FR2499085A1 - Procede d'obtention de composes a groupement isocyanurique par cyclotrimerisation catalytique d'isocyanate a l'aide de silazane-isocyanurates obtenus par la mise en oeuvre du procede - Google Patents

Procede d'obtention de composes a groupement isocyanurique par cyclotrimerisation catalytique d'isocyanate a l'aide de silazane-isocyanurates obtenus par la mise en oeuvre du procede Download PDF

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Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE D'OBTENTION DE COMPOSES A GROUPEMENTS ISOCYANURIQUES MONOMERES OU POLYMERES PAR CYCLOTRIMERISATION CATALYTIQUE D'ISOCYANATE. ELLE EST CARACTERISEE EN CE QUE L'ON UTILISE A TITRE DE COMPOSE INITIANT LA REACTION UN DISILAZANE. CE SYSTEME CATALYTIQUE EST TRES EFFICACE POUR CYCLOTRIMERISER LES ISOCYANATES ALIPHATIQUES, CYCLOALIPHATIQUES ET PERMET D'OBTENIR EN PARTICULIER DES POLYISOCYANATES POLYISOCYANURATES.

Description

PROCE D'OBTENTION DE COMPOSES A GROUPEMENT ISOCYANURIQUE PAR
CYCLOTRIMERISATION CATALYTIQUE D'ISOCYANATE A L'AIDE DE
STLAZANE-ISOCYANURATES OBTENUS PAR LA MISE EN OEUNRE OU PROCEDE
La présente invention concerne un procédé d'obtention de composés à groupements isocyanuriques par cyclotrimérisation catalytique de mono ou de polyisocyanates, la catalyse étant initiée par introduction dans l'isocyanate de disilazanes dont les deux atomes de silicium sont totalement substitués par des groupements hydrocarbonés.
On connait de nombreux procédés d'obtention de composés à groupements isocyanuriques simples ou polymériques par réaction de cyclotrimérisatio, catalytique d'isocyanates aliphatiques, cycloaliphatiques ou aromatiques. La réaction de cyclotrimérisation peut être totale ou partielle. On peut ainsi obtenir à partir de monoisocyanates des monoisocyanurates alors que l'on préparera à partir de polyisocyanates des polyisocyanates polyisocyanurates par cyclotrimérisation partielle, et des polyisocyanurates sans groupement isocyanate libre par cyclotrimérisation totale. Ces derniers constituent des matériaux polymériques très fréquemment utilisés sous forme alvéolaire (mousses polyisocyanuriques).
En ce qui concerne l'obtention d'isocyanurate ou de polyisocyanurate par trimérisation totale de monoisocyanates ou de polyisocyanates aliphatiques, cycloaliphatiques ou aromatiques on citera à titre de catalyseurs les composés suivants : les amines tertiaires, les phosphines, les alcoolates, les dérivés des métaux alcalins ou alcalino-terreux, tels que leurs oxydes, leurs hydroxydes, leurs carboxylates... Ces catalyseurs sont par exemple décrits dans Journal of
Cellular Plastics Janvier 1965 p. 85 à 90 ; Journal Macromolecular
Science Reviews. Macromolecular Chemistry (5/1) 105-109 (1970).Certains dérivés du silicium et de l'étain ont été également décrits comme catalyseurs de la réaction de cyclotrimérisation de phénylisocyanate en isocyanurate. Itoh, Matsuzaki et Ishii ont ainsi montré le roule catalytique du sulfure de bis triméthylsilyle [Journal Chemical Society (C) 2709-2712 (1968)] et des vsilylamines [(Journal Chemical Society (C) 2005-2007 (1969)].Ces auteurs ont également montré que les disilazanes (hexaméthyldisilazane ; heptaméthyldisilazane, hexaméthyl, N-éthyldisilazane) n'étaient pas des catalyseurs de cyclotrimérisation du phénylisocyanate en triphénylisocyanurate : ces silazanes se sont avérés être au contraire des réactifs conduisant avec le phénylisocyanate à des imino, triphénylhexahydrotriazines dione [par exemple la méthylimino-4, triphényl-1,3,5 hexahydrotriazine-l,3,5 dione-2,6 et la triphényl-1,3,5 tris(phénylimino)-2,4,6 hexahydro triazine-1,3,5 sont obtenues à partir d'heptaméthyidisilazane].
Les polyisocyanates polyisocyanurates qui sont des constituants de base pour les vernis et les peintures sont obtenus en général par cyclotrimérisation partielle des groupements NCO, des polyisocyanates simples aliphatiques ou aromatiques ou de polyisocyanates adducts à l'aide de catalyseurs variés tels que les amines tertiaires (brevet allemand 951.168), les dérivés des métaux alcalins ou alcalino-terreux tels que hydroxyde, carbonate, alcoolate [brevet français .l90.û653 les hydroxydes d'ammonium quaternaires [brevet français 1.204.697 1.566.256 ; demande de brevet européen 0003 765 et 10589], les phosphines [brevet français 1.510.342 ; 2.023.423 ; demande de brevet allemand 1.934.763], les catalyseurs à groupement éthylèneimine [brevet français 1.401.513 ; 2.230.642] et enfin les bases de Mannich [brevet français 2.290.459 et 2.332.274]. Ces divers catalyseurs peuvent en outre éventuellement être associés avec un ester carbamique [amine tertiaire + carbamate : brevet français 1.172.576 ; dérivés de métal alcalin ou alcalino-terreux + carbamate : brevet français 1.304.301 ; base de Mannich + carbamate : brevet français 2.290.459].
Le catalyseur de cyclotrimérisation partielle des groupements
NCO doit de manière générale être désactivé lorsque l'on a atteint la teneur en groupement isocyanate libre désirée. Cette désactivation peut être effectuée par addition de composé acide (hydracide, chlorure d'acide...), d'agent alkylant (iodure de méthyle...) d'agent acylant.
Enfin la désactivation peut être faite par un traitement thermique approprié.
On connaissait ainsi divers systèmes catalytiques qui permettaient de trimériser les isocyanates aliphatiques ou cycloaliphatiques en composés isocyanuriques (isocyanbrates simples ou polyisocyanates polyisocyanurates) mais ces divers systèmes présentent tous des inconvénients. La catalyse par les dérivés des métaux alcalins et alcalino-terreux se manifeste toujours de manière imprévisible avec un certain décalage dans le temps puis est soudaine et en général difficile à contrôler du fait de son activité trop importante. Avec des systèmes catalytiques moins réactifs on n'observe plus le retard à l'activité catalytique mais la catalyse est peu efficace. I1 est nécessaire de cyclotrimériser à température élevée ce qui provoque la formation d'une quantité non négligeable de dimère.Par ailleurs il faut en général chauffer durant la période de désactivation du catalyseur ce qui favorise également la formation de dimère.
Il se posait donc le problème de trouver un système catalytique qui permette de cyclotrimériser les isocyanates aliphatiques ou cycloaliphatiques en composés à groupements isocyanuriques, la réaction catalytique s'effectuant sans période d'induction et de manière régulière à une température relativement modérée. I1 importait par ailleurs qu'un tel catalyseur puisse être aisément désactivé ; la présente invention répond précisément à ce but.
I1 a été maintenant trouvé et c'est ce qui constitue l'objet de la présente invention un procédé d'obtention de composés à groupements isocyanuriques, monomères ou polymères par cyclotrimérisation catalytique d'isocyanates dans lequel le groupement NCO n'est pas directement relié à un atome de carbone appartenant à un groupement aromatique caractérisé en ce que l'on introduit à titre de composé initiant la réaction catalytique un disilazane substituée de formule générale (I)
Figure img00030001

dans laquelle les symboles R identiques ou différents et le symbole R' ont l'une des Significations suivantes
- un symbole R représente un radical monovalent de nature hydrocarbonée, aliphatique, cycloaliphatique saturé ou insaturé, aryle, aralkyle ou alkylaryle,
- deux symboles R portés par un même atome de silicium constituent entre eux un radical hydrocarboné divalent.
- R' représente un atome d'hydrogène ou un radical monovalent ayant la même signification que R.
Le catalyseur selon l'invention s'est révélé particulièrement actif pour la cyclotrimérisation des isocyanates aliphatiques ou cycloaliphatiques. L'action catalytique est immédiate et régulière à température modérée. Le catalyseur se désactive par ailleurs progressivement de manière très lente en des restes inactifs.
Plus précisément la présente invention concerne en particulier un procédé d'obtention de composés à groupements isocyanuriques par catalyse au silazane de formule (I) dans laquelle les symboles R identiques ou différents et le symbole R' ont l'une des significations suivantes
- un symbole R représente un radical monovalent choisi parmi
- un radical alcoyle ou halogénoalkyle ayant de 1 à 5 atomes
de carbone et comportant de 1 à 6 atomes de chlore et/ou de
fluor
- des radicaux cycloalcoyles et halogénocycloalcoyles ayant
de 3 à 8 atomes de carbone et contenant de 1 à 4 atomes de
chlore et/ou de fluor
- des radicaux aryles, alcoylaryles et halogénoaryles ayant
de 6 à 8 atomes de carbone et contenant de 1 à 4 atomes de
chlore et/ou de fluor
- des radicaux cyanoalcoyles ayant de 3 à 4 atomes de carbone
- deux symboles R portés par un même atome de silicium constituent entre eux un radical divalent ayant de 1 à 4. atomes de carbone.
- le symbole R' représente un atome d'hydrogène, un radical aliphatique saturé ou insaturé ayant de 1 à 4 atomes de carbone, un radical cycloaliphatique saturé ou insaturé ayant de 4 à 6 atomes de carbone nucléaires, un radical phényle, tolyle ou xylyle.
A titre illustratif on peut citer parmi les radicaux organiques
R: - les groupements méthyle les groupements éthyle . les groupements propyle . les groupements isopropyle les groupements butyle . les groupements isobutyle . les groupements o(-pentyle . les groupements t-butyle . les groupements chlorométhyle . les groupements dichlorométhyle .les groupements o(-chloro-éthyle .les groupements d,ss-dichloroéthyle . les groupements fluorométhyle les groupements difluorométhyle .les groupements o(,G-difluoroéthyle . les groupements trifluoro-3,3,3 propyle . les groupements trifluoro cyclopropyle . les groupements trifluoro-4,4,4 butyle les groupements heptafluoro-3,3,4,4,5,5 pentyle . les groupements ss-cyanoéthyle . les groupements γ-cyanopropyle . les groupements phényle . les groupements p-chlorophényle . les groupements m-chlorophényle . les groupements dichloro-3,5 phényle . les groupements trichlorophenyle . les groupements tétrachlorophényle . les groupements o-,p-, ou m-tolyle . les groupements α,α,α trifluorolyle . les groupements xylyles (diméthyl-2,3 phényle ; diméthyl-3,4 phényle).
Deux radicaux R peuvent par ailleurs constituer un radical méthylène, éthylène ou propylène.
A titre illustratif on citera parmi les radicaux R' . l'hydrogène, . les groupements méthyle, . les groupements butyle, . les groupements cyclohexyle, . les groupements phényle, . les groupements tolyle.
Préférentiellement les radicaux organiques liés aux atomes de silicium sont des radicaux méthyle, phényle, vinyle, ces radicaux pouvant être éventuellement halogénés.
* Préférentiellement R' représente un atome d'hydrogène ou un radical méthyle.
Les disilazanes que l'on utilise peuvent être symétriques ou dissymétriques.
Dans le cadre de la présente invention on emploie préférentiellement des disilazanes symétriques, les deux groupements (SiR3) étant identiques.
Parmi les disilazanes utilisables on citera : l'hexaméthyldisilazane, 1 l'heptaméthyldisilazane, le diéthyl 1-3, tétraméthyl-1,1,3,3 disilazane, . le divinyl-1,3 tétraméthyl-1,1,3,3 disilazane, . l'hexaéthyldisilazane, . le diphényl-1,3 tétraméthyl-1,1,3,3 disilazane.
Enfin on mentionnera tout particulièrement parmi les disilazanes l'hexaméthyldisilazene, l'heptaméthyldisilazane qui se révèlent être des catalyseurs tout particulièrement avantageux.
Le procédé selon l'invention permet de cyclotrimériser des mono ou polyisocyanates "simples" de nature aliphatique ou cycloaliphatique, ainsi que des polyisocyanates adducts (résultant de la polycondensation dTun excès de polyisocyanate sur un composé polyfonctionnel). La réaction de cyclotrimérisation peut être partielle ou totale : elle permet d'obtenir à partir de monoisocyanates des composés renfermant un seul groupement isocyanurique tel que les isocyanurates d'alkyle ou de cycloalkyle, et à partir de polyisocyanates simples ou adducts des polyisocyanates polyisocyanurates ainsi que des polyisocyanurates de masse moléculaire très élevées et ne renfermant plus de groupement isocyanate libre.
Le procédé selon l'invention est inattendu au vu de l'art antérieur puisque l'on obtient, à partir d'isocyanate dans lesquels le groupement isocyanate n'est pas directement lié à un groqpfffert aromatique, des composés isocyanuriques par trimérisation alors que l'on a montré en série isocyanate aromatique que l'on obtenait des imino hexahydrotriazine par cyclotrimérisation à l'aide de silazane.
La nature de l'isocyanate n'est pas critique : tout isocyanate ou polyisocyanate simple de nature aliphatique ou cycloaliphatique ou tout. isocyanate adduct ou prépolymère convient à condition comme on l'a déjà dit que le groupement isocyanate ne soit pas directement lié à un groupement aromatique.
Parmi les isocyanates utilisables on citera les monoisocyanates suivants le méthylisocyanate, . le butylisocyanate, le n-hexylisocyanate, le cyclohexylisocyanate,
Parmi les diisocyanates utilisables on citera . le tétraméthylène diisocyanate, le pentaméthylène diisocyanate, l'hexaméthylène diisocyanate,
le diisocyanato-1,2 cyclohexane, . le diisocyanato-1,4 cyclohexane, le bis(isocyanato-méthyl)-1,2 cyclobutane, . le bis(isocyanato-4 cyclohexyl)-méthane, . le triméthyl-3,3,5 isocyanatométhyl-5 isocyanato-l cyclohexane.
Parmi ceux-ci on mentionnera tout particulièrement l'hexaméthylène diisocyanate.
Enfin on peut citer parmi les polyisocyanates adducts ou prépolymères utilisables les polyisocyanates modifiés qui sont obtenus en faisant réagir un excès de polyisocyanate aliphatique ou cycloaliphatique sur un composé comportant au moins deux groupements réactifs vis à vis des groupements isocyanates : polyols tel que éthylène glycol hexanediol ; polyester 4,idihydroxylé ; polyéther cl,ul dihydroxylé polyamine ; polyacide... Les polyisocyanates modifiés qui peuvent être mélangés avec des polyisocyanates simples peuvent comporter des groupements uréthanne, allophanate, urée, biuret, ester, siloxane...
Le procédé selon l'invention est effectué en introduisant dans 1'isocyanate une faible quantité de disilazane, celle-ci exprimée pondéralement par rapport à leisocyanate engagé étant habituellement comprise entre 0,1 et 1Q % et de préférence entre 0,5 et 5 %. Tout le catalyseur peut être ajouté au début de la réaction,- on peut éventuellement introduire de petites quantités supplémentaires de catalyseur durant la réaction.
Le procédé est effectué par simple chauffage des réactifs à une température en général comprise entre 50 et 1800 et de préférence entre 80 et 1300C.
Lorsque la teneur en isocyanurate atteint la valeur désirée on peut détruire le catalyseur par exemple par addition d'un composé acide (acide fort tel que l'acide chlorhydrique, chlorure d'acide...). Un tel procédé qui permet d'obtenir des polyisocyanates polyisocyanurates constitue également un objet de la présente invention.
On peut alors éventuellement éliminer le polyisocyanate monomère par tout moyen connu et parvenir à un polyisocyanate polyisocyanurate renfermant une teneur excessivement réduité en isocyanate monomère, ainsi qu'une faible teneur en dimère. De tels composés comme ceux issus d'hexaméthylène diisocyanate sont des composés bien connus et particulièrement intéressants comme constituants de base pour vernis et peinture.
Les exemples qui suivent illustrent l'invention.
Exemple 1
On introduit dans un ballon 29,7 g (0,3 mole) de butylisocyanate, puis coule à température ambiante en 10 minutes 1,45 g d'hexaméthyldisilazane (0,03 m). On porte à 1000 pendant 2 heures, puis à 1100. Après 16 heures de réaction il ne reste que 7 % des groupements isocyanates engagés.
On distille la masse réactionnelle et sépare 2,35 g de produits volatils ; le résidu 13,35 g est le tributylisocyanurate caractérisé par les bandes d'absorption IR à 1465 et 1690 cm'l (on ne détecte ni bande urée, biuret ou carbodiimide). La microanalyse est conforme à la théorie.
dosé théorie
C % 60,76 61,04 60,6
H % 9,1 9,48 9,1
N X 14,06 14,16 14,15
Exemple 2
On effectue un essai analogue à celui décrit à l'exemple 1 mais avec 2 moles d'hexaméthyldisilazane pour 100 moles de butylisocyanate.
Après réaction il ne reste que 10 % des groupements isocyanates engagés.
Le produit distillé fournit 20,75 g de tributylisocyanurate (ED0,2 1250 ; PF 9-10 ; n2D0 = 1,4750).
On constate ainsi qu'une mole d'hexaméthyldisilazane amène la disparition de 90 moles de butylisocyanate.
Exemple 3
On introduit dans un ballon 134,4 g d'hexaméthylène diisocyanate (0,8 mole) et 1,3 g d'hexaméthyldisilazane (0,008 mole), puis chauffe à 1000 durant 7 heures. La teneur en NCO est alors de 1,07 groupement par 100 g.
On distille l'excès d'hexaméthylène diisocyanate puis passe le résidu dans un évaporateur à film agité. On obtient ainsi 19 g de produit titrant 0,55 NC0/100 g (théorie pour le tris(isocyanato hexaméthylène) isocyanurate : 0,59).
Ce produit présente en IF les bandes caractéristiques du trimère isocyanurique (1645 et 1690 cm-) et la bande NCO à 2270 cl 1. Sa viscosité est de 25 poises à 250C et son spectre en chromatographie CPC montre qu'il est essentiellement composé de trimère de PM r04. La teneur en dimère est inférieure à 5 %. La teneur en hexaméthylène diisocyanate libre est inférieure à 0,1 %
Exemple 4
Dans un ballon tricol de 100 ml avec agitation magnétique, réfrigérant à reflux et arrivée d'azote, le chauffage étant assuré par un bain d'huile, on introduit
- butylisocyanate : 24,75 g (0,25 mole)
- heptaméthyldisilazane : 4,4 9 (0,025 mole)
On chauffe à 100-110 . Au bout de 3 heures, on a consommé la moitié des NCO présents. Après 16 heures de réaction, il ne reste que 8 % des NCO, soit une consommation de 9,2 moles de butylisocyanate par mole d'heptaméthyidisilazane.
La distillation de la masse réactionnelle restane (22,2 g) fournit 14,45 g de produit passant à 112-132 sous 0,1 à 0,25 mm. Ce produit est du tributylisocyanurate (nD20 = 1,4760 - Spectre IR conforme).

Claims (7)

REVENDICATIONS
10) Procédé d'obtention de composés à groupements isocyanuriques monomères ou polymères par cyclotrimérisation catalytique d'isocyanate dans lesquels le groupement NCO n'est pas directement relié à un atome de carbone appartenant à un groupement aromatique, caractérisé en ce que l'on introduit dans l'isocyanate et à titre de composé initiant la réaction catalytique un disilazane substitué de formule générale (I)
Figure img00110001
dans laquelle les symboles R identiques ou différents et le symbole R' ont l'une des significations suivantes
- un symbole R représente un radical monovalent de nature hydrocarbonée, aliphatique, cycloaliphatique saturé ou insaturé, aryle, aralkyle ou alkylaryle,
- deux symboles R portés par un même atome de silicium constituent entre eux un radical hydrocarboné divalent.
- R' représente un atome d'hydrogène ou un radical monovalent ayant la même signification que R.
20) Procédé selon ia revendication 1 dans lequel on introduit 9 titre de composé initiant la réaction catalytique un disilazane de formule (I) dans laquelle les symboles R ont la signification suivante
- un symbole R représente un radical monovalent choisi parmi
- un radical alcoyle ou halogénoalkyle ayant de 1 à 5 atomes
de carbone et comportant de 1 à 6 atomes de chlore et/ou de
fluor
- des radicaux cycloalcoyles et halogénocycloalcoyles ayant
de 3 à 8 atomes de carbone et contenant de 1 à 4 atomes de
chlore et/ou de fluor
- des radicaux aryles alcoylaryles et halogénoaryles ayant de
6 à 8 atomes de carbone et contenant de 1 à 4 atomes de
chlore et/ou de fluor
- des radicaux cyanoalcoyles ayant de 3 à 4 atomes de carbone
- deux symboles R portés par un même atome de silicium constituent entre eux un radical divalent ayant de 1 à 4 atomes de carbone.
- le symbole R' représente un atome d'hydrogène, un radical aliphatique saturé ou insaturé ayant de 1 à 4 atomes de carbone, un radical cycloaliphatique saturé ou insaturé ayant de 4 à 6 atomes de carbone nucléaires, un radical phényle, tolyle ou xylyle.
30) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel on introduit à titre de composé initiant la réaction catalytique un disilazane de formule (I) dans laquelle Rreprésente un groupement méthyle ou vinyle ou phényle et ou R' représente un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle.
40) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on obtient un polyisocyanate polyisocyanurate par cyclotrimérisatlon catalytique de polyisocyanate aliphatique, cycloaliphatique, adduct ou prépolymère et selon lequel on détruit le catalyseur lorsque la teneur désirée en isocyanate est atteinte.
50) Procédé selon la revendication 4 dans lequel la destruction du catalyseur est réalisée par addition d'un composé acide.
60) Procédé d'obtention de polyisocyanate polyisocyanurate par cyclotrimérisation de diisocyanate aliphatique ou cycloaliphatique selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'on élimine en fin de réaction le diisocyanate monomère résiduel.
70) Procédé selon l'une des revendicatIons 1 à 6 dans lequel le polyisocyanate est l'hexaméthylène diisocyanate.
80) Composés à groupements isocyanuriques obtenus selon l'une des revendications 1 à 7.
FR8102192A 1981-02-03 1981-02-03 Procede d'obtention de composes a groupement isocyanurique par cyclotrimerisation catalytique d'isocyanate a l'aide de silazane-isocyanurates obtenus par la mise en oeuvre du procede Granted FR2499085A1 (fr)

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