JP2023513625A - カルボジイミド化方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ポリカルボジイミド及び特殊な触媒を用いるそれらの製造方法に関する。

Description

本発明は、ポリカルボジイミド及びそれの製造方法に関するものである。
一般論として、カルボジイミド基は、二酸化炭素の脱離により二つのイソシアネート基から簡単な方法で得ることができる。
Figure 2023513625000001
ジイソシアネートから出発して、いくつかのカルボジイミド基及び任意にイソシアネート基、特に末端イソシアネート基を有するオリゴマー化合物をそうして得ることができ、それはいわゆるポリカルボジイミドである。
ジイソシアネートからのポリカルボジイミドの製造はそれ自体公知であり、例えばUS-A2840589、US-A2853473、US-A2941966及びEP-A628541に記載されている。イソシアネートのカルボジイミド化のための触媒(カルボジイミド化触媒)として、リンの化合物が奏功することがわかっており、例えば、各種ホスホレンオキサイド、例えば1-メチル-2(及び/又は3)-ホスホレン-1-オキサイド、3-メチル-2(及び/又は3)-ホスホレン-1-オキサイド、1-フェニル-2(及び/又は3)-ホスホレン-1-オキサイド、1-フェニル-3-メチル-2(及び/又は3)-ホスホレン-1-オキサイド及び1-エチル-2(及び/又は3)-ホスホレンオキサイドなどがある。ホスホレンオキサイド類は、手間のかかる不完全な方法でしかポリカルボジイミドから除去することができない(例えば、DE-A2504400、DE-A2552350、EP-A609698など)。したがって、これらの触媒の簡単な従来の手段による、例えば蒸留による除去は、本明細書の実験セクションにおける例3によって示されるように、わずかな範囲でしか可能ではない。
US-A2840589 US-A2853473 US-A2941966 EP-A628541 DE-A2504400 DE-A2552350 EP-A609698
しかし、このようなリンオルガニルが製品に保持されていると、それの貯蔵安定性に悪影響を及ぼす可能性がある。所望のNCO含有量でカルボジイミド化反応を停止させるためには、ホスホレンオキサイド触媒を失活させる必要があり、これはP=O基のアルキル化、シリル化又はプロトン化によって達成することが可能である。しかし、このような停止は十分な効果が得られないことが多いため、貯蔵中に製品に後反応が起こる可能性がある。その過程で、二酸化炭素が放出される。これにより、特に長期貯蔵や温度上昇の場合に、例えば貯蔵容器内の圧力上昇が生じる。これは、例えば、停止剤の量を増やすことで対策することができる。しかしながら、先行技術(例えばEP-A-515933、EP-A-609698、US-A-6,120,699)で知られている停止剤をこの目的のために必要な量で使用すると、製品の変色を引き起こすことが多い。
したがって、本発明の一つの目的は、カルボジイミド化触媒の残留量が可能な限り低くなった、したがって上記の先行技術の欠点を持たないポリカルボジイミドの簡単な製造方法を提供することにあった。
上記の目的は、本発明の主題によって達成された。
本発明は、カルボジイミド基を含むポリイソシアネートの製造方法であって、第1段階で、少なくとも一つの単量体ジ及び/又はポリイソシアネートは、少なくとも一つの一般式Iのホスフェタン-1-オキサイド:
Figure 2023513625000002
[式中、Rは1~6個の炭素原子を有する一価有機基であり、それは飽和若しくは不飽和若しくは芳香族であってもよく、分枝又は非分枝であってもよく、窒素又は酸素などのヘテロ原子を有していてもよく、好ましくは1~6個の炭素原子を有する飽和、芳香族、分枝若しくは非分枝の一価有機基である。]の存在下に、カルボジイミド化反応を受け、第2段階で、ホスフェタン-1-オキサイドを、好ましくは蒸留によって第1段階の反応生成物から除去する方法に関するものである。
特に好ましくは、ホスフェタン-1-オキサイドとして、1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイド及び/又は1-エチル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスフェタン-1-オキサイド及び/又は1-フェニル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスフェタン-1-オキサイドを使用する。最も好ましくは、1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイドを用いる。
本発明による方法で使用されるホスフェタン-1-オキサイド類は、蒸留による簡単な方法で反応生成物から分離して回収することができる。触媒をこのように回収できることで、その方法は極めて経済的なものとなる。さらに、使用される触媒は、先行技術で使用されるホスホレンオキサイドと比較して製造においてかなり安価である(本明細書の実験の部において、1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイド及び/又は1-エチル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスフェタン-1-オキサイドの費用効率の高い製造方法の例を記載している。)。
ホスフェタンオキサイドをカルボジイミド化触媒として使用することの可能性については、DE2342148A(第2ページ、第3段落):「さらに、ホスフェタンオキサイドはカルボジイミド化触媒として使用することも可能であることが知られている」で一般論としてすでに言及されている。しかしながら、その文書では、それについてそれ以上の説明はなされていない。例えば、本発明による方法で特に好ましいものである1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイド又は1-エチル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスフェタン-1-オキサイドなどの特定のホスフェタンオキサイドについての言及はなく、ホスフェタンオキサイドが、得られた反応混合物から、蒸留によってかなり除去可能であることを示すものは何もない。
本発明との関連において、「ホスフェタン-1-オキサイドの除去」又は「ホスフェタン-1-オキサイドの分離」は、本発明による方法によって得ることができるポリカルボジイミドが、元素分析(ICP-OES、DIN ISO 17025)により決定されるリン含有量が好ましくは≦450ppm、より好ましくは≦300ppm、さらにより好ましくは≦220ppmであることを意味すると理解すべきである。触媒として1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイドを使用すると、元素分析によって決定されるリン含有量は、非常に特に好ましくは≦100ppm、より好ましくは≦25ppm、最も好ましくは≦20ppmである。
本発明はまた、本発明による方法によって得ることができる、元素分析(ICP-OES、DIN ISO 17025)によって決定される、好ましくは≦100ppm、より好ましくは≦25ppm、さらにより好ましくは≦20ppmのリン含有量を有するカルボジイミド基を含むポリイソシアネートに関するものである。
第1のプロセス段階
本発明による方法を実施するために、先行技術の公知の脂肪族、脂環式、芳香脂肪族及び芳香族ジ又はポリイソシアネートを、個別に又は互いとのいずれか所望の混合物で使用することが基本的に可能である。
例としては、メチレンジイソシアネート、ジメチレンジイソシアネート、トリメチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ペンタメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、ジプロピルエーテルジイソシアネート、2-メチルペンタン-1,5-ジイソシアネート、2,2-ジメチルペンタンジイソシアネート、3-メトキシヘキサンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、2,2,4-トリメチルペンタンジイソシアネート、2,4,4-トリメチル-1,6-ヘキサンジイソシアネート、2,2,4-トリメチル-1,6-ヘキサンジイソシアネート、ノナメチレンジイソシアネート、デカメチレンジイソシアネート、3-ブトキシヘキサンジイソシアネート、1,4-ブチレングリコールジプロピルエーテルジイソシアネート、チオジヘキシルジイソシアネート、メタキシリレンジイソシアネート、パラキシリレンジイソシアネート、テトラメチルキシリレンジイソシアネート、4,4′-ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(H12MDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、水素化キシリレンジイソシアネート(HXDI)、1,12-ジイソシアナトドデカン(DDI)、ノルボルナンジイソシアネート(NBDI)、2,4-ビス(8-イソシアナトオクチル)-1,3-ジオクチルシクロブタン(OCDI)、ナフタレン-1,5-ジイソシアネート、1,3-及び1,4-ビス(イソシアナトメチル)ベンゼン(XDI)、2,4-及び2,6-トリレンジイソシアネート(TDI)、ビス(4-イソシアナトフェニル)メタン(4,4′MDI)、4-イソシアナトフェニル-2-イソシアナトフェニルメタン(2,4′MDI)及びホルムアルデヒド-アニリン重縮合とそれに続く得られた(ポリ)アミンの対応(ポリ)イソシアネートへの変換によって得ることができる多核生成物(ポリマーMDI)などがある。
好ましいものは、脂肪族及び脂環式ジイソシアネートである。特に好ましいものは、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、水素化キシリレンジイソシアネート(HXDI)、ジシクロヘキシルメタン4,4′-ジイソシアネート(H12MDI)である。最も好ましくは、脂環式ポリイソシアネートはジシクロヘキシルメタン4,4′-ジイソシアネート(H12MDI)である。
それは前述のイソシアネートをどのような方法で生成するか、すなわちホスゲンを用いるか用いないかとは無関係である。
芳香族ジ/ポリイソシアネートのポリカルボジイミドへの変換は、最大20重量ppmのカルボジイミド化触媒の存在下で行われる。脂肪族、脂環式及び/又は芳香脂肪族ジ/ポリイソシアネートのポリカルボジイミドへの変換は、0.1~3.0重量%、好ましくは0.1~2.0重量%のカルボジイミド化触媒の存在下に行われる。ppm及び%の数値は、各場合において、使用されるジ/ポリイソシアネートの量を指す。
カルボジイミド化触媒としては、既に上記で詳しく説明したホスフェタン-1-オキサイドが使用される。
ホスフェタン-1-オキサイドは、上記で規定された量に従いつつ、他のカルボジイミド化触媒と混合して使用することもできる。例えば、ホスファンオキサイド、ホスホランオキサイド及びホスホレンオキサイド、並びにこれらのスルホ及びイミノ類縁体も使用することができる。しかしながら、ホスフェタン-1-オキサイドの量に基づくと、それらの含有量は、80重量%、好ましくは50重量%、特に好ましくは20重量%を超えるべきではない。
しかしながら、最も好ましくは、ホスフェタン-1-オキサイドは、これらの触媒と混和して使用しない。すなわち、本方法では、カルボジイミド化触媒として専らホスフェタン-1-オキサイドを使用することが最も好ましい。
ジ/ポリイソシアネートのポリカルボジイミドへの変換は、130~230℃の範囲、好ましくは140~210℃の範囲、特に好ましくは150~200℃の範囲の温度で行われる。
ジ/ポリイソシアネートのポリカルボジイミドへの変換は、溶媒の存在下又は非存在下で実施することができる。それは、好ましくは、少なくとも一つの溶媒の存在下で実施される。好ましいものは、標準気圧(1013mbar)での沸点が≧120℃である溶媒を使用する。これらには、例えば、モノクロロベンゼン(MCB)、オルトジクロロベンゼン(OCB)、クロロトルエン(任意の異性体/混合物)、トリクロロベンゼン、ジブチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジトリルエーテルなどの高沸点エーテルなどがある。
第2のプロセス段階
第2のプロセス段階では、段階1から得られた反応混合物から触媒を、好ましくは蒸留により除去する。
第1のプロセス段階から得られた反応混合物中に未反応の単量体ジ及び/又はポリイソシアネートが存在する場合、これは第2のプロセス段階で触媒と共に除去されないことが好ましい。
プロセス段階1が溶媒の存在下で実施される場合、溶媒及び触媒は、プロセス段階1から得られる反応混合物から1回の蒸留段階で一緒に分離することができ、さもなければ2回以上の蒸留段階で別々に分離することができる。溶媒と触媒は、好ましくは同時に分離除去される。
蒸留は、好ましくは減圧で、すなわち≦250mbar、特に好ましくは≦100mbar、特別に好ましくは≦50mbar、最も好ましくは≦20mbarの真空中で行われる。
蒸留は、好ましくは250℃以下の温度で、特に好ましくは200℃以下の温度で行われる。
物質の沸点が周囲圧力によって決まることは、当業者にはよく知られている。したがって、蒸留中の圧力に応じて設定される蒸留温度は、当業者がその専門的知識に基づいて決定される。
蒸留方法としては、(連続又は不連続操作)泡蒸留、及び又は薄膜蒸留のような、任意に短行程蒸留の特定の実施形態で、すべての一般的な工業的蒸留プロセスが考えられる。
実験の部
全ての反応は、別断の断りがない限り、窒素雰囲気下で実施した。
使用したジイソシアネートは、Covestro Deutschland AG, D-51368 Leverkusenの製品であり、他のすべての市販の化学物質は、別断の断りがない限り、Aldrich, D-82018 Taufkirchenから入手した。
ホスフェタンオキサイド触媒1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイド及び1-エチル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスフェタン-1-オキサイドは文献[T. V. Nykaza, T. S. Harrison, A. Ghosh, R. A. Putnik and A. T. Radosevich, J Am Chem Soc 2017, 139, 6839-6842]に従って調製した。参照触媒のホスホレンオキサイド(本件では1-メチル-2(及び/又は3)-ホスホレン-1-オキサイドの異性体混合物として)は、Clariant社から入手した。
リン含有量は元素分析(ICP-OES、DIN-ISO 17025)により決定した。
NCO値は、DIN-EN ISO 1 1909に従って容量分析で決定した。
実施例
例1:比較例
触媒:ホスホレンオキサイド
クロロベンゼン(2.22g)中のH12MDI(20.0g、75.8mmol、1.0当量)に、xCat=1.5%のモル分率でホスホレンオキサイドを添加した。反応混合物を150℃に加熱し、一定時間ごとにサンプル約500mgを採取してNCO値を決定した。決定されたNCO値から、遊離イソシアネート基のカルボジイミド基への変換率を次式に従って算出した。
Figure 2023513625000003
ここで、NCOは、時間tでの測定NCO値であり、NCOt=0は、時間t=0でのNCO値である。さらに、時間tでのTOF(ターンオーバー頻度)を下記式に従って算出した。
Figure 2023513625000004
ここで、n(NCO)は時間tにおけるNCO基の量であり、n(NCO)t=0は時間t=0におけるNCO基の量である。n(Cat)は触媒の量であり、tは反応時間である。結果を以下の表に示す。
Figure 2023513625000005
例2:発明
触媒:ホスフェタンオキサイド
手順は上記のとおりであったが、1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイドを触媒として使用した点が異なる。結果を以下の表に示す。
Figure 2023513625000006
例3:比較例
クロロベンゼン(2.22g)中のH12MDI(20.0g、75.8mmol、1.0当量)に、ホスホレンオキサイド(0.20g)を添加した。反応混合物を加熱して200℃として8時間経過させた。蒸留ヘッドを取り付け、混合物を200℃及び20mbarで蒸留した。残渣について元素分析によりP含有量を調べたところ、480mg/kgの値が認められ、これは触媒の元の量の18%に相当する。
例4:発明
クロロベンゼン(2.22g)中のH12MDI(20.0g、75.8mmol、1.0当量)に、1-エチル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスペタン-1-オキサイド(0.20g)を添加した。反応混合物を加熱して200℃として8時間経過させた。蒸留ヘッドを取り付け、混合物を200℃及び20mbarで蒸留した。残渣について、元素分析によりP含有量を調べたところ、200mg/kgの値が認められ、これは触媒の元の量の11%に相当する。
例5:発明
クロロベンゼン(2.22g)中のH12MDI(20.0g、75.8mmol、1.0当量)に、1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイド(0.20g)を添加した。反応混合物を加熱して200℃として8時間経過させた。蒸留ヘッドを取り付け、混合物を200℃及び20mbarで蒸留した。残渣について、元素分析によりP含有量を調べたところ、18mg/kgの値が認められ、これは触媒の元の量の1%に相当する。

Claims (12)

  1. カルボジイミド基を含むポリイソシアネートの製造方法であって、第1段階で、少なくとも一つの単量体ジ及び/又はポリイソシアネートは、少なくとも一つの一般式Iのホスフェタン-1-オキサイド:
    Figure 2023513625000007
    [式中、Rは1~6個の炭素原子を有する一価有機基であり、それは飽和若しくは不飽和若しくは芳香族であってもよく、分枝又は非分枝であってもよく、窒素又は酸素などのヘテロ原子を有していてもよく、好ましくは1~6個の炭素原子を有する飽和、芳香族、分枝若しくは非分枝の一価有機基である。]の存在下に、カルボジイミド化反応を受け、第2段階で、ホスフェタン-1-オキサイドを、好ましくは蒸留によって第1段階の反応生成物から除去する方法。
  2. 1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイド及び/又は1-エチル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスフェタン-1-オキサイド及び/又は1-フェニル-2,2,3,4,4-ペンタメチルホスフェタン-1-オキサイドを、式Iのホスフェタン-1-オキサイドとして使用する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記少なくとも一つの単量体ジ及び/又はポリイソシアネートが、脂肪族、脂環式、芳香脂肪族及び芳香族ジ又はポリイソシアネートから選択される、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 脂肪族、脂環式及び/又は芳香脂肪族単量体ジ及び/又はポリイソシアネートを当該方法で使用し、前記カルボジイミド化反応を、≦20重量ppmのカルボジイミド化触媒の存在下で行い、
    芳香族単量体ジ及び/又はポリイソシアネートを当該方法で使用し、前記カルボジイミド化反応を、0.1~3.0重量%、好ましくは0.1~2.0重量%のカルボジイミド化触媒の存在下で行い、
    カルボジイミド化触媒という用語が、ホスフェタン-1-オキサイドの量に基づいて≦80重量%の式Iのホスフェタン-1-オキサイドとは異なるカルボジイミド化反応を触媒するさらなる化合物との混合物であってもよい、一般式Iのホスフェタン-1-オキサイドを意味すると理解される、請求項3に記載の方法。
  5. カルボジイミド化触媒という用語が、専ら一般式Iのホスフェタン-1-オキサイドを意味すると理解される、請求項4に記載の方法。
  6. 前記カルボジイミド化反応を、130~230℃の範囲、好ましくは140~210℃の範囲の温度で行う、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記カルボジイミド化反応を、少なくとも一つの溶媒の存在下で行う、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記溶媒が標準気圧(1013mbar)下で≧120℃の沸点を有する、請求項7に記載の方法。
  9. 前記溶媒及び式Iによるホスフェタン-1-オキサイドを、蒸留段階で方法の段階1から得られた反応混合物から一緒に除去する、請求項7又は8に記載の方法。
  10. 前記蒸留を、標準気圧(1013mbar)と比較して低い圧力で行う、請求項1~9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 請求項1~10のいずれか1項に記載の方法によって得ることができる、元素分析(ICP-OES、DIN ISO 17025)によって決定されるリン含有量が≦100ppm、好ましくは≦25ppm、特に好ましくは≦20ppmである、カルボジイミド基を含むポリイソシアネート。
  12. 請求項1~10のいずれか1項に記載の方法であって、1,2,2,3,4,4-ヘキサメチルホスフェタン-1-オキサイドを式Iのホスフェタン-1-オキサイドとして使用する方法によって得ることができる、元素分析(ICP-OES、DIN ISO 17025)によって決定されるリン含有量が≦100ppm、好ましくは≦25ppm、特に好ましくは≦20ppmである、カルボジイミド基を含むポリイソシアネート。
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