DE3600602A1 - Verfahren zur herstellung von 2-oxo-1,3-dioxolanen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von 2-oxo-1,3-dioxolanen

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DE3600602A1 DE19863600602 DE3600602A DE3600602A1 DE 3600602 A1 DE3600602 A1 DE 3600602A1 DE 19863600602 DE19863600602 DE 19863600602 DE 3600602 A DE3600602 A DE 3600602A DE 3600602 A1 DE3600602 A1 DE 3600602A1
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    • C07D317/10—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having two oxygen atoms as the only ring hetero atoms having the hetero atoms in positions 1 and 3 not condensed with other rings
    • C07D317/32—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having two oxygen atoms as the only ring hetero atoms having the hetero atoms in positions 1 and 3 not condensed with other rings with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description

Es ist bekannt, daß man durch Umsetzung von Alkylenoxiden mit Kohlendioxid in Gegenwart von Katalysatoren 2-Oxo-1,3- dioxolane (auch Alkylencarbonate genannt) erhalten kann. In der DE-OS 26 11 087 wird ein Verfahren zur Herstellung von Alkylencarbonaten der allgemeinen Formel beschrieben, wobei ein Alkylenoxid mit CO2 in Gegenwart eines Katalysators, der aus einer Kombination einer protischen Substanz der Formel ROH und einer stickstoffhaltigen Base besteht, bei Temperaturen zwischen 0 und 200°C und einem Druck von 1 bis 98 bar umgesetzt wird. Protische Substanzen sind Wasser, Alkohole und Phenol. Als stickstoffhaltige Basen werden Trimethylamin, Triethylamin, Pyridin oder Dimethylanilin angeführt. Bezüglich der Substituenten R bis R‴ wird nur allgemein angegeben, daß diese Wasserstoff oder ein Alkyl-, Aryl-, Cycloalkyl- oder Aralkylrest sein können. Nähere Angaben werden nicht gemacht. In den Beispielen werden nur Ethylenoxid und Propylenoxid als Alkylenoxid angeführt und es wird stets unter Druck gearbeitet (minimal 10 bar).
G. Rokicki und Mitarbeiter beschreiben in "Monatshefte für Chemie" 115 (1984), 205-214, die Herstellung von cyclischen Carbonaten aus CO2 und Oxiranen in Gegenwart von Alkalimetallsalz- Phasentransfer-Katalysatoren. Als Phasentransfermittel werden Kronenether, 1,4-Diazabicyclo-[2,2,2]- octan (DABCO), N,N,N,N-Tetramethylethylendiamin (TMEDA) und Triethylbenzylammoniumchlorid (TEBA) aber auch - mit verringerter Ausbeute - Polyethylenglykol eingesetzt. Hohe Ausbeuten, d. h. fast theoretische Werte, werden nur durch Anfangsdrucke von 40 bar erreicht. Bei Arbeiten bei 6 bar wird eine um ca. 25% niedrigere Ausbeute, bei 1 bar sogar nur 8% Ausbeute erhalten. Eingesetzte Alkalimetallsalze sind Alkalihalogenide und -carbonate. Als Epoxidkomponenten werden Ethylen- und Propylenoxid, Epihalogenhydrine, Glycid, N-Butyl-, Allyl- und Phenylglycidether, Styroloxid und 3,3-disubstituiertes Cyclohexenoxid angeführt.
Eine weitere Arbeit von G. Rokicki (Makromol. Chem. 186, 331-337 (1985)) beschreibt die Herstellung von cyclischen Dicarbonaten durch Einsatz von 2,2-Bis[4-(2,3-epoxypropoxy) phenyl]propan bzw. einem Epoxidharz (®Epikote 828) unter den vorstehend angegebenen Bedingungen.
Es ist weiterhin bekannt (PCT WO 84/03, 701), Alkylencarbonate durch Behandlung von Alkylenoxiden mit CO2 in Gegenwart eines Alkohols wie Methanol und einer (un-)substituierten Phosphinverbindung als Katalysator herzustellen. Auch in diesem Falle wird bei erhöhtem Druck (21 bar) gearbeitet. Darüberhinaus ergibt sich aus der Veröffentlichung, daß die Gegenwart sowohl des Alkohols als auch des Phosphins zwingend sein muß, um eine gute Ausbeute zu erhalten.
Aus dem Stand der Technik ergibt sich also, daß zur Erzielung einer hohen Ausbeute stets bei hohen Drucken gearbeitet werden muß und/oder daß die Gegenwart einer protischen Substanz zwingend ist, um zufriedenstellende Ausbeuten zu erzielen.
Die genannten Nachteile können gemäß der vorliegenden Erfindung umgangen werden.
Der Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von 2-Oxo-1,3-dioxolanen durch Umsetzung von Epoxiden mit Kohlendioxid in Gegenwart von Alalÿodiden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine Epoxidverbindung in Anwesenheit oder Abwesenheit eines inerten Lösungsmittels mit einer Kombination aus A) mindestens einem Alkalÿodid und B) mindestens einer Verbindung der Gruppe a) Polyol und b) einem Ether oder Polyether mit den Strukturen und in denen
R gleich oder verschieden und Alkyl, Aralkyl mit jeweils 1-10 C-Atomen in der Alkylgruppe oder Aryl ist,
R1, R2 gleich oder verschieden und Wasserstoff oder Alkyl mit 1-10 C-Atomen sind und
R3 gleich R ist, jedoch auch Wasserstoff sein kann,
oder, wenn die Epoxidverbindung die Strukturmerkmale der Verbindungen Ba) und Bb) bereits aufweist, mit dem Alkalÿodid A) allein, bei Temperaturen von 40 bis 180°C unter Einleitung von Kohlendioxid bei Normaldruck oder geringfügig erhöhtem Druck zu den entsprechenden organischen Carbonaten umgesetzt sind. Nach diesem Verfahren können die Epoxygruppen in den Ausgangsverbindungen teilweise oder vollständig zur Reaktion gebracht werden.
Der Vorteil des Verfahren ist die Anwendung von Normal- oder schwach erhöhtem Druck, wobei kein großer apparativer Aufwand erforderlich ist. Weiterhin ist die hohe Selektivität der Umsetzung hervorzuheben, d. h. es treten praktische keine Epoxid-Nebenreaktionen wie Homopolymerisation ein, die bei diesem Reaktionsmechanismus im Stand der Technik beschrieben worden sind. Ferner ist es durch das Verfahren möglich, lagerstabile Epoxid-/Carbonatgemische herzustellen, die eine Multifunktionalität aufweisen und für viele Anwendungsgebiete verfügbar sind. Die Neutralität des verwendeten Katalysators führt zudem zu keiner Inhibierung von möglichen Folgereaktionen an der Epoxidgruppe bzw. an der Carbonatgruppe z. B. bei einer durch Säure katalysierten Veretherungs- oder Veresterungsreaktion der Epoxidgruppe.
Der bei dem Verfahren anzuwendende Druck beträgt im allgemeinen 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5 und insbesondere 1 bis 3 bar. In den meisten Fällen wird Normaldruck angewandt, gegebenenfalls kann aber auch unter höherem Druck gearbeitet werden. Der bevorzugte Temperaturbereich des Verfahrens liegt bei 60 bis 180, insbesondere 80 bis 150°C.
Als Epoxidkomponenten, die mit CO2 umgesetzt werden können und im allgemeinen mindestens eine endständige Epoxygruppe besitzen, eignen sich beispielsweise folgende Verbindungen:
höhere aliphatische Epoxide wie Hexen-, Octen-, Dodecen- 1-oxid, Glycidol und Epihalogenhydrine der Formel in der Z ein Wasserstoffatom, eine Methyl- oder Ethylengruppe und X ein Halogenatom oder eine OH-Gruppe darstellt. Beispiele für derartige Epihalogenhydrine sind Epichlorhydrin, Epibromhydrin, 1,2-Epoxi-2-methyl-3-chlorpropan und 1,2-Epoxi-2-ethyl-3-chlorpropan.
Weitere Epoxykomponenten, die erfindungsgemäß eingesetzt werden könnnen, schließen z. B. Epoxykomponenten, die im Durchschnitt mindestens eine endständige 1,2-Epoxygruppe aufweisen ein. Vorzugsweise sind dies Epoxyverbindungen, die im Durchschnitt mindestens eine substituierte oder nicht substituierte Glycidylethergruppe oder eine substituierte oder nicht substituierte Glycidylestergruppe enthalten, ferner epoxidierte, mehrfach ungesättigte Verbindungen und amid- oder urethangruppenhaltige Epoxide.
Epoxyverbindungen, die im Durchschnitt mindestens eine substituierte oder nicht substituierte Glycidylethergruppe enthalten, welche die Formel aufweist, in der Z Wasserstoff, eine Methyl- oder eine Ethylgruppe darstellt, sind z. B. Glycidyl- oder Polyglycidylether von Phenol oder mehrwertigen Phenolen, die ein oder mehrere aromatische Kerne aufweisen sowie von Novolaken, Polyglycidylether von alkoholischen Polyhydroxylverbindungen, erhalten durch Additionsreaktion von mehrwertigen Phenolen, enthaltend einen oder mehrere aromatische Kerne mit Alkylenoxiden, die 2 bis 4 C-Atome aufweisen, und Polyglycidylether von alkoholischen Polyhydroxylverbindungen, die einen oder mehrere alicyclische Ringe aufweisen. Als Phenole werden beispielsweise eingesetzt Phenol, die verschiedenen Kresole, Resorcin, Hydrochinon, Pyrogallol, Phloropglycin, 1,5-, 2,7-, 2,6-Dihydroxynaphthaline und ähnliche, 2,2-bis-(p-hydroxyphenyl)-propan und -methan (bekannt als Bisphenol A bzw. F), 2,4′-Dihydroxydiphenylmethan u. ä. Mehrwertige Alkohole, die zu Glycidylethern umgesetzt werden können, sind beispielsweise Ethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol, Neopentylglykol, Hexylenglykol, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol u. ä. .
Hierzu werden auch plastifizierte Epoxidharze mit endständigen Epoxygruppen gerechnet, die durch Teilumsetzung der Epoxygruppe von mindestens zwei Epoxygruppen enthaltenden Epoxidharzen mit OH- und COOH-haltigen Substanzen wie mehrwertigen Alkoholen z. B. den obengenannten Diolen, Polycarbonsäuren oder Carboxyl- oder OH-gruppenhaltigen Polyestern hergestellt werden.
Weitere Epoxyverbindungen sind Glycidylester von gesättigten oder ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren mit mindestens einer substituierten oder nicht substituierten Glycidylestergruppe der folgenden Formel in der Z ein Wasserstoffatom, eine Methyl- oder eine Ethylengruppe darstellt. Die Säuren sind aliphatische oder aromatische, gesättigte oder ungesättigte Mono- oder Polycarbonsäuren, z. B. Acrylsäure, Methacrylsäure, Adipinsäure, die verschiedenen Phthalsäuren, Tetra- und Hexahydrophthalsäure u. ä. . Ein sehr gebräuchlicher Glycidylester ist im Handel erhältlich und stellt den Glycidylester einer Mischung von gesättigten Monocarbonsäuren mit einer Kettenlänge von 9 bis 11 Kohlenstoffatomen dar, bestehend hauptsächlich (ungefähr 94%) aus tertiären Säuren (Versaticsäureglycidylester). Hier eingeschlossen sind auch Epoxidharze, die durch Copolymerisation von Glycidylmethacrylsäureester mit anderen copolymerisierbaren Monomeren wie Styrol und (Meth-)Acrylsäureestern erhalten worden sind.
Des weiteren sind amid- oder urethangruppenhaltige Epoxide für die Umsetzung geeignet, z. B. Triglycidylisocyanurat oder glycidolverkapptes Hexamethylendiisocyanat. Mischungen der genannten Epoxidverbindungen können ebenfalls eingesetzt werden.
In der Kombination, die die umsetzung der Epoxide mit CO2 katalytisch beeinflußt, ist die Komponente A) mindestens ein Alkalÿodid wie Kalium-, Natrium- und Lithiumjodid. Verbindungen B) besitzen die allgemeinen Strukturen und in denen
R gleich oder verschieden und Alkyl, Aralkyl mit jeweils 1-10 C-Atomen in der Alkylgruppe oder Aryl ist,
R1, R2 gleich oder verschieden und Wasserstoff oder Alkyl mit 1-10 C-Atomen sind und
R3 gleich R ist, jedoch auch Wasserstoff sein kann.
Beispiele für Verbindungen Ba) sind z. B. Polyole wie Polyethylenglykole und Polypropylenglykole, Diethylen-, Triethylen-, Tetraethylen- und Dipropylenglykol.
Beispiele für Verbindungen Bb) sind z. B Ether oder Polyether wie Ethylenglykolmonomethyl- und -monobutylether, Dimethoxyethan, Diethylenglykolmonomethyl- und -monobutylether, Diethylenglykoldimethyl- und diethylether, Triethylenglykolmono- und -dimethylether, Propylenglykolmonobutylether sowie Polyglykolmonobutylether aus einem Gemisch aus Ethylen- und Propylenoxid.
Die Verbindungen Ba) und Bb) werden jeweils in Mengen von 1-95, vorzugsweise 1-50, insbesondere 10-30 Gew.-%, bezogen auf die Epoxidkomponente eingesetzt.
Wenn die umzusetzenden Epoxide die bei den Verbindungen Ba) und Bb) genannten Strukturmerkmale selbst aufweisen, kann auf das Einsatz mit einer Verbindung des Typs Ba) oder Bb) verzichtet werden.
Beispiele für derartige Epoxide sind Glyciylether von Di-, Tri- oder Polyethylen- oder propylglykolen, Diglycidylether des Diethylenglykols, Polypropylen- oder Polyethylenglykols. Andererseits können bei diesem Verfahren diese Epoxide, da sie die benötigten Strukturmerkmale aufweisen, die Aufgabe der Verbindungen Ba) und Bb) bei der Carbonatisierung von Epoxiden übernehmen, die keine Polyethergruppen enthalten. In diesem Falle können z. B. Gemische mit den vorstehend genannten Epoxidverbindungen bei dem erfindungsgsmäßen Verfahren vorliegen.
Die Alkalÿodide A) werden im allgemeinen einzeln oder im Gemisch in Mengen von 0,01 bis 1, vorzugsweise 0,05 bis 1 und insbesondere 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Epoxidkomponente, eingesetzt.
Die Reaktionszeit kann in weiten Grenzen schwanken. Im allgemeinen wird die Umsetzung so geführt, daß die Epoxidgruppen praktisch vollkommen umgesetzt sind. Die Reaktion wird beispielsweise durch Titration der Epoxidgruppen verfolgt und an dem Punkt angebrochen, der im Rahmen der Analysengenauigkeit als "epoxidgruppenarm bzw. -frei" angesehen wird. Man erhält auf diese Weise Alkylcarbonate aus beliebigen Epoxidverbindungen, die in bekannter Weise weiterverarbeitet werden können.
Darüberhinaus kann man die Reaktion bei Vorliegen von Polyepoxiden an jedem gewünschten Punkt abbrechen, so daß Verbindungen erhalten werden, die neben Carbonatgruppen noch intakte Epoxidgruppen aufweisen. Letzteres hat den Vorteil, daß je nach Art der gewünschten Weiterverarbeitung und des Einsatzes der Produkte eine selektive Umsetzung der Epoxid- neben der Carbonatgruppe - und umgekehrt - erfolgen kann. Im allgemeinen wird man bei den Polyepoxiden (Anzahl der Epoxidgruppen n2) die Umsetzung in diesem Fall so durchführen, daß der Anteil der umgesetzten Epoxidgruppen 0,1-0,9 n beträgt.
Die Umsetzung der Epoxidverbindungen mit CO2 kann in Anwesenheit oder Abwesenheit von Lösungsmitteln erfolgen. Im allgemeinen werden keine Lösungsmittel eingesetzt, wenn die Epoxidverbindungen oberhalb 50°C im flüssigen Zustand vorliegen. Stellen sie jedoch bei der Reaktionstemperatur zähflüssige Schmelzen dar und erschweren dadurch eine homogene Verteilung des Kohlendioxids bei Rühren oder ist eine Weiterverarbeitung des Reaktionsproduktes in Lösung vorgesehen, werden im allgemeinen Lösungsmittel verwendet.
Als Lösungsmittel können aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Xylol und bei der Erdölcrackung anfallende Kohlenwasserstoffgemische, Dioxan, Tetrahydrofuran, und andere gegen Epoxygruppen inerte Lösungsmittel eingesetzt werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Produkte werden zur Herstellung von Urethangruppen enthaltenden Kunstharzen in Form von Überzügen oder Formkörpern verwendet.
In den nachfolgenden Beispielen bedeutet T stets Gewichtsteile und % stets Gewichts-%.
Beispiele Allgemeine Vorschrift zur Herstellung von Carbonaten aus Epoxiden
In einer mit Rührer, Thermometer und einem Gaseinleitungsrohr bestückten Apparatur (gegebenenfalls Druckapparatur) wurde das Epoxid mit dem in der Tabelle angeführten Epoxidgehalt vorgelegt und nach Zugabe des Katalysators A) und der Komponente B) unter Rühren und unter Einleiten von Kohlendioxid auf die angegebene Reaktionstemperatur erhitzt. Gegebenenfalls wurde die Reaktionsapparatur vorher mit Kohlendioxid ausgespült.
Unter fortlaufendem Einleiten von Kohlendioxid wurde unter Normaldruck von 1 bar bei den genannten Reaktionstemperaturen bis zum gewünschten Restepoxidgehalt, der durch Titration ermittelt wird, nachgerührt. Anschließend wurde bei Vorhandensein einer Trübung in der Hitze filtriert. Die Ausbeute bezieht sich auf den Umsatz, der durch den Restepoxidgehalt bestimmt wird.
In der Tabelle bedeuten:
®Beckopox EP 140technischer Diglycidylether des Bisphenol A (Handelsbezeichnung der Fa. HOECHST AG) ®Epicote 1001technischer Diglycidylether des Bisphenol A (Handelsbezeichnung der Fa. DOW, USA) ®Denacol EX 861Polyethylenglykoldiglycidylether    EX 830
   EX 920Polypropylenglykoldiglycidylether (Handelsbezeichnungen der Firma Nagase, Japan) ®Cardura E 10Glycidylester der Versaticsäure (Handelsprodukt der Firma Shell) Beckopox 080Glycidylether des Ethylhexanols (Handelsbezeichnung der Fa. HOECHST AG) ButylglykolEthylenglykolmonobutylether DMDGDiglykoldimethylether DMTGTriglykoldimethylether TEGTriethylenglykol B11/50Polyglykol B11/50 (Basis Ethylen-Propylenoxid) (Bez. der Fa. HOECHST AG,) DEGMMDiethylenglykolmonomethylether PE 300Polyethylenglykol PE 300 (mittl. Molmasse 300)
Tabelle

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von 2-Oxo-1,3-dioxolanen durch Umsetzung von Epoxiden mit Kohlendioxid in Gegenwart von Alkalÿodiden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Epoxidverbindung in Anwesenheit oder Abwesenheit eines inerten Lösungsmittels entweder mit einer Kombination aus A) mindestens einem Alkalÿodid und B) mindestens einer Verbindung der Gruppe a) Polyol und b) einem Ether oder Polyether mit den Strukturen und in denen
R gleich oder verschieden und Alkyl, Aralkyl mit jeweils 1-10 C-Atomen in der Alkylgruppe, oder Aryl ist,
R1, R2 gleich oder verschieden und Wasserstoff oder Alkyl mit 1-10 C-Atomen sind und
R3 gleich R ist, jedoch auch Wasserstoff sein kann,
oder, wenn die Epoxidverbindung die Stukturmerkmale der Verbindungen Ba) und Bb) bereits aufweist, mit dem Alkalÿodid A) allein, bei Temperaturen von 40 bis 180°C unter Einleitung von Kohlendioxid bei Normaldruck oder geringfügig erhöhtem Druck, zu den entsprechenden organischen Carbonaten umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Druck von 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5, insbesondere 1 bis 3 bar gerabeitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalÿodid in Mengen von 0,01 bis 1, vorzugsweise 0,05 bis 1 und insbesondere 0,05 bis 0,5 Gew.-% bezogen auf die Epoxidkomponente, eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Natrium- oder Kaliumjodid als Alkalÿodid eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyole Ba) oder Ether Bb) Di-, Tri- oder Polyglykole oder Mono- und/oder Diether eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Polyethylenglykole und Polypropylenglykole, Diethylen-, Triethylen-, Tetraethylen- und Dipropylenglykol, Ethylenglykolmonomethyl- und -monobutylether, Dimethoxyethan, Diethylenglykolmonomethyl- und -monobutylether, Diethylenglykoldimethyl- und diethylether, Triethylenglykolmono- und -dimethylether, Propylenglykolmonobutylether sowie Polyglykolmonobutylether aus einem Gemisch aus Ethylen- und Propylenoxid eingesetzt werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen Ba) und Bb) in Mengen von 1 bis 95, vorzugsweise 1 bis 50 und insbesondere 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Epoxidkomponente, eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der Epoxidverbindung mit Kohlendioxid nur teilweise vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Epoxidverbindungen mindestens eine endständige Epoxygruppe aufweisen.
10. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 erhaltenen 2-Oxo-1,3-dioxolanen zur Herstellung von Urethangruppen enthaltenden Kunstharzen in Form von Überzügen oder Formkörpern.
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