Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania niepodstawionych i podstawionych N,N'-diarylo-p-fenylenodiamin jako efektywnych antydegradantów, stosowanych w polimerach, między innymi w mieszankach gumowych do produkcji opon.
Procesy otrzymywania aromatycznych amin drugorzędowych znane są od dawna. Najczęściej jako substraty stosuje się aromatyczną aminę l-rzędową, która w reakcji z fenolem w środowisku kwaśnym reaguje do difenyloaminy. Wśród stosowanych amin aromatycznych najczęściej wymienia się przede wszystkim anilinę, o-toluidynę, ksylidynę oraz inne aminy aromatyczne z podstawnikami etylowymi, propylowymi i butylowymi. Wśród alkoholi aromatycznych wymienia się przede wszystkim rezorcynę i hydrochinon. Historycznie wykorzystywano tę reakcję do otrzymywania fenylenodiaminy i jej pochodnych. Związki te znane są przede wszystkim jako składniki barwników (kolory brązowy i granatowy) oraz produktów pośrednich do wytwarzania fungicydów, leków przeciwrobaczych, środków antykorozyjnych, włókien aramidowych, jak i również antydegradantów. Fenylenodiamina to najczęściej stosowana nazwa dla niepodstawionej diaryloaminy - diaminobenzenu - występującego w trzech odmianach izomerycznych, 1,2-, 1,3- i 1,4-diaminobenzen. Forma podstawiona fenylenodiaminy toluenodiaminy - występuje pod ogólną nazwą tolilodiamin i może występować pod następującymi formami izomerycznymi, w zależności od pozycji grupy metylowej względem grupy aminowej, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4-, 3,5-diaminotoluen (toluenodiaminy).
W produkcji aminowych antydegradantów największą efektywnością, szczególnie jako antyozonanty i antyutleniacze, ale również jako środki podwyższające odporność na pękanie podczas zginania, charakteryzują się związki oparte na N,N'-difenylo-p-fenylenodiaminie.
Z amerykańskiego opisu patentowego US 2.238.320 znany jest proces otrzymywania difenylop-fenylenodiaminy z aniliny i z hydrochinonu w obecności kwasu ortofosforowego. Proces prowadzono w temperaturze 250°C przez 9 godzin, odbierając w trakcie reakcji wodę kondensacyjną. Wydajność procesu sięgała 76%.
Z amerykańskiego patentu US 3.305.584 znany jest proces wytwarzania N,N'-diarylo-p-fenylenodiaminy z hydrochinonu i aniliny w obecności chlorku żelaza (III) oraz wodnego roztworu soli sodowej kwasu fosforowego. Reakcja prowadzona w temperaturze 240°C prowadzi do otrzymania pożądanego produktu z wydajnością sięgającą 92,7%.
W amerykańskim patencie US 3.081.349 przedstawiono sposób otrzymywania N,N'-diarylo-p-fenylenodiaminy z aniliny, o-toluidyny i hydrochinonu wobec katalitycznych ilości żelaza metalicznego i jodu. Dodatkowo zastosowano rozpuszczalniki organiczne, ksylen bądź toluen.
W amerykańskim patencie US 3.510.518 przedstawiono sposób wytwarzania N,N'-diarylo-p-fenylenodiaminy z aniliny, o-toluidyny i hydrochinonu wobec mieszaniny katalizatorów, składającej się z tlenku molibdenu i tlenku niklu na nośniku glinowo-krzemowym. Reakcję prowadzono przez 4 godziny w temperaturze 300°C. Pożądany produkt, będący mieszaniną trzech związków: N,N'-difenylo-p-fenylenodiaminy, N-fenylo-N'-tolueno-p-fenylenodiaminy i N,N'-ditolueno-p-fenylenodiaminy otrzymano w odpowiednim stosunku molowym 1:2:1.
Z amerykańskiego opisu patentowego US 5.750.786 znany jest proces otrzymywania niepodstawionych i podstawionych diarylofenylenodiamin z aniliny, o-toluidyny i hydrochinonu wobec wybranych kwasów Lewisa jako katalizatorów (chlorek tytanu IV, chlorek żelaza III, chlorek glinu III) oraz tlenku żelaza III jako kokatalizatora, z wykorzystaniem ksylenu jako rozpuszczalnika.
Celem wynalazku było opracowanie skutecznego, ekonomicznego sposobu wytwarzania niepodstawionych, mono- i dipodstawionych diarylofenylenodiamin (N,N'-difenylo-p-fenylenodiaminy DPPD, N-fenylo-N'-tolueno-p-fenylenodiaminy - PTPD i N,N'-ditolueno-p-fenylenodiaminy - DTPD), z możliwością selektywnej kontroli procesu w kierunku otrzymywania poszczególnych pochodnych (DPPD, PTPD, bądź DTPD) lub mieszaniny trzech pochodnych w określonych proporcjach DPPD:PTPD:DTPD, charakteryzującego się wysokim przereagowaniem aniliny i/lub o-toluidyny.
Okazało się, że w procesie kondensacji:
• stosując wodny roztwór chlorku poliglinu o wzorze ogólnym AlnCI(3n-m)(OH)m lub wodny roztwór innego kwasu Lewisa, takiego jak chlorek żelaza III bądź chlorek glinu III w roli katalizatora, w zależności od zastosowanych amin aromatycznych i ich proporcji możliwe jest otrzymanie mieszaniny N,N'-difenylo-p-fenylenodiaminy (DPPD), N-fenylo-N'-tolueno-p-fenylenodiaminy (PTPD) i N,N'--ditolueno-p-fenylenodiaminy (DTPD) w wybranych proporcjach procentowych lub selektywne otrzymanie każdego z produktów.
PL 227 273 B1
Proces charakteryzuje się wysokim stopniem przereagowania i wysoką wydajnością reakcji.
Uzyskuje się pożądany produkt o dużej czystości, z wysoką wydajnością i bez produktów ubocznych, które wpływają niekorzystnie na właściwości aplikacyjne antydegradanta.
Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że;
• w pierwszym etapie przygotowuje się aktywną formę katalizatora, przez wymieszanie wodnego roztworu kwasu Lewisa z rozpuszczalnikiem aromatycznym i z l-rzędową aminą aromatyczną w temperaturze 30-70°C, a następnie przez próżniowe oddestylowanie wody w postaci azeotropu z rozpuszczalnikiem aromatycznym, przy czym stosuje się proporcje katalizatora : rozpuszczalnika aromatycznego; l-rzędowej aminy aromatyczną jak 2-5 :15-25 : 80-120, • w drugim etapie prowadzi się proces kondensacji hydrochinonu i l-rzędowej aminy aromatycznej lub mieszaniny l-rzędowych amin aromatycznych w obecności rozpuszczalnika aromatycznego i wobec aktywnej formy katalizatora, przy czym stosuje się proporcje molowe hydrochinon : amina : rozpuszczalnik aromatyczny; katalizator jak 1 : 2,0-2,4 ; 0,2-0,4 : 0,005-0,1, a proces prowadzi się w temperaturze nie niższej niż 230°C pod ciśnieniem 0,6-4 MPa, generowanym autogenicznie w trakcie ogrzewania mieszaniny oraz poprzez ilość amoniaku wydzielanego w reakcji kondensacji, a uzyskaną mieszaninę poreakcyjną oczyszcza się.
Korzystnie jest, jeżeli jako wodne roztwory kwasów Lewisa stosuje się chlorek poliglinu o wzorze ogólnym AlnCI(3n-m)(OH)m.
Korzystne jest, jeżeli w etapie przygotowywania aktywnej formy katalizatora stosuje się wodny roztwór kwasu Lewisa o stężeniu 35-45%.
Korzystne jest, jeżeli w etapie przygotowywania aktywnej formy katalizatora oddestylowanie wody w postaci azeotropu z rozpuszczalnikiem aromatycznym prowadzi się pod próżnią 80-65 hPa. Korzystne jest, jeżeli w początkowej fazie proces kondensacji prowadzi się przez 20-40 minut w temperaturze 170-190°C.
Korzystne jest jeśli w procesie kondensacji stosuje się aktywną formę katalizatora sporządzoną w oparciu o dwa lub więcej kwasów Lewisa.
Korzystne jest, jeżeli jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się mieszaninę ksylenów.
Korzystne jest, jeżeli proces kondensacji prowadzi się w temperaturze 230-270°C.
Korzystne jest, jeżeli w procesie kondensacji stosuje się intensywne mieszanie.
Korzystne jest, jeżeli w procesie kondensacji jako aminę l-rzędową stosuje się anilinę lub o-toluidynę.
Korzystne jest, jeżeli w procesie kondensacji jako mieszaninę l-rzędowych amin aromatycznych stosuje się anilinę i o-toluidynę.
Korzystne jest, jeżeli mieszaninę poreakcyjną rozcieńcza się rozpuszczalnikiem i zobojętnia się, fazę organiczną przemywa się aż do uzyskania odczynu obojętnego, po czym oddestylowuje się azeotrop, a stopiony produkt filtruje się.
Ustabilizowanie się wartości ciśnienia w reaktorze, odnotowywane jest jako koniec reakcji kondensacji. Mieszaninę poreakcyjną, składającą się z produktu, nieprzereagowanych amin, rozpuszczalnika aromatycznego oraz części nieorganicznej, neutralizuje się, następnie oddestylowuje wodę i rozpuszczalnik aromatyczny oraz odfiltrowuje stałą pozostałość po katalizatorze.
Mieszaninę poreakcyjną rozcieńcza się rozpuszczalnikiem i zobojętnia się wodnym roztworem węglanu sodu, fazę organiczną przemywa się aż do uzyskania odczynu obojętnego, po czym oddestylowuje się azeotrop, zaś stopiony produkt w temperaturze 160°C filtruje się z pozostałości nieorganicznych.
P r z y k ł a d 1
Do ogrzewanego termostatycznie reaktora szklanego o pojemności 250 ml, wyposażonego w termoparę do kontroli temperatury wsadu, szczelne mieszadło mechaniczne, kolumnę Vigreux, chłodnicę poziomą z króćcem do destylacji próżniowej (chłodzoną za pomocą kriostatu), termoparę na szczycie kolumny do pomiaru temperatury oparów oraz kolbę okrągłodenną do odbierania kondensatu wprowadza się 21,23 g ksylenu, 10,72 g wodnego roztworu (40%) chlorku poliglinu Al2CI(OH)5 i 93,13 g anilin., W temperaturze 40-60°C, pod próżnią 80-65 hPa oddestylowuje się wodę, zaś pozostałą zawartość reaktora przenosi się ilościowo do autoklawu ciśnieniowego, wyposażonego w spust dolny, płaszcz grzewczy, mieszadło mechaniczne oraz termopary do mierzenia temperatury wsadu i płaszcza. Do autoklawu wprowadza się pozostałą część aniliny - 93,13 g oraz 110,11 hydrochinonu.
PL 227 273 B1
Temperaturę w reaktorze podnosi się stopniowo, w pierwszym etapie reakcja prowadzona jest przez minut w temperaturze 180°C, po upływie tego czasu temperaturę podnosi się stopniowo do wartości 240°C i utrzymuje na stałym poziomie przez następne 6 godzin. Ciśnienie w tym czasie podnosi się autogenicznie z wartości 0,6 MPa przy temperaturze 180°C do wartości 3,5 MPa przy temperaturze 240°C.
Po zakończonej reakcji, zawartość reaktora chłodzi się do temperatury pokojowej, rozcieńcza i zobojętnia 10% wodnym roztworem węglanu sodu do uzyskania odczynu obojętnego. Następnie pozostałość organiczną ogrzewa się do temperatury 130°C i filtruje się na filtrze ciśnieniowym, w celu odfiltrowania nieorganicznej pozostałości po katalizatorze. W reaktorze szklanym, wykorzystywanym do przygotowania mieszaniny aniliny, ksylenu i katalizatora, pod próżnią 20 hPa oddestylowuje się nadmiar ksylenu w temperaturze 60°C. Produktem reakcji jest N,N'-difenylo-p-fenylenodiamina.
P r z y k ł a d 2
Reakcję prowadzi się tak jak w przykładzie 1, z tym, że do ogrzewanego termostatycznie reaktora szklanego o pojemności 250 ml, wprowadza się 31,23g toluenu, 15,00 g wodnego roztworu (40%) chlorku poliglinu (Al2Cl(OH)5) i 110,20 g o-toluidyny. W temperaturze 40-60°C, pod próżnią 80-65 hPa oddestylowuje się wodę. zaś pozostałą zawartość reaktora przenosi się ilościowo do autoklawu ciśnieniowego, wyposażonego w spust dolny, płaszcz grzewczy, mieszadło mechaniczne oraz termopary do mierzenia temperatury wsadu i płaszcza. Do autoklawu wprowadza się pozostałą część o-toluiduny - 110,20 g oraz 110,11 g hydrochinonu. Temperaturę w reaktorze podnosi się stopniowo, w pierwszym etapie reakcja prowadzona jest przez 30 minut w temperaturze 180°C, po upływie tego czasu temperaturę podnosi się stopniowo do wartości 235°C i utrzymuje na stałym poziomie przez następne 6 godzin. Ciśnienie w tym czasie podnosi się autogenicznie z wartości ok. 0,6 MPa przy temperaturze 180°C do wartości 3,5 MPa przy temperaturze 235°C.
Po zakończonej reakcji, zawartość reaktora chłodzi się do temperatury pokojowej, rozcieńcza i zobojętnia 10% wodnym roztworem węglanu sodu do uzyskania odczynu obojętnego. Następnie pozostałość organiczną ogrzewa się do temperatury 150°C i filtruje się na filtrze ciśnieniowym, w celu odfiltrowania nieorganicznej pozostałości po katalizatorze. W reaktorze szklanym, wykorzystywanym do przygotowania mieszaniny aniliny, toluenu i katalizatora, pod próżnią 20 hPa oddestylowuje się nadmiar toluenu w temperaturze 60°C. Produktem reakcji jest N,N'-ditolueno-p-fenylenodiamina.
P r z y k ł a d 3
Reakcję prowadzi się tak jak w przykładzie 2, z tym, że do ogrzewanego termostatycznie reaktora szklanego o pojemności 250 ml, wprowadza się 25,00 g ksylenu, 11,05 g wodnego roztworu (40%) chlorku poliglinu (Al2Cl(OH)5) i 95,20 g aniliny. W temperaturze 40-60°C, pod próżnią 80-65 hPa oddestylowuje się wodę, zaś pozostałą zawartość reaktora przenosi się ilościowo do autoklawu ciśnieniowego, wyposażonego w spust dolny, płaszcz grzewczy, mieszadło mechaniczne oraz termopary do mierzenia temperatury wsadu i płaszcza. Do autoklawu wprowadza się drugą aminę -o-toluidynę w ilości 110,17 g oraz 110,11 g hydrochinonu. Temperaturę w reaktorze podnosi się stopniowo, w pierwszym etapie reakcja prowadzona jest przez 30 minut w temperaturze 180°C, po upływie tego czasu temperaturę podnosi się stopniowo do wartości 240°C i utrzymuje na stałym poziomie przez następne 7 godzin. Ciśnienie w tym czasie podnosi się autogenicznie z wartości ok. 0,6 MPa przy temperaturze 180°C i do wartości ok. 3,5 MPa przy temperaturze 245°C.
Po zakończonej reakcji, zawartość reaktora chłodzi się do temperatury pokojowej, rozcieńcza i zobojętnia 10% wodnym roztworem węglanu sodu do uzyskania odczynu obojętnego. Następnie pozostałość organiczną ogrzewa się do temperatury 150°C i filtruje się na filtrze ciśnieniowym, w celu odfiltrowania nieorganicznej pozostałości po katalizatorze. W reaktorze szklanym, wykorzystywanym do przygotowania mieszaniny aniliny, ksylenu i katalizatora, pod próżnią 20 hPa oddestylowuje się nadmiar ksylenu w temperaturze 60°C. Produktem reakcji jest mieszanina N,N'-difenylo-p-fenylenodiaminy, N-fenylo-N'-tolueno-p-fenylenodiaminy i N,N'-ditolueno-p-fenylenodiaminy w stosunku molowym 1:2:1.
P r z y k ł a d 4
Reakcję prowadzi się tak jak w przykładzie 2, z tym, że do ogrzewanego termostatycznie reaktora szklanego o pojemności 250 ml, wprowadza się 30,00 g ksylenu, 23,50 g wodnego roztworu (40%) chlorku żelaza III i 95,00 g aniliny. W temperaturze 40-60°C, pod próżnią 80-65 hPa oddestylowuje się wodę, zaś pozostałą zawartość reaktora przenosi się ilościowo do autoklawu ciśnieniowego, wyposażonego w spust dolny, płaszcz grzewczy, mieszadło mechaniczne oraz termopary do mierzenia temperatury wsadu i płaszcza. Do autoklawu wprowadza się pozostałą część aniliny - 93,13 g
PL 227 273 B1 oraz 110,11 g hydrochinonu. Temperaturę w reaktorze podnosi się stopniowo, w pierwszym etapie reakcja prowadzona jest przez 30 minut w temperaturze 180°C, po upływie tego czasu temperaturę podnosi się stopniowo do wartości 235°C i utrzymuje na stałym poziomie przez następne 7,5 godziny.
Ciśnienie w tym czasie podnosi się autogenicznie z wartości ok. 0,65 MPa przy temperaturze 185°C do wartości ok. 3,3 MPa przy temperaturze 235°C.
Po zakończonej reakcji, zawartość reaktora chłodzi się do temperatury pokojowej, rozcieńcza i zobojętnia 10% wodnym roztworem węglanu sodu do uzyskania odczynu obojętnego. Następnie pozostałość organiczną ogrzewa się do temperatury 150°C i filtruje się na filtrze ciśnieniowym, w celu odfiltrowania nieorganicznej pozostałości po katalizatorze. W reaktorze szklanym, wykorzystywanym do przygotowania mieszaniny aniliny, ksylenu i katalizatora, pod próżnią 20 hPa oddestylowuje się nadmiar ksylenu w temperaturze 60°C. Produktem reakcji jest N,N'-difenylo-p-fenylenodiamina.
P r z y k ł a d 5
Reakcję prowadzi się tak jak w Przykładzie 2, z tym, że do ogrzewanego termostatycznie reaktora szklanego o pojemności 250 ml, wprowadza się 25,23 g ksylenu, 21,50 g wodnego roztworu (40%) chlorku żelaza III i 107,17 g o-toluidyny. W temperaturze 40-60°C, pod próżnią 80-65 hPa oddestylowuje się wodę, zaś pozostałą zawartość reaktora przenosi się ilościowo do autoklawu ciśnieniowego, wyposażonego w spust dolny, płaszcz grzewczy, mieszadło mechaniczne oraz termopary do mierzenia temperatury wsadu i płaszcza. Do autoklawu wprowadza się pozostałą część o-toluidyny - 107,17 g oraz 110,11 g hydrochinonu. Temperaturę w reaktorze podnosi się stopniowo, w pierwszym etapie reakcja prowadzona jest przez 30 minut w temperaturze 180°C, po upływie tego czasu temperaturę podnosi się stopniowo do wartości 245°C i utrzymuje na stałym poziomie przez następne 6 godzin, Ciśnienie w tym czasie podnosi się autogenicznie z wartości ok. 0,6 MPa przy temperaturze 180°C do wartości ok. 3,7 MPa przy temperaturze 245°C.
Po zakończonej reakcji, zawartość reaktora chłodzi się do temperatury pokojowej, rozcieńcza i zobojętnia 10% wodnym roztworem węglanu sodu do uzyskania odczynu obojętnego, Następnie pozostałość organiczną ogrzewa się do temperatury 150°C i filtruje się na filtrze ciśnieniowym, w celu odfiltrowania nieorganicznej pozostałości po katalizatorze. W reaktorze szklanym, wykorzystywanym do przygotowania mieszaniny aniliny, ksylenu i katalizatora, pod próżnią 20 hPa oddestylowuje się nadmiar ksylenu w temperaturze 60°C. Produktem reakcji jest N,N'-ditolueno-p-fenylenodiamina.
P r z y k ł a d 6
Reakcję prowadzi się tak jak w Przykładzie 3, z tym, że do ogrzewanego termostatycznie reaktora szklanego o pojemności 250 ml, wprowadza się 29,14 g ksylenu, 23,50 g wodnego roztworu (40%) chlorku żelaza III i 93,13 g aniliny. W temperaturze 40-60°C, pod próżnią 80-65 hPa oddestylowuje się wodę, zaś pozostałą zawartość reaktora przenosi się ilościowo do autoklawu ciśnieniowego, wyposażonego w spust dolny, płaszcz grzewczy, mieszadło mechaniczne oraz termopary do mierzenia temperatury wsadu i płaszcza. Do autoklawu wprowadza się drugą aminę -o-toluidynę w ilości 107,17 g oraz 110,11 g hydrochinonu. Temperaturę w reaktorze podnosi się stopniowo, w pierwszym etapie reakcja prowadzona jest przez 30 minut w temperaturze 180°C, po upływie tego czasu temperaturę podnosi się stopniowo do wartości 245°C i utrzymuje na stałym poziomie przez następne 7 godzin. Ciśnienie w tym czasie podnosi się autogenicznie z wartości ok. 0,6 MPa przy temperaturze 180°C do wartości ok. 3,0 MPa przy temperaturze 235°C.
Po zakończonej reakcji, zawartość reaktora chłodzi się do temperatury pokojowej, rozcieńcza i zobojętnia 10% wodnym roztworem węglanu sodu do uzyskania odczynu obojętnego. Następnie pozostałość organiczną ogrzewa się do temperatury 150°C i filtruje się na filtrze ciśnieniowym, w celu odfiltrowania nieorganicznej pozostałości po katalizatorze. W reaktorze szklanym, wykorzystywanym do przygotowania mieszaniny aniliny, ksylenu i katalizatora, pod próżnią 20 hPa oddestylowuje się nadmiar ksylenu w temperaturze 60°C. Produktem reakcji jest N,N'-difenylo-p-fenylenodiamina.
P r z y k ł a d 7
Reakcję prowadzi się tak jak w przykładzie 6, z tym, że do ogrzewanego termostatycznie reaktora szklanego o pojemności 250 ml, wprowadza się 31,50 g ksylenu, 8,05 g wodnego roztworu (40%) chlorku poliglinu (Al2CI(OH)5), 7,55 g wodnego roztworu (40%) chlorku żelaza III i 93,13 g aniliny. W temperaturze 40-60°C, pod próżnią 80-65 hPa oddestylowuje się wodę, zaś pozostałą zawartość reaktora przenosi się ilościowo do autoklawu ciśnieniowego, wyposażonego w spust dolny, płaszcz grzewczy, mieszadło mechaniczne oraz termopary do mierzenia temperatury wsadu i płaszcza. Do autoklawu wprowadza się drugą aminę - o-toluidynę w ilości 107,17 g oraz 110,11 g hydrochinonu. Temperaturę w reaktorze podnosi się stopniowo, w pierwszym etapie reakcja prowadzona jest przez
PL 227 273 B1 minut w temperaturze 180°C, po upływie tego czasu temperaturę podnosi się stopniowo do wartości 240°C i utrzymuje na stałym poziomie przez następne 6 godzin. Ciśnienie w tym czasie podnosi się autogenicznie z wartości 0,6 MPa przy temperaturze 180°C do wartości ok. 3,65 MPa przy temperaturze 240°C.
Po zakończonej reakcji, zawartość reaktora chłodzi się do temperatury pokojowej, rozcieńcza i zobojętnia 10% wodnym roztworem węglanu sodu do uzyskania odczynu obojętnego. Następnie pozostałość organiczną ogrzewa się do temperatury 150°C i filtruje się na filtrze ciśnieniowym, w celu odfiltrowania nieorganicznej pozostałości po katalizatorze. W reaktorze szklanym, wykorzystywanym do przygotowania mieszaniny aniliny, ksylenu i katalizatora, pod próżnią 20 hPa oddestylowuje się nadmiar ksylenu w temperaturze 60°C. Produktem reakcji jest N,N-difenylo-p-fenylenodiamina.