JP2013540101A - イソシアネートの合成のための固体ルイス酸上での不均一系触媒によるカルバメートの解離 - Google Patents
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Abstract
不均一系ルイス酸触媒の存在下でカルバメートを解離する工程を含む、カルバメートの解離によるイソシアネートの製造方法。
【選択図】 図1
【選択図】 図1
Description
本発明は、カルバメートの解離によるイソシアネートの製造方法に関する。
カルバメートの解離は、ホスゲン不使用のイソシアネート製造方法としてますます重要なものとなってきている。カルバメート解離を技術的に実施するためにいろいろな装置が、例えば塔(EP0795543)や流動床反応器(EP555628とDE19907648)、流下薄膜蒸発器または薄膜蒸発器(EP0092738)が提案されている。このカルバメートの解離は、液相で行っても気相で行ってもよい。
カルバメートの熱的な解離の一つの問題は、解離生成物相互の反応であるいは解離生成物と出発原料との反応で形成される高分子量の副成分の形成である。これらの副成分は装置内に付着物を与え、連続運転を制限して収率の低下に導くことがある。これら残渣は特にアロファネートやイソシアヌレートを含んでいる。これらの副産物はまた、モノウレタン(セミカルバメート、即ち一個のウレタン官能基と一個のイソシアネート官能基を持つ二官能性化合物;ビスウレタンの解離の中間体)相互の反応で発生する。これらはまた所望の最終生成物と反応原料の反応でも生成する。
したがって、本発明の目的は、改善されたカルバメート解離によるイソシアネートの製造方法を、より具体的には空時収率的にまたカルバメート解離の選択性において改善されたイソシアネートの製造方法を提供することである。
本目的は、不均一系ルイス酸触媒の存在下でカルバメートを解離する工程を含む、カルバメートの解離によるイソシアネートの製造方法により達成される。
ルイス酸不均一系触媒が、90%を超える高い解離選択性でもって、純粋な熱的解離と較べて最大で80倍にカルバメート解離反応速度を増加させて対応するイソシアネートを与えることが見出された。
驚くべきことに、これらの大きな速度上昇と高い選択性がルイス酸触媒でのみ起こり、ブレンステッド酸では起こらず、またブレンステッド酸では、解離の過程で望まざる副反応が引き起こされることが分った。
本発明の方法では、この解離のために通常のカルバメート(カルバミン酸エステルまたはウレタンとも呼ばれる)を、好ましくはビスカルバメートとポリカルバメートを使用することができる。これらのカルバメートは、例えば、アミン、好ましくはジアミンまたはポリアミン、より好ましくはジアミンと、尿素と少なくとも一種のアルコールとの間のよく使用される反応によるものである。
カルバメートの製造に適当なアルコールには、原則として全ての脂肪族アルコールである。分離が最適となるように、イソシアネートの沸点とは大きく異なる沸点をもつアルコールを選ぶことが好ましい。カルバメートの製造には、分子当り1〜4個のC原子をもつ脂肪族モノヒドロキシアルコールを使用することが、即ちメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール及び/又はイソブタノールを使用することが特に好ましい。また、少なくとも一個の酸素ヘテロ原子をもつアルコールも好ましく、特に2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−プロポキシエタノール、2−ブトキシエタノール、2−メトキシ−1−プロパノール及び/又は1−メトキシ−2−プロパノールが好ましい。
用いるアミンは、好ましくは2,4−及び/又は2,6−トリレンジアミン(TDA)、2,2’−、2,4−及び/又は4,4’−ジアミノジフェニルメタン(MDA)及び/又は高級同族体(ポリフェニレンポリメチレンポリアミン、PMDA)、1,6−ヘキサメチレンジアミン(HDA)、1−アミノ−3,3,5−トリメチル−5−アミノメチルシクロヘキサン(以下では、イソホロンジアミン、IPDAと称す)、1,5−及び/又は1,8−ジアミノナフタレン、4,4’−ジアミノビフェニル、1,3−及び/又は1,4−ジアミノベンゼン、2,4−及び/又は2,6−ヘキサヒドロトルイレンジアミン及び/又は4,4’−、2,4’−及び/又は2,2’−ジシクロヘキシルメタンジアミンである。用いるアミンの構造が熱解離で得られるイソシアネートの構造を決定する。用いるウレタンは、アミン成分として2,4−及び/又は2,6−トリレンジアミン(TDA)、2,2’−、2,4’−及び/又は4,4’−ジアミノジフェニルメタン(MDA)及び/又は高級同族体(ポリフェニレンポリメチレンポリアミン、PMDA)、1,6−ヘキサメチレンジアミン(HDA)、イソホロンジアミン(IPDA)及び/又は1,5−ジアミノナフタレンにより、またアルコール成分としてメタノール、N−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノールまたは特にイソブタノールまたは2−メトキシエタノールによるものが特に好ましい。
したがって特に、以下のジウレタンまたはポリウレタンが解離に用いられる:2,4−及び/又は2,6−トリレンジイソブチルウレタン、2,4−及び/又は2,6−トリレンジメトキシエチルウレタン、2,4−及び/又は2,6−トリレンジプロピルウレタン、2,4−及び/又は2,6−トリレンジメチルウレタン、1,5−ナフチレンジイソブチルウレタン、1,5−ナフチレンジメトキシエチルウレタン、1,5−ナフチレンジプロピルウレタン、1,5−ナフチレンジメチルウレタン、4,4’−、2,4’−及び/又は2,2’−ジフェニルメタンジイソブチルウレタン、4,4’−、2,4’−及び/又は2,2’−ジフェニルメタンジメトキシエチルウレタン、4,4’−、2,4’−及び/又は2,2’−ジフェニルメタンジプロピルウレタン)、4,4’−、2,4’−及び/又は2,2’−ジフェニルメタンジメチルウレタン、ポリフェニレンポリメチレンポリメトキシエチルウレタン、ポリフェニレンポリメチレンポリメチルウレタン、ポリフェニレン−ポリメチレンポリプロピルウレタン、ポリフェニレンポリメチレンポリイソブチルウレタン、1,6−ヘキサメチルジイソブチルウレタン、1,6−ヘキサメチレンジメトキシエチルウレタン、1,6−ヘキサメチレンジプロピルウレタン、1,6−ヘキサメチレンジメチルウレタン、イソホロン−ジイソブチルウレタン、イソホロンジメトキシエチルウレタン、イソホロンジプロピルウレタン及び/又はイソホロンジメチルウレタン。
また、上記ウレタンの混合物も解離に使用できる。
また、上記ウレタンの混合物も解離に使用できる。
ジウレタンの熱解離で以下のイソシアネートが製造されることが特に好ましい:2,4−及び/又は2,6−トリレンジイソシアネート(TDI)、2,2’−、2,4’−及び/又は4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、ポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネート(p−MDI)、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、1−アミノ−3,3,5−トリメチル−5−アミノメチルシクロヘキサン(イソホロンジイソシアネート、IPDI)及び/又は1,5−ジイソシアナトナフタレン(NDI)。
本発明で用いられる不均一系ルイス酸触媒は、金属が担持されたセラミック担体を含む担持触媒であることが好ましい。
本発明で使用が適当なセラミック担体には、特にゼオライト、スピネル及びペロブスカイトが含まれる。特に好適なのはゼオライトであり、特にNaY型ゼオライトである。
担体に担持される適当な金属は、特に亜鉛、アルミニウム及び鉄である。亜鉛は、好ましくは金属としてセラミック担体に施される。
不均一系ルイス酸触媒は、好ましくは熱処理またはマイクロ波照射によるZnCl2とNaY型ゼオライトの固相反応で製造できる。この種のプロセスは、例えば、Journal of Molecular Catalysis A: Chemical209 (2004), pages 171 to 177に記載されている。
ある好ましい実施様態では、このルイス酸不均一系触媒を懸濁触媒の形態で使用することができる。
もう一つの好ましい実施様態では、このルイス酸不均一系触媒が、カルバメートの解離が行われる反応器の内壁上の塗膜として使用される。
内壁がルイス酸触媒で被覆されたカルバメートの解離が行われる反応器は、流下液膜式蒸発器であることが好ましい。ゼオライト系触媒の異なる材料上での成長、特にガラスまたは金属上での成長は技術文献から既知である。
流下液膜式蒸発器中でカルバメートの解離は、解離反応生成物、言い換えればアルコールとイソシアネートが反応器の異なる点で除去でき、このような生成物の更なる反応で望まざる副産物を形成するのを防ぐことができるため、懸濁触媒存在下でのカルバメート解離より有利である。
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
2,4−ジ−n−プロピル−トリレンジメチルウレタン(TDU)の相当するトリレンジイソシアネート(TDI)への解離を試験した。用いた触媒は、塩化亜鉛で処理したNaY型ゼオライト触媒であった。この触媒は、Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 209 (2004), pages 171 to 177に記載の方法で製造した。このために、10gの弾性率が2.8のNaY型ゼオライトを、3.75g(27.5mmol)の塩化亜鉛とともにメノー乳鉢中で磨砕し、この磨砕材料を次いで200℃で2時間熱処理し、この金属をゼオライトの表面上に均一に分布させてルイス酸的な表面特性を持たせた。
触媒試験は、カルバメートの熱解離用に設計された250mlの四つ口フラスコと600mmの5×5mmのガラスリングが充填されたガラスカラムと加熱器と攪拌器からなる装置中で行った。この熱解離の結果を参考のために示す。試験結果の分析は液体クロマトグラフィー(HPLC)で行った。
下の図1に、反応の概況をプロットした。具体的には、カルバメートの質量(パーセント)を時間(分)に対してプロットした。曲線Iは、この熱解離の反応概況を示し、曲線IIは、1モル%の不均一系ルイス酸触媒存在下での解離の反応概況を、曲線IIIは、10mol%の不均一系ルイス酸触媒の存在下での解離の反応概況を、を示す。これらの図から触媒の存在下では反応速度が大幅に上昇することがわかる。
下の図2には、これらの実施例のカルバメート解離の速度定数を示す。この触媒的解離の速度定数は、熱的解離の速度定数に較べて最大で80倍の増加を示す。
図1のグラフは、TDU反応材料の濃度(質量パーセント)の、横軸の時間t[分]での減少を示す。一番上の曲線Iは、比較のための熱解離の反応概況を示す。曲線IIは、1モル%の亜鉛処理NaY型ゼオライトの存在下での触媒的解離の反応概況を示し、一番下の曲線IIIは、10モル%のNaY型ゼオライトの存在下での触媒的解離の反応概況を示す。本発明の実施例を示す曲線IIとIIIは、純粋に熱的な解離である比較例の曲線Iと比較して反応速度に大きな増加を示している。
図2のグラフは、縦軸に速度定数ln(Co/C)をプロットし、横軸に時間t−t0[分]をプロットしたものであり、比較のための熱解離での速度定数(曲線I)と、1モル%の亜鉛処理NaY型ゼオライト存在下での本発明の触媒的解離の速度定数(曲線II)と、10モル%の亜鉛処理NaY型ゼオライトの存在下での本発明の触媒的解離の速度定数(曲線III)示す。
Claims (10)
- 不均一系ルイス酸触媒の存在下でカルバメートを解離する工程を含む、カルバメートの解離によるイソシアネートの製造方法。
- 前記ルイス酸触媒が、金属が担持されたセラミック担体を含む請求項1に記載の方法。
- 前記セラミック担体がゼオライト、スピネルまたはペロブスカイトである請求項2に記載の方法。
- 前記セラミック担体がゼオライト、好ましくはNaY型ゼオライトである請求項3に記載の方法。
- 前記セラミック担体に担持された金属が亜鉛、アルミニウムまたは鉄である請求項2〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記セラミック担体に担持された金属が亜鉛である請求項5に記載の方法。
- 前記不均一系ルイス酸触媒が、熱処理またはマイクロ波照射によるZnCl2とNaY型ゼオライトの固相反応で製造されている請求項6に記載の方法。
- 前記不均一系ルイス酸触媒を懸濁触媒の形態で使用する請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記不均一系ルイス酸触媒が、カルバメートの解離が行われる反応器の内壁上の塗膜として使用される請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記カルバメートの解離が行われる反応器が流下液膜式蒸発器である請求項9に記載の方法。
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