JP2014524892A - ポリイソシアネートの製造法 - Google Patents

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Abstract

本発明の対象は、有機ポリイソシアネート、特にジイソシアネート、特に有利に脂肪族または脂環式のジイソシアネートを、低分子量モノマーのポリウレタン中での相応する有機ポリアミンと炭酸誘導体およびアルコールとの反応およびこれらの分解によって、連続的に製造する多工程法である。本発明のさらなる対象は、特定の反応工程において、製造されたポリイソシアネートおよび利用不可能な残留物を分離し、再使用可能な副生成物および中間生成物を前工程に返送する、関連した製造法である。

Description

本発明の対象は、有機ポリイソシアネート、特にジイソシアネート、特に有利に芳香族、脂肪族または脂環式のジイソシアネートを、低分子量モノマーのポリ尿素中での相応する有機ポリアミンと尿素および第二級アミンとの反応およびこれらの分解によって、連続的に製造する多工程法である。本発明のさらなる対象は、特定の反応工程において、製造されたポリイソシアネートおよび利用不可能な残留物を分離し、再使用可能な副生成物および中間生成物を前工程に返送する、関連した製造法である。
有機ポリイソシアネート、例えば芳香族、脂肪族または脂環式のポリイソシアネートを製造する工業的方法は、相応するポリアミンをポリカルバミド酸クロリドへホスゲン化し、当該ポリカルバミド酸クロリドをポリイソシアネートと塩化水素へ分解することに基づく。ホスゲンの使用を必然的に伴なう、重大な環境保護問題、廃棄物問題および安全性の問題を除いて、前記方法は、さらなる決定的な欠点をもっている。すなわち、脂肪族または脂環式のポリイソシアネートの製造は、出発ポリアミンの強塩基性のために、まさに適度な空時収量でのみ成功する。さらに、既に微少量で存在する、ポリイソシアネートの強い変色をまねきうる、望ましくない副生成物の形成は、不利である。ヘキサメチレン−ジイソシアネート−1,6(HDI)の製造の場合には、例えば、数多くの副生成物が生じ、その上、この副生成物の中で、最も重大な6−クロロヘキシルイソシアネートは、多大な蒸留費用をかけてのみHDIと分離しうるという欠点を有する。
この処理形式の場合、殊に塩化水素へのホスゲンおよびカルバミド酸クロリドを経ての塩素の高い転化率、ホスゲンの毒性ならびに反応混合物の腐食性、一般に使用される溶剤の不安定性およびハロゲン含有残留物の形成は、問題である。
相応するイソシアネートとアルコールへの(環状)脂肪族のモノウレタンおよびジウレタンおよび殊に芳香族のモノウレタンおよびジウレタンの分解が、久しく公知であり、かつ気相中で高い温度で、ならびに液相中で比較的低い温度で実施されうるとしても、これらの分解は、特に望ましくない副反応、とりわけ反応混合物が被覆を形成する傾向、プロセスの経済性を不利に損なう、反応器中および後処理装置中での樹脂化および閉塞を示す。
したがって、過去の十年間において、前記方法の欠点をより簡単な改善された方法により取り除く、数多くの努力が為された。すなわち、欧州特許出願公開第18588号明細書A1によれば、脂肪族および/または脂環式のジウレタンおよび/またはポリウレタンの製造のために、または欧州特許出願公開第28338号明細書A2においても同様に、脂肪族および/または脂環式の第一級ジアミンおよび/または第一級ポリアミンは、O−アルキルカルバミド酸エステルと、アルコールの存在下に160〜300℃の温度で触媒を用いて、および触媒なしに反応された。生じたジウレタンおよび/またはポリウレタンは、相応するイソシアネートに転化されうる。そのうえ、前記アミンの反応の際に生じるアンモニアは、分離されうる。
さらなる刊行物は、カルボニル基を含む化合物による尿素および/またはジアミンの部分的な置換に関与する(例えば、欧州特許第27952号明細書または欧州特許第126299号明細書)。ホスゲンを含まない方法は、例えば欧州特許出願公開第566925号明細書A2中に詳細に記載されている。
後者の方法の欠点は、50時間までに規定されている、比較的長い反応時間である。
WO 2007/082818(=米国特許第2010/274046号明細書)から、アルコールの存在および中間生成物としてのウレタンの形成が省略されている方法が公知である。しかし、さらになお改善された収量を有する方法が必要とされている。
前記のホスゲンを含まない方法の欠点は、前記方法を用いると、単に分解されていない蒸留可能なイソシアネートが製造されうることにある。
WO 98/54129には、そのつど第二級アミンから形成されるジ尿素の分解方法が記載されている。前記の第二級アミンは、アミノ基が第三級炭素原子を有する基、例えば第三級ブチル基または2,2−ジ置換ピペリジン基で置換されている、極めて特殊なアミンである。
そのうえ、前記分解は、純粋に熱的に、任意にキャリヤーガスまたは不活性溶剤の存在下で行なわれる。その際に、この種の反応操作の際に分解生成物の第二級アミンとイソシアネートとが急速に再び互いに反応することは、欠点であり、このことは、殊に第二級アミンの高い反応性に基づいて行なわれる。
本発明の課題は、高い選択性を有する有機ポリイソシアネートを改善された収量で安価に簡単に、高価な、および/または安全性に危険のある出発物質または助剤を使用することなく製造することにあった。
この課題は、少なくとも1つのポリアミンを尿素および少なくとも1つの第二級アミンと反応させ、相応するポリ尿素にし、引続きこうして得られたポリ尿素を相応するポリイソシアネートに酸分解することにより、ポリイソシアネートを製造する方法によって解決することができた。
さらに、本発明の対象は、相応する有機ポリアミンを尿素および少なくとも1つの第二級アミンと、後接続された反応器を備える、少なくとも1個の混合装置中で反応させ、相応するポリ尿素にし、前記ポリ尿素を分解することにより、有機イソシアネートを連続的に製造する多工程法であり、この方法は、次の工程
a)少なくとも1つの有機ポリアミンを尿素と少なくとも1つの触媒の存在下または特に不在下で互いに混合し、および少なくとも1つの第二級アミンと任意に少なくとも1つの溶剤の存在下で互いに混合する工程、
b)a)から得られた混合物を少なくとも1個の引き続く滞留時間型反応器または複数の滞留時間型反応器中で反応させる工程、
c)その際に生じるアンモニアを工程b)における反応経過と同時に分離するかまたは引き続き分離する工程、
d)b)からの排出物から過剰の第二級アミンとポリ尿素より低沸点のさらなる副成分とを分離する工程、
f)前記ポリ尿素を連続的分解装置中で、相応するイソシアネートと第二級アミンとに酸分解し、その際に少なくとも1つのイソシアネートを含む流れおよび少なくとも1つの第二級アミンを含む流れが得られる工程、
g)
−g1)先に溶剤が使用されたとすれば、溶剤を分離し、
−g2a)蒸留可能なイソシアネートの場合に、当該イソシアネートを蒸留により精製するか、または
−g2b)蒸留不可能なイソシアネートの場合に、当該イソシアネートを蒸留によらない方法で任意に精製することにより、
分解f)から得られた、イソシアネートを含む流れを精製する工程、
および
i)分解f)から得られた、第二級アミンを含む流れを精製し、この流れを任意に返送する工程
を含む。
本発明による方法は、公知技術水準において公知の方法、殊に欧州特許第566925号明細書から公知の方法よりも良好な収量を有する。
純粋に形式的に考察すると、本発明による方法は、略示的に次の方程式により説明することができる:
R−(NH2n+nH2N(CO)NH2+nHNR12−R(NCO)n+nHNR12+2nNH3
本発明によれば、中間生成物として使用可能なモノマーのポリ尿素R(NH−CO−NR12nを製造するために、式R(NH2n〔式中、Rは、n価、特に三価または二価、特に有利に二価の有機基、例えば任意に置換された、例えばアルキル基で置換された芳香族基、長鎖状もしくは分枝鎖状の脂肪族基または任意に置換された脂環式基を意味する〕のポリアミンが適している。
適当な芳香族ポリアミンとして、例示的に、2,4−トルイレン−ジアミンおよび2,6−トルイレン−ジアミン、4,4’−ジアミノ−ジフェニルメタン、2,4’−ジアミノ−ジフェニルメタンおよび2,2’−ジアミノ−ジフェニルメタン、および相応する異性体混合物が挙げられる。
本発明の実施態様には、本発明による方法で芳香族アミンが反応され、自体公知の方法でホルムアルデヒドとアニリンとの重縮合により得ることができるジフェニルメタン系列のポリアミン混合物にかかわる、相応するイソシアネートにされてよいことが表わされている。
脂肪族ポリアミンまたは脂環式ポリアミンとして、例えば次のものがこれに該当する:ブタンジアミン−1,4、ペンタンジアミン−1,5、2−エチルブタンジアミン−1,4、オクタンジアミン−1,8、デカンジアミン−1,10、ドデカンジアミン−1,12、シクロヘキサンジアミン−1,4、2−メチル−シクロヘキサンジアミン−1,3、4−メチル−シクロヘキサンジアミン−1,3、1,3−ジアミノメチルシクロヘキサンおよび1,4−ジアミノメチルシクロヘキサンならびに4,4’−ジ(イソシアナトシクロヘキシル)メタンまたは2,4’−ジ(イソシアナトシクロヘキシル)メタン。特に、2−メチルペンタンジアミン−1,5、2,2,4−トリメチルヘキサンジアミン−1,6または2,4,4−リメチルヘキサンジアミン−1,6および殊に4,4’−ジ(イソシアナトシクロヘキシル)メタンまたは2,4’−ジ(イソシアナトシクロヘキシル)メタン、ヘキサンジアミン−1,6および3−アミノメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキシルアミンが使用される。
第二級アミンとして、原理的に、反応条件下で安定性である、すなわち反応条件下で、使用される材料に対して毎時5モル%未満、有利に3モル%未満、特に有利に2モル%未満、殊に有利に1モル%未満が分解する第二級アミン、特にさらなる官能基を有さずかつ第二級アミノ官能基を除いて、炭化水素基およびエーテル基だけ、有利に炭化水素基だけを有する、500g/mol未満の分子量を有する第二級アミンが適している。
特に、その沸点が分解によって得られたポリイソシアネート、特にジイソシアネートの沸点と十分にはるかに離れており、したがって蒸留による第二級アミンからの、分解生成物のポリイソシアネート、特にジイソシアネートのできるだけ定量的な分離を可能にする第二級アミンが選択される。第二級アミンとイソシアネートとの沸点差が少なくとも20℃、特に有利に少なくとも30℃、殊に有利に少なくとも40℃であることは、好ましい。
第二級アミンが式HNR12〔式中、R1およびR2は、互いに独立して、1〜20個、有利に1〜10個、特に有利に1〜6個の炭素原子を有するアルキル、3〜12個、有利に5〜12個、特に有利に5〜6個の炭素原子を有するシクロアルキル、6〜14個、有利に6〜10個、特に有利に6〜8個の炭素原子を有するアリール、またはアリール中に6〜14個、有利に6〜8個の炭素原子を有しかつアルキル基中に1〜6個、有利に1〜3個の炭素原子を有するアラルキル基を表わすことができるか、または基R1およびR2は、一緒になって、窒素原子を含めて5〜12員の、有利に5〜6員の環を形成することができ、その際に前記基は、有利にはよりいっそう少なく、さらにエーテル基を有することができる〕の第二級アミンであることは、好ましい。
アルキル基の例は、メチル、エチル、イソプロピル、n−プロピル、n−ブチル、イソブチル、s−ブチル、t−ブチル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、2−エチルヘキシル、2−プロピルヘプチル、n−オクチル、n−デシル、n−ドデシル、n−テトラデシル、n−ヘキサデシル、n−オクタデシル、n−エイコシル、有利にメチル、エチル、イソプロピル、n−プロピル、n−ブチル、t−ブチルおよびn−ヘキシル、特に有利にメチル、エチル、イソプロピルおよびn−ブチルである。
シクロアルキル基の例は、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロオクチルおよびシクロドデシル、有利にシクロペンチルおよびシクロヘキシルである。
アリール基の例は、フェニル、トリル、キシリルおよびナフチルであり、好ましくは、フェニルおよびトリルであり、特に好ましくは、フェニルである。
アラルキル基の例は、ベンジル、フェネチルおよび2−フェニルプロピルまたは3−フェニルプロピルであり、好ましくは、ベンジルおよびフェネチルであり、特に好ましくは、ベンジルである。
好ましい第二級アミンは、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、ジ−イソプロピルアミン、ジ−n−ブチルアミン、ジヘキシルアミン、ジオクチルアミン、エチルメチルアミン、イソプロピル−メチルアミン、n−ブチルメチルアミン、t−ブチルメチルアミン、イソプロピル−エチルアミン、n−ブチルエチルアミン、t−ブチル−エチルアミン、モルホリン、ピペリジンおよびピロリジンであり、好ましくは、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、ジ−イソプロピルアミン、ジ−n−ブチルアミン、ピペリジンおよびピロリジンであり、特に好ましくは、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジ−イソプロピルアミン、ジ−n−ブチルアミンであり、殊に好ましくは、ジメチルアミンおよびジ−n−ブチルアミンであり、殊にジ−n−ブチルアミンである。
立体化学的に要求の多い第一級アミン、例えばt−ブチルアミンまたはイソプロピルアミンも上記の第二級アミンと同様に本発明の範囲内ですることができることは、排除することができないが、しかし、本発明の範囲内で好ましいのは、第二級アミンである。
本方法の個々の工程は、以下に説明される:
a)前記反応成分の混合
前記ポリ尿素を反応工程(a)において製造するために、前記ポリアミンは、尿素および少なくとも1つの第二級アミン、有利には正確に1つの第二級アミンと、1:2〜20:5〜40、有利に1:2.0〜5:6〜10のポリアミン対尿素対第二級アミンのモル比で50〜300℃の温度、殊に130〜220℃で0.1〜30バール、特に1〜10バールの圧力下で互いに混合される。
好ましい実施態様において、工程a)で全部で3つの出発成分ポリアミン、尿素および第二級アミンは、互いに混合される。
しかし、最初に前記の3つの出発成分の2つを互いに混合し、こうして得られた混合物を次に第3の出発成分と混合することも可能である。3つのこの種の考えられうる並び替えの下で、好ましくは、最初にポリアミンと第二級アミンとを混合することができ、得られた混合物をさらに尿素と混合することができる。
その際に、尿素は、選択的に溶融液として、固体として、または溶液として溶剤中に計量供給されてよく、好ましくは、溶融液として、または溶液として計量供給されてよい。
工程(a)における混合は、置換された尿素の存在下で、有利に、ポリアミン、特にジアミンに対して、0.1〜30モル%、特に1〜10モル%の量で実施されうる。その際に、殊に、置換された尿素からなる混合物が記載された量比で使用される。置換された尿素として、有利にその置換パターンが使用された第二級アミンに相当する当該尿素、すなわち尿素と1当量または2当量の第二級アミンとの形式的な反応生成物が使用される。
工程(a)における混合は、任意に少なくとも1つの溶剤の存在下で行なうことができる。
溶剤として、有利には、任意にハロゲン原子で置換されている炭化水素、例えばヘキサン、ベンゼン、ニトロベンゼン、アニソール、クロロベンゼン、クロロトルエン、o−ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジエチルイソフタラート(DEIP),テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、キシレン、クロロナフタリン、デカヒドロナフタリンおよびトルエンが適している。溶剤として、特に有利にジクロロベンゼンが使用される。
既述したように、工程(a)における混合は、触媒の存在下で行なってもよく、または工程(b)における反応も触媒の存在下で行なってもよい。前記触媒は、有利にポリアミンの質量に対して、0.001〜20質量、特に0.001〜1質量、殊に0.002〜0.1質量の量で使用される。
触媒として、Chemical Rubber Publishing Co.,23 Superior Ave.N.E.,Cleveland,Ohioから刊行された、Handbook of Chemistry and Physics 第14版により規定された、元素の周期律表の第IA族、第IB族、第IIA族、第IIIB族、第IVA族、第IVB族、第VA族、第VB族、第VIB族、第VIIB族、第VIIIB族の金属の1つ以上のカチオン、特に1つのカチオンを含有する無機化合物または有機化合物が適している。例示的に次の金属のカチオンが挙げられる:リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ガリウム、錫、鉛、ビスマス、アンチモン、銅、銀、金、亜鉛、水銀、セリウム、チタン、バナジウム、クロム、モリブデン、マンガン、鉄およびコバルト。
さらに、前記触媒は、少なくとも1つのアニオン、例えばハロゲン化物、例えばクロリドおよびブロミド、硫酸塩、燐酸塩、硝酸塩、ホウ酸塩、アルコラート、フェノラート、スルホン酸塩、酸化物、オキシド水和物、水酸化物、カルボン酸塩、キレート、炭酸塩およびチオカルバメートまたはジチオカルバメートを含むことができる。
前記触媒は、認識可能な明らかな欠点なしに当該触媒の水和物またはアンモニウム化合物の形で使用することができる。
典型的な触媒として、例示的に次の化合物が挙げられる:リチウムメタノラート、リチウムエタノラート、リチウムプロパノラート、リチウムブタノラート、ナトリウムメタノラート、カリウム−t−ブタノラート、マグネシウムメタノラート、カルシウムメタノラート、塩化錫(II)、塩化錫(IV)、酢酸鉛、燐酸鉛、塩化アンチモン(III)、塩化アンチモン(V)、アルミニウムアセチルアセトネート、アルミニウムイソブチラート、三塩化アルミニウム、塩化ビスマス(III)、酢酸銅(II)、硫酸銅(II)、硝酸銅(II)、ビス−(トリフェニルホスフィンオキシド)−銅(II)クロリド、モリブデン酸銅、酢酸銀、酢酸金、酸化亜鉛、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、アセトニル酢酸亜鉛、オクタン酸亜鉛、シュウ酸亜鉛、亜鉛ヘキシラート、安息香酸亜鉛、亜鉛ウンデシレネート、酸化セリウム(IV)、酢酸ウラシル、チタンテトラブタノラート、四塩化チタン、チタンテトラフェノラート、ナフテン酸チタン、塩化バナジウム(III)、アセチルアセトン酸バナジウム、塩化クロム(III)、酸化モリブデン(VI)、アセチルアセトン酸モリブデン、酸化タングステン(VI)、塩化マンガン(II)、酢酸マンガン(II)、酢酸マンガン(III)、酢酸鉄(II)、酢酸鉄(III)、燐酸鉄、シュウ酸鉄、塩化鉄(III)、臭化鉄(III)、酢酸コバルト、塩化コバルト、硫酸コバルト、ナフテン酸コバルト、塩化ニッケル、酢酸ニッケルおよびナフテン酸ニッケルならびにこれらの混合物。
好ましい触媒として、例示的に次の化合物が挙げられる:リチウムブタノラート、アセチルアセトン酸アルミニウム、アセチルアセトン酸亜鉛、チタンテトラブタノラートおよびテトラ酪酸ジルコニウム。
反応体流の混合は、任意に、さらに引き続き工程b)において少なくとも1個の反応器中で本質的な転化を達成するために、僅かな混合時間によって優れている、適した特殊な混合装置中で行なうことができる。
前記混合装置における混合時間は、通常、0.0001秒〜60秒、有利に0.0005〜30秒、特に有利に0.001〜20秒、殊に有利に0.005〜10秒、殊に0.007〜5秒である。混合時間とは、混合工程の開始から経過し、完全な混合物の状態が達成された際に、得られた混合物の流体元素の97.5%までが、得られた混合物の混合物画分の理論的最終値の値に対して、混合物画分の前記最終値から2.5%未満ずれている混合物画分を有する時間であると解釈することができる(混合物画分の概念については、例えばJ.Warnatz,U.Maas,R.W.Dibble:Verbrennung,Springer Verlag,Berlin Heidelberg New York,1997,第2版,第134頁参照のこと)。
混合装置として、有利に混合回路、攪拌容器、混合ポンプまたはジェット混合装置、例えば同軸混合ジェット、Y字型ミキサーもしくはT字型ミキサー、または渦流衝突ジェット混合構造、有利に混合回路、攪拌容器、混合ポンプまたはジェット混合装置が使用される。
前記混合装置からの排出物の温度は、たいてい25〜240℃、有利に30〜190℃、特に有利に40〜180℃である。
前記混合装置からの排出物は、工程b)への導入前に熱交換器を用いて、工程b)での望ましい温度にもたらされうる。
前記混合前に、既にポリアミンおよび尿素ならびに任意に第二級アミンの反応が行なわれてよく、このことは、たいてい問題ない。
b)a)からの混合物の反応
さらに、前記混合装置を離れる混合物は、少なくとも1個の、有利には正確に1個以上の二段階(気相/液相)で運転される滞留時間型反応器に供給され、当該滞留時間型反応器中で気相は、液相と並流で導かれる。
前記滞留時間型反応器が工程b)において十分に再混合されている場合には、例えば攪拌容器が重要であり、工程a)とb)を互いに組み合わせること、すなわち例えば1個の攪拌容器中で工程b)内での混合を実施することは、有利である。
任意に、滞留時間型反応器中で、上記の記載と同様に、1つ以上の位置で、例えば反応器の開始時と反応器の中央部でさらに尿素および/または第二級アミンまたは有利にポリアミンを後計量供給することができる。
前記反応器中での平均的な滞留時間は、たいてい10分間〜8時間、有利に20分間〜5時間、特に有利に30分間〜3時間である。
後続工程に対するガス負荷を少なくなるように維持するために、前記反応器からの排出物は、好ましい実施態様において、位相分離器に供給されてよく、当該液相分離器から取り出された液相は、さらに後続段階に供給されてよい。
かかる位相分離器は、1個の容器であり、当該容器中で気相と液相との位相分離は、並流型反応器から流出する二相の流れが静止することによって達成される。
前記位相分離は、難溶性の副生成物の沈澱を阻止するために、等温で実施されてよいかまたは有利に加熱して実施されてよい。前記加熱は、例えばジャケットを介して行なうことができるか、または外部の熱交換器を有する循環路を介して行なうことができる。外部の熱交換器を使用する場合、当該熱交換器の標準の絶縁が達成される。前記反応器中の温度または反応器の組合せ中の温度および任意に存在する位相分離器中の温度は、一般に50℃〜300℃、有利に180℃〜220℃である。
工程b)における圧力は、たいてい0.1バール(絶対圧力)〜30バール(絶対圧力)、有利に3〜20バール(絶対圧力)である。
工程b)における滞留時間は、ポリ尿素に対して使用されるポリアミン中のアミノ基に対する転化率が前記反応器を離れた後に少なくとも95%、有利に少なくとも98%、特に有利に少なくとも99%、殊に有利に少なくとも99.5%である程度に選択されている。
通常、一緒にした工程a)およびb)における全滞留時間は、8時間未満、有利に7時間未満、特に有利に6時間未満である。
ポリ尿素へのポリアミンの完全な転化のために、好ましい変法において、反応中に生じるアンモニアは、それぞれの反応器区間の後に直接アンモニア分離部に供給されるか、または一連の混合反応器を使用する場合には、それぞれの反応ユニットにおいて反応の進行と同時に分離される。
尿素基に対して使用されるポリアミンにおけるアミノ基に対する転化率が、反応器を離れた後、または反応器の組合せを離れた後になお不完全でありかつ例えば95%未満である場合には、前記排出物は、再び後反応させることができる。
そのために、前記反応混合物は、転化を完結させるために、さらなる反応器中で、有利に転換率が98%またはそれ以上になるまで、後反応させることができる。
本発明の考えられうる実施態様において、工程a)およびb)を攪拌容器中またはカスケード型攪拌容器中で、有利に1〜4個の攪拌容器中、特に有利に1〜3個の攪拌容器中、特に有利に2〜3個の攪拌容器中、殊に有利に2個の攪拌容器中で実施することも可能である。この場合には、第1の攪拌容器は、少なくとも部分的に工程a)として機能し、かつ残りの部分は、工程b)として機能する。
そのほかに、反応条件は、かかる実施態様において、上記の記載に相応する。
c)アンモニアの分離
アンモニアの分離のために、好ましくは、塔が使用され、有利に、アンモニアは、蒸留により分離される。それによって、第二級アミンとアンモニアとの分離が成功する。通常、前記分離は、0.01〜20バールの圧力範囲内、特に0.04〜15バールで行なわれる。必要な温度は、使用される第二級アミンまたはその混合物に左右される。ジ−n−ブチルアミンに対して、温度は、例えば210℃、有利に190℃である。
生じるアンモニアを、直ちに反応混合物から分離することは、好ましいことが証明され、その結果、最小量でアンモニアおよび二酸化炭素から水の微少量による尿素の分解によって形成されるカルバミン酸アンモニアによる被覆は、回避されうる。
分離されたアンモニアは、70質量%まで、有利に65質量%まで、特に有利に55質量%まで、殊に有利に50質量%までの第二級アミンの含量を有しうる。この場合、第二級アミンとアンモニアとの混合物を第二級アミンの回収のために後処理することは、有利である。
任意に第二級アミンの含量を有するアンモニアを前記反応混合物から分離する前記蒸留ユニットは、自体公知の構造形式であり、かつ通常の内部構造物を有する。塔内部構造物として原則的に全ての通常の内部構造物、例えばトレイ、規則充填物または不規則充填物がこれに該当する。トレイの中で、バブルキャップトレイ、シーブトレイ、バルブトレイ、トルマントレイ(Thormannboeden)またはデュアルフロートレイが好ましく、不規則充填物の中では、リング、スパイラル、サドル、ラシヒリング、イントス(Intos−)リングまたはポールリング、バレルサドルまたはインタロクス(Intalox−)サドル、トップパック(Top−Pak)等または網状物(Geflechten)を有するトレイが好ましい。好ましくは、トレイが使用され、特に好ましくは、バブルキャップトレイが使用される。
d)過剰の第二級アミンの分離
得られた、アンモニア含量が減少された反応混合物から、残留する第二級アミンおよび任意に、使用されたとすれば溶剤は、分離され、かつ特に反応工程(a)および/または(b)に返送される。
分解(工程f)、下記参照)において、溶剤が使用される場合には、前記工程d)における、この溶剤の完全な分離は、あまり好ましいものではない。
前記アミンの分離のために、前記反応混合物は、好ましくは、反応工程(b)の圧力水準から1〜2000ミリバール、特に10〜900ミリバールの範囲内の圧力へ放圧される。この際、主要量の第二級アミンならびに溶剤10〜99質量%、特に50〜95質量%を含有しかつ基本的にモノマーのポリ尿素、特にジ尿素からなる液状排出物および任意に高沸点オリゴマーを含有する蒸気(油)が得られる。
得られた蒸気(dL)は、任意に次の好ましい蒸留による精製工程において、特に精留によって分離されてよく、その際に単離された価値のある生成物の第二級アミンおよび分離された溶剤は、個別的に、または混合物として、特にモノマーのポリ尿素の形成のために反応工程(a)に返送される。
第二級アミンおよび使用されたとすれば溶剤を分離せずに混合物として返送することは、本発明の好ましい実施態様である。
第二級アミンまたはその混合物を蒸留により分離するために、しばしば、いわゆるフラッシュ蒸留が使用される。この装置は、1個の容器であることができるか、または容器と塔、特に1個の塔との組合せであることができ、その際に塔頂部で第二級アミンまたはその混合物が取り出され、かつ塔底部でポリ尿素が取り出されうる。前記塔の頭頂部において、第二級アミンの他に、ポリ尿素よりも低沸点のさらなる物質が含まれていてよく、当該物質は、例えば工程b)に返送されてよい。分離は、0.001〜1バール、特に0.02〜0.8バールの圧力範囲内で行なわれる。
前記蒸留塔底部は、たいていさらに溶剤を含むことができ、このことは、殊に分解f)が酸により位相分離と共に実施される場合には、欠点なしに次の分解部f)において運用されうる。
f)ポリ尿素の分解
反応工程(b)において得られるポリ尿素を含有する反応混合物は、適当な装置内で、有利に溶剤または溶剤混合物中で液相で酸の存在下に20〜250℃、特に100〜200℃の温度で0.1〜5バール、特に0.3〜2バールの範囲内の圧力下で連続的に酸分解される。
酸として、有機ブレンステッド酸または無機ブレンステッド酸、有利に5以下のpKs値、特に有利に4以下のpKs値、殊に有利に3以下のpKs値を有する当該酸が使用されてよい。無機ブレンステッド酸が好ましい。
好ましい実施態様において、前記酸は、無水で使用される。
この種の酸の好ましい例は、硫酸、燐酸、硝酸、塩酸および臭化水素酸である。硫酸および塩酸が特に好ましく、塩酸が殊に好ましい。殊に、ガス状塩化水素が使用される。
前記反応平衡をポリ尿素からイソシアネートへ移動させるために、酸対尿素(尿素基につき)のモル比は、少なくとも2:1、有利に少なくとも3:1であるべきであった。
前記反応装置における転化率は、たいてい、使用される過剰量の酸に強く依存し、かつ十分に自由に選択されうる。好ましくは、前記転化率は、供給されるポリ尿素量に対して10〜100質量%、特に80〜99質量%の範囲内にある。
ポリ尿素を化学分解するための酸として、尿素形成を触媒する、前記の無機化合物および有機化合物が使用されうる。
溶剤として、有利に、任意にハロゲン原子で置換されている炭化水素、例えばヘキサン、ベンゼン、ニトロベンゼン、アニソール、クロロベンゼン、クロロトルエン、o−ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジエチルイソフタラート(DEIP)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、キシレン、クロロナフタリン、デカヒドロナフタリンおよびトルエンが適している。溶剤として、特に有利にジクロロベンゼンが使用される。好ましい実施態様において、工程a)およびb)で使用されるのと同じ溶剤が使用される。
前記分解は、攪拌容器もしくはカスケード型攪拌容器または5までのボーデンシュタイン数を有する攪拌型反応器中、有利に個々の攪拌容器中で実施されうる。平均的滞留時間は、1時間まで、有利に40分まで、特に有利に15分まで、殊に10分までである。それとは別に、液相反応に対して当業者に公知の反応構造、例えば気泡塔または反応塔が使用されてよい。
さらなる好ましい実施態様において、有利には、少なくとも1つの、有利に正確には1つのガス状の酸、殊に酸としての塩化水素を使用する場合、混合ポンプまたはジェット混合装置、例えば同軸混合ジェット、Y字型ミキサーもしくはT字型ミキサー、または気相から液相への急速な位相を生じさせる渦流衝突ジェット混合構造中で、分解が実施されうる。
この場合、分解における温度は、たいてい、100〜200℃、有利に120〜190℃、特に有利に140〜180℃である。前記実施態様において、反応時間は、明らかに10分未満、有利に5分まで、特に有利に3分まで、殊に有利に1分までであることができる。
前記分解反応器からの排出物は、引き続き少なくとも1つの、有利に正確には1つの分離段に供給され、この分離段内で液状の有機ポリイソシアネートを含む相は、第二級アミンを、酸基を有する当該第二級アミンのアンモニウム塩の形で含む第2の相と分離される。
前記分離は、固液分離、例えば遠心分離またはろ過、有利に固体塩相のろ過であることができる。任意に前記反応混合物は、溶解度を減少させるために、固液分離の前に再び冷却される。
しかし、当業者に公知の適当な装置、例えば晶出器中での全ての任意の種類の結晶化および位相分離が使用されてもよい。それとは別に、前記反応排出物は、抽出により、適当な抽出剤を添加することによって分離されうる。
g)イソシアネートの精製
工程f)から得られたポリイソシアネートは、有利に工程f)での酸分解による、溶剤中の溶液の形で、工程g)において精製される。
前述の反応工程の1つにおいて、溶剤を使用した場合には、当該溶剤は、第1の精製工程g1)において蒸留により分離されうる。こうして分離された溶剤は、さらに有利に、そこで必要とされる場合には、工程a)および/またはb)および/またはf)に導かれうる。
引続き、蒸留可能なイソシアネートの場合には、当該イソシアネートの精製は、工程g2a)において、次のように行なわれうる:
前記の粗製イソシアネート混合物は、引き続く蒸留において、再結合生成物、副生成物および任意にさらに存在する、微少量の溶剤が取り除かれる。前記副生成物は、特に反応工程a)またはb)に返送される。一部分は、排除されてもよい。
前記蒸留は、好ましくは1個以上の蒸留塔を用いて、特に精留により、100〜220℃、特に120〜170℃の温度および1〜200ミリバール、特に5〜50ミリバールの圧力で行なわれ、低沸点物(gL)と85〜99質量%、特に95〜99質量%のポリイソシアネート含量を有する粗製ポリイソシアネート混合物(gM)とに分離する。蒸留による分離の際に生じる高沸点副生成物(gH)、および殊に分解されていないポリ尿素および部分的に分解されたポリ尿素は、分解部(f)に導かれるか、または有利には排除される。
この場合、個々の工程の低沸点の流れは、係数「L」で示され、高沸点の流れは、係数「H」で示され、および中位の沸点の流れは、係数「M」で示される。
特に、精留によって得られる粗製ポリイソシアネート混合物(gM)は、さらなる蒸留において100〜180℃の温度で1〜50ミリバールの圧力下でさらに精製されてよく、その際に生じる純粋なポリイソシアネート流は、少なくとも98質量%、殊に99質量%の純度を有する。
しかし、別の方法の変法によれば、塔底画分(gH)は、粗製ポリイソシアネートと第二級アミンとの分離のために、蒸留塔(d)内に返送されてもよいか、または反応工程(a)および/または(b)、ポリ尿素の形成、に返送されてもよい。前記塔底画分を2つまたは3つの生成物流に分けることも可能であり、その際に当該生成物流は、特にポリ尿素形成部(a)および分解装置(f)中ならびに任意に蒸留塔(g)内に返送される。
製造されたイソシアネートは、蒸留不可能なイソシアネートであり、こうして当該イソシアネートは、任意に工程g2b)において非蒸留的方法で、例えば溶剤での抽出または洗浄によって精製されうる。
i)第二級アミンの回収
溶剤中で第二級アミンと分解使用される酸との塩の形で工程f)から得られる生成物は、好ましい実施態様において、後処理のために、塩基で、例えばアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物、酸化物、炭酸塩または炭酸水素塩、有利に水酸化ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウムまたは石灰乳で遊離されうる。
しかし、アンモニア、特に有利に少なくとも部分的に、工程c)において分離されたアンモニアでの遊離が好ましい。
強塩基の第二級アミンをより弱塩基のアンモニアで取って代わりうるようにするために、第二級アミンに対して過剰のアンモニアが、例えば1:1〜20:1、有利に1.5:1〜15:1で使用されなければならない。
前記遊離は、0〜60℃、有利に0〜40℃の温度で10分間〜3時間、有利に20〜120分間、特に有利に30〜90分間の滞留時間で行なわれる。
固液相分離により、有利に遠心分離またはろ過により、酸のアンモニウム塩と分離される、溶剤中の遊離された第二級アミンの溶液が得られる。
遊離された第二級アミンは、引き続き有利に前記反応に返送される。
それとは別に、第二級アミンと分解に使用される酸との塩を任意に溶剤中で熱的に分離することも可能である。
そのために、前記塩は、任意に溶液中で、当該塩の分解温度を超えて加熱され、および分解生成物が熱的に分離される。このことは、例えば精留塔内で行なうことができる。しかし、熱分解と吸着、吸収および部分的な縮合による引き続く物質の分離との様々な組合せも可能である。
前記副生成物を返送および排除して、有機ポリイソシアネートを連続的に製造する、本発明による多工程法で、ポリイソシアネート、特にジイソシアネートは、高い選択性をもって極めて良好な収量で製造されうる。
本発明による方法は、殊に、経済的な方法により、脂肪族ジイソシアネート、例えば2−メチルペンタン−ジイソシアネート−1,5、アルキル基中に6個の炭素原子を有する、異性体の脂肪族ジイソシアネートおよびこれらの混合物、特にヘキサメチレンジイソシアネート−1,6および脂環式ジイソシアネート、殊に3−イソシアナトメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキシルイソシアネートを製造するのに適している。しかし、2,4−トルイレン−ジイソシアネートおよび2,6−トルイレン−ジイソシアネートならびにポリマーのジフェニルメタンジイソシアネート(pMDI)の製造も考えられうる。
製造されたポリイソシアネートは、卓越して、ポリイソシアネートの重付加法により、ウレタン基、イソシアヌレート基、アミド基および/または尿素基を含むプラスチックの製造に適している。さらに、前記ポリイソシアネートは、ウレタン基、ビウレット基および/またはイソシアヌレート基で変性されたポリイソシアネート混合物の製造に使用される。脂肪族ジイソシアネートまたは脂環式ジイソシアネートからなるこの種のポリイソシアネート混合物は、殊に光安定性のポリウレタン塗料およびポリウレタン被覆の製造に使用される。
次の例は、本発明を説明するが、しかし、当該例に制限されるものではない。

A)尿素混合物の製造
加圧反応器中で、尿素26.7g、1,6−ヘキサメチレンジアミン17.2gおよびジブチルアミン154.1gを溶剤としてのジクロロベンゼン316.6gと混合し、引き続き急速に215℃に加熱した。最初に生じる、7.8バールの圧力を2時間の反応時間中に1.5バールに低下させた。前記反応器を離れる蒸気を、水で冷却された凝縮器中で冷却し、集まる液体を前記反応器中に返送した。こうして分離されたアンモニアを排ガス処理システム中に供給した。GPCにより分析された、尿素(1,1−ジブチル−3−[6−(3,3−ジブチルウレイド)−ヘキシル]−尿素)の濃度は、約12.6質量%であった。これは、99.7モル%の収率に相当した。
B)第二級アミンの分離
A)からの混合物から真空中で約25ミリバールで大部分のジブチルアミンを取り除いた。留出物において、GC分析により、アミン約50質量%を測定するができた。残分は、溶剤であった。
C)イソシアネートへの分解
塔底部内に残留する、B)からの混合物を、攪拌機およびガス導入管を備えた実験室用フラスコ中に充填した。約150℃の温度で、塩化水素用瓶からガスを良好に十分に混合されるフラスコ中に導入した。計量供給速度は、約20リットル/時間であった。約2時間後、前記混合物中でGCによりヘキサメチレンジイソシアネートを分析することができた。尿素に対する収率は、97モル%の値を達成した。
D)第二級アミンの回収
C)の反応混合物からのジブチルアミンの回収を、最初に、C)において形成された塩をろ別することによって行なった。前記固体を再びジクロロベンゼン中でスラリー化し、その際に溶剤約90質量%を添加した。こうして得られたスラリーをフラスコ中で20℃で攪拌機を用いて適切に十分に混合してアンモニアガス(20リットル/時間)と反応させ、アミンおよび塩化アンモニウムにした。塩に対する、形成されたジブチルアミンの収率は、97%であった。
2つの実験室試験において、WO 98/54129の実施例1および3を再現した:
分解すべき尿素の製造:
ジクロロベンゼン50g中のN−メチル−t−ブチルアミン3.56g(0.041モル)を250mlの四口フラスコ中に予め装入し、かつ酸素の遮断下に90℃に加熱した。そのために、ジクロロベンゼン50ml中の4,4’−メチレンビスフェニルイソシアネート5.11g(0.02モル)(MDI)を加熱された滴下漏斗中で90℃で30分に亘って供給し、引き続きさらに90℃で2時間、後反応させた。この澄明な溶液を冷却し、その際に無色の沈殿物が沈澱し、この沈殿物はろ別され、かつn−ヘキサンで洗浄された。
乾燥後に、相応するMDI尿素8.35gが得られた。
WO 98/54129の実施例1の再現
4,4’−MDI−尿素1.05gを、載置された蒸留ブリッジを備えたフラスコ中に計量供給し、溶融液をWO 98/54129の実施例1の記載と同様に215〜221℃および0.3〜0.4ミリバールで熱処理した。45〜55℃の塔底温度を観察した。長い加熱(約1時間)にも拘わらず、N−メチル−t−ブチルアミン91.1%の含量を有する留出物0.027gの量だけを留去することが達成された。これは、約6モル%の収率に相当する。前記記載と同様のMDIの引き続く分離は、達成されなかった。
WO 98/54129の実施例3の再現
WO 98/54129の実施例3に相応して、MDI尿素5.64gをジクロロベンゼン50.76g(DCB)と一緒に常圧下で沸騰時に加熱した。載置された蒸留ブリッジを備えた蒸留がま内で容量が一定になることを目的として、約185℃で新しい溶剤を連続的に計量供給した。すなわち、DCB100mlを約1.5時間内で計量供給した。この時間後に、塔底部で1.41%のNCO値を分析することができ、および留出液中でN−メチル−t−ブチルアミン1.23%を分析することができた。NCO値は、4,4’−MDI約0.0167モルに相当する。したがって、収率は、約79モル%に相当する。98%の記載された収率は、達成されなかった。

Claims (14)

  1. 少なくとも1つのポリアミンを尿素および少なくとも1つの第二級アミンと反応させ、相応するポリ尿素にし、引続きこうして得られたポリ尿素を相応するポリイソシアネートに分解することにより、ポリイソシアネートを製造する方法であって、
    相応する有機ポリアミンを尿素および少なくとも1つの第二級アミンと、後接続された反応器を備える、少なくとも1個の混合装置中で反応させ、相応するポリ尿素にし、前記ポリ尿素を分解することにより、有機イソシアネートを連続的に製造する多工程法である前記方法において、次の工程、
    a)少なくとも1つの有機ポリアミンを尿素と少なくとも1つの触媒の存在下または特に不在下で互いに混合し、および少なくとも1つの第二級アミンと任意に少なくとも1つの溶剤の存在下で互いに混合する工程、
    b)a)から得られた混合物を少なくとも1個の引き続く滞留時間型反応器または複数の滞留時間型反応器中で反応させる工程、
    c)その際に生じるアンモニアを工程b)における反応経過と同時に分離するかまたは引き続き分離する工程、
    d)b)からの排出物から過剰の第二級アミンとポリ尿素より低沸点のさらなる副成分とを分離する工程、
    f)前記ポリ尿素を連続的分解装置中で、相応するイソシアネートと第二級アミンとに分解し、その際に少なくとも1つのイソシアネートを含む流れおよび少なくとも1つの第二級アミンを含む流れが得られる工程、
    g)
    −g1)先に溶剤が使用されたとすれば、溶剤を分離し、
    −g2a)蒸留可能なイソシアネートの場合に、当該イソシアネートを蒸留により精製するか、または
    −g2b)蒸留不可能なイソシアネートの場合に、当該イソシアネートを蒸留によらない方法で任意に精製することにより、
    分解f)から得られた、イソシアネートを含む流れを精製する工程、
    および
    i)分解f)から得られた、第二級アミンを含む流れを精製し、この流れを任意に返送する工程
    を含むことを特徴とする、前記方法。
  2. 前記ポリアミンは、ジアミンであることを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. 前記ポリアミンは、ブタンジアミン−1,4、ペンタンジアミン−1,5、2−エチルブタンジアミン−1,4、オクタンジアミン−1,8、デカンジアミン−1,10、ドデカンジアミン−1,12、シクロヘキサンジアミン−1,4、2−メチル−シクロヘキサンジアミン−1,3、4−メチル−シクロヘキサンジアミン−1,3、1,3−ジアミノメチルシクロヘキサンおよび1,4−ジアミノメチルシクロヘキサン、4,4’−ジ(イソシアナトシクロヘキシル)メタンまたは2,4’−ジ(イソシアナトシクロヘキシル)メタン、ヘキサンジアミン−1,6および3−アミノメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキシルアミンの群から選択されていることを特徴とする、請求項1または2記載の方法。
  4. 前記ポリアミンは、2,4−トルイレン−ジアミンおよび2,6−トルイレン−ジアミン、4,4’−ジアミノ−ジフェニルメタン、2,4’−ジアミノ−ジフェニルメタンおよび2,2’−ジアミノ−ジフェニルメタン、およびこれらの異性体混合物ならびにホルムアルデヒドとアニリンとの重縮合により得ることができるジフェニルメタン系列のポリアミン混合物の群から選択されていることを特徴とする、請求項1記載の方法。
  5. 第二級アミンが式
    HNR12
    〔式中、
    1およびR2は、互いに独立して、1〜20個の炭素原子を有するアルキル、3〜12個の炭素原子を有するシクロアルキル、6〜14個の炭素原子を有するアリール、またはアリール中に6〜14個の炭素原子を有しかつアルキル基中に1〜6個の炭素原子を有するアラルキル基を表わすことができるか、または基R1およびR2は、一緒になって、窒素原子を含めて5〜12員の環を形成することができ、その際に前記基は、さらにエーテル基を有することができる〕を満たすことを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
  6. 第二級アミンは、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、ジ−イソプロピルアミン、ジ−n−ブチルアミン、ジヘキシルアミン、ジオクチルアミン、エチルメチルアミン、イソプロピル−メチルアミン、n−ブチルメチルアミン、t−ブチルメチルアミン、イソプロピル−エチルアミン、n−ブチルエチルアミン、t−ブチル−エチルアミン、モルホリン、ピペリジンおよびピロリジンからなる群から選択されていることを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
  7. 工程a)とb)は、1個の共通の装置中で実施されることを特徴とする、請求項1記載の方法。
  8. 1:2〜20:5〜40のポリアミン、尿素および第二級アミンを50〜300℃の温度で0.1〜30バールの圧力下で混合し、かつ反応させることを特徴とする、請求項1記載の方法。
  9. 工程f)を有機ブレンステッド酸または無機ブレンステッド酸の存在下で実施することを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法。
  10. 工程f)をヘキサン、ベンゼン、ニトロベンゼン、アニソール、クロロベンゼン、クロロトルエン、o−ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジエチルイソフタラート(DEIP),テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、キシレン、クロロナフタリン、デカヒドロナフタリンおよびトルエンからなる群から選択された溶剤の存在下で実施することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項に記載の方法。
  11. 工程i)において、第二級アミンを塩基によって遊離することを特徴とする、請求項1から10までのいずれか1項に記載の方法。
  12. 工程i)における塩基として、少なくとも部分的に工程c)において遊離されたアンモニアを使用することを特徴とする、請求項11記載の方法。
  13. 工程i)において、第二級アミンを酸で形成された塩の熱的分離によって遊離することを特徴とする、請求項1から12までのいずれか1項に記載の方法。
  14. 工程f)において、前記分解を少なくとも1つのガス状の酸の存在下で混合ポンプまたはジェット混合装置中で実施することを特徴とする、請求項1から13までのいずれか1項に記載の方法。
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