KR101242829B1 - 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 제조 방법 - Google Patents

디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 제조 방법, 및 이들 디아민 및 폴리아민으로부터 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트의 제조에 관한 것이다. 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민은 염산의 존재하에 아닐린 및 포름알데히드의 반응에 의해 제조된다. 본 발명에 따라, 사용된 염산은 0.001중량％ 미만의 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온을 함유한다.

Description

디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 제조 방법{PROCESS FOR THE PREPARATION OF DI- AND POLYAMINES OF THE DIPHENYLMETHANE SERIES}
본 발명은 35 U.S.C. §119(a)-(d)하에 2004년 10월 28일자 출원된 독일 특허 출원 제 10 2004 052 370.3호의 우선권을 청구한다.
본 발명은 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 제조 방법에 관한 것이다.
디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민은 하기 구조식의 화합물 및 화합물의 혼합물을 의미하는 것으로 이해된다.
Figure 112005061265256-pat00001
[식중, n은 2 초과의 자연수를 나타낸다.]
하기에서 MDA로도 불리우는 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 연속, 불연속, 또는 반연속 제법은 다양한 특허 및 공보에 기술되어 있다. 예컨대 문헌 「H.J. Twitchett, Chem. Soc. Rev. 3(2), 209(1974), M.V.Moore in: Kirk-Othmer Encycl. Chem. Technol., 3 판., 뉴욕, 2,338-348(1978)」참조. 이들 폴리아민의 제조는 통상적으로 산성 촉매의 존재하에 아닐린과 포름알데히드의 반응에 의해 수행된다. 수성 HCl은 통상적으로 산성 촉매로서 사용된다. 선행 기술에 따르면, 산성 촉매는 염기의 첨가에 의해 중화되며, 따라서, 방법의 말기에서 및 (예컨대, 증류에 의한 과량의 아닐린의 제거와 같은) 최종 후처리 단계 전에 소모되어 버린다.
하기에서 MDI로 불리우는 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트는 상응하는 디아민 및 폴리아민의 포스겐화에 의해 제조된다. 이와 같은 방식으로 제조된 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트는 이들이 제조되어온 폴리아민과 동일한 조성물 내에서 다양한 이소시아네이트 이성질체 및 이들의 고급 동족체를 함유한다.
MDA의 제조 동안에, 산성 반응 혼합물은 그후 통상적으로 염기로 중화된다. 중화 후, 유기상은 통상적으로 분리 용기 내에서 수성상으로부터 분리된다. 수성상이 분리 제거된 후 잔존하는 생성물 함유 유기상은 그후 물을 사용한 세정과 같은 추가의 후처리 단계를 통상적으로 수행하고, 그후 예를 들어, 증류, 추출 또는 결정화에 의해 혼합물 내에 존재하는 과량의 아닐린 및 기타 물질(예컨대, 추가의 용매)을 제거한다.
그러나, 플랜트 내에서의 경험에 따르면, 중화 및/또는 후속하는 세정후 생성물 함유 유기상으로부터 수성상의 분리가 제3 상(래그 또는 래그층)의 형성에 의해 심하게 손상될 수 있다. 이러한 제3 상은 수성상 및 유기상 사이에 생기며, 안정하며, 가능하게는 부피가 큰 중간체 상이며, 상 분리를 어렵게 한다. 극단적인 경우, 제3 상은 심지어 상 분리를 완전히 방해한다. 플랜트 내의 공정에 대해 매우 불리한 경우에는, 영향을 받은 상분리 탱크 또는 탱크들은 완전히 비우고 세정되어야 한다. 상분리 탱크(들)의 내용물은 그후 상당한 노력으로 후처리 또는 처분되어야 하며, 이것은 상당한 비용을 동반한다. 이러한 상황 하에, 이것은 또한 연속 생산의 방해할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 중화 및/또는 후속하는 세정후, 생성물 함유 유기상으로부터의 수성상의 분리 제거가 간단하고 불편함이 없이 수행될 수 있는 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 간단하고 경제적인 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 제조 방법에 관한 것이다. 이 방법은 염산의 존재하에 아닐린과 포름알데히드를 반응시키는 것을 포함하며, 사용된 염산은 0.001중량％ 미만의 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온을 함유한다.
본 발명의 또 다른 양상은 이들 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민으로 부터 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트를 제조하는 방법이다. 이 방법은 포스겐과 상술한 방법에 의해 제조된 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민을 반응시켜 상응하는 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트를 수득하는 것을 포함한다.
본 발명에 따라, 0.001중량％ 미만의 한계치는 2가의 금속 이온 및/또는 2가 초과의 금속 이온의 농도의 합에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 발명에서 사용된 염산은 2가의 금속이온 및/또는 2가 초과의 금속 이온을 0.0005중량％ 미만(즉, 0 내지 0.0005중량％ 미만), 가장 바람직하게는 0.0003중량％ 미만(즉, 0 내지 0.0003 중량％ 미만) 함유한다.
MDA의 제조에 필요한 염산은 여러가지 공급원 또는 방법으로부터 발생될 수 있다. 예를 들어, 아민과 포스겐의 반응 동안 발생되는 염화수소는 물 또는 묽은 염산 내에 흡수될 수 있다. 유기 기질의 염소화로부터의 염화수소도 또한 유사한 방식으로 이용될 수 있다. 2가의 금속 이온 및/또는 2가 초과의 금속 이온의 농도가 예를 들어 난용성염 형태의 침전에 의해 0.001중량％ 미만의 함량으로 저하된 염산의 사용도 또한 가능하다. 이러한 관계에 있어, 염산은 통상적으로 25 내지 36중량％의 HCl의 농도를 갖지만 더 높거나 낮은 농도도 또한 가능하다.
본 출원에서 사용된 바와 같이, 어구 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온은 원소 주기율표의 2 내지 6 주족, 1 내지 8 아족, 란탄족 계열, 및/또는 악티늄족 계열로부터 발생되는 금속의 산화 레벨 +2 이상의 이온을 의미하는 것으로 이해되어진다. 이러한 금속의 예로는 예를 들어, 마그네슘 및 칼슘과 같은 알칼리 토금속, 또는 알루미늄 및 철과 같은 금속을 포함한다. 여기에서 염산 내의 개별적인 금속 이온의 농도는 바람직하게는 0.0003중량％ 미만이다.
본 발명에 따른 방법은 연속 및 반연속 둘다로, 및 또한 불연속으로 수행될 수 있다.
디페닐메탄 계열의 폴리아민은 본 발명의 방법에 의해 15％ 미만의 양성자화도(degrees of protonation)로 제조될 수 있으나, 더 높은 양성자화도도 또한 가능하다. 이러한 관계에 있어, 염산의 경우, 사용된 염산의 양 및 반응 혼합물 내에 존재하는 아민 관능기의 몰량의 몰비는 양성자화도로 불리운다.
디페닐메탄 계열의 적당한 폴리아민 혼합물은 통상적으로 1.5:1 내지 20:1 몰비로 아닐린과 포름알데히드의 축합에 의해 수득된다.
통상적으로, 포름알데히드는 30 내지 50중량％ 농도로 존재하는 수용액으로 산업적으로 사용된다. 그러나, 또한 다른 농도의 포름알데히드 수용액, 또는 메틸렌 기를 공급하는 다른 화합물을 사용하는 것도 가능하다. 기타 이러한 적당한 화합물은, 예를 들어, 폴리옥시메틸렌 글리콜, 파라-포름알데히드 또는 트리옥산을 포함한다.
본 발명의 방법의 실시 형태에서, 방법은 우선 아닐린과 염산을 혼합하고 그후 혼합물에 포름알데히드를 첨가하는 것을 포함한다. 마찬가지로, 그러나, 다른 순서로 아닐린, 포름알데히드 및 염산을 혼합하는 것도 가능하며, 또한 이들을 동시에 혼합하는 것도 가능하다.
본 발명에 따라, 방법은 교반 탱크에 아닐린, 포름알데히드 용액 및 염산을 도입하고, 혼합하며, 임의로, 반응이 일어나는 것과 동시에 증류로 약간의 물을 제거 또는 분리하는 것을 포함하는 절차에 의해 수행될 수 있다. 불연속 방법에서, 아닐린, 포름알데히드 용액 및 염산은 시간 기준 계량 프로파일에 따라 임의로 첨가될 수 있고, 예컨대, 진공 증류의 수단에 의해 추출물(educts)의 첨가 동안 또는 그 후에 물을 분리 제거할 수 있다. 바람직하게는, 아닐린, 포름알데히드 용액 및 수성 HCl의 혼합은 20 내지 60℃의 온도에서 일어난다.
또 다른 실시 형태에서, 본 발명은 우선 아닐린 및 포름알데히드를 혼합하고 20℃ 내지 100℃, 바람직하게는 40℃ 내지 100℃, 가장 바람직하게는 60℃ 내지 95℃의 온도에서 산성 촉매의 부재하에 반응하는 것을 포함한다. 이 절차 동안 아닐린 및 포름알데히드의 축합 생성물(즉, 소위 아미날)이 형성된다. 아미날 형성 후, 아미날 내에 함유된 물은 적어도 부분적으로 예를 들어, 상 분리에 의해 제거되거나 또는 예컨대, 증류와 같은 다른 적당한 방법에 의해 제거된다.
산성 촉매의 첨가 및 물의 제거는, 예를 들어 수성 HCl을 생성된 아미날을 함유하는 교반 탱크로 도입하고 임의로 약간의 물을 반응 동안 증류로 분리 제거하여 축합 생성물을 생성하는 절차에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 바람직한 변형에서, 방법은 우선 아닐린 및 포름알데히드를 혼합하고 20℃ 내지 100℃, 바람직하게는 40℃ 내지 100℃, 가장 바람직하게는 60℃ 내지 95℃의 온도에서 산성 촉매의 부재하에 반응하는 것을 포함한다. 이 절차 동안 아닐린 및 포름알데히드(소위 아미날)의 축합 생성물이 형성된다. 아미날 형성 후, 아미날 내에 함유된 물은 적어도 부분적으로 예를 들어, 증류와 같은 다른 적당한 방법에 의해 또는 예를 들어 상 분리에 의해 제거된다.
그후, 아미날은 바람직하게는 20 내지 60℃의 온도에서 염산과 바람직하게는 10 kW/m3 초과의 특정 전력공급으로 혼합된다.
상기 실시 형태 중의 하나에 따라 수득된 반응 혼합물의 추가의 반응은 통상의 반응 장치 내에서 수행된다. 예를 들어, 적당한 장치는 교반 반응기, 관 반응기 및/또는 천공 트레이와 같은 배플이 있는 관 반응기를 포함하며, 이들은 반응기 내에서 잔류 시간 특성에 영향을 준다. 여러 형태의 반응기의 조합이 또한 적당하다.
바람직하게는, 반응 혼합물의 온도는 단계적으로 또는 연속적으로, 및 임의로 증가된 압력하에서 110℃ 내지 250℃, 더 바람직하게는 110℃ 내지 180℃, 가장 바람직하게는 110℃ 내지 160℃의 온도가 되게한다. 필요 체류 시간은 완전한 전환이 확보되도록 선택된다.
염산의 존재하에 아닐린 및 포름알데히드의 반응은 또한 추가 물질의 존재하에 수행될 수 있다. 다른 적당한 물질은 예를 들어, 염, 유기산, 또는 무기산을 포함한다.
산성 반응 혼합물에서 후처리하기 위해, 반응 혼합물은 통상적으로 염기로 중화한다. 선행 기술에 따라, 중화는 통상적으로 추가의 물질의 첨가 없이 90 내지 100℃의 온도에서 수행된다(문헌「H.J. Twitchett, Chem. Soc. Rev. 3(2), 223(1974)」참조). 그러나, 중화는 또한 성가신 부산물의 분해를 촉진하기 위해 다른 온도 레벨에서도 수행될 수 있다. 적당한 염기는 예를 들어, 알칼리 및 알칼리 토금속의 수산화물을 포함한다. 수성 NaOH가 바람직하게 사용된다.
중화를 위해 사용된 염기는 사용된 산 촉매의 중화를 위해 화학량론적으로 필요한 양의 100％ 초과, 더 바람직하게는 105％ 내지 120％의 양으로 사용되는 것이 바람직하다.
중화 후, 유기상은 통상적으로 분리 탱크 내의 수성상으로부터 분리된다. 수성상이 분리 제거 된후 잔존하는 생성물 함유 유기상은 그후 통상적으로 추가의 후처리 단계(예컨대, 물로 세정)가 수행되고, 이어서 예를 들어, 증류, 추출 또는 결정화와 같은 적당한 방법에 의해 혼합물 내에 존재하는 과량의 아닐린 및 기타 물질(예컨대, 추가의 용매)을 제거한다.
본 발명에 따라, 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온을 0.001중량％ 미만으로 함유하는 염산의 사용에 의해, 중화 및/또는 후속하는 세정 후 MDA-함유 유기상으로부터 수성상의 분리 제거는 간단하게 문제 없이 수행될 수 있다. 이것은 상 분리를 방해하거나 상 분리를 어렵게 만드는 제3 상(즉, 래그(rag) 또는 래그층)이 더 이상 형성되지 않는다는 효과를 갖는, 염산 내의 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온의 낮은 함량에 기인한다.
이러한 방식으로 제조된 디아민 및 폴리아민은 공지 방법에 의해 불활성 유기 용매 내에서 포스겐과 반응하여 상응하는 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트, MDI를 수득할 수 있다. 포스겐에 대한 조 MDA의 몰비는 NH2기의 몰당 1 내지 10몰, 및 바람직하게는 1.3 내지 4몰의 포스겐이 반응 혼합물 내에 존재하도록 적절하게 선택되어 진다. 염소화 방향족 탄화수소, 예컨대 모노 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 상응하는 톨루엔 및 크실렌 및 클로로에틸벤젠은 적당한 불활성 용매인 것으로 입증되어 왔다. 모노클로로벤젠, 디클로로벤젠 또는 이들 클로로벤젠의 혼합물이 불활성 유기 용매로 사용되는 것이 바람직하다. 용매의 양은 반응 혼합물 전체 중량을 기준으로 반응 혼합물이 2 내지 40중량％, 바람직하게는 5 내지 20중량％의 이소시아네이트 함량을 갖도록 적절하게 선택되어 진다. 포스겐화가 종결되었을 때 과량의 포스겐, 불활성 유기 용매 및/또는 이들의 혼합물은 증류에 의해 반응 혼합물로 부터 분리 제거된다.
선행 기술에서 공지된, 2핵 및 2핵 초과인 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트를 함유하는 중합체 MDI 계열, 및 디페닐메탄 계열의 이핵 디이소시아네이트를 함유하는 단량체 MDI 계열의 생성물은 수득된 조 MDI로부터 제조될 수 있다. 특히, 25℃에서 80 내지 3,000 mPas의 공업 등급 4,4'-MDI 및/또는 공업 등급 2,4'-MDI, 및 이들의 혼합된 형태의 고점도 중합체 MDI 타입이 제조될 수 있다. 이들 생성물은 예를 들어 증류에 의해 선행 기술에 따라 조 MDI로부터 분리 제거될 수 있다. 이들 생성물은 폴리올과의 반응에 의해 중합체 및 초기중합체의 형태로 폴리우레탄 제조를 위한 원료로 사용하기에 적당하다.
하기 실시예는 본 발명의 방법에 대해 더 상세히 설명한다. 상술한 바와 같이 본 발명은 이들 실시예에 의해 정신 또는 범주가 한정될 수 없다. 당업자는 하기 절차의 조건의 공지 변형이 사용될 수 있는 것임은 쉽게 이해할 것이다. 다른 언급이 없다면, 모든 온도는 섭씨도이며 모든 백분율은 중량 백분율이다.
실시예:
실험을 위한 일반 지시
389mg의 32.1중량％ 농도의 포름알데히드 수용액을 교반하면서 20분에 걸쳐 80℃ 에서 931g의 아닐린에 적가하였다. 첨가가 완료된 후, 혼합물은 5분간 더 교반하고 상 분리를 70 내지 80℃에서 수행하였다. 그후, 114g의 32.0중량％ 농도의 수성 염산을 유기상, 아미날에 45℃에서 20 분에 걸쳐 교반하면서 첨가하였다.(염산 내에 존재하는 2가 및 2가 초과의 금속 이온의 함량에 대해 표 1 참조). 반응 혼합물을 30분 동안 45℃에서 교반한 후, 60℃ 까지 가열하고 60℃에서 30분간 더 교반하였다. 반응 온도는 그후 104℃로 승온시켰다. 반응 혼합물은 반응을 완결시키기 위하여 이 온도에서 10 시간 동안 더 교반하였다.
62.3g의 33중량％ 농도의 수산화 나트륨 용액을 교반하면서 90℃ 온도에서 교반 용기 내에서 이러한 방식으로 제조된 500g의 산성 반응 혼합물에 첨가하였다. 형성된 2 상 혼합물은 후속하여 90℃에서 대략 5분간 교반하였다. 90℃에서 상 분리를 위해, 교반기를 중단시켰다. 사용된 염산 내에서의 2가 및 2가 초과의 모든 금속 이온의 합 및 개별 함량, 및 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 결과를 하기표에서 볼 수 있다.
염산 내에서 2가 및 2가 초과의 금속 이온의 함량 래그
Al Ca Fe Mg 전체
[중량％] [중량％] [중량％] [중량％] [중량％]
비교예1 0.0010 0.0011 0.0020 0.0004 >0.001 있음
비교예2 0.0005 0.00055 0.0010 0.0002 >0.001 있음
비교예3 0.0002 0.0003 0.0005 0.0001 >0.001 있음
실시예1 0.00013 0.00014 0.00025 0.00005 <0.001 없음
실시예2 <0.00002 <0.00002 <0.00002 <0.00002 <0.001 없음
비교예 1 내지 3은 유기상 및 수성상 사이에서의 계면에서 바람직하지 않은 래그의 형성 또는 래그 층의 전개를 설명하였다. 본 발명에 따른 실시예 1 및 2 에서 래그 또는 래그층은 형성되지 않았다.
본 발명이 설명의 목적을 위해 앞에서 상세히 설명되었지만, 이러한 상세한 설명은 단지 설명의 목적을 위한 것이며 특허청구범위에 의해 한정될 수 있다는 것을 제외하고는 본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 그 범위에서 변형될 수 있다는 것이 이해되어져야 한다.
본 발명에 따라 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 간단하고 경제적인 제조 방법이 제공된다.

Claims (6)

  1. 염산의 존재하에 아닐린과 포름알데히드의 반응을 포함하고, 사용된 염산은 0.001중량％ 미만의 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온을 함유하는 것인 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 사용된 염산이 0.0005중량％ 미만의 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온을 함유하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 사용된 염산이 0.0003중량％ 미만의 2가 및/또는 2가 초과의 금속 이온을 함유하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 사용된 염산이 금속 이온 Ca2+, Mg2+, Al3+ 및/또는 Fe2+를 함유하며, 각각의 경우 금속 이온은 0.0003중량％ 미만의 농도로 존재하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 염산의 존재하에 아닐린과 포름알데히드의 반응이 15％ 미만의 양성자화도로 수행되는 방법.
  6. 제1항의 방법으로 제조된 디페닐메탄 계열의 디아민 및 폴리아민과 포스겐을 반응시켜 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트를 수득하는 것을 포함하는 디페닐메탄 계열의 디이소시아네이트 및 폴리이소시아네이트의 제조 방법.
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