DE1568501C3 - Verfahren zur Herstellung von Carbodiimiden bzw. Carbodiimid-Isocyanat- Addukte n - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Carbodiimiden bzw. Carbodiimid-Isocyanat- Addukte nInfo
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-
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Description
R'
R"
N—C —Y
auf Temperaturen über 150:C erhitzt, wobei in der
allgemeinen Formel R' und R" Wasserstoff, Alkyl- oder Arylreste, X Sauerstoff oder Schwefel und Y
Wasserstoff oder einen Alkyl-, Aryl-, Alkoxyphosphono- oder Aryloxyphosphonorest oder den Rest
der allgemeinen Formel — NQ'Q" bedeuten, in welcher Q' und Q" gleich ~oder verschieden sein
können und für Wasserstoff, Alkyl- oder Aryl-Reste stehen und Q' auch ein Carbonsäure-, Aryl-,
Alkoxyphosphono-, Aryloxyphosphono- oder SuI-fonsäure-Rest sein kann und wobei R' und,R" oder
R' und Y auch zu einem, gegebenenfalls durch.. Heteroatome unterbrochenen, Alkylen- oder Arylenring
geschlossen sein können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als organische Isocyanate
4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan und/oder 2,4'-Diisocyanatodiphenylmethan
verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und-2, dadurch gekennzeichnet, daß 0,2 bis 5 Mol-Prozent an
Katalysator verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in situ im
Isocyanat erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung nach Verbrauch
von nicht mehr als 33°/o der ursprünglichen
NCO-Gruppen durch Abkühlen beendet wird.
45 Auf der anderen Seite erfordern die nur auf thermischer
Umsetzung beruhenden Verfahren ein langdauerndes Erhitzen, liefern daneben dunkle Zersetzungsprodukte
und ergeben unbefriedigende Ausbeuten. Metallverbindungen, wie Aluminiumpropylat
oder Schwermetallnaphthenate verkürzen die Reaktionszeit, fördern daneben aber auch die Bildung von
Cyanuraten, welche als Nebenprodukte unerwünscht sind.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgegenüber ein Verfahren zur Herstellung von Carbodiimiden
bzw. Carbodiimid-Isocyanat-Addukten aus Isocyanaten, dadurch gekennzeichnet, daß man organische
Isocyanate in Gegenwart katalytischer Mengen von Verbindungen der allgemeinen Formel
Es ist bekannt, daß man organische Isocyanate durch Einwirkung von organisch substituierten Phosphin-,
Arsin- oder Stibinoxyden unter Kohlenstoffdioxyd-Abspaltung in die entsprechenden Carbodiimide
überführen kann. Es ist auch bekannt, daß man durch langdauerndes Erhitzen von organischen Isocyanaten
auf hohe Temperaturen Carbodiimide erhält. Als Katalysatoren für derartige Umsetzungen sind
organische Phosphorsäureester, Phosphonate, Phosphorsäureamide sowie Phosphonsäureamide beschrieben.
Gegen die Verwendung von Arsen-, Phosphor- oder Antimonverbindungen bestehen oft Bedenken wegen
der physiologischen Eigenschaften derartiger Verbindungen und außerdem sind die Verfahrensprodukte
oft instabil, wenn nur geringfügige Spuren der Katalysatoren in den Produkten zurückbleiben. Derartige
Verfahrensprodukte sind daher technisch nur begrenzt anwendbar.
R'
R"
N —C —Y
auf Temperaturen über 150"C erhitzt, wobei in der allgemeinen Formel R' und R" Wasserstoff, Alkyl-
oder Arylreste, X Sauerstoff oder Schwefel und Y Wasserstoff oder einen Alkyl-, Aryl-, Alkoxyphosphono-
oder Aryloxyphosphonorest oder den Rest der allgemeinen Formel — NQ'Q" bedeuten, in welcher Q'
und Q" gleich oder verschieden sein können und für Wasserstoff, Alkyl- oder Aryl-Reste stehen und Q'
auch ein Carbonsäure-, Aryl-, Alkoxyphosphono-, Aryloxyphosphono- oder Sulfonsäure-Rest sein kann
und wobei R' und R" oder R' und Y auch zu einem, gegebenenfalls durch Heteroatome unterbrochenen,
Alkylen- oder Arylenring geschlossen sein können.
Durch Zusatz dieser Katalysatoren wird die Erhitzungsdauer stark abgekürzt und eine Zersetzung
der Verfahrensprodukte vermieden. Bei den. Katalysatoren des vorliegenden Verfahrens handelt es sich
um physiologisch unbedenkliche Verbindungen, die ihre Wirksamkeit erst bei Temperaturen oberhalb von
150cC entfalten, so daß die Verfahrensprodukte durch
den Katalysator in ihrer Lagerbeständigkeit nicht beeinflußt werden.
Als Katalysatoren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind beispielsweise wirksam: Harnstoff,
Ν,Ν'-Diäthylharnstoff, Diphenylharnstoff, Diphenylthioharnstoff,
N-Phenyl-N'-äthylhamstoff, Phenylthioharnstoff, 1,3,5-Triphenylbiuret, 1,3-Diphenyl-5,5'-dimethyl
biuret, 1,3-Diphenyl-allophansäuremethylester,
Formanilid, Acetamid, Essigsäuredimethylamid, Benzanilid, Acetanilid, Maleinsäurehydrazid,
Caprolactam, N-Methylcaprolactam, Barbitursäure,
Rhodamin.
Als Beispiele für wirksame Katalysatoren seien ferner genannt: p-Toluolsulfonylhamstoff, N-PhenylsuIfonyl-N'-phenylharnstoff,
Propionylharnstoff, Benzoylthioharnstoff, N - Propionyl - N' - phenylharnstoff,
Dimethoxy-phosphonoformmethylanilid, Bis-(2-Chloräthoxy)-phosphono-form-N-methylanilid.
Die Katalysatoren können als Substanz den umzusetzenden Isocyanaten in Mengen von 0,05 bis 10 Molprozent,
vorzugsweise 0,2 bis 5 Molprozent (berechnet auf eingesetzte Isocyanate) zugesetzt oder in situ aus
den Isocyanaten oder Carbodiimiden hergestellt werden, indem man beispielsweise die entsprechende
Menge Wasser, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Anilin, Essigsäure, Oxalsäure, Salicylsäure, Benzolsulfonsäure
zusetzt.
Ausgangsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren sind ein- und mehrwertige Isocyanate. Als Beispiele
seien genannt: Phenylisocyanat, Toluylisocyanat, Xylylisocyanat, Alkoxyphenylisocyanate, o-, m-, p-Chlorphenylisocyanat,
2,4-Diisocyanato-toluol, dessen Isomere und deren Gemische, l-Methoxy-2,4-diisocyanatobenzol,
p-Phenylendiisocyanat, m-Phenylendiisocyanat, 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan, .2,4'-Diisocyanatodiphenylmethan,
i^'-Diisocyanatodiphe- · nylmethan und deren Gemische, 4,4', 4"-Triphenylmethantriisocyanat,
2,4-Bis-(4-isocyanato-benzyl)-phe-' nylisocyanat, Phosphorsäure-(4-isocyanatophenyl)-triester,
4-Dodecylphenylisocyanat, Dodecylstearyl-, Benzylisocyanat,
Tetra-, Penta-, Hexa-methylendiisocyanat. Selbstverständlich reagieren die aliphatischen
Isocyanate, weiche sich ohne Zusatz von Katalysatoren durch eine außerordentliche Stabilität und
Reaktionsträgheit auszeichnen, langsamer als die aromatischen Isocyanate. Die Reaktionsdauer wird
allgemein, je nach Katalysatordosierung, auf ein Viertel bis zu einem Hundertstel der Reaktionszeit ohne
Katalysator abgekürzt.
Vorteilhaft arbeitet man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt: Das umzusetzende
organische Isocyanat wird mit 0,1 bis 2 Molprozent des Katalysators versetzt und anschließend die Temperatur
gesteigert. Bei Temperaturen über 150:C beginnt
die Kohlenstoffdioxid-Entwicklung, welche bei weiterer Temperatursteigerung zunimmt. Durch Messung
der abgespaltenen Gasmenge oder Titration der NCO-Konzentratipn wird der Verlauf der Reaktion
verfolgt und durch Regelung der Temperatur gesteuert. Sobald der gewünschte Umsatz erreicht ist,
wird auf eine Temperatur unter 150cC abgekühlt, wodurch
die Reaktion sofort abgebrochen wird. Bei erneutem Erhitzen auf höhere Temperaturen kann die
Reaktion wieder in Gang gebracht und somit die Umsetzung gesteuert werden.
Die Umsetzung kann auch in inerten Lösungsmitteln, z. B. o-Dichlorbenzol, «-Chlornaphthalin, Dekalin durchgeführt werden. In manchen Fällen ist der
Zusatz von porösen Stoffen, wie Kieselgel, Aktivkohle, porösem Ton für eine gleichmäßige Abspaltung
des Kohlendioxids von Vorteil.
Ist die Isolierung des Carbodiimides gewünscht, so wird in üblicher Weise, z. B. durch Vakuumdestillation,
aufgearbeitet. Oft sind die Verfahrensprodukte auch ohne besondere Reinigungsmaßnahmen von
überraschender Reinheit. Bei der Umsetzung von Polyisocyanaten entstehen, wenn die Reaktion über
ίο ein bestimmtes Ausmaß fortschreitet, harte Kunstharze.
Werden gebildete Carbodiimide abgekühlt, solange noch freie NCO-Gruppen im Reaktionsgemisch vorhanden
sind, so bilden sich in der Kälte Carbodiimid-Isocyanat-Addukte, die in der Wärme wieder reversibel
zu den Carbodiimiden und Isocyanaten aufspalten.
Wird demnach die Reaktion der Polyisocyanate
durch Kühlung abgebrochen, wenn 5 bis 33 Prozent der NCO-Gruppen umgesetzt sind, so entstehen wertvolle
Isocyanat-Carbodiimid-addukte mit freien Isocyanatgruppen.
Letztere ergeben durch Umsetzung mit hydroxylhaltigen Polyestern oder Polyäthern,
mehrfunktionellen Alkoholen oder Aminen hochwertige Kunststoffe, Schaumstoffe, Beschichtungsmaterialien,
Vergußmassen. Die Verfahrensprodukte und deren Umsetzungsprodukte mit Aminen sind
wertvolle Hilfsmittel zur Steuerung der Fabrikation von dichten, homogenen, zelligen oder porösen Kunststoffen
der Polyurethan- oder Polyharnstoffreihe.
1000 g (4MoI) 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan
werden bei 803C mit der vorgesehenen Katalysatormenge in Molprozent versetzt (Tabelle 1) und 1 Stunde
auf 2250C erhitzt. Durch Titration des NCO-Gehaltes
werden die Reaktionszeiten, die zur Umsetzung von 25 Prozent des ursprünglichen NCO-Gehaltes unter
Bildung von Carbodiimiden erforderlich sind, bestimmt.
.. Tabelle 1 | Katalysator | Menge | Zeit in Minuten |
Farbe des Produktes | |
Acetamid | 5 | 30 | Gelb | ||
a | N,N'-Diphenylthioharn- | 2,5 | 90 | Hellbraun | |
b | stoff | ||||
Harnstoff | 2,5 | 120 | Hellgelb | ||
C | Acetanilid | 5 | 45 | Hellbraun | |
d | N-Methylacetanilid | 5 | 35 | Gelb | |
e | Caprolactam | 5 | 60 | Hellbraun | |
f | ohne | 0 | 1200 | Schwarzbraun | |
g | |||||
(Vergleich) |
B e i s ρ i e 1 2
1000 g (4 Mol) eines technischen Gemisches aus 90°/0 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan und 10%
2,4'-Diisocyanatodiphenylmethan werden bei 50cC
mit 0,2 Mol Wasser, Essigsäure, Butylamin oder Tetramethylharnstoff versetzt und anschließend auf
1900C erhitzt. Während der Kontrollversuch ohne
Zusätze nach 48 Stunden den erwünschten NCO-Wert von 25°/o erreicht hat, ist der Versuch, dem 0,1 Mol
Wasser zugesetzt worden waren, schon nach 4 Stunden auf einen NCO-Gehalt von 23 0A, abgefallen. Zusatz
von 0,2 Mol Essigsäure verkürzt die Reaktionszeit von 48 Stunden auf 90 Minuten. 0,2 Mol Di-n-butylamin
bewirkt eine Abkürzungauf 180 Minuten, und 0,1 Mol Tetramethylharnstoff kürzt die Reaktionszeit auf
wenige Minuten ab.
Beispiele 1 und 2 werden wiederholt, indem die abgespaltene CO2-Menge als Kriterium für die Reaktionsgeschwindigkeit
gemessen wird. Die Meßergeb-
nisse zeigen eine außerordentlich genaue Übereinstimmung der gemessenen CO2-Menge mit der NCO-Abnahme.
Es wird dadurch bewiesen, daß die Katalysatoren nur die Carbodiimidbildung beschleunigen und
Trimerisierimgsreaktionen unter Bildung von Cyanurat nicht vor sich gehen.
Die Untersuchung der Reaktionsprodukte durch IR-Spektrum zeigt die für Carbodiimide und deren
NCO-Additionsverbindungen charakteristischen Banden bei 4,8 und 5,8 μ. Nach kurzer Lagerung der
Reaktionsprodukte verschwindet die Absorptionsbande bei 4,8 μ nahezu ganz und zeigt die IR-Spektroskopie
eine verstärkte Bande bei 5,8 μ, da sich die Produkte durch Bildung von Isocyanat-Carbodiirhid-Addukten
stabilisieren.-
Werden die Produkte mit einem Überschuß eines primären oder sekundären Amins, ζ. B. Dibutylamin,
versetzt und anschließend das überschüssige Amin im Vakuum abdestilliert, so verschwindet neben der für
NCO charakteristischen Absorptionsbande bei 4,3 μ ao auch die Bande bei 5,8 μ. Neue Banden bei 6,1, 6,7 und
7,65 μ werden beobachtet. Da die bei 5,8 bis 5,95 μ absorbierenden Trimerisate von Isocyanaten (Cyanurate)
unter den Reaktionsbedingungen nicht gespalten werden, wird dadurch bewiesen, daß solche Verbindüngen
nicht als Nebenprodukte gebildet wurden.
Zur Prüfung der Beständigkeit der Verfahrensprodukte werden diese mehrere Wochen bei 300C gelagert.
Die Viskosität und der NCO-Gehalt ändert sich hierbei nicht. Der Kontrollversuch, die Lagerung eines
aus 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan unter der Einwirkung von l-Phenyl-3-methyl-l-phospha-cyclopentan(3)-P-oxyd
hergestellten Produktes, mußte nach zwei Tagen abgebrochen werden, da sich in dem dicht
verschlossenen Behälter ein starker Gasdruck gebildet hatte und das Produkt zu einer harten, unlöslichen
Masse erstarrt war.
B e i s ρ i e I 4
1000 g 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan werden
1000 g 4,4'-Diisocyanatodiphenylmethan werden
a) ohne Zusatz (zum Vergleich),
b) mit 32 g Phenyldimethylharnstoff,
c) mit 11,6 g Tetramethylharnstoff,
d) mit 34,2 g Benzolsulfonsäuremethylamid,
e) mit 46,6 g Benzolsulfonsäureanilid
auf 220 bis 225° C erhitzt und die abgespaltene Menge
Kohlendioxyd sowie der Abfall der NCO-Konzentration bestimmt.
Reaktionszeit | • CO1 | NCO-Gehalt | |
(Minuten) | (Liter) | (.0Io) | |
a | 60 | 0,5 | |
210 | 2,01 | — | |
420 | 4,80 | — | |
b | 210 | 9,62 | 21,2 |
C | 60 | 10,95 | 20,3 |
d | 420 | 9,38 | 22,8 |
C | 90 | 13,2 | 27,0 |
a | 1380 | 13,3 | 27,0 |
2 Mol (336 g Hexamethylendiisocyanat werden mit
0,02 Mol (4,86 g) Dimethoxyphosphono-form-N-methylanilid auf 230'C erhitzt. Unter Abspaltung von
Kohlendioxyd fällt der NCO-Wert von 49,5% im Laufe von 4 Stunden auf 30,0%. Anschließend wird
die Temperatur auf 149 bis 150^C gesenkt und 2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Es zeige sich kein
weiterer NCO-Abfall. Das IR-Spektrum zeigt die für Carbodiimide und Isocyanat-Carbodiimid-Addukte
charakteristischen Banden.
Herstellung des in diesem Beispiel als Katalysator
verwendeten Dimethoxyphosphonoform-
N-methylanilid:
1,5 Mol Trimethylphosphit werden bei 8O0C mit
1 Mol N-Methyl-phenylcarbaminsäurechlorid versetzt
und anschließend 2V2 Stunden auf HO0C erwäimt. In
einer gekühlten Vorlage wird 1 Mol Methylchlorid gesammelt. Unter Vakuum wird anschließend überschüssiges
Trimethylphosphit abdestilliert. Als Rückstand bleibt Dimethoxyphosphono-form-N-methylanilid,
gelbliches öl; Analyse: C = 49,53%, H = 5,98%; P = 12,75% (berechnet: C = 49,5%,
H = 5,81%, P = 12,75%)·
B e i spi el 6
1000 g eines technischen Gemisches aus 65 Gewichtsteilen 2,4-Diisocyanatotoluol und 35 Teilen 2,6-Diisocyanatotoluol
werden mit 32,8 g Phenyldimethylharnstoff auf 220 bis 225° C erhitzt. Nach 4V2 Stunden ist
der NCO-Gehalt von 46,5% auf 37,6% abgefallen. Das IR-Spektrum zeigt die für Isocyanat-Carbodiimid-Addukte
charakteristischen Banden. Ein Kontrollversuch ist in der gleichen Zeit im NCO-Gehalt auf 46,1 %
abgefallen.
4 Mol (= 640 g) 1,4-Diisocyanatobenzol werden bei
96° C mit 0,2MoI (3,6 g) Wasser versetzt und dann auf 2250C erhitzt. Unter starker CO2-Entwicklung
fällt der NCO-Gehalt rasch ab. Schon nach 1 Stunde sind 1,2 Mol Kohlendioxyd abgespalten.
Beispiele
2 Mol Phenylisocyanat werden mit 0,02 Mol
2 Mol Phenylisocyanat werden mit 0,02 Mol
a) Diäthoxy-phosphonoformdiphenylamid,
b) Dimethoxy-phosphono-form-N-methyl-Ν-Λ-naphthylformamid,
c) Diäthoxyphosphono-äthylformamid,
d) Diäthoxyphosphono-dimethylformamid
auf 16O0C erhitzt. Nach Abspaltung von 50% der
theoretischen Kohlendioxydmenge wird im Vakuum destilliert: Neben 1 MoI Phenylisocyanat wird Diphenylcarbodiimid
(Siedepunkt: 134 bis 136°C bei 2 Torr) in vorzüglichen Ausbeuten erhalten.
60
45
Die Reaktionsprodukte zeigen die charakteristischen Absorptionsbanden, sind bei Raumtemperatur flüssig
und erstarren nach sechswöchigem Lagern bei 00C nicht, während das Ausgangsprodukt bei 37,5°C rasch
kristallin erstarrt.
Erforderliche. | Ausbeute | |
Reaktionszeit | (Vo der Theorie) | |
a | 6 Stunden | 96,8 |
b | 6 Stunden | 98,2 |
C | 11 Stunden | 95,1 |
d | 7 Stunden | 96,7 |
Kontrolle | 26 Stunden | 75,3 |
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von Carbodiimiden bzw. Carbodiimid-Isocyanat-Addukten aus Isocyanaten,
dadurch gekennzeichnet, daß man organische Isocyanate in Gegenwart
katalytischer Mengen von Verbindungen der allgemeinen Formel
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DEF0048694 | 1966-03-18 |
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DE1568501C3 true DE1568501C3 (de) | 1973-12-13 |
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ID=7102420
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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- 1966-03-18 DE DE19661568501 patent/DE1568501C3/de not_active Expired
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Also Published As
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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