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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Alkylimidazolidon(meth)acrylaten.
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Alkylimidazolidonacrylate
und -methacrylate sind bekannt für
ihre Rolle bei der Bildung von Polymeren, die für Beschichtungen und Klebstoffe
zur Behandlung von Papier und Textilien, für deren Verwendung als Lederbehandlungsmittel
und zur Produktion von Emulsionsfarben verwendbar sind.
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Die
europäische Patentanmeldung Nr. 236
994 bezieht sich auf die Herstellung von (Meth)acrylsäureester
durch Umsetzung eines Alkyl(meth)acrylats mit einem heterocyclischen
Alkohol in Gegenwart eines Katalysators, der ein Titanalkoholat
oder ein Titan-, Eisen-, Zirconium- oder Zinkchelat ist, kombiniert
mit einer 1,2-Dicarbonylverbindung,
die ein Metallchelat eines 1,3-Diketons, insbesondere eines Acetylacetonats
sein kann.
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Ein
solcher Katalysator weist den großen Nachteil auf, stark gefärbte Produkte
zu erzeugen.
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Die
europäische Patentanmeldung Nr. 433
135 bezieht sich auf ein Syntheseverfahren eines Alkylimidazolin(meth)acrylats,
wobei ein Alkyl(meth)acrylat mit einem heterocyclischen Alkohol
in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird, ausgewählt aus
Dialkylzinnoxiden, Dialkylzinndialkoxiden und Dialkylzinndiestern.
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Ein
solcher Katalysator benötigt
hohe Umsetzungstemperaturen und zieht häufig sehr starke Polymerisationen
mit Bildung eines sehr harten expandierten Polymers nach sich.
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Die
europäische Patentanmeldung Nr. 453
638 betrifft ebenfalls die Synthese eines Alkylimidazolin(meth)acrylats
in Gegenwart eines Dialkylzinnoxids.
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Die
europäische Patentanmeldung Nr. 571
851 hat ein Verfahren zur Herstellung von Alkylimidazolin(meth)acrylat
zur Aufgabe, durch Transveresterung eines Alkyl(meth)acrylats mittels
eines heterocyclischen Alkohols, in Gegenwart eines Katalysesystems,
das eine Kombination aus einem Katalysator auf Lithiumbasis, zum
Beispiel in Form von Oxid, Alkoholat, Acetat, Chlorid, Bromid, und
einem Katalysator auf Calciumbasis, wie etwa Calciumoxid ist.
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Die
europäische Patentanmeldung Nr. 619
309 bezieht sich auf die Herstellung von Alkylimidazolin(meth)acrylat
durch Umsetzung eines Alkyl(meth)acrylats mit einem heterocyclischen
Alkohol in Gegenwart eines Katalysators, ausgewählt aus Calciumchelaten mit
1,3-Dicarbonylverbindungen, wie etwa Calciumacetylacetonat.
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Das
durch das in dem Dokument beschriebene Verfahren erhaltene Produkt
weist eine sehr starke Färbung
auf.
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Die
europäische Patentanmeldung Nr. 447
141 hat ein Verfahren zur Herstellung eines Carbonsäureesters
durch Transveresterung eines Alkylesters mit einem Alkohol, der
von einem höheren
Alkyl abgeleitet ist, in Gegenwart eines Hafniumchelats als Katalysator
zur Aufgabe. Die Umsetzung sorgt für hohe Ausbeuten.
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Die
europäische Patentanmeldung Nr. 712
846 hat ein Verfahren zur Herstellung von Alkylimidazolin(meth)acrylaten
durch Umsetzung eines (Meth)acrylats mit einem heterocyclischen
Alkohol in Gegenwart eines Katalysators, der aus einer Mischung
aus mindestens einem Magnesiumalkoholat und einem Bestandteil, der
insbesondere ein Calciumchelat sein kann, mit 1,3-Dicarbonylverbindungen,
zur Aufgabe. Der verwendete Katalysator ermöglicht es, eine normale Produktivität bei niedrigeren
Umsetzungstemperaturen als in den vorher bekannten Verfahren zu
erhalten.
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Schließlich erwähnt die
europäische Patentanmeldung Nr. 902
017 die Verwendung eines Katalysators, der Lithium, Lithiumcarbonat
oder Lithiumhydroxid sein kann, zur Herstellung eines Monomers,
insbesondere aus Hydroxyethyloxazolidin und Methylmethacrylat.
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Die
Verwendung solcher Katalysesysteme ermöglicht es jedoch nicht, die
folgenden wesentlichen Ziele gleichzeitig zu erreichen:
- – hohe
Umwandlung des heterocyclischen Alkohols;
- – niedriger
Gehalt an Nebenprodukten;
- – hohe
Kinetik;
- – niedriges
thermische Niveau; und
- – geringe
Färbung
des Endprodukts.
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Aufgabe
der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung von Alkylimidazolin(meth)acrylat,
wobei das Verfahren das Erreichen der zuvor erwähnten Ziele ermöglicht.
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Genauer
gesagt ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer Verbindung mit der Formel:
worin:
- – R1 ein Wasserstoff oder eine Methylgruppe
ist; und
- – A
und B jeweils unabhängig
voneinander für
eine gerad- oder verzweigtkettige Alkylengruppe steht, die 2 bis
5 Kohlenstoffatome aufweist;
durch Umsetzung mindestens eines
(Meth)acrylats der Formel: worin:
- – R1 die vorgenannte Bedeutung hat; und
- – R2 eine gerad- oder verzweigtkettige Alkylgruppe
ist, die 1 bis 4 Kohlenstoffatome aufweist;
mit einem heterocyclischen
Alkohol (III) der Formel: worin A und B die vorgenannten
Bedeutungen haben;
in Gegenwart eines Katalysators, der mindestens
eine Verbindung (a) umfasst, die ein Chelat ist, das aus Lithium
und einer 1,3-Dicarbonyl-Verbindung gebildet.
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Aufgabe
der Erfindung ist ebenfalls eine Zusammensetzung, die die Verbindung
(I) umfasst, die durch das Verfahren der Erfindung erhalten wurde,
gelöst
in (Meth)acrylat (II).
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Schließlich ist
auch die Verwendung der vorgenannten Zusammensetzung zur Herstellung
von Polymeren Aufgabe der Erfindung, die als Beschichtungen und
Klebstoffe, zur Behandlung von Papier und Textilien, als Lederbehandlungsmittel
und zur Produktion von Farben mit guten Feuchthaftungseigenschaften
verwendbar sind.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das
Verfahren zur Herstellung gemäß der Erfindung,
wie es oben definiert wurde, nutzt einen Katalysator, der mindestens
eine Verbindung (a) umfasst, die ein Chelat ist, das aus Lithium
und einer 1,3-Dicarbonylverbindung gebildet ist.
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Als
Beispiele für
1,3-Dicarbonylverbindungen können
zitiert werden:
- – β-Ketonsäureester, wie Acetessigsäureester;
- – 1,3-Diketon,
wie Acetylaceton, 3-Methylacetylaceton, Benzoylaceton, Dibenzoylmethan,
2,4-Hexandion, 3,5-Heptandion, 3-Phenylacetylaceton, 4,4,4-Trifluor-1-phenyl-1,3-butandion,
2,2,6,6-Tetramethyl-3,5-heptandion, 1,1,1-Trifluor-5,5-dimethyl-2,4-hexandion
und 1,1,1-Trifluor-2,4-pentandion ist.
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Besonders
bevorzugt als Verbindung (a) ist Lithiumacetylacetonat.
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Als
Beispiel für
die Reagenzien (II) können
Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, Isopropyl-, n-Butyl- und Isobutylacrylate
und -methacrylate zitiert werden. Reagens (II) ist bevorzugt Methylmethacrylat
oder -acrylat.
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Als
Beispiel für
Reagens (III) kann 1-(2-Hydroxyethyl)-imidazolidyl-2-on genannt
werden.
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Die
Menge der Verbindung (a), die für
die Ausführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung
verwendet wird, wird üblicherweise
im Verhältnis
zur Menge des heterocyclischen Alkohols definiert.
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So
liegt das Molverhältnis
der Verbindung (a) zum heterocyclischen Alkohol (III) im Allgemeinen
zwischen 0,05 und 0,3% und bevorzugt zwischen 0,05% und 0,15%.
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Gemäß einer
vorteilhaften Variante des Verfahrens der Erfindung wird Verbindung
(a) nicht nur als Katalysator verwendet, sondern als Mischung mit
einer zweiten Verbindung (b), die aus Magnesiumalkoholaten, Natriumalkoholaten,
Calciumalkoholaten, Calciumacetylacetonat, Calciumoxid und Calciumhydroxid
ausgewählt
werden kann.
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Als
Alkoholate können
Methylate, Ethylate, Propylate, Isopropylate, Butylate und Isobutylate
zitiert werden.
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Die
Menge der Verbindung (b) kann geringer sein als die der Verbindung
(a).
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Im
Allgemeinen wird die Menge der Verbindung (b) so ausgewählt, dass
das Molverhältnis
von Verbindung (b) zum heterocyclischen Alkohol (III) zwischen 0,01
und 0,1% und bevorzugt zwischen 0,01 und 0,05% liegt.
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Die
Umsetzung zwischen Reagens (II) und Reagens (III) wird im Allgemeinen
in Gegenwart eines Überschusses
des einen oder des anderen dieser Reagenzien ausgeführt.
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Es
ist jedoch bevorzugt, mehr von Reagens (II) als von Reagens (III)
zu verwenden.
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So
ist es erwünscht,
dass das Molverhältnis
des Methacrylats (II) zum heterocyclischen Alkohol (III) größer als
1, bevorzugt zwischen 1,1 und 7, besonders bevorzugt zwischen 2
und 5 liegt.
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Auf
diese Weise wird am Ende der Umsetzung eine Zusammensetzung erhalten,
die eine Lösung
der Verbindung (1) in (Meth)acrylat (11) umfasst, zum Beispiel:
- – eine
Lösung
von Ethyl-1-imidazolidyl-2-on-acrylat in Methylacrylat; oder auch
- – eine
Lösung
von Ethyl-1-imidazolidyl-2-on-methacrylat in Methylmethacrylat.
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Eine
solche Zusammensetzung, die eine Färbung unter 100 APHA aufweist,
kann vorteilhafterweise direkt in bestimmten Anwendungen, wie etwa
der Fertigung von Farben mit guten Feuchthaftungseigenschaften,
der Lederbehandlung oder der Fertigung von Beschichtungen verwendet
werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann in Gegenwart eines oder mehrerer Polymerisationsinhibitoren
ausgeführt
werden, die aus Phenothiazin, Hydrochinon, Hydrochinonmonomethylether,
Diterbutylparacresol, Paraphenylendiamin, TEMPO (2,2,6,6-Tetramethyl-1-piperidinyloxid)
und Di-tert-butylcatechol ausgewählt werden
können.
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Diese
Verbindungen können
gegebenenfalls an Metallchelatbildner, wie etwa EDTA, Oxalsäure oder die
Produkte, die unter der Marke VERSENEX vertrieben werden, gebunden
werden.
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Der
Gehalt an Polymerisationsinhibitor liegt im Allgemeinen zwischen
0,05 und 0,5%, wobei dieser Prozentsatz in Gewicht des Inhibitors
(dem gegebenenfalls das Gewicht des daran gebundenen Chelatbildner zugefügt wird)
im Verhältnis
zum Gewicht des heterocyclischen Alkohols (III) ausgedrückt wird.
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Was
die Prozessbedingungen betrifft, wird das Verfahren üblicherweise
bei einer Temperatur zwischen 70 und 120 °C und bevorzugt zwischen 85
und 100 °C,
in flüssigem
Medium, ausgeführt.
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Der
Druck ist im Allgemeinen höchstens
gleich 1 Bar, er liegt im Allgemeinen zwischen 0,3 und 1 Bar.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Umsetzung unter Luftzusammenballung.
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Die
Dauer der Umsetzung ist von den Prozessbedingungen und der Aktivität des Katalysators
abhängig.
Sie liegt im Allgemeinen zwischen 6 und 11 Stunden.
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Die
Umsetzung wird erwünschterweise
in einem wasserfreien Medium ausgeführt, um die Desaktivierung
der Katalysatoren zu vermeiden.
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Das
in den Reagenzien vorhandene Wasser wird bevorzugt durch Destillation
in Form eines azeotropen Gemisches aus (Meth)acrylat (II) und Wasser
entfernt.
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Die
Vorgangsweise kann in groben Zügen
wie folgt beschrieben werden.
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Die
Mischung aus den Reagenzien (II) und (III) und des oder der Inhibitoren
wird unter Rückfluss
erwärmt,
wobei der Druck in der Vorrichtung angepasst wird, so dass die Temperatur
im Reaktor zwischen 85 und 100 °C
gehalten wird.
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Die
Stabilisierung der Säule
erfolgt, indem ein oder mehrere Polymerisationsinhibitoren in den
Säulenkopf
in den Rückfluss
eingeführt
werden.
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Das
in den Reagenzien (II) und (III) vorhandene Wasser und der Inhibitor
werden durch Destillation in Form eines azeotropen Gemisches mit
dem (Meth)acrylat (II) entfernt.
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Dann
werden der oder die Katalysatoren eingeführt.
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Die
Umsetzung erfolgt mit der Erzeugung von R2OH-Alkohol,
der durch die Bildung eines azeotropen Gemisches mit dem (Meth)acrylat
(II) entfernt wird, um das Gleichgewicht der Transveresterungsumsetzung zu
verschieben.
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So
wird das Gleichgewicht der Transveresterungsumsetzung in Richtung
der Bildung der Verbindung (I) verschoben.
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Für die Dauer
der Umsetzung, wird der Druck angepasst, um die Temperatur im Innern
des Reaktors zwischen 85 und 100 °C
zu halten.
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Falls
notwendig, wird (werden) im Laufe der Umsetzung Katalysator(en)
zugeführt.
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Wenn
sich kein R2OH-Alkohol mehr bildet, kann
die Umsetzung als beendet erachtet werden.
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Das
erhaltene Produkt wird dann abgekühlt und dem Reaktor entnommen.
Es zeigt sich im Allgemeinen in Form einer sauberen Flüssigkeit
und sehr wenig gefärbt
(Färbung
unter 100 APHA).
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Der
mögliche
(Meth)acrylatüberschuss
kann dann durch Verdampfung entfernt werden (ein Austreibung (Stripping)
genannter Vorgang), um die Verbindung (I) aus dem Reaktionsmedium
zu isolieren, im Allgemeinen als Feststoff: So ist das Ethyl-1imidazolidyl-2-onacrylat
ein weißer
kristalliner Feststoff mit einer Schmelztemperatur gleich 43 °C, der in
Kälte in
Ketonen, Alkoholen, aromatischen Kohlenwasserstoffen und Wasser
löslich
ist, in Kälte
in gesättigten
Kohlenwasserstoffen unlöslich
ist und bei 0 °C
in Ethylacrylat präzipitiert.
Ethyl-1imidazolidyl-2-onmethacrylat ist ein weißer kristalliner Feststoff
mit einer Schmelztemperatur gleich 47 °C, der die gleichen Löslichkeitseigenschaften
wie der vorige besitzt. Am Ende des Stripping-Vorgangs kann das
feste kristalline Produkt ferner durch Waschen in einem leichten
Alkohol, wie Methanol und/oder Petrolether gereinigt werden, danach
Filterung und Trocknung.
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Die
Isolierung der Verbindung (I) kann auch durch teilweises Stripping
des (Meth)acrylats (II), danach Kristallisation bei einer ausreichend
niedrigen Temperatur (bevorzugt kleiner oder gleich 0 °C) und mit
einer ausreichend langen Dauer (die bis zu 15 Stunden erreichen
kann) realisiert werden, danach Filterung, gefolgt von den oben
beschriebenen Reinigungsschritten.
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Eine
andere Methode, um die Verbindung (I) aus der sie enthaltenden Lösung zu
isolieren besteht schließlich
darin, eine Extraktion mittels Wasser vorzunehmen, gefolgt von Dekantierung,
Stripping des (Meth)acrylats und den oben beschriebenen Reinigungsschritten.
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Beispiele
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Die
folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung.
Darin werden die folgenden Abkürzungen
verwendet:
- MAM: Methylmethacrylat
- HEIO: 1-(2-Hydroxyethyl)-imidazolidyl-2-on
- MEIO: Ethyl-1-imidazolidyl-2-onmethacrylat
- EMHQ: Hydrochinonmonomethylether
- PTZ: Phenothiazin
- Li(acac): Lithiumacetylacetonat
- Ca(acac)2: Calciumacetylacetonat
- DBTO: Dibutylzinnoxid
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Beispiele 1 bis 3
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In
einem doppelwandigen 630-1-Edelstahlreaktor, beschickt mit einem
Thermofluid, ausgestattet mit einem mechanischen Rührer und
oben mit einer Destilliersäule
(Durchmesser 250 mm, Höhe
4 m), gefüllt
mit einer PALL-Füllung
und oben mit einem Rückflusskopf,
werden eingeführt:
150
kg HEIO;
461 kg MAM; und
0,2 kg PTZ (Polymerisationsinhibitor).
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Die
Säule wird
durch die Einführung
einer EMHQ-Lösung
(0,1 Gew.-%) in MAM in den Rückfluss
stabilisiert.
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Die
Reaktionsmischung wird durch azeotrope Destillation des Wassers,
das in den Reagenzien enthalten ist, (wobei sich das azeotrope Gemisch
aus MAM und Wasser bildet) bei einem Druck von 400 mm Hg (wobei
die Temperatur am Säulenkopf
77 °C beträgt) getrocknet.
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Wenn
der Trocknungsschritt beendet ist, werden der oder die Katalysatoren
eingeführt
und es wird zusätzliches
Methylmethacrylat zugefügt,
um das Molverhältnis
MAM/HEIO auf dessen Anfangswert von 4/1 zu halten.
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Für die gesamte
Dauer der Umsetzung wird der Druck angepasst, um die Temperatur
im Reaktor auf 85°C
zu halten.
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Das
durch die Umsetzung gebildete Methanol wird in Form eines azeotropen
Gemisches mit MAM entfernt.
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Die
Umsetzung ist beendet, wenn die Temperatur am Säulenkopf nicht mehr auf die
des azeotropen Gemischs absinkt, im gesamten Rückfluss bei Betriebsdruck.
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Der
Rohstoff wird dann abgekühlt
und mittels HPLC analysiert.
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Die
Färbung
des Rohstoffs ist ein wichtiger Faktor. Sie muss so gering wie möglich sein.
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Die
Beispiele 1 bis 3 der folgenden Tabelle A erfolgten alle unter den
oben genannten Bedingungen, wobei die Art des oder der Katalysatoren
variiert wurde. Beispiel 2, nicht im Rahmen der Erfindung, erfolgte
zu Vergleichszwecken: Der Katalysator enthält keine Verbindung (a).
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Es
ist also zu sehen, dass die Ausbeuten an MEIO für die Beispiele 1 bis 3 vergleichbar
sind. Dennoch ergibt der Katalysator aus dem Vergleichsbeispiel
2 ein Endprodukt, das eine starke Färbung aufweist.
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Beispiele 4 bis 9
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Es
erfolgten Versuche in einem kleinen doppelwandigen Glasreaktor,
mechanisch gerührt
und oben mit einer Destillationssäule aus Glas ausgestattet,
mit einer „Multiknit-Füllung" (Effizienz von 8
theoretischen Böden)
und mit einem Rückflusskopf
versehen.
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Die
allgemeinen Bedingungen sind mit jenen der Beispiele 1 bis 3 identisch,
mit Ausnahme des Molverhältnisses
MAM/HEIO, das jetzt bei 3,5/1 (anstelle von vorher 4/1) liegt.
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Die
Beispiele 5, 6 und 7, nicht im Rahmen der Erfindung, erfolgten zu
Vergleichszwecken:
Ihre Katalysatoren enthalten keine Verbindung
(a).
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Die
Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle B festgehalten.
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Es
ist also zu sehen, dass die Katalysatoren der Vergleichsbeispiele
5, 6 und 7, denen die Verbindung (a) fehlt, ein sehr gefärbtes Endprodukt
ergeben.
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