Amine, Thiole, Alkohole) chemisch gequencht (d. h. in unreaktive
Folgeprodukte überführt) wird.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein Verfahren zur Gewinnung von
Isocyanat und Urethan bzw. Isocyanat und Alkohol durch thermische
Spaltung von N,N',O-Trialkylallophanaten. Die genannten Stoffe können
hierbei durch folgenden Reaktionsablauf entstehen:
Demgemäß kann eine gemäß Stufe 1 durchgeführte Reaktion der
Gewinnung von Isocyanaten und Urethanen durch die thermische
Spaltung der Allophanate dienen. Durch die Wahl der
Spaltungsbedingungen (Temperatur und Druck) gelingt es, die
Allophanatspaltung gezielt auf der ersten Stufe der Bildung der
entsprechenden N,O-Dialkylcarbamate unter Abspaltung der
entsprechenden Alkylisocyanate abzubrechen.
Vorzugsweise werden Reaktionstemperatur und Druck dabei so gewählt,
daß die Spaltprodukte Urethan und Isocyanat unter den gegebenen
Bedingungen gasförmig sind. Besonders bevorzugt sind
Reaktionstemperaturen von 150-280°C, ganz besonders bevorzugt von
180-260°C.
Vorzugsweise wird bei einen Druck von 0,01-1 bar gearbeitet.
Besonders bevorzugt ist jedoch ein Druck von 0,01-0,2 bar.
Erfindungsgemäß ist es ferner möglich, gemäß Stufe 2 die Gewinnung
von Isocyanaten und Alkoholen durch die thermische Spaltung der
Allophanate zu erreichen. Reaktionstemperatur und Druck werden in
diesem Fall so gewählt, daß Isocyanate und Alkohol gasförmig anfallen.
Die Temperaturen liegen vorzugsweise bei 180-350°C, besonders
bevorzugt bei 220-300°C.
Vorzugsweise wird bei einem Druck von 0,01-1 bar gearbeitet.
Besonders bevorzugt ist ein Druck von 0,02-1 bar, höchst bevorzugt von
0,04-1 bar.
Das Pyrrolyse-Zwischenprodukt Urethan verbleibt im Reaktionsgefäß und
wird in Isocyanate und Alkohol weitergespalten.
Von den gasförmigen Spaltprodukten mitgerissenes Urethan als
Spaltprodukt der Stufe 1 kann gegebenenfalls durch Verwendung
geeigneter Trennapparate (bspw. Packungskolonnen bzw.
Rektifizierkolonnen) abgeschieden und als Rücklauf in das
Reaktionsgefäß zurückgeführt werden.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Beispiele
näher beschrieben:
In einem geeigneten Reaktionsgefäß wurde unter kräftigem Rühren und
Einleiten eines kontinuierlichen Stickstoffstromes von 100 ml/min eine
Mischung aus 100 g Octadecan und 30 g N,N',O-Tri-n-butylallophanat
(0,1103 mol) in Gegenwart von 30 ppm Eisen (in Form von Eisen-III-
acetylacetonat) unter Normaldruck zügig auf 240°C erhitzt und bei dieser
Temperatur gehalten.
Die dabei anfallenden flüchtigen Verbindungen wurden in einem
Liebigkühler kondensiert und in einem definierten Überschuß einer
toluolischen Lösung von Di-n-butylamin aufgefangen. Nach zügigem
Kondensat-Anfall zu Beginn nahm dieser dann zunehmend ab, so daß die
Allophanatspaltung nach 20 Minuten abgebrochen wurde. Die GC-Analyse
der Quench-Lösung ergab folgendes Ergebnis:
- - Butylisocyanat (in Form von 22,3 g N,N,N'-Tributylharnstoff) = 0,0978 mol (das entspricht 88,7% Ausbeute bezgl. Tributylallophanat bei Spaltstufe 1)
- - 10,6 g N,O-Dibutylcarbamat = 0,0613 mol (das entspricht 55,6% Ausbeute bezgl. Tributylallophanat)
Im Reaktionsrückstand werden mittels Gaschromatographie neben
unumgesetzten Tributylallophanat weitere 4,82 g N,O-Dibutylcarbamat
(0,0279 mol; 25,3% bzgl. Tributylallophanat) nachgewiesen.
In einem geeigneten Reaktionsgefäß wurde unter kräftigem Rühren und
Einleiten eines kontinuierlichen Stickstoffstromes von 10 ml/min eine
Mischung aus 100 g Octadecan und 30,15 g, N,N',O-Tri-n-
butylallophanat (0,11085 mol) unter Normaldruck zügig auf 259°C erhitzt
und bei dieser Temperatur gehalten.
Die dabei anfallenden flüchtigen Verbindungen wurden in einem
Liebigkühler kondensiert und in einem definierten Überschuß eine
toluolischen Lösung von Di-n-butylamin aufgefangen. Nach zügigem
Kondensat-Anfall zu Beginn nahm dieser dann zunehmend ab, so daß
daß die Allophanatspaltung nach 8 Minuten abgebrochen wurde. Die GC-
Analyse der Quench-Lösung ergab folgendes Ergebnis:
- - Butylisocyanat (in Form von 22,1 g N,N,N'-Tributylharnstoff) = 0,09706 mol (das entspricht 87,6% Ausbeute bezgl. Tributylallophanat bei Spaltstufe 1)
- - 14,1 g N,O-Dibutylcarbamat = 0,0815 mol (das entspricht 73,5% Ausbeute bezgl. Tributylallophanat)
- - 0,08 g Butanol = 0,0011 mol (das entspricht 1,0% Ausbeute bezgl. Tributylallophanat).
Im Reaktionsrückstand werden mittels Gaschromatographie neben
unumgesetzem Tributylallophanat weitere 2,05 g N,O-Dibutylcarbamat
(0,01185 mol; 10,7% bezgl. Tributylallophanat) nachgewiesen.
In einem geeigneten Reaktionsgefäß mit aufgesetzter Füllkörperkolonne
wurde unter kräftigem Rühren eine Mischung aus 50 g Octadecan und
60,3 g N,N',O-Tri-n-butyl-allophanat (0,2217 mol) unter Normaldruck in
Gegenwart von 30 ppm Eisen (in Form von Eisen-III-acetylacetonat) zügig
auf 225°C erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten.
Liebigkühler kondensiert und in einem definierten Überschuß einer
toluolischen Lösung von Di-n-butylamin aufgefangen. Nach anfänglich
geringem Kondensat-Anfall zu Beginn nahm dieser dann allmählich zu,
blieb einige Zeit konstant und nahm dann wieder ab, so daß die
Allophanatspaltung nach 120 Minuten abgebrochen wurde. Die GC-
Analyse der Quench-Lösung ergab folgendes Ergebnis:
- - Butylisocyanat (in Form von 81,9 g N,N,N'-Tributylharnstoff) ≅ 0,35915 mol (das entspricht 81,0% Ausbeute bzgl. Tributylallophanat bei Spaltstufe 2)
- - 0,18 g N,O-Dibutylcarbamat ≅ 0,00104 mol (das entspricht 0,47% Ausbeute bzgl. Tributylallophanat)
- - 15,09 g Butanol ≅ 0,2039 mol (das entspricht 92,0% Ausbeute bzgl. Tributylallophanat).
Im Reaktionsrückstand werden mittels Geschromalographie neben
unumgesetztem Tributylallophanat weitere 3,98 g N,O-Dibutylcarbamat
(0,023 mol; 10,4% bzgl. Tributylallophanat) nachgewiesen.
Anhand dieses Vergleichsbeispiels wird deutlich, daß der Einsatz von
Trägergas entscheidenden Einfluß auf die Natur der Reaktionsprodukte
hat. Insbesondere wird gezeigt, daß die Ausbeuten in den Beispielen
gemäß der Erfindung höher sind als im Vergleichsbeispiel.
Claims (21)
1. Verfahren zur thermischen Spaltung von Allophanaten in einem
Reaktionsgefäß, bei dem die anfallenden gasförmigen
Spaltprodukte unter Einsatz von inertem Trägergas oder
Flüssigkeitsdämpfen als Strip-Medium aus dem Reaktionsgefäß
entfernt und kondensiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Trägergas Stickstoff, inerte Lösemittel oder Alkoholdämpfe oder
Gemische dieser Stoffe eingesetzt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß Trialkylallophanate eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß Temperatur und Druck derart eingestellt
werden, daß die gewünschten Spaltprodukte gasförmig anfallen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, die Temperaturen auf 150°C bis 350°C eingestellt
werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperaturen auf 180°C bis 280°C
eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die thermische Spaltung unter Normaldruck
durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die thermische Spaltung unter
Druckverminderung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck 0,01-1 bar beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß Temperatur und Druck derart gewählt werden,
daß die Spaltprodukte Urethan und Isocyanat gasförmig anfallen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperatur auf 150-280°C eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur auf 180-260°C eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einem Druck von 0,01-1 bar gearbeitet
wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einem Druck von 0,01-0,2 bar gearbeitet
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß Druck und Temperatur derart gewählt werden,
daß die anfallenden Spaltprodukte Isocyanat und Alkohol gasförmig
vorliegen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperatur auf 180-350°C eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur auf 220-300°C eingestellt
wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einem Druck von 0,02-1 bar gearbeitet
wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck auf 0,04-1 bar eingestellt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die thermische Spaltung in Gegenwart von
Katalysatoren durchgeführt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß als Katalysatoren anorganische oder
organische Metallverbindungen eingesetzt werden.
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Cited By (1)
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