DE2802521B2 - Polystyrole und unter Verwendung derselben als Katalysatoren für die Herstellung von Carbodiimiden - Google Patents

Polystyrole und unter Verwendung derselben als Katalysatoren für die Herstellung von Carbodiimiden

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Description

enthalten, worin
η gleich 0 oder 1
Ri und R2 jeweils einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest, der keine mit Isocyanai reaktionsfähige Substituenten enthalten darf
R3 ein Chlor- oder Wasserstoffatom oder
einen Methylrest und
R4 ein Wasserstoff atom oder einen Methyl
rest
bedeuten.
2. Polystyrole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ansonsten wiederkehrende Einheiten der Formel:
R4
-CH2-C-
enthalten, worin
R3 ein Chlor- oder Wasserstoffatom oder einen
Methylrest und
R.4 ein Wasserstoffatom oder einen Methylrest
bedeuten.
3. Verwendung der Polystyrole nach Anspruch 1 oder 2 als Katalysatoren für die Herstellung von Carbodümiden aus organischen Isocyanaten.
Die Erfindung betrifft Organoarsenderivate von Polystyrolen, sowie ihre Verwendung als Katalysatoren bei der Herstellung von Carbodümiden aus organischen Isocyanaten.
Es ist bekannt, daß bestimmte Trihydrocarbylarsinoxide, für die Triphenylarsinoxid typisch ist, als Katalysatoren zur Umwandlung organischer Isocyanate zu Carbodiimiden verwendet werden können (vgl. beispielsweise Monagle in »J. Organic Chemistry«, Band 27, Seite 3852 [1962]). Aus den DE-OS 25 04 334 und 04 400 ist es bekannt, daß sich zur Katalyse derselben Reaktion bestimmte Phospholan-Phosphonsäuresalze aminomodifizierter Polymerisate verwenden lassen.
Erfindungsgemäß hat es sich nun gezeigt, daß sich in höchst vorteilhafter und wirksamer Weise bestimmte Organoarsenderivate von Polystyrolen als Katalysatoren zur Umwandlung organischer Isocyanate in die pnii ni-ör>Konrlpn f^arhnHurnIfHf* piunPtl
Gegenstand der Erfindung sind somit Polystyrole, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß sie wiederkehrende Einheiten der Formel:
-CH2-C-
Rr+ 4— (CH2)„ — As (I)
S/ i\
O R2
enthalten, worin
η gleich 0 oder 1
Ri und R2 jeweils einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest, der keine mit Isocyanat reaktionsfähige Substituenten enthalten darf
R3 ein Chlor- oder Wasserstoffatom oder einen
Methylresl und
R4 ein Wasserstoffatom oder einen Methylrest
bedeuten.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung der genannten Polystyrole zur Umwandlung organischer Isocyanate zu Carbodiimiden.
Unter dem Ausdruck »einwertiger Kohlenwasserstoffrest« ist der durch Entfernen eines Wasserstoffatoms vom Mutterkohlenwasserstoff mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen erhältliche einwertige Rest zu verstehen. Beispiele für solche einwertige Kohlenwasserstoffreste sind Alkylreste, wie Methyl-, Äthyl-, Propyl-, Butyl-, Pentyl-, Hexyl-, Octyl-, Decyl-, Dodecyl-, Hexadecyl- oder Octadecylreste und deren Isomere, Alkenylreste, z. B. Vinyl-, Allyl-, Butenyl-, Pentenyl-, Hexenyl-, Octenyl-, Decenyl-, Undecenyl-, Tridecenyl-, Hexadecenyl- und Octadecenylreste sowie deren Isomere, Aralkylreste, z. B. Benzyl-, Phenäthyl-, Phenylpropyl-, Benzhydryl- und Naphthylmethylreste, Arylreste, z.B. Phenyl-, Tolyl-, XyIyI-, Naphthyl- und Biphenylylreste, Cycloalkylreste, z. B. Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cycloheptyl- und Cyclooctylreste und deren Isomere sowie Cycloalkenylreste, wie Cyclopentenyl-, Cyclohexenyl-, Cycloheptenyl- und Cyclooctenylreste sowie deren Isomere.
Die durch die Reste Ri und R2 dargestellten einwertigen Kohlenwasserstoffreste können einen oder mehrere Substituenlen enthalten, sofern dieser (diese) nicht mit Isocyanatgruppen reaktionsfähig ist (sind).
Beispiele für geeignete Substituenten sind Halogenatome, z. B. Chlor-, Brom-, Fluor- und Jodatome, Nitroreste, Alkoxyreste mit 1 bis einschließlich 8 Kohlenstoffatomen, ζ. B. Methoxy-, Äthoxy-, Propoxy-, Butoxy-, Pentyloxy-, Hexyloxy-, Heptyloxy- und Octyloxyreste sowie deren I \01nere, Alkylmercaptoreste mit 1 bis einschließlich 8 Kohlenstoffatomen, ζ. B. Methylmercapto-, Äthylmercapto-, Propylmercapto-, Butylmercapto-, Pentylmercapto-, Hexylmercapto-, Heptylmercapto- und Octylmercaploreste sowie deren Isomere, und Cyanoreste.
Die erfindungsgemäßen Polystyrole, die durch die Anwesenheit der wiederkehrenden Einheit der Formel (I) gekennzeichnet sind, erhält man durch chemische Modifizierung mindestens einiger wiederkehrender Einheiten eines Polystyrols oder durch Einführen geeigneter Organoarsensubstituenten in den Benzolring eines monomeren Styrols und anschließende Polymerisation oder Mischpolymerisation des betreffenden f modifizierten) Monomeren.
So erhält man beispielsweise die Polystyrole gemäß der Erfindung aus den entsprechenden Polystyrolen durch Einhaltung der im folgenden geschilderten Schrittfolge. Das jeweilige Ausgangspolystyrol wird entsprechend Relies und Mitarbeitern in »JACS«, Band 96, Seite 6469 (1974) in das entsprechende, im Kern bromierte oder chlormethylierte Derivat überführt Die Bromierung des Polystyrols erreicht man durch Umsetzung des letzteren mit Brom in Gegenwart eines Katalysators, z. B. von Bortrifluorid. Die Chlormethylie- ι ο rung läßt sich durch Umsetzen des Polystyrols mit Chlormethylmethyläther in Gegenwart von Bortrifluorid bewerkstelligen. Durch geeignete Wahl der Molanteile Brom oder Chlormethylmethyläther zu Polystyrol wird es möglich, ein Bromatom oder einen Chlormethylrest in einen beliebigen Anteil der oder sämtliche Benzolkerne im Polystyrol einzuführen.
Das in der geschilderten Weise bromierte oder chlormethylierte Polystyrolzwischenprodukt wird dann mit einem geeigneten Dihydrocarbylarsinhalogenid der Formel
RiR2AsHaI
worin Ri und R2 die angegebene Bedeutung besitzen und Hai für ein Chlor-, Brom- oder Jodatom steht, :-> umgesetzt Die Umsetzung erfolgt in Gegenwart von Lithium unter den von Relies und Mitarbeitern a.a.O. für die analoge Kondensation bromierter und chlormethylierter Polystyrole mit Chlordiphenylphosphin beschriebenen Bedingungen. m
So werden beispielsweise die Reaktionsteilnehmer in Gegenwart eines Lösungsmittels, wie Tetrahydrofuran, Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Tetramethylensulfon, Cyclohexan, Benzon oder Toluol, miteinander vereinigt, worauf das erhaltene Gemisch unter Inertgas- r> atmosphäre, z. B. unter Stickstoff, gehalten wird, während ein Überschuß an metallischem Lithium, zweckmäßigerweise in Form eines neu extrudierten Drahts, zugegeben wird. Die Umsetzung erfolgt in der Regel bei Raumtemperatur (20 bis 25°C), gegebenenfalls kann man jedoch auch bei höheren Temperaturen, z. B. Temperaturen bis zu etwa RückfluQtemperatur des Lösungsmittels, arbeiten.
Je nach der Natur des als Ausgangsmaterial verwendeten Polystyrols und dem verwendeten Lö- v< sungsmittel kann man die geschilderten Umsetzungen mit dem Polystyrol oder Polystyrolderivat in Lösung oder in Form einer unlöslichen festen Phase durchführen. Wenn beispielsweise als Ausgangsmaterial ein noch nicht durch Mischpolymerisation mit beispielsweise einer untergeordneten Menge Divinylbenzol vernetztes Polystyrol verwendet wird, ist dieses in polaren Lösungsmitteln löslich, so daß man die geschilderten Umsetzungen in Lösung durchführen kann. Das Endprodukt wird beispielsweise durch Ausfällen isoliert, indem man der Reaktionslösung einen aliphatischen Alkohol, z. B. Methanol, oder ein entsprechendes Lösungsmittel, in dem das Reaktionsprodukt unlöslich ist, zusetzt. Wenn andererseits das Ausgangspolystyrol in polaren oder sonstigen Lösungsmitteln nicht in merklicher Menge löslich ist, wird das Polystyrol in der Regel in Form von Perlen, eines Pulvers oder in einer sonstigen Form relativ geringer Teilchengröße als durch geeignetes Rühren erzeugte Suspensionen reagieren gelassen.
Die erhaltenen organoarsinsubstituierten Polystyrole werden dann zur Gewinnung der fertigen Polystyrole mit der wiederkehrenden Einheit der Formel (I) mit Wasserstoffperoxid oder sonstigen Oxidationsmitteln oxidiert Die Reaktion kann durch Auflösen oder Suspendieren des jeweiligen Organoarsinpolystyrols in einem Lösungsmittel der bereits angegebenen Art und Zusatz des Oxidationsmittels zu der erhaltenen Lösung oder Suspension bewerkstelligt werden. Die Umsetzung erfolgt zweckmäßigerweise bei Raumtemperatur, gegebenenfalls kann man jedoch auch bei höheren Temperaturen bis zu etwa 60 oder 70°C arbeiten.
Unter Einhaltung der geschilderten Reaktionsfolge lassen sich zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polystyrole sämtliche verfügbaren Polystyrolformen zum Einsatz bringen. Verfügbare bzw. handelsübliche Polystyrole sind beispielsweise Homopolymerisate von Styrol als solchem, Mischpolymerisate von Styrol mit untergeordneten Mengen Divinylbenzol (in der Regel 2 Gew.-% oder weniger). Homopolymerisate von Vinyltoluol, Λ-Methylstyrol und Chlorstyrol, sowie unter Verwendung zweier oder mehrerer der genannten Monomeren erhaltene Mischpolymerisate. Bezüglich einer detaillierten Beschreibung der verschiedenen Polystyrolformen und Verfahren zu ihrer Herstellung vgl. beispielsweise »Encyclopedia of Polymer Science and Technology«, Band 13, Seiten 128 ff, Verlag John Wiley and Sons, New York (1970).
Wie bereits erwähnt ist es möglich, die Menge an Kernbenzolringen im Ausgangspolystyrol, die bromiert oder chlormethyliert werden, nach Belieben einzustellen, so daß nach der folgenden Umsetzung mit dem Organoarsinhalogenid der Formel
R1R2AsHaI
etwa 10 bis etwa 100% der wiederkehrenden Einheiten des fertigen Polystyrols der Formel (I) entsprechen. Wenn weniger als 100% der wiederkehrenden Einheiten in dem fertigen Polystyrol der Formel (I) entsprechen, entspricht der Rest der wiederkehrenden Einheiten des betreffenden erfindungsgemäßen Polystyrols offensichtlich der wiederkehrenden Einheit des Ausgangspolystyrols. Selbstverständlich kann man bei der Umsetzung des bromierten oder chlomethylierten Polystyrolzwischenprodukts mit weniger als der stöchiometrischen Menge eines Organoarsinhalogenids der Formel
RiR2AsHaI
und anschließende Umsetzung des hierbei erhaltenen (Zwischen)-Produkts mit einem zweiten und vom ersten unterschiedlichen Organoarsinhalogenid auch erfindungsgemäße Polystyrole mit zwei unterschiedlichen Organoarsinrcsten im Molekül herstellen. Eine Erweiterung der geschilderten (zweistufigen) Umsetzung führt dann zu erfindungsgemäßen Polystyrolen mit drei oder mehr unterschiedlichen Organoarsinresten im Molekül. Die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Polystyrole verwendbaren Organoarsinhalogenide der Formel
RiR2AsHaI
sind meistenteils bekannt und lassen sich nach bekannten Verfahren herstellen (vgl. beispielsweise E. H. Rodd, »Chemistry of Carbon Compounds«, Band IA, Seite 449[1951 ] bezüglich aliphalischer Arsinhalogenidc und Ibid, Band IHA, Seiten 404 bis 405 [1954] bezüglich Arylarsinhalogenide sowie die a.a.O. zitierten Literatursteilen).
Bei einem Alternativverfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polystyrole mit wiederkehrenden
Einheiten der Formel (I) wird ein Monomeres der Formel:
CH2=C-Rj
R4—l· J-
worin Ri, R2, R3, R4 und π die angegebene Bedeutung besitzen, in üblicher bekannter Weise homopolymerisiert oder mit Styrol, a-Methylstyrol, Chlorstyrol oder Vinyltoluol mischpolymerisiert Das hierbei gebildete organoarsinsubstituierte Polystyrol wird dann in der angegebenen Weise zu dem entsprechenden Arsinoxid oxidiert
Die arsinsubstituierten Monomeren der Formel (II) erhält man durch Umsetzen eines geeigneten im Kern bromierten oder chlormethylierten Styrolmonomeren mit einem geeigneten Dihydrocarbylarsinhalogenid der Formel
RiR2AsHaI
unter Einhaltung von für die entsprechende Umsetzung bromierter oder chlormethylierter Polysiyrole beschriebenen Reaktionsbedingungen.
Die erfindungsgemäßen Polystyrole mit wiederkehrenden Einheiten der Formel (I) werden zur Herstellung organischer Carbodiimide durch Erhitzen des entsprechenden organischen Isocyanats verwendet. Damit läßt sich jedes beliebige organische lsocyanat zu dem entsprechenden Carbodiimid umwandeln. Vorteilhaft an der Verwendung der erfindungsgemäßen Polystyrole gegenüber bisher bekannten Katalysatoren ist, daß der Polystyrolkatalysator immer in einer vom lsocyanat und dem gebildeten Carbodiimid getrennten Phase verbleibt und nach beendeter Umsetzung ohne weiteres vom gebildeten Carbodiimid abgetrennt werden kann. Ferner lassen sich die erfindungsgemäßen Polystyrolkatalysatoren ohne weiteres im Rahmen kontinuierlicher Verfahren, bei denen das zu behandelnde organische lsocyanat zweckmäßigerweise als Lösung in einem geeigneten organischen Lösungsmittel durch ein auf einem Träger befindliches Katalysatorbett oder eine Katalysatorsäule geleitet wird, verwenden. Die Aufenthaltsdauer in der Katalysatorsäule wird derart eingestellt, daß bei einem einzigen Durchtritt des organischen Isocyanats durch die Säule eine vollständige Umwandlung oder jede beliebige Teilumwandlung erreicht wird.
Unter Verwendung der neuen Polystyrolkatalysatoren gemäß der Erfindung lassen sich — wie bereits erwähnt — bekannte organische Mono- oder Polyisocyanate zu den entsprechenden Carbodiimiden umwandeln. Beispiele für solche Isocyanate sind
Methyl-, Äthyl-, lsopropyl-. Butyl-, Hexyl-, Octyl-, Octadecyl-, Allyl-, 2-Pentyl-, Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, 1 -Cyclopentenyl-, 2-Cycloheptenyl-, Benzyl-, Phenäthyl-,3-Phenylpropyl-, Benzhydryl-, 2-Naphthylmethyl-, Naphthyl-, Phenyl-, p-Tolyl-, o-Toiyl-, 3-Nitrophenyl-,4-Mcthoxyphenyl-. 4-Allyloxyphenyl-, 3,4-Xylyl-, 2-Chlorphenyl-, Decahydronaphthyl-, Trifluormethyl-, 2-Chloräthyl- und 3-Nitropropyl-mono-isocyanate; 2.4-Toluol-, 2,6-Toluol-, Hexamethylen-,
4,4'-Biphenylen-,
33'-Dimet!ioxybiphenylen-4,4'-diisocyanate,
Methylen-bis-(phenylisocyanat)
und dergl. (vgL Siefkin in »Ann.«, Band 562, Seiten 122 bis 135 [1949]).
Bei der Umwandlung des jeweiligen organischen Isocyanats zu dem entsprechenden Carbodiimid werden das organische lsocyanat und der Polystyrolkatalysator miteinander in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-Teil(en) Katalysator pro lOOGew.-Teiie lsocyanat vereinigt Die Umsetzung erfolgt zweckmäßigerweise bei erhöhter Temperatur in der Größenordnung von etwa 70° bis etwa 2000C. Das Fortschreiten der Umsetzung läßt sich ohne Schwierigkeiten durch Bestimmen des bei der Umsetzung gebildeten und entweichenden Kohlendioxids verfolgen. Das Aufhören der Gasbildung zeigt in der Regel, die Beendigung der Umsetzung an. Das bei der Umsetzung erhaltene
21) Carbodiimid läßt sich ohne Schwierigkeiten vom Katalysator abtrennen. Die Trennung wird dadurch erleichtert, daß man die Umsetzung in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels, in dem das Ausgangsisocyanat und das gebildete Carbodiimid löslich sind,
2■> durchführt Nach Beendigung der Carbodiimidbildungsreakiion ist es dann lediglich erforderlich, den Katalysator vom Reaktionsprodukt abzufiltrieren. Der Katalysator kann ohne Aktivitätsverlust beliebig oft wiederverwendet werden.
in Die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Polystyrole als Katalysatoren hergestellten Carbodiimide sind bekannte Verbindungen, die sich zur Verhinderung eines Alterns und/oder einer Hydrolyse von Elastomeren eignen (vgl. beispielsweise US-PS
V-. 32 97 795 und 33 78 517).
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen.
B e i s ρ i e 1 1
A) Das von Relies und Mitarbeitern a.a.O. für die Bromierung von Polystyrol beschriebene Verfahren wird exakt in der beschriebenen Weise
4--> wiederholt. Das als Ausgangsmaterial verwendete Polystyrol besteht aus einem handelsüblichen, mit 2% Divinylbenzol vernetzten Polystyrol einer Teilchengröße von 0,038 bis 0,074 mm. Das Bromierungsprodukt enthält 42,98 Gew.-% Brom,
■so was darauf hindeutet, daß 98,4% der Benzolkerne
des Reaktionsprodukts ein Bromatom enthalten.
B) Eine Suspension von 3,5 g (0,019 Mol wiederkehrende Einheiten) des unter A) erhaltenen bromierten Polystyrols in 90 ml Tetrahydrofuran wird
ϊτ kräftig bei Raumtemperatur (etwa 2O0C) gerührt,
während eine Lösung von 10 g (0,0378 Mol) Diphenylarsinchlorid in 30 ml Tetrahydrofuran und anschließend 0,64 g (0,09 g Atom) Lithiumdraht zugegeben werden. Das Reaktionsgemisch nimmt
M) nach und nach eine orangerote Farbe an. Nach 24stündigem Rühren wird das Reaktionsgemisch filtriert. Der hierbei erhaltene Filterrückstand wird durch abwechselndes Aufschlämmen mit 2 :3, 3 : 1 bzw. 9 : 1 Volumen-Gemischen Methylenchlorid
hr> und Methanol und anschließend mit reinem
Methanol gewaschen. Dabei erhält man als fahlgelben Feststoff ein organoarscnsubstituiertes Polystyrol mit wiederkehrenden Einheiten der
folgenden Formel:
-CM2-CH
CJl1
C6II,
C) Eine Suspension von 5,6 g des gemäß B) erhaltenen organoarsensubstituierten Polystyrols in 50 ml Aceton wird gerührt, während 2,8 g (0,025 Mol) 30volumenprozentigen Wasserstoffperoxids zugesetzt werden. Das hierbei erhaltene Reaktionsgernisch wird mehrere Tage lang bei Raumtemperatur (etwa 20° C) stehengelassen. Nach Beendigung des Stehenlassens werden 50 ml Benzol zugesetzt, worauf das Reaktionsgemisch unter Verwendung einer Dean-Stark-Falle zur azeotropen Wasserentfernung auf Rückflußtemperatur erhitzt wird. Danach wird die getrocknete Suspension filtriert. Der (unlösliche) Filterrückstand wird durch abwechselndes Aufschlämmen mit 3:1, 2:3, 3:1 bzw. 9 :1 Volumen-Gemischen Methylenchlorid und Methanol und anschließend mit reinem Methanol gewaschen. Danach wird das gewaschene Reaktionsprodukt in einem Ofen bei einer Temperatur von 80°C getrocknet. Hierbei erhält man ein Polystyrol mit wiederkehrenden Einheiten der Formel:
-CH2-CH-
eines Arsengehalts von 20,485%.
Beispiel 2
Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wird wiederholt, wobei jedoch in Stufe B) das Diphenylarsinchlorid durch Chlordiäthylarsin, Chlordimethylarsin, Bromdicyclohexylarsin bzw. Äthylphenylchlorarsin ersetzt wird. Hierbei erhält man die entsprechenden Oxide der Organoarsenpolystyrole.
Beispiel 3
Nach dem von Relies und Mitarbeiter a.a.O. beschriebenen Verfahren wird ein mit 2% Divinylbenzol vernetztes, handelsübliches Polystyrol einer Teilchengröße von 0,038 bis 0,074 mm durch Umsetzen mit
Chlormethylmethyläther in Gegenwart von Bortrifluorid chlormethyliert.
In der in Beispiel 1, Teil B), geschilderten Weise, jedoch unter Ersatz des a.a.O. verwendeten bromierten Polystyrols durch das in der geschilderten Weise hergestellte chlormethylierte Polystyrol erhält man ein Polystyrol mit wiederkehrenden Einheiten der Formel:
-CH2-CH
CH2-As
C6H,
CJh
Letzteres wird in der in Beispiel 1, Teil C) geschilderten Weise oxidiert, wobei das entsprechende Oxid mit wiederkehrenden Einheiten der Formel:
-CH1-CH-
CH2-As
I\
O C6H5
erhalten wird.
Beispiel 4
Eine Mischung aus 13,3 g (0,1 Mol) o-Tolylisocyanat, 13,3 ml Benzol und 0,1g des gemäß Beispiel 1 hergestellten organoarsinoxid-substituierten Polystyrols wird 3 Stunden lang auf Rückflußtemperatur erhitzt und danach zur Entfernung des Polystyrolkatalysators filtriert. Das Filtrat wird unter vermindertem Druck destilliert, wobei m;\n in 9O°/oiger Ausbeute 10 g Di-o-tolylcarbodiimid eines Kp. von 135 bis 137°C bei 0,533 mbar erhält.
Der vom Reaktionsprodukt abgetrennte Polystyrolkatalysator wird unter Verwendung einer weiteren Charge von 13,3 g o-Tolylisocyanat und 13,3 ml Benzol bei einem zweiten Versuch als Katalysator wiederverwendet. Nach 2stündigem Erhitzen des Reaktionsgemische auf Rückflußtemperatur wird das Reaktionsgemisch zur Entfernung des Katalysators filtriert. Das Filtrat wird unter vermindertem Druck destilliert, wobei man in 93,6%iger Ausbeute 10,4 g Di-o-tolylcarbodiimid eines Kp. von 123° bis 127° C bei 0,178 mbar erhält.
Wird der beim zweiten Versuch vom Reaktionsgemisch abgetrennte Polystyrolkatalysator bei einem dritten Versuch wiederverwendet, erhält man identische Ergebnisse.

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Polystyrole, dadurch gekennzeichnet, daß sie wiederkehrende Einheiten der Formel:
-CH2-C-
R3-+ V-(CH2Jn-As
O R2
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