WO2020016120A1 - Method for producing oligomeric compounds by fractional extractive reaction - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for the catalyzed oligomerization of di- or polyfunctional monomers (further text: monomers), the oligomer formed being separated from the monomer and catalyst still present during the reaction.
- monofunctional regulators which, however, only allow the production of oligomers with non-oligomerization-active end groups
- the degree of oligomerization can only be regulated via the conversion.
- the production of oligomers with reactive end groups is therefore usually carried out with a partial conversion. In other words, sales and degree of oligomerization cannot be controlled independently.
- the catalyst or an optionally deactivated catalyst usually remains in the product.
- oligomerization reactions in which the monomers are not only linked to linear macromolecules via addition, condensation or chain reactions of the reactive group (s), but are, for example, formed three-dimensionally (by) crosslinked oligomer structures with the formation of carbo- or heterocycles.
- An example of a reactive group that can react via addition and condensation reactions are isocyanates. Two isocyanate groups can react linearly with uretdione formation or with elimination of CO 2 with carbodiimide formation, while three isocyanate groups can react three-dimensionally cross-linked to form isocyanurate and / or iminooxadiazinedione groups.
- Monomers which contain two or more such reactive groups give, even at low conversions in conventional apparatus, a three-dimensional network which then leads to the gel point being exceeded, which leads to products which are difficult to handle and which may require complex cleaning of the reactor from failed polymer.
- Particularly critical monomers of this type are those with two reactive groups of the same or approximately the same reactivity, the reactivity of which is not or only slightly changed by incorporation into the oligomer.
- Hexamethylene diisocyanate (1,6-HDI) may be mentioned here by way of example, in which the free isocyanate groups of the oligomeric uretdiones, carbodiimides, isocyanurates and / or bninooxadiazinediones show only a slightly changed reactivity towards the isocyanate groups of the monomer.
- the oligomerization leads further via the di- and trimers to oligomers with 3,4,5 etc. (uretdione and / or carbodiimide formation) or 5,7,9,11 etc. (isocyanurate and / or bninooxadiazinedione formation) 1,6 -HDI units in the molecule.
- oligomerization of such diisocyanates to low molecular weight oligomers is generally characterized by a classic consecutive reaction sequence in which a diisocyanate monomer molecule (A) with one (uretdione and / or carbodiimide formation, ideal structures A2) or two other monomer molecules (isocyanurate and / or iminooxadiazinedione formation , Ideal structures A 3 ) reacts.
- Low-monomer oligomers with the highest possible content of dimers or trimers with exactly 2 or 3 monomer units in the molecule and as little higher oligomers as possible are desired. Even small proportions of higher oligomers lead to increased viscosities and a lower (by mass) end group content in the product, which is disadvantageous, for example, for applications in the coating sector. So far, the content of higher oligomers could only be reduced by carrying out the reaction only up to a low conversion. The unreacted monomer was separated, for example by distillation, while the oligomer remained in the residue without a further purification step.
- the oligomerization catalyst usually also remained in the residue. Only by deactivating the catalyst was it possible to provide oligomers with sufficient stability.
- processes are known in which the oligomerization catalyst is separated from the polyisocyanate by distillation together with the monomer to be removed (cf. EP 1533301 and the prior art cited therein).
- No. 4,871,460 discloses how isocyanate prepolymers with free NCO groups are separated from reaction mixtures which contain unreacted excess di- or polyisocyanate monomer. This is done by extracting the reaction mixture with an inert gas, especially carbon dioxide, in either the liquid or supercritical state.
- the highly purified polyisocyanates are suitable for the production of foams, elastomers, adhesives, lacquers and paints.
- No. 5,298,431 describes a multistage process for isolating a cyclotrimerized isocyanate from a mixture which contains this cyclotrimerized isocyanate and higher isocyanate oligomers.
- the method comprises the steps of: (a) contacting the mixture with a liquid solvent to obtain a solvent-containing mixture; (b) extracting the solvent-containing mixture by means of liquid-liquid extraction in order to separate the mixture into an extract and a residue, the extract being a cyclotrimerized isocyanate which is essentially free of oligomers and which further (after separation of the solvent) is one has reduced viscosity compared to the original polyisocyanate mixture; and (c) separating the uncyclotrimerized monomer from the extract to obtain a reduced viscosity trimer product which is substantially monomer free.
- the reduced viscosity product obtained by this process is also described.
- DE 10 2004 06 0131 A1 relates to a process for the preparation of polyisocyanates from diisocyanates and their use.
- the process is a continuous process for the partial trimerization of (cyclo) aliphatic isocyanates in the presence of at least one catalyst and is distinguished in that the process is carried out at least partially in at least two backmixed reaction zones.
- the task was therefore to control the conversion and degree of oligomerization in consecutive reactions independently of one another in such a way that products with a narrower molecular weight distribution are formed with a high proportion of ideal structure in comparison with products of the prior art.
- This object is achieved according to the invention by providing a process in which the oligomerization and separation of the oligomers take place simultaneously by extraction.
- the process according to the invention for the production of oligomeric compounds from the reaction of a monomer with one or more monomers and / or with an oligomer which units are based on this monomer, the monomer and / or the oligomer being selected such that products are formed in the reaction which have at least as many, but preferably a larger number, of polar functional groups than the individual monomer comprises the following steps: a) introducing at least one monomer into an extraction container, which is used for fractional liquid-liquid extraction with a two-phase solvent system pair comprising a first solvent system and a second solvent system, b) reaction of the monomer in the extraction container to form a reaction mixture comprising oligomers; c) fractionated liquid-liquid extraction of the reaction mixture obtained in step b) in the extraction container using the first and second solvent systems, the first solvent system being a linear, branched or cyclic, optionally partially or perfluorinated alkane (preferably all isomeric pentanes, hexanes, Hepta
- a technical advantage of the fractional extractive reaction is the energy saving in comparison with the known methods and the lower temperature load of the oligomers and possibly unreacted monomers, since only solvents have to be converted into the gas phase and not the high-boiling monomers such as diisocyanates.
- the process also enables the catalyst to be recycled in a recycle stream.
- a further energy saving results from the fact that the conversion of the monomer can be driven to higher conversions in comparison with the known methods without the gel point being exceeded. This is due to the separation of the oligomers, in particular the ideal structures, during the reaction and the resulting slowdown or at least partially preventing their further reaction. Turnovers, based on the amount of substance of the monomer used, are possible between 30% and 99.9% or between> 30% and ⁇ 99%. As a result, the amount of recirculated monomer is significantly reduced compared to classic single-stage oligomerization in a homogeneous phase.
- the reaction is carried out up to a conversion of> 10% by weight to 30% by weight, based on the mass of the monomer originally present.
- the monomer and / or the oligomer are preferably selected such that products with the same or a larger number of polar functional groups are formed in the reaction with further monomers.
- Polar functional groups are to be understood here as those groups in which there is an electronegativity difference between 0.5 and 1.7 between two atoms bonded to one another.
- the electronegativity of the atoms is determined according to Pauling and is described, for example, in G. Simons et al., J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, page 7896 tabulated. According to this table, the following electrical negativeities result: C (2.35), H (2.1), N (3.16) and O (3.52).
- polar functional groups are in particular isocyanate groups, epoxy groups, hydroxyl groups, amino groups, carboxyl groups, ester groups, ether groups, urethane groups, urea groups and amide groups.
- the number of polar groups due to the two NCO groups is 2. If the diisocyanate is trimerized to the isocyanurate or iminooxadiazinedione, three terminal NCO groups remain. In this reaction product, the number of polar functional groups contained in a molecule has increased compared to the monomer. A further reaction to the pentamer results in four terminal NCO groups. When a heptamer molecule is formed, there are five terminal NCO groups. When a nonamer molecule is formed, there are six terminal NCO groups.
- Another example of this approach is the reaction of an epoxide (monomer) with an alcohol.
- the number of polar functional groups in the monomer is 1.
- an ether group and a new hydroxyl group are formed, as a result of which the number of polar functional groups is now 2.
- Any further reaction with an epoxy molecule increases the number of polar groups in a molecule by another polar group.
- Another example is the cyclization of two molecules containing NCO groups and one molecule of CO2.
- two molecules of hexamethylene diisocyanate (1,6-HDI) and one molecule of CO2 react to form 3,5-di (6-isocyanatohexyl) -l, 3,5-oxadiazinane-2,4,6-trione, with two terminal NCO groups and a 1,3,5-oxadiazinane-2,4,6-trione ring are formed.
- Each further reaction with an isocyanate and a CO2 molecule increases the number of polar groups in a molecule by another polar 1,3,5-oxadiazinane-2,4,6-trione ring.
- extraction columns with dynamic or static mixing elements can be used or stirred tank cascades with various integrated or separated mixing and phase separation devices.
- the polar and the non-polar solvent of the two immiscible solvents forming the two-phase system are conducted in countercurrent to one another, the ratio of the phases being chosen so that the reactants and preferably catalysts are transported to one side of the apparatus and the products to the other side ,
- the monomers and, if appropriate, the catalyst or a mixture of different catalysts can be metered in separately or with no solvent at all points in the column or stirred tank cascade, but preferably in the middle range which corresponds to> 40% to ⁇ 60% of the number of trays of the total apparatus. If solvents are used for metering the monomers and, if appropriate, the catalyst or a mixture of different catalysts, one or both of the solvents which form the two-phase system are preferably used.
- the first, non-polar solvent system is metered at the end to which the more polar partner of the pair of monomer-oligomer, here the oligomer, is transported.
- the polar, second solvent system is metered at the end to which the less polar partner of the pair of monomer-oligomer, here the monomer, is transported.
- the solvent systems do not have to be metered directly at one end of the apparatus for multiplicative distribution, but can also take place up to a distance which corresponds to ⁇ 25% of the number of trays of the total apparatus.
- the solvent system pair forms two phases if a phase boundary between the two liquid phases can be seen with the naked eye.
- the first and the second solvent system each contain a solvent such that the two pairs of solvent systems show a miscibility gap within a certain temperature range.
- the first and second solvent systems can each be present as mixtures of solvents, so that the two pairs of solvent systems show a miscibility gap within a certain temperature range.
- the more polar, second solvent system has a miscibility gap with the nonpolar first solvent system.
- first and second solvents originally present in pure form partially mix with one another, as a result of which a first solvent system with the first solvent as main component and the second solvent as secondary component and a second solvent system with the second solvent as main component and the first solvent is obtained.
- first solvent system with the first solvent as main component and the second solvent as secondary component and a second solvent system with the second solvent as main component and the first solvent is obtained.
- phase boundary between the first and second solvent systems is also included.
- the volume ratio of the first to the second solvent system in the apparatus which is used to carry out the fractional liquid-liquid extraction according to the invention with the aid of methods of multiplicative distribution, can for example be> 1: 1 to ⁇ 50: 1 and preferably> 5: 1 up to ⁇ 10: 1.
- the amount of monomer metered in should be such that the two-phase nature of the solvent system pair is not eliminated, since in certain cases the monomer can also act as a phase mediator.
- the concentration of the monomer should be chosen as high as possible in order to accelerate the reaction and to enable a high space-time yield.
- the reaction temperature can be, for example, in a range from> 20 ° C to ⁇ 180 ° C and preferably from> 40 ° C to ⁇ 120 ° C.
- the reaction temperature is too take into account that the miscibility gap in the quaternary system consisting of the first solvent system, second solvent system, monomer and oligomer is generally reduced by higher temperatures and the reaction rate is reduced by the then lower possible maximum concentration of monomer.
- the reaction is accelerated by higher temperatures, the boiling point of the solvent mixture being limiting when working at normal pressure.
- the optimal reaction temperature is therefore a compromise and has to be determined experimentally for each reaction system consisting of monomer (s), non-polar first solvent system, more polar second solvent system and catalyst.
- the oligomer can be separated from the solvent of the more polar second solvent system by distilling off the solvent, by demixing, which can be achieved, for example, by cooling the mixture, by a subsequent extraction process or by membrane processes.
- demixing which can be achieved, for example, by cooling the mixture, by a subsequent extraction process or by membrane processes.
- the same measures can be used to separate the catalyst and any unreacted monomer from the solvent of the less polar first solvent system.
- the monomer is a monomolecular, dimolecular or trimolecular di- or polyisocyanate.
- an oligomerization of the isocyanate groups takes place in step (b). This is preferably a trimerization (isocyanurate and / or hninooxadiazinedione group formation).
- Suitable starting materials for the oligomerization are, for example, hexamethylene diisocyanate (1,6-HDI), 1,8-octane diisocyanate, 4-isocyanatomethyl-1, 8-octane diisocyanate, 1,10-decane diisocyanate, 1,11-undecane diisocyanate, 1,12-dodecane diisocyanate, 2-methyl-l, 5-diisocyanatopentane, 1,3- and 1,4-cyclohexane diisocyanate, norbornane diisocyanate, 1,3- and 1,4-bisisocyanatomethylcyclohexane,
- 1,3- and 1,4-bis (isocyanatoethyl) cyclohexane, 2,4- and 4,4-diisocyanatodicyclohexylmethane, 1-isocyanato-l-methyl-4 (3) -isocyanatomethylcyclohexane (IMCI), isophorone diisocyanate (IPDI), 1,3 - And 1,4-bis (isocyanatomethyl) benzene, 2,2,4-trimethyl-1,6-hexamethylene diisocyanate, 2,4-tolylene diisocyanate (TDI), 2,6-TDI, 4,4-diphenylmethane diisocyanate (MDI), 4,2-MDI, 1,3- and
- Diisocyanatodiphenyl ether and / or 1,5-diisocyanatonaphthalene Diisocyanatodiphenyl ether and / or 1,5-diisocyanatonaphthalene.
- monoisocyanates such as, for example, methyl, ethyl, 1- and / or 2-propyl, butyl (all isomers), pentyl (all isomers) and / or hexyl isocyanates (all isomers) and their higher can also be used in the educt mixture
- Homologues may be present individually or in any mixture with one another and with the di- and triisocyanates mentioned above.
- the monomeric isocyanate is 1,6-hexamethylene diisocyanate. Its trimers can be used for a wide range of applications, particularly in the production of polyurethane coatings. With the exception of technically unavoidable impurities, only 1,6-hexamethylene diisocyanate is preferably present in the isocyanate used.
- the monomer is an alkylene oxide and reacts with an alcohol in step b).
- Suitable alkylene oxides are, in particular, ethylene oxide and propylene oxide.
- Long-chain primary alkanols (for example fatty alcohols) are preferably used as alcohols.
- the first and second solvent systems are conducted in countercurrent to one another.
- the extraction container is designed as a packed column or pulsed or non-pulsed sieve plate column, in a further embodiment as a multistage mixer-separator system (mixer-settler apparatus).
- the second solvent system is separated off, optionally cleaned of oligomer, catalyst and unreacted monomer, and reintroduced into the extraction container. In this way, a cycle process can be implemented for the second solvent system.
- the first solvent system is separated off after step c), if appropriate from catalyst, oligomer and unreacted monomer cleaned and reintroduced into the extraction container.
- this comprises the steps: e) removing a stream comprising the first solvent system and the monomer not reacted in step b) from the extraction container; f) separation of the first solvent system from the unreacted monomer; g) introducing the first solvent system obtained in step f) into the extraction container; and h) introducing the unreacted monomer obtained in step f) into the extraction container.
- this further comprises the steps: i) removing a stream of material from the extraction container, the stream of material removed in this way containing the second solvent system and being free of products from the reaction in step b), followed by feeding this stream of material back directly a location of the extraction container different from its removal; and / or k) removing a stream of material from the extraction container, the stream of material removed in this case containing the first solvent system and being free of monomers, followed by separating off any catalyst which may be present and feeding this stream of material back to a location of the extraction container which is different from its removal.
- solvent systems can be achieved without further separation operations. This reduces the energy requirement of the overall process.
- free of products and “free of monomers” mean that technically unavoidable residues are included.
- the solvent systems may contain up to 1% by weight of other components in addition to the solvents.
- the direct feed back means in particular that the material flows are not subjected to distillation.
- Any catalysts present in the first solvent system can, for example, by means of a distillation device or via reversible adsorption be separated from an adsorbent and fed back to the reaction mixture for step b) of the process according to the invention.
- the material stream containing the second solvent system is fed in directly at a point on the extraction container which, viewed in the direction of release of the second solvent system, lies within the extraction container upstream of the removal point of this material stream.
- the first solvent system comprises linear, branched and / or cyclic alkanes, such as, for example, “-hexane, n-heptane, ao-octane, cyclohexane and / or hexadecane
- the second solvent system comprises acetonitrile.
- the preferred content of 1,6-HDI in the area of the feed point lies in the reactive extraction apparatus between 5 and 40% by weight. Furthermore, reaction temperatures between 20 ° C and 70 ° C, preferably 30 ° C and 60 ° C, have proven to be advantageous.
- the oligomerization reaction in step b) of the process according to the invention usually takes place in the presence of a catalyst, even if a purely thermally induced reaction is possible. In the case of oligomerization of isocyanate monomers, depending on the selected temperature, it generally leads to uretdione groups (lower reaction temperature) or carboxiimide / uretonimine group-containing polyisocyanates (very high reaction temperature). The latter is not preferred in the present process.
- the so-called isocyanate trimerization with the formation of isocyanurate and / or iminooxadiazinedione groups generally requires the use of special catalysts.
- Examples of such catalysts for the isocyanate trimerization are onium salts of phosphorus, nitrogen, sulfur or of nitrogen heterocycles such as imidazole, triazole and tetrazole with counterions, which anions of acids with a pK a value below 4.5, preferably below 3.5 are.
- Preferred counterions are aliphatic or aromatic carboxylates or alcoholates, such as acetate, propionate, 3,3,3-trifluoropropionate, butyrate, capronate, octanoate, laurate, palmitate, stearate, isobutyrate, ethylhexanoate, pivalate, neodecanoate, phenolate, cresylate.
- Small anions such as fluoride, hydrogen (di- and poly) fluoride, hydroxide are also suitable.
- cyclic phosphines with substituents from the group consisting of linear or branched alkyl, cycloalkyl and alkenyl, linear or branched alkyl and cycloalkyl substituents being preferred.
- polycyclic phosphorus-containing heterocycles which are formed when radicals are attached to cyclooctadiene by free radicals.
- the common name for such phosphines is Phobane.
- Suitable catalytically active groups are also nitrogen heterocycles such as imidazoles, triazoles and tetrazoles.
- a preferred class of catalysts for isocyanate trimerization is based on polyhedral oligomeric silsesquioxanes, which will be explained in more detail below.
- the reaction in step b) takes place in the presence of a catalyst and the catalyst is selected such that a greater proportion is present in the first solvent system than in the second solvent system.
- the monomers are less polar than the oligomers and are therefore more strongly represented in the non-polar phase (first solvent system), at least relative to the oligomers.
- Catalyst-free oligomers can be obtained by the fractional reactive extraction method if the catalysts can be separated from the oligomers together with the monomers. To do this, they must at least be more strongly represented in the monomer-rich phase than the oligomers, preferably even more strongly than the monomer.
- the partition coefficient K x «-heptane / x acetomet rii of 1.6-HDI 0.189 and that of the trimeric isocyanurate (ideal structure) is 0.038.
- the catalyst should therefore have a distribution coefficient greater than 0.038, preferably greater than 0.189.
- the more the catalyst partitions into the non-polar first solvent system i.e. the greater the partition coefficient of the catalyst, the more selectively the oligomerization can be stopped at the level of the ideal structure, since then there is more catalyst in the monomer-rich phase and less in the oligomer-rich phase, where it favors the undesired further reaction of the oligomers .
- the monomer can be represented in both phases, in the case of 1,6-HDI in the preferred solvent system pair n-heptane / acetonitrile, 1,6-HDI also partitions more strongly into the polar phase, only not as pronounced as that oligomer. It is therefore advantageous for the space-time yield if the catalyst is also in the polar phase.
- a particularly favorable compromise is generally present when the partition coefficient of the catalyst between the first solvent system and the second solvent system is> 0.19 to ⁇ 9 and the catalyst in the first solvent system is therefore compared in> 0.19 times to ⁇ 9 times the amount with the second solvent system.
- the distribution coefficient is preferably> 0.50 to ⁇ 4.
- the catalyst is advantageously used in a proportion of 0.1% by weight to ⁇ 35% by weight, based on the amount of monomer used. A proportion of 5% by weight to ⁇ 30% by weight is particularly favorable. Because the catalyst can be separated off and recycled in the process according to the invention, high catalyst contents can be used expediently.
- step (b) no deactivation of the catalyst is carried out after step (b).
- Deactivation here means in particular the addition of a catalyst poison or a substance which reacts chemically with the catalyst.
- Preferred catalysts for the isocyanate trimerization with high solubility in the non-polar solvent system are representatives of the proazaphosphatranes such as 2,8,9-trialkyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane, 2.8 , 9-tricycloalkyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane or 2,8,9-triaralkyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3. 3] undecane, the substituents in the 2-, 8- and 9-position being the same or different could be.
- C1-C10 radicals which can be linear or branched, preferably branched, come as alkyl substituents, C4-C12 radicals which can in turn be substituted by alkyl radicals and cycloalkyl radicals and benzyl radicals which in turn can be substituted by alkyl or alkoxy radicals Question.
- the catalyst preferably comprises 2,8,9-tri-o-methoxybenzyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane, 2,8,9-tricyclopentyl-2,5,8, 9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane, 2,8,9-triisopropyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane and / or 2.8, 9-Tn-.yer-butyl-2,5,8,9-tetraa / .a- 1 -phosphabicyclo [3.3.3] undecane.
- the latter compound is shown as an example in the following formula:
- Preferred catalysts for the isocyanate trimerization with high solubility in the non-polar solvent system include polyhedral oligomeric silsesquioxanes of the general formula (I):
- RI, R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 are independently selected from groups (Ia) and / or (Ib) with the proviso that at least one of the radicals RI, R2, R3, R4, R5 , R6, R7 and R8 is selected from group (Ib): (La): alkyl, cycloalkyl, aryl, heteroaryl, heterocyclyl, alkenyl, alkynyl, perfluoroaryl,
- A ortho-, meta- or para-C ö R t , where R has the meaning given above;
- R9 N (R10) (R11), P (R10) (R11), N (R10) (R11) (R12) X, P (R10) (R11) (R12) X,
- RIO, RI 1 and RI 2 are independently alkyl or aryl
- X is carboxylate, alcoholate, hydrogen carbonate, or carbene and M is ammonium, phosphonium, an alkali or alkaline earth metal cation.
- Such catalysts are particularly suitable for the trimerization of monomeric polyisocyanates such as 1,6-HDI to isocyanurates.
- This choice of the catalyst is based on the knowledge that its solubility or its distribution coefficient can be influenced in a two-phase system by a modular structure consisting of a non-polar partial structure and a catalytically active partial structure.
- the non-polar and the catalytically active partial structure can carry opposite ionic charges and be held together by means of electrostatic interactions. It is also possible for the two substructures to be connected to one another by a covalent bond.
- the non-polar partial structure of the catalyst is formed in the present invention by the substituted silsesquioxane structure.
- the catalytically active substructure is bound via one or more substituents as described above.
- the catalytic partial structure comprises an ionic or non-ionic nucleophile that catalyzes the starting oligomerization.
- Non-ionic catalytically active partial structure is given if one or more of the substituents RI to R8 are - (CH2) n -P (alkyl) 2.
- the exocyclic Si-substituted substituents R2 to R8 which are not substituted by catalytically active substructures are preferably ao-butyl, cyclohexyl and / or ao-octyl groups, particularly preferably ao-butyl groups, both in the ionic and in the nonionic case ,
- the substituent R9 is a further substituent according to formula (I).
- the fact that the distribution of the catalyst in a two-phase system can be influenced means that a process can be carried out which, instead of exclusively separating the starting material by distillation, permits extraction which takes place at the same time as the catalyzed reaction or is carried out downstream of the catalyzed reaction.
- a process can be implemented in which the catalyst and the starting material are preferably in the non-polar phase and the oligomeric polyisocyanate is preferably in the polar phase. To obtain the desired oligomer, only the polar solvent has to be distilled off after phase separation. Reactive extraction processes can also be implemented.
- Alkyl acyclic aliphatic hydrocarbon residues that do not contain any C-C multiple bonds.
- Alkyl is preferably selected from the group consisting of methyl, ethyl, propyl, 2-propyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, isobutyl, n-pntyl, a-pentyl, Pentyl, nI Iexyl, nI Ieptyl, n-octyl, n-nonyl and / or n-decyl.
- Cycloalkyl cyclic aliphatic (cycloaliphatic) hydrocarbons with in particular 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 carbon atoms, where the hydrocarbons can be saturated or unsaturated (but not aromatic), unsubstituted or mono- or polysubstituted.
- the cycloalkyl radicals can furthermore be bridged once or several times, for example in the case of adamantyl, bicyclo [2.2.1] heptyl or bicyclo [2.2.2] octyl.
- Cycloalkyl is preferably selected from the group comprising cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclononyl, cyclodecyl, adamantyl, cyclopentenyl, cyclohexenyl, cycloheptenyl and / or cyclooctenyl.
- Alkenyl acyclic aliphatic hydrocarbon radicals which have at least one CC double bond.
- Alkenyl is preferably selected from the group comprising ethenyl (vinyl), propenyl, butenyl, pentenyl, hexenyl, heptenyl, octenyl, nonenyl and / or decenyl.
- Alkynyl acyclic aliphatic hydrocarbon radicals which have at least one C-C triple bond.
- Alkynyl is preferably selected from the group comprising ethynyl, propynyl, butynyl, pentynyl, hexynyl, heptynyl, octynyl, nonynyl and / or decynyl.
- Aryl aromatic hydrocarbons with up to 14 ring members, especially phenyls and naphthyls. Each aryl radical can be unsubstituted or mono- or polysubstituted, and the aryl substituents can be the same or different and can be in any and possible position of the aryl.
- Aryl is preferably selected from the group containing phenyl, 1-naphthyl and 2-naphthyl, which can each be unsubstituted or substituted one or more times.
- a particularly preferred aryl is phenyl, unsubstituted or mono- or polysubstituted.
- Heteroaryl a 5- or 6-membered cyclic aromatic radical which contains at least 1, optionally also 2, 3, 4 or 5 heteroatoms, where the heteroatoms are each independently selected from the group S, N and O and the heteroaryl Radical may be unsubstituted or mono- or polysubstituted; in the case of substitution on the heteroaryl, the substituents can be identical or different and can be in any desired position of the heteroaryl.
- the heteroaryl radical is selected from the group consisting of benzofuranyl, benzoimidazolyl, benzothienyl, benzothiadiazolyl, benzothiazolyl, benzotriazolyl, benzooxazolyl, benzooxadiazolyl, quinazolinyl, quinoxalinyl, carbazolyl, quinoluryl, furlylenzylyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, dibenzylyl, furlylenzylyl, dibenzylyl, furlenzylyl, dibenzylyl, furl , furl, furlenzylyl, dibenzylyl, furl , furl, furl, furl, furl, furl, furl, furl, furl, furl, furl, furl, furl,
- Heterocyclyl radicals from the group comprising azetidinyl, aziridinyl, azepanyl, azocanyl, diazepanyl, dithiolanyl, dihydroquinolinyl, dihydropyrrolyl, dioxanyl, dioxolanyl, dioxepanyl, dihydroindenyl are preferred Dihydropyridinyl, hydropyridinyl dihydrofuranyl, dihydroisoquinolinyl, Dihydroindolinyl, dihydroisoindolyl, imidazolidinyl, isoxazolidinyl, morpholinyl, oxiranyl, oxetanyl, pyrrolidinyl, piperazinyl, 4-methylpiperazinyl, piperidinyl, pyrazolidinyl, pyranyl, tetrahydropyrrolyl, tetrahydropyranyl
- Perfluoroaryl aryl radicals as defined above, where all aromatically bound hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
- Perfluoroalkenyl alkenyl radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
- Perfluoroalkynyl alkynyl radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
- Alkoxy alkyl group attached via an oxygen atom as defined above.
- Perfluoroalkyl alkyl radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
- Perfluoroalkoxy alkoxy radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
- Polyoxyalkylene polyether groups obtained from the polymerization of alkylene oxide units, in particular polymers, copolymers and block copolymers of ethylene oxide and propylene oxide.
- Carboxylate salts of carboxylic acids, especially of alkyl and aryl carboxylic acids.
- X is selected from the group comprising
- Catalyst 8 (SQ + 2,6-bis (l, l-dimethylethyl) -4-methylphenyl-0)
- 1,6-diisocyanatohexane 1,6-diisocyanatohexane
- 1,6-HDI 1,6-diisocyanatohexane
- 1,6-HDI 1,6-diisocyanatohexane
- isocyanurate of 1,6-HDI 1,3,5-tris (6-isocyanatohexyl) -1,3,5 -triazinane-
- 1.6-HDI trimer and higher oligomers in a ratio of 63.05% by weight 1.6-HDI trimer ("A3"), 21.00% by weight 1.6-HDI pentamer ("A5"), 8, 76% by weight 1,6-HDI heptamer (“A7”) and 7.19% by weight 1,6-HDI nonamer (“A9”).
- 1- (2-Methoxyphenyl) piperazine (MPP) was used as the internal standard for HPLC chromatography.
- 2,8,9-Tri-.vec-butyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane (TTPU) was also used.
- the concentrations of 1,6-HDI, trimer and higher oligomers were determined by HPLC chromatography.
- 0.1 g of the sample to be measured was diluted to a volume of 5 ml with acetonitrile. From this solution, 0.5 ml was diluted to a volume of 5 ml with acetonitrile.
- 0.1 ml of this solution was mixed with 0.4 ml of a solution of 250 mg of MPP in 50 ml of acetonitrile and 0.5 ml of a solution of 4.07 g of dichlorobenzene in 391.53 g of acetonitrile. The solution was shaken for 30 seconds.
- the HPLC method was calibrated with solutions of pure 1,6-HDI and the isocyanurate of 1,6-HDI.
- the symmetrical and the asymmetrical 1,6-HDI trimer were integrated together.
- the same response factor was assumed for the higher oligomers as for 1,6-HDI trimer.
- SQ + is used to describe the catalyst for the silsesquioxane cation, in which R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 are ao-butyl and RI for - (C 11 p - P ( «- B u ty I) 3.
- R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 are ao-butyl and RI for - (C 11 p - P ( «- B u ty I) 3.
- An example of this name is the acetate SQ + CH 3 COO-.
- the final product SQ + CI LCCXV was obtained after removal of the solvent in a partial vacuum and characterized by means of high-resolution mass spectroscopy, infrared spectroscopy, X-ray fluorescence analysis (RLA) and multi-core NMR spectroscopy, whereby in the respective proton and carbon spectra those in the figure with letters identified groups were clearly assigned by comparison with literature data based on displacement and integral.
- the mass spectra were measured by electrospray ionization on a Thermo Lisher Scientific Orbitrap XL.
- the samples were dissolved in CHCL, the solution was diluted with MeOH (containing 0.1% acetic acid) and injected into the ESI source system via the direct inlet using a syringe pump (electrospray voltage 4 kV, current 0.7 mA, volume flow Sheath Gas 5 arb, volume flow shock gas 5 arb, capillary temperature 300 ° C, capillary voltage 0.05 V, tube lens voltage 150 V).
- the detection was carried out with an Orbitrap ion trap.
- the infrared spectra were measured on a Bruker alpha FT-fR spectrometer, the samples in each case being applied in bulk to the ATR crystal.
- the spectra were measured in the range from 4000 to 400 cm 1 with a resolution of 4 cm 1 by averaging 32 individual spectra against air as the background spectrum (averaging 100 individual spectra).
- the ICP analysis was carried out on an ICP-MS-HR Element2 equipped with an ECM detector using argon as cooling, auxiliary, carrier and additional gas, generator power 1200 - 1600 watts, masses: 31 P, 29 Si, quantification via external Calibration with rhodium as an internal standard.
- the 31 P ⁇ 1 H ⁇ NMR spectra were measured at 161.9 MHz in CDCI3 on a Bruker AV400 Ultrashield.
- the 11 NMR spectra were measured at 400 MHz in CDCI3 with a Bruker AV400.
- 3 C ⁇ 1 11 ⁇ NMR spectra were measured at 100.6 MHz in CDCI3 with a Bruker AV400 Ultrashield.
- signals with positive polarity were assigned to quaternary C atoms or CEb groups, signals with negative polarity to CH or CH3 groups.
- the type of splitting is specified as a singlet (s), two singlets (2xs), three singlets (3xs), doublet (d), triplet (t), multiplet (m) or broad signal (b).
- the silicon and phosphorus content was determined by ICP analysis to be 17.0% by weight Si (theoretically: 20.1%) and 2.1% by weight P (theoretically: 2.8%).
- Table 1-lb Chemical shift and assignment of the characteristic signals for catalyst 1 (SQ + CHs-COO) in the 3 C f 1 11 ⁇ NMR spectra.
- FIG. 1 shows the arrangement of the glass vessels in Example 1
- FIG. 2a the concentration profile of the non-polar phases from Example 1
- FIG. 2b the concentration profile of the polar phases from example 1
- FIG. 3a a simulation of a concentration profile in non-polar phases
- FIG. 3b a simulation of a concentration profile in polar phases
- FIG. 4a the concentration profile of the non-polar phases from example 3.
- FIG. 4b the concentration profile of the polar phases from example 3.
- FIG. 5 shows a reaction method with a fractional extractive reaction
- FIG. 6a and 6b further reaction processes with fractional extractive reaction.
- fractionated extraction was demonstrated using the following procedure: First, 15 mF n-I Ieptane and 2.5 mF anhydrous acetonitrile were equilibrated at 60 ° C in 15 glass vessels. The glass vessels were numbered 1 to 15. A cyclic process was then repeated 40 times:
- the liquid-liquid equilibrium parameters in such a model were trimer for the system acetonitrile / nI ieptane / l, 6- 1, 6-111) 1/1, 6- 1, 6- 111) experimentally determined at 60 ° C.
- the phase diagrams for the ternary systems n-heptane / acetonitrile / 1,6-HDI, n-heptane / acetonitrile / 1, 6-HDI trimer, and nI ieptane / 1, 6- 111) 1/1, 6- 1 IDI-Tri cr determined at a temperature of 60 ° C via turbidity titration.
- Ternary mixtures of acetonitrile, 1,6-HDI and 1,6-HDI trimer are miscible in the entire range and form only one phase.
- the partition coefficient K x «-HePtan / x Acetomt rii is calculated from 1,6-HDI to 0.127 at 30 ° C and 0.189 at 60 ° C. 1,6-HDI is therefore preferably soluble in the acetonitrile-rich phase.
- x A - (0.07067 x T + 18.90040)
- the partition coefficient K x «-heptane / x acetonit rii of 1.6-HDI trimer is calculated to be 0.0094 at 30 ° C and 0.038 at 60 ° C. 1,6-HDI trimer is therefore preferably soluble in the acetonitrile-rich phase.
- the partition coefficient for the higher oligomers was set equal to the partition coefficient of the 1,6-HDI trimer.
- the mass transition parameters for monomer, trimer, pentamer, heptamer and nonamer were estimated from the diffusion coefficients known from the literature to be 0.75, 0.39, 0.29, 0.23 and 0.20 min 1 , respectively.
- FIG. 2a upper, nIcptan-rciche phase
- FIG. 2b lower, acetonitrile-rich phase
- the x-axes indicate the number of the respective vessel and the y-axes the mass fraction M of the respective component in the non-polar phase (M u ) and polar phase (M p ).
- Rectangles () for the measured values and the upper line for the result of the simulation with regard to vessel number 1 are assigned to the 1,6-HDI trimer ("A3").
- Rectangular rectangles ( ⁇ ) and the bottom line with regard to vessel number 1 are assigned according to the monomeric 1,6-HDI ("A").
- the simulations from Example 1 were additionally carried out with 1% by weight (based on the amount of 1,6-HDI originally used) of a catalyst which is distributed predominantly in the n-heptane-rich phase.
- the distribution coefficient of the catalyst SQ + CI LCCX L was determined experimentally by dissolving 0.100 g of the catalyst obtained as described above in a mixture of nI ieptane (5 g) and acetonitrile (5 g). The mixture was heated to 60 ° C with stirring for 2 hours. The stirrer was then switched off and the two phases were separated. 1 g solution was obtained from each phase removed, the solvent removed and the remaining residue weighed.
- the partition coefficient K x «- HePtan / x Acetomt rii is calculated as the ratio of the measured amount of the catalyst dissolved in the n-heptane phase and the measured amount of the catalyst dissolved in the acetonitrile phase 0.74.
- the distribution coefficient of the catalyst TTPU was also determined experimentally by dissolving 0.103 ml of TTPU in a mixture of nI ieptane (5 g) and acetonitrile (5 g). The mixture was heated to 60 ° C with stirring for 2 hours. The stirrer was then switched off and the two phases were separated. 1 g of solution was removed from each phase, the solvent was drawn off and the remaining residue was weighed.
- the mass fraction of the catalyst is shown by the dashed line.
- the curves for the 1,6-HDI and the 1,6-HDI trimer correspond to those from FIG. 2a and 2b. It can be seen that the catalyst is distributed towards vessel number 15 and can thus be separated from the product, the 1,6-HDI trimer.
- FIG. 4a shows the mass fractions in the non-polar phase and FIG. 4b in the polar phase.
- FIG. 4a and 4b as solid or different dashed lines, results of simulations of the concentration profile of the individual components. It can be seen that the catalyst follows the nI icptan and is driven completely towards the raffinate (vessel number 15). In this way, the catalyst can be separated from the product. It can also be seen how unreacted monomer can be separated from the reaction mixture and is thus available for a continuous reaction process.
- the distribution of the catalyst SQ + CI ECOCT was investigated experimentally.
- the extract and the raffinate from Example 4 after the 40th cycle were analyzed for the presence of silicon and phosphorus using ICP analysis. 0.0084% by weight of Si and 0.0009% by weight of P were found in the raffinate. In contrast, the extract had 0.0380% by weight of Si and 0.0038% by weight of P. In the extract there is a 4.4 times higher catalyst concentration than in the raffinate. Evidence of the enrichment of the catalyst in the extract was thus provided.
- FIG. 5 schematically shows a reaction method with a fractional extractive reaction.
- the trimerization of 1,6-HDI is explained using this figure as an example.
- Stream 1 with 1,6-HDI monomer and a trimerization catalyst is introduced into the central region of the extraction column 2.
- the extraction column 2 is designed as a multi-stage mixer-separator system operated in countercurrent for a liquid-liquid extraction. Acetonitrile is passed through the column from top to bottom, following gravity. N-I Icptan is led from bottom to top.
- column 2 there is now an enrichment of 1,6-HDI and the catalyst in the n-I ieptane-rich phase analogously to Example 3.
- the catalyst is selected such that it is partitioned more strongly than 1,6-HDI in the n-I ieptane-rich phase, but can also still be present in the acetonitrile-rich phase.
- the extract containing 1,6-HDI thus obtained is removed as stream 3 from the upper region of column 2 and introduced into the solvent recovery unit 4.
- the nI ieptane-rich phase is distilled off in the solvent recovery unit 4.
- the recovered 1,6-HDI together with the catalyst is re-entered as stream 6 in the middle area of the extraction column 2.
- the distilled-off non-polar solvent is fed back to the lower end of the extraction column 2 as stream 5. Due to its higher polarity, the 1,6-HDI trimer is enriched in the acetonitrile-rich phase. This is withdrawn at the bottom of column 2 as stream 7 and introduced into the solvent recovery unit 8.
- the polar solvent is distilled off and fed as stream 9 to the upper end of column 2.
- the 1,6-HDI trimer obtained after the distillation is removed as product stream 10.
- FIG. 6a and 6b schematically show one of the previously in connection with FIG. 5 discussed reaction processes analogous process with internal solvent recovery.
- the trimerization of 1,6-HDI is also explained here as an example.
- Stream 1 with 1,6-HDI monomer and a trimerization catalyst is introduced into the central region of the extraction column 2.
- the extraction column 2 is designed as a multi-stage mixer-separator system operated in countercurrent for a liquid-liquid extraction. Acetonitrile is passed through the column from top to bottom, following gravity. N-I Ieptau is led from bottom to top.
- the catalyst is selected such that it is partitioned more strongly than 1,6-HDI in the n-Ictau-rciche phase, but can also still be present in the acetonitrile-rich phase.
- the extract containing 1,6-HDI thus obtained is removed as stream 3 from the upper region of column 2 and introduced into the solvent recovery unit 4.
- the solvent recovery unit 4 the n-Ictau-rciche phase is distilled off.
- the recovered 1,6-HDI together with the catalyst is re-entered as stream 6 in the middle area of the extraction column 2. Furthermore, the distilled-off non-polar solvent is fed back to the lower end of the extraction column 2 as stream 5.
- the 1,6-HDI trimer Due to its higher polarity, the 1,6-HDI trimer is enriched in the acetonitrile-rich phase. This is drawn off in the lower region of column 2 as material stream 7 and introduced into the solvent recovery unit 8. The polar solvent is distilled off and fed as stream 9 to the upper end of column 2. The 1,6-HDI trimer obtained after the distillation is removed as product stream 10. In the in FIG. 6a, the fact that an acetonitrile phase is present at the lower end of column 2, which is essentially free of further constituents, is also used. Then, bypassing the solvent recovery unit 8 in an internal recycling process, the material stream 11 can be fed directly onto the upper end of the column 2.
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Abstract
The invention relates to a method for producing oligomeric compounds from the reaction of a monomer with one or more monomers and/or with an oligomer comprising units based on said monomer. The monomer and/or the oligomer are selected such that in the reaction products are formed that have a greater number of polar functional groups than the individual monomer. The method comprises introducing at least one monomer into an extraction container, which is designed for fractional liquid-liquid extraction with a pair of solvent systems forming two phases, comprising a first solvent system and a second solvent system. Preferably, polyisocyanates are converted into the trimeric isocyanurates.
Description
Verfahren zur Herstellung von oligomeren Verbindungen durch fraktionierte extraktive Reaktion Process for the preparation of oligomeric compounds by fractional extractive reaction
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalysierten Oligomerisierung di- oder polyfunktioneller Monomerer (im weiteren Text: Monomere), wobei das gebildete Oligomer während der Umsetzung extraktiv von noch vorhandenem Monomer und Katalysator separiert wird. The present invention relates to a process for the catalyzed oligomerization of di- or polyfunctional monomers (further text: monomers), the oligomer formed being separated from the monomer and catalyst still present during the reaction.
Die katalysierte Oligomerisierung von di- oder höherfunktionellen Monomeren in Batch-Reaktoren oder kontinuierlichen Reaktoren, wie zum Beispiel Pfropfströmungsreaktoren, führt bei steigendem Umsatz zu Produkten mit exponentiell ansteigender Viskosität. Der Oligomerisierungsgrad kann abgesehen vom Einsatz monofunktioneller Regler, die aber nur die Herstellung von Oligomeren mit nicht oligomerisierungsaktiven Endgruppen ermöglichen, nur ü den Umsatz geregelt werden. Für die Herstellung von Oligomeren mit reaktiven Endgruppen wird daher in der Regel bei einem Teilumsatz gearbeitet. Mit anderen Worten, Umsatz und Oligomerisierungsgrad können nicht unabhängig voneinander gesteuert werden. Ferner verbleiben meist der Katalysator oder ein gegebenenfalls deaktivierter Katalysator im Produkt. The catalyzed oligomerization of di- or higher-functional monomers in batch reactors or continuous reactors, such as, for example, graft flow reactors, leads to products with exponentially increasing viscosity with increasing sales. Apart from the use of monofunctional regulators, which, however, only allow the production of oligomers with non-oligomerization-active end groups, the degree of oligomerization can only be regulated via the conversion. The production of oligomers with reactive end groups is therefore usually carried out with a partial conversion. In other words, sales and degree of oligomerization cannot be controlled independently. Furthermore, the catalyst or an optionally deactivated catalyst usually remains in the product.
Besondere Beachtung verdienen Oligomerisierungsreaktionen, bei denen die Monomere über Additions-, Kondensations- oder Kettenreaktionen der reaktiven Gruppe(n) nicht nur zu linearen Makromolekülen verknüpft werden, sondern beispielsweise unter Bildung von Carbo- oder Heterocyclen dreidimensional (an)vernetzte Oligomerstrukturen ausgebildet werden. Ein Beispiel für eine reaktive Gruppe, die über Additions- und Kondensationsreaktionen reagieren kann, sind Isocyanate. Zwei Isocyanatgruppen können linear unter Uretdionbildung oder unter Abspaltung von CO2 unter Carbodiimidbildung miteinander reagieren, während drei Isocyanatgruppen dreidimensional vernetzt unter Bildung von Isocyanurat- und/oder Iminooxadiazindiongruppen miteinander reagieren können. Entsprechendes gilt für andere Monomere mit reaktiven Heterokumulenen als Endgruppen wie Cyanatgruppen, Thioisocyanatgruppen, Thiocyanatgruppen oder Carbodiimidgruppen sowie Monomere mit Dreifachbindungshaltigen Endgruppen wie Acetylene, Nitrile oder Isonitrile. Particular attention should be paid to oligomerization reactions, in which the monomers are not only linked to linear macromolecules via addition, condensation or chain reactions of the reactive group (s), but are, for example, formed three-dimensionally (by) crosslinked oligomer structures with the formation of carbo- or heterocycles. An example of a reactive group that can react via addition and condensation reactions are isocyanates. Two isocyanate groups can react linearly with uretdione formation or with elimination of CO 2 with carbodiimide formation, while three isocyanate groups can react three-dimensionally cross-linked to form isocyanurate and / or iminooxadiazinedione groups. The same applies to other monomers with reactive heterokumulenes as end groups such as cyanate groups, thioisocyanate groups, thiocyanate groups or carbodiimide groups and monomers with end groups containing triple bonds, such as acetylenes, nitriles or isonitriles.
Monomere, die zwei oder mehr solcher reaktionsfähigen Gruppen enthalten, ergeben bereits bei geringen Umsätzen in konventionellen Apparaturen durch die dann erfolgende Überschreitung des Gelpunktes ein dreidimensionales Netzwerk, das zu schwer handhabbaren Produkten führt und gegebenenfalls eine aufwendige Reinigung des Reaktors von ausgefallenem Polymer erfordert. Besonders kritische Monomere dieser Art sind solche mit zwei reaktionsfähigen Gruppen gleicher oder ungefähr gleicher Reaktivität, deren Reaktivität durch den Einbau in das Oligomer nicht oder nur wenig verändert wird.
Beispielhaft sei hier Hexamethylendiisocyanat (1,6-HDI) genannt, bei dem die freien Isocyanatgruppen der oligomeren Uretdione, Carbodiimide, Isocyanurate und/oder bninooxadiazindione gegenüber den Isocyanatgruppen des Monomers eine nur wenig veränderte Reaktivität zeigen. Die Oligomerisierung führt über die Di- und Trimeren weiter zu Oligomeren mit 3,4,5 etc. (Uretdion- und/oder Carbodiimidbildung) bzw. 5,7,9,11 etc. (Isocyanurat- und/oder bninooxadiazindionbildung) 1,6-HDI-Einheiten im Molekül. Eine Studie zur Cyclooligomerisierung findet sich zum Beispiel in I. T. Horvath, F. U. Richter et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 45, Seiten 107-110. Eine Übersicht zu Isocyanat-Oligomerisierungen findet sich in J. Prakt. Chem./Chem. Ztg. 1994, 336, Seiten 185-200. Monomers which contain two or more such reactive groups give, even at low conversions in conventional apparatus, a three-dimensional network which then leads to the gel point being exceeded, which leads to products which are difficult to handle and which may require complex cleaning of the reactor from failed polymer. Particularly critical monomers of this type are those with two reactive groups of the same or approximately the same reactivity, the reactivity of which is not or only slightly changed by incorporation into the oligomer. Hexamethylene diisocyanate (1,6-HDI) may be mentioned here by way of example, in which the free isocyanate groups of the oligomeric uretdiones, carbodiimides, isocyanurates and / or bninooxadiazinediones show only a slightly changed reactivity towards the isocyanate groups of the monomer. The oligomerization leads further via the di- and trimers to oligomers with 3,4,5 etc. (uretdione and / or carbodiimide formation) or 5,7,9,11 etc. (isocyanurate and / or bninooxadiazinedione formation) 1,6 -HDI units in the molecule. A study on cyclooligomerization can be found, for example, in IT Horvath, FU Richter et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 45, pages 107-110. An overview of isocyanate oligomerizations can be found in J. Prakt. Chem./Chem. Ztg. 1994, 336, pages 185-200.
Allgemein ist die Oligomerisierung von solchen Diisocyanaten zu niedermolekularen Oligomeren charakterisiert durch eine klassische konsekutive Reaktionssequenz, in der ein Diisocyanat- Monomermolekül (A) mit ein (Uretdion- und/oder Carbodiimidbildung, Idealstrukturen A2) oder zwei anderen Monomermolekülen (Isocyanurat- und/oder Iminooxadiazindionbildung, Idealstrukturen A3) reagiert. Diese Idealstrukturen reagieren mit allen Isocyanatgruppen enthaltenden Verbindungen des Systems (A, A2, A3, höhere Oligomere mit mehr als einer Uretdion-, Carbodiimid-, Isocyanurat- und/oder Iminooxadiazindiongruppe im Oligomermolekül) weiter. Das Zielprodukt für die technische Anwendung ist ein Oligomerengemisch mit einem hohen Idealstrukturanteil. The oligomerization of such diisocyanates to low molecular weight oligomers is generally characterized by a classic consecutive reaction sequence in which a diisocyanate monomer molecule (A) with one (uretdione and / or carbodiimide formation, ideal structures A2) or two other monomer molecules (isocyanurate and / or iminooxadiazinedione formation , Ideal structures A 3 ) reacts. These ideal structures continue to react with all the compounds of the system containing isocyanate groups (A, A2, A 3 , higher oligomers with more than one uretdione, carbodiimide, isocyanurate and / or iminooxadiazinedione group in the oligomer molecule). The target product for technical use is an oligomer mixture with a high ideal structure content.
Erwünscht sind also monomerarme Oligomere mit einem möglichst hohen Gehalt an Dimeren bzw. Trimeren mit genau 2 bzw. 3 Monomereinheiten im Molekül und möglichst wenig höheren Oligomeren. Bereits geringe Anteile höherer Oligomere führen zu erhöhten Viskositäten und einem verringerten (auf die Masse bezogenen) Endgruppengehalt im Produkt, was zum Beispiel für Anwendungen im Lackbereich nachteilig ist. Bisher konnte der Gehalt an höheren Oligomeren nur dadurch vermindert werden, dass die Reaktion nur bis zu einem geringen Umsatz durchgeführt wurde. Das nicht abreagierte Monomer wurde, beispielsweise destillativ, abgetrennt, während das Oligomer ohne weiteren Reinigungsschritt im Rückstand verblieb. Low-monomer oligomers with the highest possible content of dimers or trimers with exactly 2 or 3 monomer units in the molecule and as little higher oligomers as possible are desired. Even small proportions of higher oligomers lead to increased viscosities and a lower (by mass) end group content in the product, which is disadvantageous, for example, for applications in the coating sector. So far, the content of higher oligomers could only be reduced by carrying out the reaction only up to a low conversion. The unreacted monomer was separated, for example by distillation, while the oligomer remained in the residue without a further purification step.
Der Oligomerisierungskatalysator verblieb dabei in der Regel ebenfalls im Rückstand. Nur durch Desaktivierung des Katalysators gelang die Bereitstellung von Oligomeren mit ausreichender Stabilität. Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, bei denen der Oligomerisierungskatalysator destillativ gemeinsam mit dem abzutrennenden Monomer vom Polyisocyanat getrennt wird (vgl. EP 1533301 und darin zitierter Stand der Technik). The oligomerization catalyst usually also remained in the residue. Only by deactivating the catalyst was it possible to provide oligomers with sufficient stability. In addition, processes are known in which the oligomerization catalyst is separated from the polyisocyanate by distillation together with the monomer to be removed (cf. EP 1533301 and the prior art cited therein).
US 4,871,460 offenbart, wie Isocyanat-Präpolymere mit freien NCO-Gruppen von Reaktionsmischungen abgetrennt werden, die nicht reagiertes überschüssiges Di- oder Polyisocyanatmonomer enthalten. Dieses erfolgt durch Extrahieren der Reaktionsmischung mit
einem Inertgas, vor allem Kohlendioxid, in entweder dem flüssigen oder dem überkritischen Zustand. Die hoch aufgereinigten Polyisocyanate sind für die Herstellung von Schäumen, Elastomeren, Klebstoffen, Lacken und Farben geeignet. No. 4,871,460 discloses how isocyanate prepolymers with free NCO groups are separated from reaction mixtures which contain unreacted excess di- or polyisocyanate monomer. This is done by extracting the reaction mixture with an inert gas, especially carbon dioxide, in either the liquid or supercritical state. The highly purified polyisocyanates are suitable for the production of foams, elastomers, adhesives, lacquers and paints.
US 5,298,431 beschreibt ein mehrstufiges Verfahren zur Isolierung eines cyclotrimerisierten Isocyanats aus einer Mischung, die dieses cyclotrimerisierte Isocyanat und höhere Isocyanatoligomere enthält. Das Verfahren umfasst die Schritte: (a) Kontaktieren der Mischung mit einem flüssigen Lösungsmittel, um eine Lösungsmittel enthaltende Mischung zu erhalten; (b) Extrahieren der Lösungsmittel enthaltenden Mischung mittels flüssig-flüssig-Extraktion, um die Mischung in einen Extrakt und einen Rückstand zu trennen, wobei der Extrakt ein cyclotrimerisiertes Isocyanat ist, der im Wesentlichen oligomerfrei ist und welcher weiterhin (nach Abtrennung des Lösemittels) eine im Vergleich zur ursprünglichen Polyisocyanatmischung verringerte Viskosität aufweist; und (c) Abtrennung des uncyclotrimerisierten Monomers aus dem Extrakt, um ein Trimerprodukt mit verringerter Viskosität zu erhalten, welches im Wesentlichen monomerfrei ist. Es wird ebenfalls das Produkt mit verringerter Viskosität beschrieben, das durch dieses Verfahren erhalten wurde. No. 5,298,431 describes a multistage process for isolating a cyclotrimerized isocyanate from a mixture which contains this cyclotrimerized isocyanate and higher isocyanate oligomers. The method comprises the steps of: (a) contacting the mixture with a liquid solvent to obtain a solvent-containing mixture; (b) extracting the solvent-containing mixture by means of liquid-liquid extraction in order to separate the mixture into an extract and a residue, the extract being a cyclotrimerized isocyanate which is essentially free of oligomers and which further (after separation of the solvent) is one has reduced viscosity compared to the original polyisocyanate mixture; and (c) separating the uncyclotrimerized monomer from the extract to obtain a reduced viscosity trimer product which is substantially monomer free. The reduced viscosity product obtained by this process is also described.
Obwohl in diesem Patent von einer flüssig-flüssig-Extraktion die Rede ist, werden hierbei keine Lösungsmittelpaare eingesetzt. Vielmehr wird das Reaktionsgemisch mit einem einzigen Lösungsmittel extrahiert. Die Trennoperation ist eine einfache Extraktion mit nur einem Boden und keine Methode der multiplikativen Verteilung, die eine Trennwirkung von mehr als einem Boden aufweist. Ferner findet dort während der Trennoperation keine Reaktion statt. Although this patent speaks of a liquid-liquid extraction, no solvent pairs are used here. Rather, the reaction mixture is extracted with a single solvent. The separation operation is a simple extraction with only one floor and not a method of multiplicative distribution that has a separating effect from more than one floor. Furthermore, no reaction takes place there during the separation operation.
DE 10 2004 06 0131 Al betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyisocyanaten aus Diisocyanaten und deren Verwendung. Das Verfahren ist ein kontinuierliches Verfahren zur partiellen Trimerisierung von (cyclo)aliphatischen Isocyanaten in Gegenwart mindestens eines Katalysators und zeichnet sich dadurch aus, dass man das Verfahren zumindest teilweise in mindestens zwei rückvermischten Reaktionszonen durchführt. DE 10 2004 06 0131 A1 relates to a process for the preparation of polyisocyanates from diisocyanates and their use. The process is a continuous process for the partial trimerization of (cyclo) aliphatic isocyanates in the presence of at least one catalyst and is distinguished in that the process is carried out at least partially in at least two backmixed reaction zones.
In Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, Seiten 7154-7160 wird die Oligomerisierung von Phenol unter oxidativen Bedingungen in einem Zweiphasensystem beschrieben. Jedoch handelt es sich nur um eine einfache Extraktion und kein Verfahren der multiplikativen Verteilung. In Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, pages 7154-7160 describes the oligomerization of phenol under oxidative conditions in a two-phase system. However, it is only a simple extraction and not a multiplicative distribution method.
Das Konzept einer extraktiven Reaktion wird zum Beispiel in S. Kulprathipanja (ed.), Reactive Extraction Processes, Separation (Technology), Taylor & Francis, New York, 2002, Seiten 51-92 beschrieben. Bei der Trennung von Uran und Plutonium (Seite 56) finden in der eingesetzten multiplikativen Verteilungsapparatur chemische Reaktionen wie Komplexierung und Redoxprozesse statt, die jedoch dazu dienen, die Trennung zu ermöglichen und nicht, gewünschte
Produkte bereit zu stellen. Eine reaktive Extraktion am Beispiel von Hydrolysereaktionen wird in der vorstehend genannten Schrift auf Seiten 58-59 beschrieben, jedoch handelt es sich um einfache Zweiphasenreaktionen ohne multiplikative Verteilung. Die Kombination aus Trennung von Reaktand und Produkt mit Verfahren der multiplikativer Verteilung und Reaktionen, die zu an sich erwünschten Produkten führen und nicht nur dem Hauptzweck der Trennung dienen, ist nicht beschrieben. Ferner ist die Steuerung der Produktverteilung von konsekutiven, vorzugsweise irreversiblen, Reaktionen, wie Oligomerisierungen, durch Methoden der multiplikativen Verteilung nicht bekannt. The concept of an extractive reaction is described, for example, in S. Kulprathipanja (ed.), Reactive Extraction Processes, Separation (Technology), Taylor & Francis, New York, 2002, pages 51-92. When uranium and plutonium are separated (page 56), chemical reactions such as complexation and redox processes take place in the multiplicative distribution apparatus, but these serve to enable the separation and not the desired ones To provide products. A reactive extraction using the example of hydrolysis reactions is described in the abovementioned document on pages 58-59, but it is a simple two-phase reaction without multiplicative distribution. The combination of reactant and product separation with methods of multiplicative distribution and reactions which lead to desired products and not only serve the main purpose of the separation is not described. Furthermore, the control of the product distribution of consecutive, preferably irreversible, reactions, such as oligomerizations, by methods of multiplicative distribution is not known.
Barth beschreibt in Chemie Ingenieur Technik 2008, 80 (12), Seiten 137-143 eine reaktive Extraktion, wobei aber die Veresterung von Essigsäure mit Ethanol zu Ethylacetat beschrieben wird. Hierbei handelt es sich um keine konsekutive Reaktion, sondern um eine Gleichgewichtsreaktion, bei der das Gleichgewicht durch Entfernen von Reaktionsprodukten verschoben wird. Barth describes a reactive extraction in Chemie Ingenieur Technik 2008, 80 (12), pages 137-143, but describes the esterification of acetic acid with ethanol to ethyl acetate. This is not a consecutive reaction, but an equilibrium reaction in which the equilibrium is shifted by removing reaction products.
Daher bestand die Aufgabe, Umsatz und Oligomerisierungsgrad in konsekutiven Reaktionen unabhängig voneinander so zu steuern, dass Produkte mit engerer Molekulargewichtsverteilung, im Vergleich mit Produkten des Standes der Technik, bei hohem Idealstrukturanteil gebildet werden. The task was therefore to control the conversion and degree of oligomerization in consecutive reactions independently of one another in such a way that products with a narrower molecular weight distribution are formed with a high proportion of ideal structure in comparison with products of the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung eines Prozesses gelöst, bei dem Oligomerisierung und Abtrennung der Oligomeren durch Extraktion gleichzeitig erfolgen. This object is achieved according to the invention by providing a process in which the oligomerization and separation of the oligomers take place simultaneously by extraction.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von oligomeren Verbindungen aus der Reaktion eines Monomers mit einem oder mehreren Monomeren und/oder mit einem Oligomer, welches auf diesem Monomer basierende Einheiten, wobei das Monomer und/oder das Oligomer derart ausgewählt sind, dass in der Reaktion Produkte gebildet werden, welche mindestens genauso viele, bevorzugt aber eine größere Anzahl polarer funktioneller Gruppen aufweisen als das individuelle Monomer, umfasst die folgenden Schritte: a) Einbringen zumindest eines Monomers in einen Extraktionsbehälter, welcher zur fraktionierten flüssig-flüssig-Extraktion mit einem zwei Phasen ausbildenden Lösungsmittelsystempaar, umfassend ein erstes Lösungsmittelsystem und ein zweites Lösungsmittelsystem, eingerichtet ist, b) Reaktion des Monomers im Extraktionsbehälter unter Bildung eines Oligomere umfassenden Reaktionsgemisches;
c) Fraktionierte flüssig-flüssig-Extraktion des in Schritt b) erhaltenen Reaktionsgemisches in dem Extraktionsbehälter unter Verwendung des ersten und zweiten Lösungsmittelsystems, wobei das erste Lösungsmittelsystem ein lineares, verzweigtes oder cyclisches, gegebenenfalls partiell oder perfluoriertes Alkan (vorzugsweise alle isomeren Pentane, Hexane, Heptane, Oktane, Dekane, Undekane, Dodekane, Tridekane, Tetradekane, Pentadekane, Hexadekane, Cyclohexan, Tetralin sowie beliebige Mischungen untereinander), Chloraromaten und/oder Bromaromaten (wie p-Dibrombenzol) umfasst und das zweite Lösungsmittelsystem ein Lösungsmittel umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nitrile (vorzugsweise Acetonitril, Proprionitril, Phthalodinitril, Dimethylmalonitril, Malononitrile, 3 -Butennitril, besonders bevorzugt Acetonitril), cyclische Carbonate (vorzugsweise Propylen- und Ethylencarbonat), cyclische Ether (vorzugsweise Trioxan), Sulfone (vorzugsweise Diethylsulfon), Sulfoxide, Nitroaromaten (vorzugsweise 2-Nitrofuran, 1,3,5-Trinitrobenzol), Lactone (vorzugsweise 3H-Luran-2-on, Angelicalacton, gamma-Butyrolacton), Ester (vorzugsweise Dimethyloxalat), anorganische Ester (vorzugsweise Dimethylsulfat), Aldehyde (vorzugsweise 2-Furfural, 3-Furfural), Formamide (vorzugsweise N-Formylmorpholin), halogenierte (wobei Halogen nicht für Fluor steht) Alkane und/oder Dialkylether von Oligoethylenoxiden; und d) Entnehmen eines das zweite Lösungsmittelsystem und das in Schritt b) gebildete Oligomer umfassenden Stroms aus dem Extraktionsbehälter. The process according to the invention for the production of oligomeric compounds from the reaction of a monomer with one or more monomers and / or with an oligomer which units are based on this monomer, the monomer and / or the oligomer being selected such that products are formed in the reaction which have at least as many, but preferably a larger number, of polar functional groups than the individual monomer comprises the following steps: a) introducing at least one monomer into an extraction container, which is used for fractional liquid-liquid extraction with a two-phase solvent system pair comprising a first solvent system and a second solvent system, b) reaction of the monomer in the extraction container to form a reaction mixture comprising oligomers; c) fractionated liquid-liquid extraction of the reaction mixture obtained in step b) in the extraction container using the first and second solvent systems, the first solvent system being a linear, branched or cyclic, optionally partially or perfluorinated alkane (preferably all isomeric pentanes, hexanes, Heptanes, octanes, deans, undecanes, dodecanes, tridecanes, tetradecanes, pentadecanes, hexadecanes, cyclohexane, tetralin and any mixtures with one another), chloroaromatics and / or bromoaromatics (such as p-dibromobenzene) and the second solvent system comprises a solvent that is selected from the group comprising nitriles (preferably acetonitrile, propionitrile, phthalonitrile, dimethylmalonitrile, malononitrile, 3-butenitrile, particularly preferably acetonitrile), cyclic carbonates (preferably propylene and ethylene carbonate), cyclic ethers (preferably trioxane), sulfones (preferably diethyl sulfone), sulfoxides , N itroaromatics (preferably 2-nitrofuran, 1,3,5-trinitrobenzene), lactones (preferably 3H-luran-2-one, angelicalactone, gamma-butyrolactone), esters (preferably dimethyl oxalate), inorganic esters (preferably dimethyl sulfate), aldehydes (preferably 2-furfural, 3-furfural), formamides (preferably N-formylmorpholine), halogenated (where halogen is not fluorine) alkanes and / or dialkyl ethers of oligoethylene oxides; and d) withdrawing a stream comprising the second solvent system and the oligomer formed in step b) from the extraction container.
Es wurde nun gefunden, dass im erfindungsgemäßen Verfahren Oligomerisierungsreaktionen und die Abtrennung der als Produkt erwünschten Oligomeren von Monomeren und gegebenenfalls Katalysatoren in Apparaten, die eine multiplikative Verteilung ermöglichen, gleichzeitig möglich sind, wobei durch das Verhältnis von Reaktionsgeschwindigkeit und Trennungsgeschwindigkeit der Oligomerisierungsgrad gesteuert werden kann. It has now been found that, in the process according to the invention, oligomerization reactions and the separation of the oligomers desired as the product from monomers and, if appropriate, catalysts in apparatus which enable multiplicative distribution, are possible simultaneously, the degree of oligomerization being able to be controlled by the ratio of reaction rate and rate of separation.
Ein technischer Vorteil der fraktionierten extraktiven Reaktion ist die Energieersparnis im Vergleich mit den bekannten Verfahren und die geringere Temperaturbelastung der Oligomeren und gegebenenfalls nicht abreagierten Monomeren, da nur Lösungsmittel in die Gasphase überführt werden müssen und nicht die hochsiedenden Monomeren wie beispielsweise Diisocyanate. Weiterhin ermöglicht das Verfahren die Rückführung des Katalysators in einem Kreislaufstrom. A technical advantage of the fractional extractive reaction is the energy saving in comparison with the known methods and the lower temperature load of the oligomers and possibly unreacted monomers, since only solvents have to be converted into the gas phase and not the high-boiling monomers such as diisocyanates. The process also enables the catalyst to be recycled in a recycle stream.
Eine weitere Energieeinsparung resultiert aus der Tatsache, dass die Umsetzung des Monomers im Vergleich mit den bekannten Verfahren zu höheren Umsätzen getrieben werden kann, ohne dass der Gelpunkt überschritten wird. Dieses wird durch die Abtrennung der Oligomeren, insbesondere der Idealstrukturen, während der Reaktion und die dadurch bedingte Verlangsamung oder
zumindest teilweise Verhinderung ihrer Weiterreaktion ermöglicht. Möglich sind Umsätze, bezogen auf die Stoffmenge des eingesetzten Monomers, zwischen 30% und 99,9% oder zwischen > 30% und < 99%. Dadurch wird die Menge an im Kreis geführten Monomer im Vergleich zur klassischen einstufigen Oligomerisierung in homogener Phase deutlich verringert. A further energy saving results from the fact that the conversion of the monomer can be driven to higher conversions in comparison with the known methods without the gel point being exceeded. This is due to the separation of the oligomers, in particular the ideal structures, during the reaction and the resulting slowdown or at least partially preventing their further reaction. Turnovers, based on the amount of substance of the monomer used, are possible between 30% and 99.9% or between> 30% and <99%. As a result, the amount of recirculated monomer is significantly reduced compared to classic single-stage oligomerization in a homogeneous phase.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktion bis zu einem Umsatz von > 10 Gewichts-% bis 30 Gewichts-%, bezogen auf die Masse des ursprünglich vorhandenen Monomers, durchgeführt. Bei gleichem Umsatz lässt sich auf diese Weise eine gegenüber herkömmlichen Verfahren gesteigerte Selektivität in Hinblick auf die niedrigen Oligomere (erhöhter Gehalt an Idealstrukturen A2 und A3 im Oligomergemisch) erreichen. hn erfindungsgemäßen Verfahren sind das Monomer und/oder das Oligomer bevorzugt so ausgewählt, dass bei der Reaktion mit weiteren Monomeren Produkte mit gleicher oder einer größeren Anzahl an polaren funktionellen Gruppen gebildet werden. Polare funktionelle Gruppen sind hierbei als solche Gruppen zu verstehen, in denen zwischen zwei aneinander gebundenen Atomen eine Elektronegativitätsdifferenz zwischen 0,5 und 1,7 herrscht. Die Elektronegativität der Atome wird gemäß Pauling bestimmt und ist beispielsweise in G. Simons et al., J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, Seite 7896 tabelliert. Gemäß dieser Tabelle ergeben sich unter anderem die folgenden Elektro negativitäten: C (2,35), H (2,1), N (3,16) und O (3,52). In a further embodiment of the process according to the invention, the reaction is carried out up to a conversion of> 10% by weight to 30% by weight, based on the mass of the monomer originally present. In this way, with the same turnover, an increased selectivity compared to conventional processes with regard to the low oligomers (increased content of ideal structures A2 and A3 in the oligomer mixture) can be achieved. In the process according to the invention, the monomer and / or the oligomer are preferably selected such that products with the same or a larger number of polar functional groups are formed in the reaction with further monomers. Polar functional groups are to be understood here as those groups in which there is an electronegativity difference between 0.5 and 1.7 between two atoms bonded to one another. The electronegativity of the atoms is determined according to Pauling and is described, for example, in G. Simons et al., J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, page 7896 tabulated. According to this table, the following electrical negativeities result: C (2.35), H (2.1), N (3.16) and O (3.52).
Beispiele für polare funktionelle Gruppen sind insbesondere Isocyanat-Gruppen, Epoxidgruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, Carboxylgruppen, Estergruppen, Ethergruppen, Urethangruppen, Harnstoffgruppen und Amidgruppen. Examples of polar functional groups are in particular isocyanate groups, epoxy groups, hydroxyl groups, amino groups, carboxyl groups, ester groups, ether groups, urethane groups, urea groups and amide groups.
Beispielsweise beträgt bei einem ansonsten nicht funktionalisierten Diisocyanat als Monomer die Anzahl der polaren Gruppen aufgrund der beiden NCO-Gruppen 2. Wenn das Diisocyanat zum Isocyanurat oder Iminooxadiazindion trimerisiert wird, verbleiben drei endständige NCO-Gruppen. In diesem Reaktionsprodukt hat sich also die Anzahl der in einem Molekül enthaltenen polaren funktionellen Gruppen gegenüber dem Monomer erhöht. Bei einer Weiterreaktion zum Pentamer ergeben sich vier endständige NCO-Gruppen. Bei der Bildung eines Heptamer-Moleküls ergeben sich fünf endständige NCO-Gruppen. Bei der Bildung eines Nonamer-Moleküls ergeben sich sechs endständige NCO-Gruppen. For example, in the case of an otherwise unfunctionalized diisocyanate as a monomer, the number of polar groups due to the two NCO groups is 2. If the diisocyanate is trimerized to the isocyanurate or iminooxadiazinedione, three terminal NCO groups remain. In this reaction product, the number of polar functional groups contained in a molecule has increased compared to the monomer. A further reaction to the pentamer results in four terminal NCO groups. When a heptamer molecule is formed, there are five terminal NCO groups. When a nonamer molecule is formed, there are six terminal NCO groups.
Ein anderes Beispiel für diese Betrachtungsweise ist die Reaktion eines Epoxids (Monomer) mit einem Alkohol. Die Anzahl der polaren funktionellen Gruppen im Monomer beträgt hier 1. Bei der Reaktion mit dem Alkohol werden eine Ethergruppe und eine neue Hydroxylgruppe gebildet, wodurch die Anzahl der polaren funktionellen Gruppen nunmehr 2 beträgt. Jede weitere Reaktion
mit einem Epoxidmolekül erhöht die Anzahl der polaren Gruppen in einem Molekül entsprechend um eine weitere polare Gruppe. Another example of this approach is the reaction of an epoxide (monomer) with an alcohol. The number of polar functional groups in the monomer is 1. In the reaction with the alcohol, an ether group and a new hydroxyl group are formed, as a result of which the number of polar functional groups is now 2. Any further reaction with an epoxy molecule increases the number of polar groups in a molecule by another polar group.
Ein weiteres Beispiel ist die Cyclisierung von zwei NCO-Gruppenhaltigen Molekülen und einem Molekül CO2. Beispielsweise reagieren zwei Moleküle Hexamethylendiisocyanat (1,6-HDI) und einem Molekül CO2 zu 3,5-di(6-isocyanatohexyl)-l,3,5-oxadiazinane-2,4,6-trione, wobei zwei endständige NCO-Gruppen und ein l,3,5-Oxadiazinane-2,4,6-trion-Ring gebildet werden. Jede weitere Reaktion mit einem Isocyanat und einem CO2 Molekül erhöht die Anzahl der polaren Gruppen in einem Molekül entsprechend um einen weiteren polaren l,3,5-Oxadiazinane-2,4,6- trion-Ring. Another example is the cyclization of two molecules containing NCO groups and one molecule of CO2. For example, two molecules of hexamethylene diisocyanate (1,6-HDI) and one molecule of CO2 react to form 3,5-di (6-isocyanatohexyl) -l, 3,5-oxadiazinane-2,4,6-trione, with two terminal NCO groups and a 1,3,5-oxadiazinane-2,4,6-trione ring are formed. Each further reaction with an isocyanate and a CO2 molecule increases the number of polar groups in a molecule by another polar 1,3,5-oxadiazinane-2,4,6-trione ring.
Apparaturen, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen fraktionierten flüssig-flüssig- Extraktion unter zu Hilfenahme von Methoden der multiplikativen Verteilung geeignet sind, sind unter anderem in S. Kulprathipanja (ed.), Reactive Extraction Processes, Separation (Technology), Taylor & Francis, New York, 2002, Seiten 51-92 und in Perrys Chemical Engineering Handbook, McGraw-Hill, 2008, Abschnitt 15 ("liquid-liquid extraction and other liquid-liquid operations and equipment") beschrieben. Apparatus which are suitable for carrying out the fractional liquid-liquid extraction according to the invention with the aid of methods of multiplicative distribution are described, inter alia, in S. Kulprathipanja (ed.), Reactive Extraction Processes, Separation (Technology), Taylor & Francis, New York, 2002, pages 51-92 and in Perrys Chemical Engineering Handbook, McGraw-Hill, 2008, section 15 ("liquid-liquid extraction and other liquid-liquid operations and equipment").
Es können beispielsweise Extraktionskolonnen mit dynamischen oder statischen Mischelementen verwendet werden oder Rührkesselkaskaden mit verschiedenen integrierten oder separierten Misch- und Phasentrennungseinrichtungen. Das polare und das unpolare Lösungsmittel der beiden das Zweiphasensystem bildenden, nicht mischbaren Lösungsmittel werden im Gegenstrom zueinander geführt, wobei das Verhältnis der Phasen so gewählt wird, das Reaktanden und vorzugsweise Katalysatoren zu der einen Seite der Apparatur und die Produkte zu der anderen Seite transportiert werden. For example, extraction columns with dynamic or static mixing elements can be used or stirred tank cascades with various integrated or separated mixing and phase separation devices. The polar and the non-polar solvent of the two immiscible solvents forming the two-phase system are conducted in countercurrent to one another, the ratio of the phases being chosen so that the reactants and preferably catalysts are transported to one side of the apparatus and the products to the other side ,
Die Dosierung der Monomeren und gegebenenfalls des Katalysators oder einer Mischung verschiedener Katalysatoren kann separat mit oder ohne Lösungsmittel an allen Stellen der Kolonne oder Rührkesselkaskade erfolgen, vorzugsweise jedoch im mittleren Bereich, der > 40% bis < 60% der Bodenzahl der Gesamtapparatur entspricht. Falls für die Dosierung der Monomeren und gegebenenfalls des Katalysators oder einer Mischung verschiedener Katalysatoren Lösungsmittel verwendet werden, wird vorzugsweise eines der beiden oder beide Lösungsmittel eingesetzt, die das Zweiphasensystem bilden. The monomers and, if appropriate, the catalyst or a mixture of different catalysts can be metered in separately or with no solvent at all points in the column or stirred tank cascade, but preferably in the middle range which corresponds to> 40% to <60% of the number of trays of the total apparatus. If solvents are used for metering the monomers and, if appropriate, the catalyst or a mixture of different catalysts, one or both of the solvents which form the two-phase system are preferably used.
Die Dosierung des ersten, unpolaren Lösungsmittelsystems erfolgt an dem Ende, zu dem der polarere Partner des Paares Monomer-Oligomer, hier also das Oligomer, transportiert wird. Die Dosierung des polaren, zweiten Lösungsmittelsystems erfolgt an dem Ende, zu dem der unpolarere Partner des Paares Monomer-Oligomer, hier also das Monomer, transportiert wird.
Die Dosierung der Lösungsmittelsysteme muss nicht direkt an einem Ende der Apparatur zur multiplikativen Verteilung erfolgen, sondern kann auch bis zu einer Entfernung, die < 25% der Bodenzahl der Gesamtapparatur entspricht, stattfinden. The first, non-polar solvent system is metered at the end to which the more polar partner of the pair of monomer-oligomer, here the oligomer, is transported. The polar, second solvent system is metered at the end to which the less polar partner of the pair of monomer-oligomer, here the monomer, is transported. The solvent systems do not have to be metered directly at one end of the apparatus for multiplicative distribution, but can also take place up to a distance which corresponds to <25% of the number of trays of the total apparatus.
Geeignete Lösungsmittelkombinationen mit Mischungslücken sind beispielsweise in J. Phys. Chem. Ref. Data 2007, 36(3), Seiten 733-1131 oder McLure et al, Fluid Phase Equilibria 1982, 8, Seiten 271-284 beschrieben. Suitable solvent combinations with miscibility gaps are described, for example, in J. Phys. Chem. Ref. Data 2007, 36 (3), pages 733-1131 or McLure et al, Fluid Phase Equilibria 1982, 8, pages 271-284.
Das Lösungsmittelsystempaar bildet definitionsgemäß zwei Phasen, wenn mit bloßem Auge eine Phasengrenze zwischen den beiden flüssigen Phasen erkennbar ist. Das erste und das zweite Lösungsmittelsystem enthalten jeweils ein Lösungsmittel derart, dass die beiden Lösungsmittelsystempaare innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs eine Mischungslücke zeigen. Ebenso können das erste und zweite Lösungsmittelsystem jeweils als Mischungen von Lösungsmitteln vorliegen, so dass die beiden Lösungsmittelsystempaare innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs eine Mischungslücke zeigen. By definition, the solvent system pair forms two phases if a phase boundary between the two liquid phases can be seen with the naked eye. The first and the second solvent system each contain a solvent such that the two pairs of solvent systems show a miscibility gap within a certain temperature range. Likewise, the first and second solvent systems can each be present as mixtures of solvents, so that the two pairs of solvent systems show a miscibility gap within a certain temperature range.
Insofern weist auch in Gegenwart des zu oligomerisierenden Monomeren das polarere, zweite Lösungsmittelsystem mit dem unpolareren ersten Lösungsmittelsystem eine Mischungslücke auf. In this respect, even in the presence of the monomer to be oligomerized, the more polar, second solvent system has a miscibility gap with the nonpolar first solvent system.
Mit eingeschlossen ist weiterhin der Fall, dass ursprünglich in reiner Form vorliegende erste und zweite Lösungsmittel sich teilweise miteinander mischen, wodurch ein erstes Lösungsmittelsystem mit dem ersten Lösungsmittel als Haupt- und dem zweiten Lösungsmittel als Nebenkomponente und ein zweites Lösungsmittelsystem mit dem zweiten Lösungsmittel als Haupt- und dem ersten Lösungsmittel erhalten wird. Auch hier liegt dann eine Phasengrenze zwischen erstem und zweitem Lösungsmittelsystem vor. Also included is the case where the first and second solvents originally present in pure form partially mix with one another, as a result of which a first solvent system with the first solvent as main component and the second solvent as secondary component and a second solvent system with the second solvent as main component and the first solvent is obtained. Here too there is a phase boundary between the first and second solvent systems.
Das Volumenverhältnis von erstem zu zweitem Lösungsmittelsystem in der Apparatur, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen fraktionierten flüssig-flüssig-Extraktion unter zu Hilfenahme von Methoden der multiplikativen Verteilung verwendet wird, kann beispielsweise > 1 : 1 bis < 50: 1 und vorzugsweise > 5: 1 bis < 10: 1 betragen. The volume ratio of the first to the second solvent system in the apparatus, which is used to carry out the fractional liquid-liquid extraction according to the invention with the aid of methods of multiplicative distribution, can for example be> 1: 1 to <50: 1 and preferably> 5: 1 up to <10: 1.
Die Menge an zudosiertem Monomer sollte so bemessen sein, dass die Zweiphasigkeit des Lösungsmittelsystempaars nicht aufgehoben wird, da das Monomer in bestimmten Fällen auch als Phasenvermittler wirken kann. Auf der anderen Seite sollte die Konzentration des Monomers so hoch wie möglich gewählt werden, um die Reaktion zu beschleunigen und eine hohe Raum-Zeit- Ausbeute zu ermöglichen. The amount of monomer metered in should be such that the two-phase nature of the solvent system pair is not eliminated, since in certain cases the monomer can also act as a phase mediator. On the other hand, the concentration of the monomer should be chosen as high as possible in order to accelerate the reaction and to enable a high space-time yield.
Die Reaktionstemperatur kann beispielsweise in einem Bereich von > 20 °C bis < 180 °C und vorzugsweise von > 40 °C bis < 120 °C liegen. Bei der Wahl der Reaktionstemperatur ist zu
berücksichtigen, dass die Mischungslücke in dem quartären System aus erstem Lösungsmittelsystem, zweiten Lösungsmittelsystem, Monomer und Oligomer durch höhere Temperaturen im allgemeinen verkleinert wird und durch die dann geringere maximal mögliche Konzentration an Monomer die Reaktionsgeschwindigkeit verringert wird. Andererseits wird die Reaktion durch höhere Temperaturen beschleunigt, wobei der Siedepunkt des Lösungsmittelgemisches begrenzend ist, wenn bei Normaldruck arbeitet wird. Die optimale Reaktionstemperatur ist daher ein Kompromiss und für jedes Reaktionssystem bestehend aus Monomer(en), unpolarem ersten Lösungsmittelsystem, polarerem zweiten Lösungsmittelsystem und Katalysator experimentell zu ermitteln. The reaction temperature can be, for example, in a range from> 20 ° C to <180 ° C and preferably from> 40 ° C to <120 ° C. When choosing the reaction temperature is too take into account that the miscibility gap in the quaternary system consisting of the first solvent system, second solvent system, monomer and oligomer is generally reduced by higher temperatures and the reaction rate is reduced by the then lower possible maximum concentration of monomer. On the other hand, the reaction is accelerated by higher temperatures, the boiling point of the solvent mixture being limiting when working at normal pressure. The optimal reaction temperature is therefore a compromise and has to be determined experimentally for each reaction system consisting of monomer (s), non-polar first solvent system, more polar second solvent system and catalyst.
Eine Abtrennung des Oligomeren von dem Lösungsmittel des polareren zweiten Lösungsmittelsystems kann durch Abdestillieren des Lösungsmittels, durch Entmischung, die beispielweise durch Abkühlen des Gemisches erzielt werden kann, durch ein anschließendes Extraktionsverfahren oder durch Membranverfahren erfolgen. Die Abtrennung des Katalysators und gegebenenfalls nicht umgesetzten Monomers von dem Lösungsmittel des unpolareren ersten Lösungsmittelsystems kann durch dieselben Maßnahmen erfolgen. The oligomer can be separated from the solvent of the more polar second solvent system by distilling off the solvent, by demixing, which can be achieved, for example, by cooling the mixture, by a subsequent extraction process or by membrane processes. The same measures can be used to separate the catalyst and any unreacted monomer from the solvent of the less polar first solvent system.
Im Fall einer destillativen Abtrennung der Lösungsmittel ist die Kombinationen von linearen, verzweigten oder cyclischen Alkanen wie «-Pentan, «-Hexan, «-Heptan, «-Oktan, «-Nonan, «- Dekan, 2,2,4-Trimethylpentan, Cyclohexan und/oder Tetralin mit Acetonitril besonders günstig, da niedrig siedende Azeotrope gebildet werden können (Smallwood, I. M., Handbook of Organic Solvent Properties, Elsevier, 1996). Dies kann zu einer zusätzlichen Energieeinsparung beim Abdestillieren des unpolaren Lösungsmittels von den oligomeren Produkten bzw. beim Abdestillieren des polaren Lösungsmittels von dem gegebenenfalls nicht umgesetzten Monomers im Vergleich zu einem Lösungsmittelsystempaar, das kein Azeotrop bildet, führen. In the case of separation of the solvents by distillation, the combinations of linear, branched or cyclic alkanes such as “-pentane,“ -hexane, “-heptane,“ -octane, “-nonane,“ - decane, 2,2,4-trimethylpentane, Cyclohexane and / or tetralin with acetonitrile are particularly advantageous since low-boiling azeotropes can be formed (Smallwood, IM, Handbook of Organic Solvent Properties, Elsevier, 1996). This can lead to additional energy savings when the non-polar solvent is distilled off from the oligomeric products or when the polar solvent is distilled off from the possibly unreacted monomer compared to a solvent system pair which does not form an azeotrope.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend beschrieben, wobei die Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden können, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Embodiments of the method according to the invention are described below, the embodiments being able to be combined with one another as desired, unless the context clearly indicates the opposite.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Monomer ein monomolekulares, dimolekulares oder trimolekulares Di- oder Polyisocyanat. Somit findet in Schritt (b) eine Oligomerisierung der Isocyanatgruppen statt. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Trimerisierung (Isocyanurat- und/oder hninooxadiazindiongruppenbildung). In one embodiment of the method according to the invention, the monomer is a monomolecular, dimolecular or trimolecular di- or polyisocyanate. Thus, an oligomerization of the isocyanate groups takes place in step (b). This is preferably a trimerization (isocyanurate and / or hninooxadiazinedione group formation).
Geeignete Edukte für die Oligomerisierung sind beispielsweise Hexamethylendiisocyanat (1,6- HDI), 1,8-Oktandiisocyanat, 4-Isocyanatomethyl-l,8-oktandiisocyanat, 1,10-Decandiisocyanat, 1,11-Undecandiisocyanat, 1,12-Dodecandiisocyanat, 2-Methyl-l,5-diisocyanatopentan, 1,3- und
1,4-Cyclohexandiisocyanat, Norbornandiisocyanat, 1,3- und 1,4-Bisisocyanatomethylcyclohexan,Suitable starting materials for the oligomerization are, for example, hexamethylene diisocyanate (1,6-HDI), 1,8-octane diisocyanate, 4-isocyanatomethyl-1, 8-octane diisocyanate, 1,10-decane diisocyanate, 1,11-undecane diisocyanate, 1,12-dodecane diisocyanate, 2-methyl-l, 5-diisocyanatopentane, 1,3- and 1,4-cyclohexane diisocyanate, norbornane diisocyanate, 1,3- and 1,4-bisisocyanatomethylcyclohexane,
1.3- und l,4-Bis(isocyanatoethyl)cyclohexan, 2,4- und 4,4- Diisocyanatodicyclohexylmethan, 1- Isocyanato-l-methyl-4(3)-isocyanatomethylcyclohexan (IMCI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 1,3- und l,4-Bis(isocyanatomethyl)benzol, 2,2,4-Trimethyl-l,6-hexamethylendiisocyanat, 2,4- Toluylendiisocyanat (TDI), 2,6-TDI, 4,4-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), 4,2-MDI, 1,3- und1,3- and 1,4-bis (isocyanatoethyl) cyclohexane, 2,4- and 4,4-diisocyanatodicyclohexylmethane, 1-isocyanato-l-methyl-4 (3) -isocyanatomethylcyclohexane (IMCI), isophorone diisocyanate (IPDI), 1,3 - And 1,4-bis (isocyanatomethyl) benzene, 2,2,4-trimethyl-1,6-hexamethylene diisocyanate, 2,4-tolylene diisocyanate (TDI), 2,6-TDI, 4,4-diphenylmethane diisocyanate (MDI), 4,2-MDI, 1,3- and
1.4-Diisocyanatobenzol, 3,3-Dimethyl-4,4-diisocyanatodiphenyl, 3,4- und 4,4-1,4-diisocyanatobenzene, 3,3-dimethyl-4,4-diisocyanatodiphenyl, 3,4- and 4,4-
Diisocyanatodiphenylether und/oder 1,5-Diisocyanatonaphthalin. Daneben können im Eduktgemisch auch anteilig Monoisocyanate wie zum Beispiel Methyl-, Ethyl-, 1- und/oder 2- Propyl-, Butyl- (alle Isomeren), Pentyl- (alle Isomeren) und/oder Hexylisocyanate (alle Isomeren) sowie deren höhere Homologen einzeln oder in beliebiger Abmischung untereinander und mit den vorstehend genannten Di- und Triisocyanaten enthalten sein. Diisocyanatodiphenyl ether and / or 1,5-diisocyanatonaphthalene. In addition, monoisocyanates such as, for example, methyl, ethyl, 1- and / or 2-propyl, butyl (all isomers), pentyl (all isomers) and / or hexyl isocyanates (all isomers) and their higher can also be used in the educt mixture Homologues may be present individually or in any mixture with one another and with the di- and triisocyanates mentioned above.
Es ist ferner bevorzugt, dass es sich beim monomeren Isocyanat um 1,6-Hexamethylendiisocyanat handelt. Dessen Trimere sind für vielfältige Anwendungen insbesondere bei der Herstellung von Polyurethanlacken einsetzbar. Vorzugsweise liegt im eingesetzten Isocyanat, mit Ausnahme technisch unvermeidlicher Verunreinigungen, ausschließlich 1,6-Hexamethylendiisocyanat vor. It is further preferred that the monomeric isocyanate is 1,6-hexamethylene diisocyanate. Its trimers can be used for a wide range of applications, particularly in the production of polyurethane coatings. With the exception of technically unavoidable impurities, only 1,6-hexamethylene diisocyanate is preferably present in the isocyanate used.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Monomer ein Alkylenoxid und reagiert in Schritt b) mit einem Alkohol. Geeignete Alkylenoxide sind insbesondere Ethylenoxid und Propylenoxid. Vorzugsweise werden langkettige primäre Alkanole (beispielsweise Fettalkohole) als Alkohole eingesetzt. In a further embodiment of the process according to the invention, the monomer is an alkylene oxide and reacts with an alcohol in step b). Suitable alkylene oxides are, in particular, ethylene oxide and propylene oxide. Long-chain primary alkanols (for example fatty alcohols) are preferably used as alcohols.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der fraktionierten flüssig-flüssig-Extraktion in Schritt c) das erste und zweite Lösungsmittelsystem im Gegenstrom zueinander geführt. In a preferred embodiment of the method according to the invention, in the fractional liquid-liquid extraction in step c), the first and second solvent systems are conducted in countercurrent to one another.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Extraktionsbehälter als Füllkörperkolonne oder gepulste oder nicht gepulste Siebbodenkolonne, in einer weiteren Ausführungsform als mehrstufige Mischer-Scheider-Anlage (Mixer-Settler- Apparatur) ausgeführt. In a preferred embodiment of the process according to the invention, the extraction container is designed as a packed column or pulsed or non-pulsed sieve plate column, in a further embodiment as a multistage mixer-separator system (mixer-settler apparatus).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach Schritt d) das zweite Lösungsmittelsystem abgetrennt, gegebenenfalls von Oligomer, Katalysator und nicht umgesetzten Monomer gereinigt, und wieder in den Extraktionsbehälter eingebracht. Auf diese Weise kann ein Kreisprozess für das zweite Lösungsmittelsystem realisiert werden. In a preferred embodiment, after step d), the second solvent system is separated off, optionally cleaned of oligomer, catalyst and unreacted monomer, and reintroduced into the extraction container. In this way, a cycle process can be implemented for the second solvent system.
Ebenso wird in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Schritt c) das erste Lösungsmittelsystem abgetrennt, gegebenenfalls von Katalysator, Oligomer
und nicht umgesetztem Monomer gereinigt und wieder in den Extraktionsbehälter eingebracht. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses die Schritte: e) Entnehmen eines das erste Lösungsmittelsystem und das in Schritt b) nicht reagierte Monomer umfassenden Stroms aus dem Extraktionsbehälter; f) Abtrennung des ersten Lösungsmittelsystems von den nicht reagierten Monomer; g) Einbringen des in Schritt f) erhaltenen ersten Lösungsmittelsystems in den Extraktionsbehälter; und h) Einbringen des in Schritt f) erhaltenen nicht reagierten Monomers in den Extraktionsbehälter. Likewise, in a preferred embodiment of the process according to the invention, the first solvent system is separated off after step c), if appropriate from catalyst, oligomer and unreacted monomer cleaned and reintroduced into the extraction container. In one embodiment of the method according to the invention, this comprises the steps: e) removing a stream comprising the first solvent system and the monomer not reacted in step b) from the extraction container; f) separation of the first solvent system from the unreacted monomer; g) introducing the first solvent system obtained in step f) into the extraction container; and h) introducing the unreacted monomer obtained in step f) into the extraction container.
Hierdurch wird auch für das erste Lösungsmittelsystem und für das Monomer ein Kreisprozess realisiert. In this way, a cycle is also realized for the first solvent system and for the monomer.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses weiterhin die Schritte: i) Entnehmen eines Stoffstroms aus dem Extraktionsbehälter, wobei der hierbei entnommene Stoffstrom das zweite Lösungsmittelsystem enthält und frei von Produkten der Reaktion in Schritt b) ist, gefolgt vom direkten Rückeinspeisen dieses Stoffstroms an einem von seiner Entnahme verschiedenen Ort des Extraktionsbehälters; und/oder k) Entnehmen eines Stoffstroms aus dem Extraktionsbehälter, wobei der hierbei entnommene Stoffstrom das erste Lösungsmittelsystem enthält und frei von Monomeren ist, gefolgt vom Abtrennen eines gegebenenfalls vorhandenen Katalysators und Rückeinspeisen dieses Stoffstroms an einem von seiner Entnahme verschiedenen Ort des Extraktionsbehälters. In a further embodiment of the method according to the invention, this further comprises the steps: i) removing a stream of material from the extraction container, the stream of material removed in this way containing the second solvent system and being free of products from the reaction in step b), followed by feeding this stream of material back directly a location of the extraction container different from its removal; and / or k) removing a stream of material from the extraction container, the stream of material removed in this case containing the first solvent system and being free of monomers, followed by separating off any catalyst which may be present and feeding this stream of material back to a location of the extraction container which is different from its removal.
Hierdurch erreicht man ein internes Recycling der Lösungsmittelsysteme ohne weitere Trennoperationen. Dieses verringert den Energiebedarf des Gesamtverfahrens. In diesem Zusammenhang bedeuten "frei von Produkten" und "frei von Monomeren", dass technisch unvermeidliche Rückstände mit eingeschlossen sind. So können in den Lösungsmittelsystemen beispielsweise bis zu 1 Gewichts-% weitere Komponenten neben den Lösungsmitteln enthalten sein. In this way, internal recycling of the solvent systems can be achieved without further separation operations. This reduces the energy requirement of the overall process. In this context, "free of products" and "free of monomers" mean that technically unavoidable residues are included. For example, the solvent systems may contain up to 1% by weight of other components in addition to the solvents.
Das direkte Rückeinspeisen bedeutet insbesondere, dass die Stoffströme keiner Destillation unterworfen werden. Gegebenenfalls vorhandene Katalysatoren im ersten Lösungsmittelsystem können beispielsweise mittels einer Destillationseinrichtung oder über reversible Adsorption an
einem Adsorptionsmittel abgetrennt werden und dem Reaktionsgemisch für Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder zugeführt werden. The direct feed back means in particular that the material flows are not subjected to distillation. Any catalysts present in the first solvent system can, for example, by means of a distillation device or via reversible adsorption be separated from an adsorbent and fed back to the reaction mixture for step b) of the process according to the invention.
Für den Fall, dass in dem Extraktionsbehälter das erste und das zweite Lösungsmittelsystem im Gegenstrom zueinander geführt werden, werden eine Fließrichtung des ersten Lösungsmittelsystems und eine Lließrichtung des zweiten Lösungsmittelsystems etabliert. In diesem Lall ist es vorteilhaft, wenn das direkte Einspeisen des das erste Lösungsmittelsystem enthaltenden Stoffstroms an einer Stelle des Extraktionsbehälters erfolgt, welche in Lließrichtung des ersten Lösungsmittelsystems innerhalb des Extraktionsbehälters gesehen stromaufwärts von der Entnahmestelle dieses Stoffstroms hegt. In the event that the first and the second solvent system are guided in countercurrent to one another in the extraction container, a flow direction of the first solvent system and a discharge direction of the second solvent system are established. In this case, it is advantageous if the material stream containing the first solvent system is fed in directly at a point on the extraction container which, viewed in the direction of release of the first solvent system, lies within the extraction container upstream of the removal point of this material stream.
Genauso ist es vorteilhaft, wenn das direkte Einspeisen des das zweite Lösungsmittelsystem enthaltenden Stoffstroms an einer Stelle des Extraktionsbehälters erfolgt, welche in Lließrichtung des zweiten Lösungsmittelsystems innerhalb des Extraktionsbehälters gesehen stromaufwärts von der Entnahmestelle dieses Stoffstroms hegt. It is also advantageous if the material stream containing the second solvent system is fed in directly at a point on the extraction container which, viewed in the direction of release of the second solvent system, lies within the extraction container upstream of the removal point of this material stream.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das erste Lösungsmittelsystem lineare, verzweigte und/oder cyclische Alkane, wie zum Beispiel «-Hexan, n- Heptan, Ao-Oktan, Cyclohexan und/oder Hexadekan und das zweite Lösungsmittelsystem umfasst Acetonitril. Vorzugsweise sind in dem ersten und zweiten Lösungsmittelsystem mit Ausnahme von technisch unvermeidlichen Spuren keine weiteren Lösungsmittel außer den genannten Lösungsmitteln vorhanden. In a further embodiment of the method according to the invention, the first solvent system comprises linear, branched and / or cyclic alkanes, such as, for example, “-hexane, n-heptane, ao-octane, cyclohexane and / or hexadecane, and the second solvent system comprises acetonitrile. With the exception of technically unavoidable traces, there are preferably no further solvents other than the solvents mentioned in the first and second solvent systems.
Bei dieser Auswahl der Lösungsmittelkombinationen wurden Mischungslücken experimentell verifiziert. Besonders günstig sind die Kombinationen von Acetonitril mit den genannten Alkanen, da niedrig siedende Azeotrope gebildet werden. Dieses führt zu einer Energieeinsparung beim Abdestillieren. hn Lall von 1,6-HDI als Monomer im Lösungsmittelsystempaar n-Heptan/ Acetonitril ist die maximale Konzentration des Monomeren von der gewählten Reaktionstemperatur abhängig. Bei niedrigeren Temperaturen lassen sich höhere Konzentrationen des Monomers realisieren, ohne dass die Zweiphasigkeit des Gesamtsystems durch Phasenvermittlung des Monomers beeinträchtigt wird. Bei 60°C hegt der bevorzugte Gehalt an 1,6-HDI in Bereich der Einspeisungsstelle in die reaktive Extraktionsapparatur zwischen 5 und 20 Gewichts-%, Bei 30°C hegt der bevorzugte Gehalt an 1,6-HDI in Bereich der Einspeisungsstelle in die reaktive Extraktionsapparatur zwischen 5 und 40 Gewichts-%, Weiterhin haben sich hierbei Reaktionstemperaturen zwischen 20 °C und 70 °C, bevorzugt 30 °C und 60°C, als vorteilhaft erwiesen.
Die Oligomerisierungsreaktion in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft üblicherweise in Gegenwart eines Katalysators ab, auch wenn eine rein thermisch induzierte Reaktion möglich ist. hn Fall der Oligomerisierung von Isocyanat-Monomeren führt sie in Abhängigkeit von der gewählten Temperatur in der Regel zu Uretdiongruppen (niedrigere Reaktionstemperatur) oder Carbodiimid/Uretonimingruppen enthaltenden Polyisocyanaten (sehr hohe Reaktionstemperatur). Letzteres ist im vorliegenden Verfahren nicht bevorzugt. Die sog. Isocyanat-Trimerisierung unter Ausbildung von Isocyanurat- und/oder Iminooxadiazindiongruppen verlangt in der Regel nach dem Einsatz spezieller Katalysatoren. With this selection of solvent combinations, gaps in the mixture were verified experimentally. The combinations of acetonitrile with the alkanes mentioned are particularly favorable since low-boiling azeotropes are formed. This leads to energy savings when distilling off. hn Lall of 1,6-HDI as a monomer in the solvent system pair n-heptane / acetonitrile, the maximum concentration of the monomer depends on the chosen reaction temperature. At lower temperatures, higher concentrations of the monomer can be achieved without the two-phase nature of the overall system being impaired by the phase switching of the monomer. At 60 ° C the preferred content of 1,6-HDI in the area of the feed point in the reactive extraction apparatus lies between 5 and 20% by weight. At 30 ° C the preferred content of 1,6-HDI in the area of the feed point lies in the reactive extraction apparatus between 5 and 40% by weight. Furthermore, reaction temperatures between 20 ° C and 70 ° C, preferably 30 ° C and 60 ° C, have proven to be advantageous. The oligomerization reaction in step b) of the process according to the invention usually takes place in the presence of a catalyst, even if a purely thermally induced reaction is possible. In the case of oligomerization of isocyanate monomers, depending on the selected temperature, it generally leads to uretdione groups (lower reaction temperature) or carboxiimide / uretonimine group-containing polyisocyanates (very high reaction temperature). The latter is not preferred in the present process. The so-called isocyanate trimerization with the formation of isocyanurate and / or iminooxadiazinedione groups generally requires the use of special catalysts.
Beispiele für derartige Katalysatoren für die Isocyanat-Trimerisierung sind Oniumsalze des Phosphors, des Stickstoffs, des Schwefels oder von Stickstoff-Heterocyclen wie Imidazol, Triazol und Tetrazol mit Gegenionen, welche Anionen von Säuren mit einem pKa-Wert unter 4,5, bevorzugt unter 3,5 sind. Bevorzugte Gegenionen sind aliphatische oder aromatische Carboxylate oder Alkoholate, wie Acetat, Propionat, 3,3,3-Trifluorpropionat, Butyrat, Capronat, Oktanoat, Laurat, Palmitat, Stearat, Isobutyrat, Ethylhexanoat, Pivalat, Neodecanoat, Phenolat, Kresylat. Ebenfalls geeignet sind kleine Anionen wie Fluorid, Hydrogen(di - und poly)fluorid, Hydroxid. Examples of such catalysts for the isocyanate trimerization are onium salts of phosphorus, nitrogen, sulfur or of nitrogen heterocycles such as imidazole, triazole and tetrazole with counterions, which anions of acids with a pK a value below 4.5, preferably below 3.5 are. Preferred counterions are aliphatic or aromatic carboxylates or alcoholates, such as acetate, propionate, 3,3,3-trifluoropropionate, butyrate, capronate, octanoate, laurate, palmitate, stearate, isobutyrate, ethylhexanoate, pivalate, neodecanoate, phenolate, cresylate. Small anions such as fluoride, hydrogen (di- and poly) fluoride, hydroxide are also suitable.
Ebenfalls geeignet für die Isocyanat-Trimerisierung sind, ggf. cyclische Phosphane mit Substituenten aus der Gruppe lineares oder verzweigtes Alkyl, Cycloalkyl und Alkenyl, wobei lineare oder verzweigte Alkyl und Cycloalkyl-Substitutenten bevorzugt sind. Weiterhin geeignet sind solche polycyclischen phosphorhaltigen Heterocyclen, die bei radikalischer Anlagerung von Phosphanen an Cyclooctadien entstehen. Der Trivialname für solche Phosphane lautet Phobane. Geeignete katalytisch aktive Gruppen sind weiterhin Stickstoff-Heterocyclen wie Imidazole, Triazole und Tetrazole. Also suitable for the isocyanate trimerization are, if appropriate, cyclic phosphines with substituents from the group consisting of linear or branched alkyl, cycloalkyl and alkenyl, linear or branched alkyl and cycloalkyl substituents being preferred. Also suitable are those polycyclic phosphorus-containing heterocycles which are formed when radicals are attached to cyclooctadiene by free radicals. The common name for such phosphines is Phobane. Suitable catalytically active groups are also nitrogen heterocycles such as imidazoles, triazoles and tetrazoles.
Eine bevorzugte Klasse von Katalysatoren für die Isocyanat-Trimerisierung basiert auf polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen, die nachfolgend näher erläutert werden wird. A preferred class of catalysts for isocyanate trimerization is based on polyhedral oligomeric silsesquioxanes, which will be explained in more detail below.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet die Reaktion in Schritt b) in Gegenwart eines Katalysators statt und der Katalysator ist derart ausgewählt, dass er zu einem größeren Anteil im ersten Lösungsmittelsystem als im zweiten Lösungsmittelsystem vorliegt. hn erfindungsgemäßen Verfahren sind die Monomere weniger polar als die Oligomeren und daher in der unpolaren Phase (erstes Lösungsmittelsystem) zumindest relativ zu den Oligomeren stärker vertreten. Katalysatorfreie Oligomere können nach der Methode der fraktionierten reaktiven Extraktion dann erhalten werden, wenn sich die Katalysatoren zusammen mit den Monomeren von den Oligomeren abtrennen lassen.
Dazu müssen sie in der Monomer-reicheren Phase zumindest stärker vertreten sein als die Oligomeren, vorzugsweise sogar noch stärker vertreten sein als das Monomer. Zum Beispiel beträgt in einem bevorzugten Lösungsmittelsystempaar n-Heptan/Acetonitril bei 60°C der Verteilungskoeffizient K = x«-HePtan/xAcetomtrii von 1,6-HDI 0,189 und der des trimeren Isocyanurats (Idealstruktur) 0,038. Der Katalysator sollte also einen Verteilungskoeffizienten größer 0,038, vorzugsweise größer 0,189 aufweisen. In a further embodiment of the process according to the invention, the reaction in step b) takes place in the presence of a catalyst and the catalyst is selected such that a greater proportion is present in the first solvent system than in the second solvent system. In the process according to the invention, the monomers are less polar than the oligomers and are therefore more strongly represented in the non-polar phase (first solvent system), at least relative to the oligomers. Catalyst-free oligomers can be obtained by the fractional reactive extraction method if the catalysts can be separated from the oligomers together with the monomers. To do this, they must at least be more strongly represented in the monomer-rich phase than the oligomers, preferably even more strongly than the monomer. For example, in a preferred solvent system pair of n-heptane / acetonitrile at 60 ° C., the partition coefficient K = x «-heptane / x acetomet rii of 1.6-HDI 0.189 and that of the trimeric isocyanurate (ideal structure) is 0.038. The catalyst should therefore have a distribution coefficient greater than 0.038, preferably greater than 0.189.
Je stärker der Katalysator in das unpolare erste Lösungsmittelsystem partitioniert, d.h. je größer der Verteilungskoeffizient des Katalysators ist, desto selektiver kann die Oligomerisierung auf der Stufe der Idealstruktur gestoppt werden, da sich dann mehr Katalysator in der Monomer -reichen Phase und weniger in der Oligomer -reichen Phase aufhält, wo er die unerwünschte Weiterreaktion der Oligomeren begünstigt. Auf der anderen Seite kann das Monomer in beiden Phasen vertreten sein, im Falle von 1,6-HDI in dem bevorzugten Lösungsmittelsystempaar n-Heptan/ Acetonitril partitioniert 1,6-HDI sogar ebenfalls stärker in die polare Phase, nur nicht so ausgeprägt wie das Oligomer. Daher ist für die Raum-Zeit-Ausbeute vorteilhaft, wenn sich der Katalysator auch in der polaren Phase aufhält. The more the catalyst partitions into the non-polar first solvent system, i.e. the greater the partition coefficient of the catalyst, the more selectively the oligomerization can be stopped at the level of the ideal structure, since then there is more catalyst in the monomer-rich phase and less in the oligomer-rich phase, where it favors the undesired further reaction of the oligomers , On the other hand, the monomer can be represented in both phases, in the case of 1,6-HDI in the preferred solvent system pair n-heptane / acetonitrile, 1,6-HDI also partitions more strongly into the polar phase, only not as pronounced as that oligomer. It is therefore advantageous for the space-time yield if the catalyst is also in the polar phase.
Ein besonders günstiger Kompromiss liegt generell vor, wenn der Verteilungskoeffizient des Katalysators zwischen dem ersten Lösungsmittelsystem und dem zweiten Lösungsmittelsystem > 0,19 bis < 9 beträgt und somit der Katalysator im ersten Lösungsmittelsystem in > 0,19-facher bis < 9-facher Menge verglichen mit dem zweiten Lösungsmittelsystem vorliegt. Vorzugsweise beträgt der Verteilungskoeffizient > 0,50 bis < 4. A particularly favorable compromise is generally present when the partition coefficient of the catalyst between the first solvent system and the second solvent system is> 0.19 to <9 and the catalyst in the first solvent system is therefore compared in> 0.19 times to <9 times the amount with the second solvent system. The distribution coefficient is preferably> 0.50 to <4.
Vorteilhafterweise wird der Katalysator in einem Anteil von 0,1 Gewichts-% bis < 35 Gewichts- %, bezogen auf die Menge an eingesetztem Monomer, eingesetzt. Besonders günstig ist hierbei ein Anteil von 5 Gewichts-% bis < 30 Gewichts-%. Dadurch, dass der Katalysator im erfindungsgemäßen Verfahren abgetrennt und zurückgeführt werden kann, lassen sich hohe Katalysatorgehalte sinnvoll einsetzen. The catalyst is advantageously used in a proportion of 0.1% by weight to <35% by weight, based on the amount of monomer used. A proportion of 5% by weight to <30% by weight is particularly favorable. Because the catalyst can be separated off and recycled in the process according to the invention, high catalyst contents can be used expediently.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach Schritt (b) keine Desaktivierung des Katalysators durchgeführt. Unter Desaktivierung ist hierbei insbesondere die Zugabe eines Katalysatorgiftes oder eines Stoffes gemeint, welcher mit dem Katalysator chemisch reagiert. In a preferred embodiment of the process, no deactivation of the catalyst is carried out after step (b). Deactivation here means in particular the addition of a catalyst poison or a substance which reacts chemically with the catalyst.
Bevorzugte Katalysatoren für die Isocyanat-Trimerisierung mit hoher Löslichkeit in dem unpolaren Lösungsmittelsystem sind Vertreter der Proazaphosphatrane wie 2,8,9-Trialkyl-2,5,8,9- tetraaza-l-phosphabicyclo[3.3.3]undekan, 2,8,9-Tricycloalkyl-2,5,8,9-tetraaza-l- phosphabicyclo[3.3.3]undekan oder2,8,9-Triaralkyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phospha- bicyclo[3.3.3]undekan, wobei die Substituenten in 2-, 8- und 9-Position gleich oder verschieden
sein können. Als Alkylsubstituenten kommen C1-C10 Reste, die linear oder verzweigt, vorzugsweise verzweigt sein können, als Cycloalkylreste C4-C12-Reste, die wiederum durch Alkylreste substituiert sein können, und als Aralkylreste Benzylreste, die wiederum durch Alkyl oder Alkoxyreste substituiert sein können, in Frage. Vorzugsweise umfasst der Katalysator 2,8,9- Tri-o-methoxybenzyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo[3.3.3]undekan, 2,8,9-Tricyclopentyl- 2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo[3.3.3]undekan, 2,8,9-Triisopropyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phospha- bicyclo[3.3.3]undekan und/oder 2,8,9-Tn-.yer-butyl-2,5,8,9-tetraa/.a- 1 -phospha- bicyclo[3.3.3]undekan. Die zuletzt genannte Verbindung wird exemplarisch in der nachfolgenden Formel gezeigt: Preferred catalysts for the isocyanate trimerization with high solubility in the non-polar solvent system are representatives of the proazaphosphatranes such as 2,8,9-trialkyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane, 2.8 , 9-tricycloalkyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane or 2,8,9-triaralkyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3. 3] undecane, the substituents in the 2-, 8- and 9-position being the same or different could be. C1-C10 radicals which can be linear or branched, preferably branched, come as alkyl substituents, C4-C12 radicals which can in turn be substituted by alkyl radicals and cycloalkyl radicals and benzyl radicals which in turn can be substituted by alkyl or alkoxy radicals Question. The catalyst preferably comprises 2,8,9-tri-o-methoxybenzyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane, 2,8,9-tricyclopentyl-2,5,8, 9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane, 2,8,9-triisopropyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane and / or 2.8, 9-Tn-.yer-butyl-2,5,8,9-tetraa / .a- 1 -phosphabicyclo [3.3.3] undecane. The latter compound is shown as an example in the following formula:
Sie weist beispielsweise im Lösungsmittelsystempaar n-I Icptaii/Acctonitril einen Verteilungskoeffizienten K = x«-HePtan/xAcetomtrii von 3,9 auf. For example, in the solvent system pair nI Icptaii / acctonitrile, it has a distribution coefficient K = x «-HePtan / x Acetomt rii of 3.9.
Bevorzugte Katalysatoren für die Isocyanat-Trimerisierung mit hoher Löslichkeit in dem unpolaren Lösungsmittelsystem umfassen polyedrische oligomere Silsesquioxane der allgemeinen Formel (I): Preferred catalysts for the isocyanate trimerization with high solubility in the non-polar solvent system include polyhedral oligomeric silsesquioxanes of the general formula (I):
wobei RI, R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus den Gruppen (Ia) und/oder (Ib) mit der Maßgabe, dass wenigstens einer der Reste RI, R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 aus der Gruppe (Ib) ausgewählt ist:
(La): Alkyl, Cy cloalkyl, Aryl, Heteroaryl, Heterocyclyl, Alkenyl, Alkinyl, Perfluoroaryl, wherein RI, R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 are independently selected from groups (Ia) and / or (Ib) with the proviso that at least one of the radicals RI, R2, R3, R4, R5 , R6, R7 and R8 is selected from group (Ib): (La): alkyl, cycloalkyl, aryl, heteroaryl, heterocyclyl, alkenyl, alkynyl, perfluoroaryl,
Perfluoroalkenyl, Perfluoroalkinyl, Alkoxy, Perfluoroalkyl, Perfluoroalkoxy, Polyoxyalkylen, Perfluoroalkenyl, perfluoroalkynyl, alkoxy, perfluoroalkyl, perfluoroalkoxy, polyoxyalkylene,
(Lb): -A-R9, wobei gilt: (Lb): -A-R9, where:
A = (CR2)n mit n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15, und R für gleiche oder verschiedene Substituenten aus der Gruppe H und/oder Ia; oder A = (CR2) n with n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 or 15, and R for identical or different substituents from group H and / or Ia; or
A = ortho-, meta- oder para- CöRt, wobei R die vorstehend genannte Bedeutung hat; oder A = ortho-, meta- or para-C ö R t , where R has the meaning given above; or
A = (CR2)2-Si(R2)-(CR2)n, mit n = 1, 2, 3, 4, wobei R die vorstehend genannte Bedeutung hat; und A = (CR 2 ) 2 -Si (R 2 ) - (CR 2 ) n , with n = 1, 2, 3, 4, where R has the meaning given above; and
R9 = N(R10)(R11), P(R10)(R11), N(R10)(R11)(R12)X, P(R10)(R11)(R12)X, R9 = N (R10) (R11), P (R10) (R11), N (R10) (R11) (R12) X, P (R10) (R11) (R12) X,
COOM, OM, oder ein weiterer Substituent gemäß Lormel (I) ist, wobei COOM, OM, or another substituent according to Lormel (I), wherein
RIO, RI 1 und RI 2 unabhängig voneinander Alkyl oder Aryl sind, RIO, RI 1 and RI 2 are independently alkyl or aryl,
X Carboxylat, Alkoholat, Hydrogencarbonat, oder Carben ist und M Ammonium, Phosphonium, ein Alkali- oder Erdalkalimetallkation ist. X is carboxylate, alcoholate, hydrogen carbonate, or carbene and M is ammonium, phosphonium, an alkali or alkaline earth metal cation.
Solche Katalysatoren sind insbesondere für die Trimerisierung von monomeren Polyisocyanaten wie 1,6-HDI zu Isocyanuraten geeignet. Such catalysts are particularly suitable for the trimerization of monomeric polyisocyanates such as 1,6-HDI to isocyanurates.
Dieser Wahl des Katalysators liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dessen Löslichkeit oder dessen Verteilungskoeffizient in einem Zweiphasensystem durch einen modularen Aufbau aus einer unpolaren Teilstruktur und einer katalytisch aktiven Teilstruktur beeinflussbar ist. This choice of the catalyst is based on the knowledge that its solubility or its distribution coefficient can be influenced in a two-phase system by a modular structure consisting of a non-polar partial structure and a catalytically active partial structure.
So können beispielsweise die unpolare und die katalytisch aktive Teilstruktur entgegengesetzte ionische Ladungen tragen und mittels elektrostatischer Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Es ist ebenfalls möglich, dass die beiden Teilstrukturen durch eine kovalente Bindung miteinander verbunden sind. Die unpolare Teilstruktur des Katalysators wird in der vorliegenden Erfindung durch die substituierte Silsesquioxanstruktur gebildet. Über einen oder mehrere Substituenten wird die katalytisch wirksame Teilstruktur wie oben geschildert gebunden. For example, the non-polar and the catalytically active partial structure can carry opposite ionic charges and be held together by means of electrostatic interactions. It is also possible for the two substructures to be connected to one another by a covalent bond. The non-polar partial structure of the catalyst is formed in the present invention by the substituted silsesquioxane structure. The catalytically active substructure is bound via one or more substituents as described above.
Die katalytische Teilstruktur umfasst ein ionisches oder nicht ionisches Nukleophil, das die Edukt- Oligomerisierung katalysiert. Ein Beispiel für eine ionische katalytisch wirksame Teilstruktur ist ein Silsesquioxan in dem einer oder mehrere der Substituenten RI bis R8 für -(CH2)n-P(Alkyl)3X stehen und X = R-COO mit R = CH3-, CH3CH2-, «-Propyl, Ao-Propyl, ieri.-Butyl, tert.- Amyl, CH3(CH2)n- mit n = 4, 5, 6, 7, 8, CH3CH(OH), Phenyl, 4-Methoxyphenyl und/oder 3,4,5-
Trimethoxyphenyl oder R-O mit R = Phenyl oder 2,6-Bis(l,l-dimethylethyl)-4-methylphenyl ist. Ein Beispiel für eine nicht ionische katalytisch aktive Teilstruktur ist gegeben, wenn einer oder mehrere der Substituenten RI bis R8 für -(CH2)n-P(Alkyl)2 stehen. Vorzugsweise handelt es sich bei den nicht durch katalytisch wirksame Teilstrukturen substituierten exocyclischen Si-ständigen Substituenten R2 bis R8 sowohl im ionischen als auch im nicht ionischen Fall um Ao-Butyl-, Cyclohexyl- und/oder Ao-Octylgruppen, besonders bevorzugt um Ao-Butylgruppen. The catalytic partial structure comprises an ionic or non-ionic nucleophile that catalyzes the starting oligomerization. An example of an ionic catalytically active partial structure is a silsesquioxane in which one or more of the substituents RI to R8 are - (CH 2 ) n -P (alkyl) 3X and X = R-COO with R = CH3-, CH3CH 2 - , «-Propyl, ao-propyl, ieri.-butyl, tert-amyl, CH 3 (CH 2 ) n - with n = 4, 5, 6, 7, 8, CH3CH (OH), phenyl, 4-methoxyphenyl and / or 3,4,5- Trimethoxyphenyl or RO with R = phenyl or 2,6-bis (l, l-dimethylethyl) -4-methylphenyl. An example of a non-ionic catalytically active partial structure is given if one or more of the substituents RI to R8 are - (CH2) n -P (alkyl) 2. The exocyclic Si-substituted substituents R2 to R8 which are not substituted by catalytically active substructures are preferably ao-butyl, cyclohexyl and / or ao-octyl groups, particularly preferably ao-butyl groups, both in the ionic and in the nonionic case ,
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Substituent R9 ein weiterer Substituent gemäß Formel (I) ist. Hierunter sind oligomere Katalysatoren mit mehr als einer Silsesquioxan-Einheit zu verstehen, beispielsweise Dimere oder Trimere. According to the invention it can be provided that the substituent R9 is a further substituent according to formula (I). This includes oligomeric catalysts with more than one silsesquioxane unit, for example dimers or trimers.
Dadurch, dass die Verteilung des Katalysators in einem Zweiphasensystem beeinflussbar ist, kann eine Verfahrensdurchführung realisiert werden, welche anstelle einer ausschließlich destillativen Eduktabtrennung eine zeitgleich zur katalysierten Reaktion verlaufende oder eine der katalysierten Reaktion nachgelagerten Extraktion gestattet. Insbesondere kann ein Verfahren realisiert werden, bei dem sich der Katalysator und das Edukt bevorzugt in der unpolaren Phase und das oligomere Polyisocyanat bevorzugt in der polaren Phase aufhalten. Zur Gewinnung des gewünschten Oligomers ist nach Phasentrennung lediglich das Abdestillieren des polaren Lösungsmittels notwendig. Ebenso lassen sich reaktive Extraktionsverfahren realisieren. The fact that the distribution of the catalyst in a two-phase system can be influenced means that a process can be carried out which, instead of exclusively separating the starting material by distillation, permits extraction which takes place at the same time as the catalyzed reaction or is carried out downstream of the catalyzed reaction. In particular, a process can be implemented in which the catalyst and the starting material are preferably in the non-polar phase and the oligomeric polyisocyanate is preferably in the polar phase. To obtain the desired oligomer, only the polar solvent has to be distilled off after phase separation. Reactive extraction processes can also be implemented.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeuten: For the purposes of the present invention:
Alkyl: acyclische aliphatische Kohlenwasserstoffreste, die keine C-C-Mehrfachbindungen ent halten. Bevorzugt ist Alkyl aus der Gruppe ausgewählt, die Methyl, Ethyl, «-Propyl, 2-Propyl, n- Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, ieri.-Butyl, n-Pcntyl, Ao-Pentyl, «eo-Pentyl, n-I Iexyl, n-I Ieptyl, n- Octyl, n-Nonyl und/oder n-Decyl umfasst. Alkyl: acyclic aliphatic hydrocarbon residues that do not contain any C-C multiple bonds. Alkyl is preferably selected from the group consisting of methyl, ethyl, propyl, 2-propyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, isobutyl, n-pntyl, a-pentyl, Pentyl, nI Iexyl, nI Ieptyl, n-octyl, n-nonyl and / or n-decyl.
Cycloalkyl: cyclische aliphatische (cycloaliphatische) Kohlenwasserstoffe mit insbesondere 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Kohlenstoffatomen, wobei die Kohlenwasserstoffe gesättigt oder ungesättigt (aber nicht aromatisch), unsubstituiert oder ein- oder mehrfach substituiert sein können. Die Cycloalkyl-Reste können weiterhin einfach oder mehrfach verbrückt sein wie beispielsweise im Fall von Adamantyl, Bicyclo[2.2.1]heptyl oder Bicyclo[2.2.2]octyl. Bevorzugt ist Cycloalkyl aus der Gruppe ausgewählt, die Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl, Adamantyl, Cyclopentenyl, Cyclohexenyl, Cycloheptenyl und/oder Cyclooctenyl umfasst.
Alkenyl: acyclische aliphatische Kohlenwasserstoffreste, die mindestens eine C-C-Doppelbindung aufweisen. Bevorzugt ist Alkenyl aus der Gruppe ausgewählt, die Ethenyl (Vinyl), Propenyl, Butenyl, Pentenyl, Hexenyl, Heptenyl, Octenyl, Nonenyl und/oder Decenyl umfasst. Cycloalkyl: cyclic aliphatic (cycloaliphatic) hydrocarbons with in particular 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 carbon atoms, where the hydrocarbons can be saturated or unsaturated (but not aromatic), unsubstituted or mono- or polysubstituted. The cycloalkyl radicals can furthermore be bridged once or several times, for example in the case of adamantyl, bicyclo [2.2.1] heptyl or bicyclo [2.2.2] octyl. Cycloalkyl is preferably selected from the group comprising cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclononyl, cyclodecyl, adamantyl, cyclopentenyl, cyclohexenyl, cycloheptenyl and / or cyclooctenyl. Alkenyl: acyclic aliphatic hydrocarbon radicals which have at least one CC double bond. Alkenyl is preferably selected from the group comprising ethenyl (vinyl), propenyl, butenyl, pentenyl, hexenyl, heptenyl, octenyl, nonenyl and / or decenyl.
Alkinyl: acyclische aliphatische Kohlenwasserstoffreste, die mindestens eine C-C-Dreifach- bindung aufweisen. Bevorzugt ist Alkinyl aus der Gruppe ausgewählt, die Ethinyl, Propinyl, Butinyl, Pentinyl, Hexinyl, Heptinyl, Octinyl, Noninyl und/oder Decinyl umfasst. Alkynyl: acyclic aliphatic hydrocarbon radicals which have at least one C-C triple bond. Alkynyl is preferably selected from the group comprising ethynyl, propynyl, butynyl, pentynyl, hexynyl, heptynyl, octynyl, nonynyl and / or decynyl.
Aryl: aromatische Kohlenwasserstoffe mit bis zu 14 Ringgliedern, insbesondere Phenyle und Naphthyle. Jeder Aryl-Rest kann unsubstituiert oder einfach oder mehrfach substituiert vorliegen, wobei die Aryl-Substituenten gleich oder verschieden und in jeder beliebigen und möglichen Position des Aryls sein können. Bevorzugt ist Aryl aus der Gruppe ausgewählt, die Phenyl, 1- Naphthyl und 2-Naphthyl enthält, welche jeweils unsubstituiert oder ein- oder mehrfach substituiert sein können. Ein besonders bevorzugtes Aryl ist Phenyl, unsubstituiert oder einfach oder mehrfach substituiert. Aryl: aromatic hydrocarbons with up to 14 ring members, especially phenyls and naphthyls. Each aryl radical can be unsubstituted or mono- or polysubstituted, and the aryl substituents can be the same or different and can be in any and possible position of the aryl. Aryl is preferably selected from the group containing phenyl, 1-naphthyl and 2-naphthyl, which can each be unsubstituted or substituted one or more times. A particularly preferred aryl is phenyl, unsubstituted or mono- or polysubstituted.
Heteroaryl: eine 5- oder 6-gliedrige cyclische aromatischen Rest, der mindestens 1, gegebenenfalls auch 2, 3, 4 oder 5 Heteroatome, enthält, wobei die Heteroatome jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe S, N und O und der Heteroaryl-Rest unsubstituiert oder ein- oder mehrfach substituiert sein kann; im Falle der Substitution am Heteroaryl können die Substituenten gleich oder verschieden sein und in jeder beliebigen und möglichen Position des Heteroaryls sein. Es ist bevorzugt, dass der Heteroaryl-Rest ausgewählt ist aus der Gruppe, die Benzofuranyl, Benzoimidazolyl, Benzothienyl, Benzothiadiazolyl, Benzothiazolyl, Benzotriazolyl, Benzooxazol- yl, Benzooxadiazolyl, Chinazolinyl, Chinoxalinyl, Carbazolyl, Chinolinyl, Dibenzofuranyl, Dibenzothienyl, Furyl (Furanyl), Imidazolyl, Imidazothiazolyl, Indazolyl, Indolizinyl, Indolyl, Isochinolinyl, Isoxazoyl, Isothiazolyl, Indolyl, Naphthyridinyl, Oxazolyl, Oxadiazolyl, Phenazinyl, Phenothiazinyl, Phtalazinyl, Pyrazolyl, Pyridyl (2-Pyridyl, 3-Pyridyl, 4-Pyridyl), Pyrrolyl, Pyridazinyl, Pyrimidinyl, Pyrazinyl, Purinyl, Phenazinyl, Tetrazol, Thienyl (Thiophenyl), Triazolyl, Tetrazolyl, Thiazolyl, Thiadiazolyl und/oder Triazinyl umfasst. Heteroaryl: a 5- or 6-membered cyclic aromatic radical which contains at least 1, optionally also 2, 3, 4 or 5 heteroatoms, where the heteroatoms are each independently selected from the group S, N and O and the heteroaryl Radical may be unsubstituted or mono- or polysubstituted; in the case of substitution on the heteroaryl, the substituents can be identical or different and can be in any desired position of the heteroaryl. It is preferred that the heteroaryl radical is selected from the group consisting of benzofuranyl, benzoimidazolyl, benzothienyl, benzothiadiazolyl, benzothiazolyl, benzotriazolyl, benzooxazolyl, benzooxadiazolyl, quinazolinyl, quinoxalinyl, carbazolyl, quinoluryl, furlylenzylyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, diblenzylanyl, dibenzylyl, furlylenzylyl, dibenzylyl, furl , Imidazolyl, imidazothiazolyl, indazolyl, indolizinyl, indolyl, isoquinolinyl, isoxazoyl, isothiazolyl, indolyl, naphthyridinyl, oxazolyl, oxadiazolyl, phenazinyl, phenothiazinyl, phthalazinyl, pyrazolyl, pyridyl, 3-pyridyl, 2-pyridyl, 2-pyridyl, 2-pyridyl, 2-pyridyl, 2-pyridyl, Pyridazinyl, pyrimidinyl, pyrazinyl, purinyl, phenazinyl, tetrazole, thienyl (thiophenyl), triazolyl, tetrazolyl, thiazolyl, thiadiazolyl and / or triazinyl.
Heterocyclyl: aliphatische gesättigte oder ungesättigte (aber nicht aromatische) Cycloalkyle mit insbesondere drei bis zehn, d.h. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Ringgliedern, in denen mindestens ein, gegebenenfalls auch zwei oder drei Kohlenstoffatome durch ein Heteroatom oder eine Heteroatomgruppe jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus O, S, S(=0)2, N, NH und N(Cl-8-Alkyl), vorzugsweise N(CH3), ersetzt sind, wobei die Ringglieder unsubstituiert oder ein- oder mehrfach substituiert sein können. Bevorzugt sind Heterocyclyl-Reste aus der Gruppe umfassend Azetidinyl, Aziridinyl, Azepanyl, Azocanyl, Diazepanyl, Dithiolanyl, Dihydrochinolinyl, Dihydropyrrolyl, Dioxanyl, Dioxolanyl, Dioxepanyl, Dihydroindenyl
Dihydropyridinyl, Dihydrofuranyl, Dihydroisochinolinyl, Dihydroindolinyl, Dihydroisoindolyl, Imidazolidinyl, Isoxazolidinyl, Morpholinyl, Oxiranyl, Oxetanyl, Pyrrolidinyl, Piperazinyl, 4- Methylpiperazinyl, Piperidinyl, Pyrazolidinyl, Pyranyl, Tetrahydropyrrolyl, Tetrahydropyranyl, Tetrahydrochinolinyl, Tetrahydroisochinolinyl, Tetrahydroindolinyl, Tetrahydrofuranyl, Tetra- hydropyridinyl, Tetrahydrothiophenyl, Tetrahydro-pyridoindolyl, Tetrahydronaphthyl, Tetrahydro- carbolinyl, Tetrahydroisoxazolo-pyridinyl, Thiazolidinyl und/oder Thiomorpholinyl. Heterocyclyl: aliphatic saturated or unsaturated (but not aromatic) cycloalkyls with in particular three to ten, ie 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 ring members, in which at least one, optionally also two or three carbon atoms by a hetero atom or a heteroatom group each independently selected from the group consisting of O, S, S (= 0) 2 , N, NH and N (Cl-8-alkyl), preferably N (CH3), are replaced, the ring members being unsubstituted or can be substituted one or more times. Heterocyclyl radicals from the group comprising azetidinyl, aziridinyl, azepanyl, azocanyl, diazepanyl, dithiolanyl, dihydroquinolinyl, dihydropyrrolyl, dioxanyl, dioxolanyl, dioxepanyl, dihydroindenyl are preferred Dihydropyridinyl, hydropyridinyl dihydrofuranyl, dihydroisoquinolinyl, Dihydroindolinyl, dihydroisoindolyl, imidazolidinyl, isoxazolidinyl, morpholinyl, oxiranyl, oxetanyl, pyrrolidinyl, piperazinyl, 4-methylpiperazinyl, piperidinyl, pyrazolidinyl, pyranyl, tetrahydropyrrolyl, tetrahydropyranyl, tetrahydroquinolinyl, tetrahydroisoquinolinyl, Tetrahydroindolinyl, tetrahydrofuranyl, tetra-, Tetrahydrothiophenyl, tetrahydro-pyridoindolyl, tetrahydronaphthyl, tetrahydro-carbolinyl, tetrahydroisoxazolo-pyridinyl, thiazolidinyl and / or thiomorpholinyl.
Perfluoroaryl: Arylreste gemäß der obigen Definition, wobei alle aromatisch gebundenen Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. Perfluoroaryl: aryl radicals as defined above, where all aromatically bound hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
Perfluoroalkenyl: Alkenylreste gemäß der obigen Definition, wobei alle Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. Perfluoroalkenyl: alkenyl radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
Perfluoroalkinyl: Alkinylreste gemäß der obigen Definition, wobei alle Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. Perfluoroalkynyl: alkynyl radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
Alkoxy: über ein Sauerstoffatom angebundene Alkylgruppe gemäß der obigen Definition. Alkoxy: alkyl group attached via an oxygen atom as defined above.
Perfluoroalkyl: Alkylreste gemäß der obigen Definition, wobei alle Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. Perfluoroalkyl: alkyl radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
Perfluoroalkoxy: Alkoxyreste gemäß der obigen Definition, wobei alle Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. Perfluoroalkoxy: alkoxy radicals as defined above, where all hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
Polyoxyalkylen: aus der Polymerisation von Alkylenoxideinheiten erhaltene Polyethergruppen, insbesondere Polymere, Copolymere und Blockcopolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid. Polyoxyalkylene: polyether groups obtained from the polymerization of alkylene oxide units, in particular polymers, copolymers and block copolymers of ethylene oxide and propylene oxide.
Carboxylat: Salze von Carbonsäuren, insbesondere von Alkyl- und Arylcarbonsäuren. Carboxylate: salts of carboxylic acids, especially of alkyl and aryl carboxylic acids.
Vorzugsweise sind: Preferably:
R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 Ao-Butyl, R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 ao-butyl,
RI ist -(CFOni-PAlkyF oder -(CFOni-PAlkyFX mit nl = 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 und RI is - (CFO ni -PAlkyF or - (CFO ni -PAlkyFX with nl = 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 and
X ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend X is selected from the group comprising
R13-COO mit R13 = CH3-, CH3CH2-, n- Propyl, Ao-Propyl, ieri.-Butyl, tert.- Amyl, CH3(CH2)n- mit n = 4, 5, 6, 7, 8, Phenyl, 4-Methoxyphenyl und/oder 3,4,5-Trimethoxyphenyl,
R14-0 mit R14 = Phenyl oder 2,6-Bis(l,l-dimethylethyl)-4-methylphenyl. R13-COO with R13 = CH3-, CH3CH2-, n-propyl, ao-propyl, ieri.-butyl, tert.-amyl, CH3 (CH2) n - with n = 4, 5, 6, 7, 8, phenyl , 4-methoxyphenyl and / or 3,4,5-trimethoxyphenyl, R14-0 with R14 = phenyl or 2,6-bis (l, l-dimethylethyl) -4-methylphenyl.
Zum Beispiel wurde der Verteilungskoeffizient K = x«-HePtan/xAcetomtrii, definiert als die Menge einer Verbindung in der unpolaren Phase dividiert durch die Menge der Verbindung in der polaren Phase, eines Katalysators der allgemeinen Formel (I) mit RI = - ( C 11 : ) 3 - P( Be; - B u t y I ) 3 + CH3COO und R2 bis R8 = Ao-Butyl im System n-Heptan/ Acetonitril zu 0,74 bestimmt. For example, the partition coefficient K = x «- HePtan / x Acetomt rii, defined as the amount of a compound in the non-polar phase divided by the amount of the compound in the polar phase, of a catalyst of the general formula (I) with RI = - ( C 11:) 3 - P (Be; - Buty I) 3 + CH 3 COO and R2 to R8 = Ao-butyl in the n-heptane / acetonitrile system determined to be 0.74.
Die Synthese der ionischen Silsesquioxan-Katalysatoren SQ+ R-COO beziehungsweise SQ+ R-O (SQ+ steht dabei für den [3-(3,5,7,9,l l,13,15-Heptaisobutylpentacyclo[9.5.1.13,9.l5 15. l7 13]- octasilox-l-yl)propyl](triisobutyl)phosphonium-Substituenten) kann wie folgt erreicht werden: The synthesis of the ionic silsesquioxane catalysts SQ + R-COO or SQ + RO (SQ + stands for [3- (3,5,7,9, ll, 13,15-heptaisobutylpentacyclo [9.5.1.1 3.9 .l 5 15. L 7 13 ] - octasilox-l-yl) propyl] (triisobutyl) phosphonium substituents) can be achieved as follows:
Eine Mischung aus l-(3-Iodpropyl)-3,5,7,9,l l,13,15-heptaisobutylpentacyclo[9.5.1.13’9.l5 15. l7’13]- octasiloxan und Triisobutylphosphan in Toluol wurde unter Rückfluss erhitzt und gerührt. Das erhaltene quaternäre Salz wird durch Entfernen des Lösungsmittels in einem partiellen Vakuum isoliert. Anschließend wird der Rückstand in Dichlormethan gelöst und mit einer Suspension des entsprechenden Silbercarboxylats Ag+ R-COO beziehungsweise Silberalkoholats Ag+ R-O in Wasser versetzt. Die Mischung wird bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird die Mischung filtriert, die organische Phase abgetrennt und über Natriumsulfat getrocknet. Das Endprodukt SQ+ R-COO beziehungsweise SQ+ R-O wird nach Entfernen des Lösungsmittels in einem partiellen Vakuum erhalten. A mixture of l- (3-iodopropyl) -3,5,7,9, ll, 13,15-heptaisobutylpentacyclo [9.5.1.1 3 ' 9 .l 5 15 . l 7 '13 ] - octasiloxane and triisobutylphosphine in toluene was heated under reflux and stirred. The quaternary salt obtained is isolated by removing the solvent in a partial vacuum. The residue is then dissolved in dichloromethane and a suspension of the corresponding silver carboxylate Ag + R-COO or silver alcoholate Ag + RO in water is added. The mixture is stirred at room temperature. The mixture is then filtered, the organic phase is separated off and dried over sodium sulfate. The end product SQ + R-COO or SQ + RO is obtained after removing the solvent in a partial vacuum.
Beispiele für Katalysatoren, die so erhalten werden können, sind: Examples of catalysts that can be obtained in this way are:
Katalysator 1 (SQ+ CH3-COO ) Catalyst 1 (SQ + CH 3 -COO)
Katalysator 2 (SQ+ tert. -Butyl-COO ) Catalyst 2 (SQ + tert-butyl-COO)
Katalysator 3 (SQ+ CH3(CH2)8-COO ) Catalyst 3 (SQ + CH 3 (CH 2 ) 8 -COO)
Katalysator 4 (SQ+ Phenyl-COO ) Catalyst 4 (SQ + phenyl-COO)
Katalysator 5 (SQ+ 4-Methoxyphenyl-COO ) Catalyst 5 (SQ + 4-methoxyphenyl-COO)
Katalysator 6 (SQ+ 3,4,5-Trimethoxyphenyl-COO ) Catalyst 6 (SQ + 3,4,5-trimethoxyphenyl-COO)
Katalysator 7 (SQ+ Phenyl-O ) Catalyst 7 (SQ + phenyl-O)
Katalysator 8 (SQ+ 2,6-Bis(l,l-dimethylethyl)-4-methylphenyl-0 ) Catalyst 8 (SQ + 2,6-bis (l, l-dimethylethyl) -4-methylphenyl-0)
Katalysator 9 (SQ+ CH3-CH(OH)-COO ) Catalyst 9 (SQ + CH 3 -CH (OH) -COO)
Katalysator 10 (SQ+ CF3-COO )
Beispiele Catalyst 10 (SQ + CF 3 -COO) Examples
In den nachfolgenden Beispielen wurden als Reagenzien verwendet: 1,6-Diisocyanatohexan (1,6- HDI), das entsprechende Isocyanurat des 1,6-HDI (l,3,5-Tris(6-isocyanatohexyl)-l,3,5-triazinane-In the following examples, the following were used as reagents: 1,6-diisocyanatohexane (1,6-HDI), the corresponding isocyanurate of 1,6-HDI (1,3,5-tris (6-isocyanatohexyl) -1,3,5 -triazinane-
2.4.6-trion, "symmetrisches Trimer"). Eine Mischung aus dem Isocyanurat des 1,6-HDI („symmetrisches Trimer“) und dem Iminooxadiazindion des 1,6-HDI („unsymmetrisches Trimer“) im Verhältnis von >95: 1 sowie Spuren höherer Oligomere wird nachfolgend als 1,6-HDI-Trimer bezeichnet. Weiterhin wurde eine kommerziell erhältliche 1,6-HDI-Oligomermischung enthaltend2.4.6-trion, "symmetrical trimer"). A mixture of the isocyanurate of 1,6-HDI ("symmetrical trimer") and the iminooxadiazinedione of 1,6-HDI ("asymmetrical trimer") in a ratio of> 95: 1 and traces of higher oligomers is referred to below as 1.6- Designated HDI trimer. A commercially available 1,6-HDI oligomer mixture was also included
1.6-HDI-Trimer und höhere Oligomere im Verhältnis 63,05 Gewichts-% 1,6-HDI-Trimer ("A3"), 21,00 Gewichts-% 1,6-HDI-Pentamer ("A5"), 8,76 Gewichts-% 1,6-HDI-Heptamer ("A7") und 7,19 Gewichts-% 1,6-HDI-Nonamer ("A9"). Als interner Standard für die HPLC Chromatographie wurde l-(2-Methoxyphenyl)piperazin (MPP) verwendet. Weiterhin wurde 2,8,9-Tri-.vec-butyl- 2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo[3.3.3]undekan (TTPU) eingesetzt. 1.6-HDI trimer and higher oligomers in a ratio of 63.05% by weight 1.6-HDI trimer ("A3"), 21.00% by weight 1.6-HDI pentamer ("A5"), 8, 76% by weight 1,6-HDI heptamer ("A7") and 7.19% by weight 1,6-HDI nonamer ("A9"). 1- (2-Methoxyphenyl) piperazine (MPP) was used as the internal standard for HPLC chromatography. 2,8,9-Tri-.vec-butyl-2,5,8,9-tetraaza-l-phosphabicyclo [3.3.3] undecane (TTPU) was also used.
Die Konzentrationen von 1,6-HDI, Trimer und höheren Oligomeren wurden über HPLC Chromatographie bestimmt. Für die Messung wurden 0,1 g der zu vermessenden Probe mit Acetonitril auf 5 ml Volumen verdünnt. Von dieser Lösung wurden 0,5 ml mit Acetonitril auf 5 ml Volumen verdünnt. Von dieser Lösung wurden 0,1 ml mit 0,4 ml einer Lösung von 250 mg MPP in 50 ml Acetonitril und 0,5 ml einer Lösung von 4,07 g Dichlorbenzol in 391,53 g Acetonitril versetzt. Die Lösung wurde 30 Sekunden lang geschüttelt. Anschließend wurden 0,01 ml der Lösung in die Probenschleife eines HPLC Geräts der Firma Agilent (1200 Series) injiziert, das mit einer Lichrospher 60RP Select B Säule (5 pm, 125 x 4 mm) ausgestattet war. Die Säule wurde auf 35 °C thermostatisiert. Als Eluent (1,5 ml/min) wurde ein Gemisch aus (A) 550 ml Wasser, 360 ml Acetonitril und 90 ml Phosphatpuffer pH = 7 und (B) Acetonitril verwendet. Der Gradient war 97%A (2 min) - 15 min - 37%A (2 min). Die Detektion der Substanzen erfolgte mit einem UV Detektor bei 254 nm (Referenz 360 nm). Die HPLC Methode wurde mit Lösungen von reinem 1,6- HDI und dem Isocyanurat des 1,6-HDI kalibriert. Im Folgenden wurden das symmetrische und das unsymmetrische 1,6-HDI-Trimer jeweils gemeinsam integriert. Für die höheren Oligomere wurde derselbe Responsefaktor wie für 1,6-HDI-Trimer angenommen. The concentrations of 1,6-HDI, trimer and higher oligomers were determined by HPLC chromatography. For the measurement, 0.1 g of the sample to be measured was diluted to a volume of 5 ml with acetonitrile. From this solution, 0.5 ml was diluted to a volume of 5 ml with acetonitrile. 0.1 ml of this solution was mixed with 0.4 ml of a solution of 250 mg of MPP in 50 ml of acetonitrile and 0.5 ml of a solution of 4.07 g of dichlorobenzene in 391.53 g of acetonitrile. The solution was shaken for 30 seconds. Then 0.01 ml of the solution was injected into the sample loop of an HPIL device from Agilent (1200 Series), which was equipped with a Lichrospher 60RP Select B column (5 pm, 125 x 4 mm). The column was thermostatted to 35 ° C. A mixture of (A) 550 ml water, 360 ml acetonitrile and 90 ml phosphate buffer pH = 7 and (B) acetonitrile was used as eluent (1.5 ml / min). The gradient was 97% A (2 min) - 15 min - 37% A (2 min). The substances were detected with a UV detector at 254 nm (reference 360 nm). The HPLC method was calibrated with solutions of pure 1,6-HDI and the isocyanurate of 1,6-HDI. In the following, the symmetrical and the asymmetrical 1,6-HDI trimer were integrated together. The same response factor was assumed for the higher oligomers as for 1,6-HDI trimer.
Zur Beschreibung des Katalysators wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Bezeichnung "SQ+" für das Silsesquioxan-Kation verwendet, in dem R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 Ao-Butyl sind und RI für -( C 11 p- P( «- B u ty I ) 3 steht. Ein Beispiel für diese Bezeichnung ist das Acetat SQ+ CH3COO-. In the context of the present invention, the description "SQ + " is used to describe the catalyst for the silsesquioxane cation, in which R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 are ao-butyl and RI for - (C 11 p - P («- B u ty I) 3. An example of this name is the acetate SQ + CH 3 COO-.
Die Synthese des ionischen Silsesquioxan-Katalysators SQ+ CI LCOO erfolgte gemäß der folgenden Vorschrift: eine Mischung aus l-(3-Iodpropyl)-3,5,7,9,l l,13,15-heptaisobutyl- pentacyclo[9.5.1.13,9.l5,15.l7,13]octasiloxan (9,86 g, 10 mmol) und Triisobutylphosphan (2,02 g, 10
mmol) in 30 mL Toluol wurde für 6 Stunden unter Rückfluss erhitzt und gerührt. Das erhaltene quaternäre Salz wurde durch Entfernen des Lösungsmittels in einem partiellen Vakuum isoliert. Anschließend wurde der Rückstand in 50 mL Dichlormethan gelöst und mit einer Suspension des entsprechenden Silbercarboxylats Ag+ CI LCOCT (1,67 g, 10 mmol) in 100 mL Wasser versetzt. Die Mischung wurde 8 Stunden lang bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde die Mischung filtriert, die organische Phase abgetrennt und über Natriumsulfat getrocknet. Das Endprodukt SQ+ CI LCCXV wurde nach Entfernen des Lösungsmittels in einem partiellen Vakuum erhalten und mittels hochauflösender Massenspektroskopie, Infrarotspektroskopie, Röntgen fluoreszenzanalyse (RLA) und Multikern-NMR-Spektroskopie charakterisiert, wobei in den jeweiligen Protonen- und Kohlenstoffspektren die in der Abbildung mit Buchstaben gekenn zeichneten Gruppen durch Vergleich mit Literaturdaten eindeutig anhand Verschiebung und Integral zugeordnet wurden. The synthesis of the ionic silsesquioxane catalyst SQ + CI LCOO was carried out according to the following procedure: a mixture of l- (3-iodopropyl) -3,5,7,9, ll, 13,15-heptaisobutyl-pentacyclo [9.5.1.1 3 , 9 .l 5.15 .l 7.13 ] octasiloxane (9.86 g, 10 mmol) and triisobutylphosphine (2.02 g, 10 mmol) in 30 mL toluene was heated under reflux for 6 hours and stirred. The quaternary salt obtained was isolated by removing the solvent in a partial vacuum. The residue was then dissolved in 50 ml of dichloromethane and a suspension of the corresponding silver carboxylate Ag + CI LCOCT (1.67 g, 10 mmol) in 100 ml of water was added. The mixture was stirred at room temperature for 8 hours. The mixture was then filtered, the organic phase separated and dried over sodium sulfate. The final product SQ + CI LCCXV was obtained after removal of the solvent in a partial vacuum and characterized by means of high-resolution mass spectroscopy, infrared spectroscopy, X-ray fluorescence analysis (RLA) and multi-core NMR spectroscopy, whereby in the respective proton and carbon spectra those in the figure with letters identified groups were clearly assigned by comparison with literature data based on displacement and integral.
Die Massenspektren wurden über Elektrosprayionisation auf einem Thermo Lisher Scientific Orbitrap XL vermessen. Die Proben wurden dazu in CHCL gelöst, die Lösung mit MeOH (enthaltend 0,1% Essigsäure) verdünnt und unter Verwendung einer Spritzenpumpe über den Direkteinlass in das ESI-Quellsystem eingespritzt (Elektrospray-Spannung 4 kV, Stromstärke 0.7 mA, Volumenstrom Sheath Gas 5 arb, Volumenstrom Stoßgas 5 arb, Kapillaren-Temperatur 300°C, Kapillaren-Spannung 0,05 V, Tube Lens Spannung 150 V). Die Detektion erfolgte mit einer Orbitrap-Ionenfalle. The mass spectra were measured by electrospray ionization on a Thermo Lisher Scientific Orbitrap XL. For this purpose, the samples were dissolved in CHCL, the solution was diluted with MeOH (containing 0.1% acetic acid) and injected into the ESI source system via the direct inlet using a syringe pump (electrospray voltage 4 kV, current 0.7 mA, volume flow Sheath Gas 5 arb, volume flow shock gas 5 arb, capillary temperature 300 ° C, capillary voltage 0.05 V, tube lens voltage 150 V). The detection was carried out with an Orbitrap ion trap.
Die Infrarotspektren wurden auf einem Bruker alpha FT-fR Spektrometer vermessen, wobei die Proben jeweils in Substanz auf den ATR Kristall aufgebracht wurden. Die Spektren wurden im Bereich von 4000 bis 400 cm 1 mit einer Auflösung von 4 cm 1 über Mittelung von 32 Einzelspektren gegen Luft als Hintergrundspektrum (Mittelung von 100 Einzelspektren) vermessen. The infrared spectra were measured on a Bruker alpha FT-fR spectrometer, the samples in each case being applied in bulk to the ATR crystal. The spectra were measured in the range from 4000 to 400 cm 1 with a resolution of 4 cm 1 by averaging 32 individual spectra against air as the background spectrum (averaging 100 individual spectra).
Die ICP Analyse erfolgte auf einem ICP-MS-HR Element2 ausgestattet mit einem ECM Detektor unter Verwendung von Argon als Kühl-, Hilfs-, Träger- und Zusatzgas, Generatorleistung 1200 - 1600 Watt, Massen: 31P, 29Si, Quantifizierung über externe Kalibrierung mit Rhodium als internen Standard. The ICP analysis was carried out on an ICP-MS-HR Element2 equipped with an ECM detector using argon as cooling, auxiliary, carrier and additional gas, generator power 1200 - 1600 watts, masses: 31 P, 29 Si, quantification via external Calibration with rhodium as an internal standard.
Die 31P{ 1H} NMR-Spektren wurden bei 161,9 MHz in CDCI3 auf einem Bruker AV400 Ultrashield gemessen. Die 11 NMR-Spektren wurden bei 400 MHz in CDCI3 mit einem Bruker AV400 gemessen. Die Kalibrierung der chemischen Verschiebungen erfolgte relativ zum Lösungsmittelsignal (CDCI3, d = 7.26 ppm). 3C { 111 } NMR-Spektren wurden bei 100,6 MHz in CDCI3 mit einem Bruker AV400 Ultrashield gemessen. Die Kalibrierung der chemischen Verschiebungen erfolgte relativ zum Lösungsmittelsignal (CDCI3, d = 77,16 ppm). Die Zuordnung
der Signale erfolgte durch Abgleich mit den 13C APT NMR-Spektren der Produkte (APT = Attached Proton Test). Entsprechend dem Lösungsmittel-Signal von CDCb (positive Polarität) wurden Signale mit positiver Polarität quartären C-Atomen bzw. CEb-Gruppen, Signale mit negativer Polarität CH bzw. CH3-Gruppen zugeordnet. Die Art der Aufspaltung ist spezifiziert als Singulett (s), zwei Singuletts (2xs), drei Singuletts (3xs), Duplett (d), Triplett (t), Multiplett (m) oder breites Signal (b). The 31 P { 1 H} NMR spectra were measured at 161.9 MHz in CDCI3 on a Bruker AV400 Ultrashield. The 11 NMR spectra were measured at 400 MHz in CDCI3 with a Bruker AV400. The chemical shifts were calibrated relative to the solvent signal (CDCI3, d = 7.26 ppm). 3 C { 1 11} NMR spectra were measured at 100.6 MHz in CDCI3 with a Bruker AV400 Ultrashield. The chemical shifts were calibrated relative to the solvent signal (CDCI3, d = 77.16 ppm). The assignment the signals were obtained by comparison with the 13 C APT NMR spectra of the products (APT = Attached Proton Test). Corresponding to the solvent signal of CDCb (positive polarity), signals with positive polarity were assigned to quaternary C atoms or CEb groups, signals with negative polarity to CH or CH3 groups. The type of splitting is specified as a singlet (s), two singlets (2xs), three singlets (3xs), doublet (d), triplet (t), multiplet (m) or broad signal (b).
Katalysator SQ+ CI ECOCT Catalyst SQ + CI ECOCT
HR-MS (ESI): berechnet 1059,47935 (C43H960i2PSi8 +), gefunden 1059,4753. FT-fR 2913,0 (s), 1463,77 (s), 1365,93 (s), 1228,76 (m), 1084,29 (b), 837,48 (m), 743,57 (m), 472,35 (m) cm 1. HR-MS (ESI): calculated 1059.47935 (C 43 H 96 0i 2 PSi 8 + ), found 1059.4753. FT-fR 2913.0 (s), 1463.77 (s), 1365.93 (s), 1228.76 (m), 1084.29 (b), 837.48 (m), 743.57 (m ), 472.35 (m) cm 1 .
Der Silizium- und Phosphorgehalt wurde über ICP Analyse zu 17,0% Gewichts-% Si (theoretisch: 20,1%) und 2,1 Gewichts-% P (theoretisch: 2,8%) bestimmt. The silicon and phosphorus content was determined by ICP analysis to be 17.0% by weight Si (theoretically: 20.1%) and 2.1% by weight P (theoretically: 2.8%).
31R{ Ή} NMR (CDCI3, 161,9 MHz): d = 30,24 (s) ppm. Tabelle 1-la: Chemische Verschiebung und Zuordnung der charakteristischen Signale für Katalysator 1 (SQ+ CHs-COO ) in den Ή NMR Spektren. 31 R {Ή} NMR (CDCI3, 161.9 MHz): d = 30.24 (s) ppm. Table 1-la: Chemical shift and assignment of the characteristic signals for catalyst 1 (SQ + CHs-COO) in the Ή NMR spectra.
Tabelle 1-lb: Chemische Verschiebung und Zuordnung der charakteristischen Signale für Katalysator 1 (SQ+ CHs-COO ) in den 3C f 111 } NMR Spektren. Table 1-lb: Chemical shift and assignment of the characteristic signals for catalyst 1 (SQ + CHs-COO) in the 3 C f 1 11} NMR spectra.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen: The present invention is explained in more detail with reference to the following examples and the figures, but without being restricted thereto. Show it:
FIG. 1 die Anordnung der Glasgefäße in Beispiel 1 FIG. 1 shows the arrangement of the glass vessels in Example 1
FIG. 2a das Konzentrationsprofil der unpolaren Phasen aus Beispiel 1 FIG. 2a the concentration profile of the non-polar phases from Example 1
FIG. 2b das Konzentrationsprofil der polaren Phasen aus Beispiel 1 FIG. 2b the concentration profile of the polar phases from example 1
FIG. 3a eine Simulation eines Konzentrationsprofils in unpolaren Phasen FIG. 3a a simulation of a concentration profile in non-polar phases
FIG. 3b eine Simulation eines Konzentrationsprofils in polaren Phasen FIG. 3b a simulation of a concentration profile in polar phases
FIG. 4a das Konzentrationsprofil der unpolaren Phasen aus Beispiel 3 FIG. 4a the concentration profile of the non-polar phases from example 3
FIG. 4b das Konzentrationsprofil der polaren Phasen aus Beispiel 3 FIG. 4b the concentration profile of the polar phases from example 3
FIG. 5 ein Reaktionsverfahren mit fraktionierter extraktiver Reaktion FIG. 5 shows a reaction method with a fractional extractive reaction
FIG. 6a und 6b weitere Reaktionsverfahren mit fraktionierter extraktiver Reaktion. FIG. 6a and 6b further reaction processes with fractional extractive reaction.
Beispiel 1 example 1
Die fraktionierte Extraktion wurde mittels folgender Prozedur demonstriert: Zunächst wurden jeweils 15 mF n-I Ieptan und 2,5 mF wasserfreies Acetonitril bei 60 °C in 15 Glasgefäßen äquilibriert. Die Glasgefäße wurden mit den Nummern 1 bis 15 durchnummeriert. Anschließend wurde ein cyclischer Vorgang 40-mal wiederholt: The fractionated extraction was demonstrated using the following procedure: First, 15 mF n-I Ieptane and 2.5 mF anhydrous acetonitrile were equilibrated at 60 ° C in 15 glass vessels. The glass vessels were numbered 1 to 15. A cyclic process was then repeated 40 times:
0,1 mF einer Mischung aus ca. 50% (jeweils Massenanteil) Acetonitril und 25% 1,6-HDI und 25% 1,6-HDI-Trimer wurden in das zentrale Gefäß (Nr. 8) gegeben. - Sämtliche Glasgefäße wurden für 3 Minuten gerührt. Nach dem Absetzenlassen (ca. 50.1 mF of a mixture of approx. 50% (mass fraction in each case) acetonitrile and 25% 1,6-HDI and 25% 1,6-HDI trimer were added to the central vessel (No. 8). - All glass jars were stirred for 3 minutes. After weaning (approx. 5
Sekunden) wurden 5 mF aus der oberen, n-I Icptan-rcichen Phase entnommen. Ebenfalls wurden 0,5 mF (aus Gefäßen 1 bis 8) und 0,4 mF (aus Gefäßen 9 bis 15) der unteren, Acetonitril-reichen Phase entnommen. Seconds) 5 mF were removed from the upper, n-Icptan-rcichen phase. 0.5 mF (from tubes 1 to 8) and 0.4 mF (from tubes 9 to 15) of the lower, acetonitrile-rich phase were also removed.
Aus Gefäßen 1 bis 14 (mit der Nummer j) wurde die Probe der oberen Phase ins nächste Gefäß (Nummer j+1) gegeben. Die Probe der oberen Phase von Gefäß 15 wurde als Raffinat
gesammelt und in Gefäß Nr. 1 wurden 5 mL monomer- und trimerfreies äquilibriertes n- Heptan gegeben. From vials 1 to 14 (number j), the upper phase sample was added to the next vial (number j +1). The upper phase sample from vessel 15 was made as raffinate collected and placed in tube # 1, 5 mL of monomer and trimer free equilibrated n-heptane.
Die Proben der unteren Phasen wurden wie im vorigen Schritt beschrieben, aber in umgekehrter Richtung auf die Gefäße verteilt. Aus Gefäß Nr. 1 wurde der Extrakt entnommen und monomer- und trimerfreies Acetonitril in Gefäß 15 nachgefügt. The samples from the lower phases were distributed as described in the previous step, but distributed in the opposite direction to the vessels. The extract was removed from vessel No. 1 and monomer-free and trimer-free acetonitrile was added to vessel 15.
Die Prozedur wird schematisch in FIG. 1 wiedergegeben. Am Ende des Experiments wurde aus jedem der Gefäße eine Probe der oberen sowie der unteren Phase mittels HPLC analysiert und daraus ein Konzentrationsprofil erstellt. The procedure is shown schematically in FIG. 1 reproduced. At the end of the experiment, a sample of the upper and the lower phase was analyzed from each of the vessels by means of HPLC and a concentration profile was created therefrom.
Zur Simulation der Prozedur wurde ein diskontinuierliches Modell auf der Basis von Batch- Kontakten und einer linearen Triebkraft-Näherung für den Massentransfer zwischen den Phasen eingesetzt. To simulate the procedure, a discontinuous model based on batch contacts and a linear driving force approximation was used for the mass transfer between the phases.
Die flüssig-flüssig-Gleichgewichtsparameter in einem solchen Modell (nicht-lineare Gleichgewichtsisotherme) wurden für das System Acetonitril/n-I Ieptan/l ,6- 1 ,6-111 )1/1 ,6- 1 ,6- 111 )1- Trimer bei 60 °C experimentell bestimmt. Dazu wurden die Phasendiagramme für die ternären Systeme n-Heptan/ Acetonitril/ 1,6-HDI, n-Heptan/ Acetonitril/ 1, 6-HDI-Trimer, sowie n-I Ieptan/1 ,6- 111 )1/ 1 ,6-1 IDI-Tri cr bei einer Temperatur von 60 °C über Trübungstitration bestimmt. Ternäre Mischungen aus Acetonitril, 1,6-HDI und 1, 6-HDI-Trimer sind im gesamten Bereich mischbar und bilden nur eine Phase aus. The liquid-liquid equilibrium parameters in such a model (non-linear equilibrium isotherms) were trimer for the system acetonitrile / nI ieptane / l, 6- 1, 6-111) 1/1, 6- 1, 6- 111) experimentally determined at 60 ° C. For this purpose, the phase diagrams for the ternary systems n-heptane / acetonitrile / 1,6-HDI, n-heptane / acetonitrile / 1, 6-HDI trimer, and nI ieptane / 1, 6- 111) 1/1, 6- 1 IDI-Tri cr determined at a temperature of 60 ° C via turbidity titration. Ternary mixtures of acetonitrile, 1,6-HDI and 1,6-HDI trimer are miscible in the entire range and form only one phase.
Für die Bestimmung des Verteilungskoeffizienten von 1,6-HDI wurde eine Mischung von 1,42 g n- Heptan, 1,65 g Acetonitril und unterschiedlichen Mengen 1,6-HDI (0,11347, 0,18034, 0,28166, 0,35709, 0,4407 oder 0,55099 g) unter Rühren für 2 Stunden bei 30°C bzw. 60 °C äquilibriert. Die beiden Phasen wurden anschließend voneinander getrennt und aus jeder der beiden Phasen eine Probe für die HPLC Chromatographie entnommen. Die beobachteten Verteilungskurven lassen sich mit der nachfolgenden Formel (I) beschreiben, wobei XA für den Massenanteil von 1,6-HDI in n-I Ieptan und T für die Temperatur steht. Aus der Steigung der Kurven extrapoliert auf geringe Konzentrationen berechnet sich der Partitionskoeffizient K = x«-HePtan/xAcetomtrii von 1,6-HDI zu 0,127 bei 30 °C und 0,189 bei 60 °C. 1,6-HDI ist also bevorzugt in der Acetonitril-reichen Phase löslich. xA = - (0,07067 x T + 18,90040) x xA 2 + (-0,08681 x T + 34,22076) x xA (F-I) A mixture of 1.42 g of n-heptane, 1.65 g of acetonitrile and different amounts of 1,6-HDI (0.11347, 0.18034, 0.28166, 0 , 35709, 0.4407 or 0.55099 g) equilibrated with stirring for 2 hours at 30 ° C or 60 ° C. The two phases were then separated from one another and a sample was taken from each of the two phases for HPLC chromatography. The observed distribution curves can be described with the following formula (I), where X A stands for the mass fraction of 1,6-HDI in nI ieptane and T for the temperature. Extrapolated from the slope of the curves to low concentrations, the partition coefficient K = x «-HePtan / x Acetomt rii is calculated from 1,6-HDI to 0.127 at 30 ° C and 0.189 at 60 ° C. 1,6-HDI is therefore preferably soluble in the acetonitrile-rich phase. x A = - (0.07067 x T + 18.90040) xx A 2 + (-0.08681 x T + 34.22076) xx A (FI)
Für die Bestimmung des Verteilungskoeffizienten des 1,6-HDI-Trimers wurde eine Mischung von 1,42 g n-Heptan, 1,65 g Acetonitril und unterschiedlichen Mengen 1, 6-HDI-Trimer (0,05798, 0,16823, 0,18819, 0,20261, 0,2964, 0,31701 oder 0,42409 g) unter Rühren für 2 Stunden bei 30°C
bzw. 60 °C äquilibriert. Die beiden Phasen wurden anschließend voneinander getrennt und aus jeder der beiden Phasen eine Probe für die HPLC -Chromatographie entnommen. Die beobachteten Verteilungskurven lassen sich mit der nachfolgenden Formel (F-II) beschreiben, wobei XA3 für den Massenanteil von 1,6-HDI-Trimer in n-I Ieptan und T für die Temperatur steht. Aus der Steigung der Kurven extrapoliert auf geringe Konzentrationen berechnet sich der Partitionskoeffizient K = x«-Heptan/xAcetonitrii von 1,6-HDI-Trimer zu 0,0094 bei 30 °C und 0,038 bei 60 °C. 1,6-HDI-Trimer ist also bevorzugt in der Acetonitril-reichen Phase löslich. Der Verteilungskoeffizient für den die höheren Oligomere wurde gleich dem Verteilungskoeffizienten des 1,6-HDI-Trimers gesetzt. To determine the distribution coefficient of the 1,6-HDI trimer, a mixture of 1.42 g of n-heptane, 1.65 g of acetonitrile and various amounts of 1.6-HDI trimer (0.05798, 0.16823, 0 , 18819, 0.20261, 0.2964, 0.31701 or 0.42409 g) with stirring for 2 hours at 30 ° C or 60 ° C equilibrated. The two phases were then separated from one another and a sample was taken from each of the two phases for HPLC chromatography. The observed distribution curves can be described with the following formula (F-II), where X A 3 stands for the mass fraction of 1,6-HDI trimer in nI ieptane and T for temperature. Extrapolated from the slope of the curves to low concentrations, the partition coefficient K = x «-heptane / x acetonit rii of 1.6-HDI trimer is calculated to be 0.0094 at 30 ° C and 0.038 at 60 ° C. 1,6-HDI trimer is therefore preferably soluble in the acetonitrile-rich phase. The partition coefficient for the higher oligomers was set equal to the partition coefficient of the 1,6-HDI trimer.
XA3 = (-2,66103 x T + 912,88226) x xA3 (F-P) X A3 = (-2.66103 x T + 912.88226) xx A3 (FP)
Die Massenübergangsparameter für Monomer, Trimer, Pentamer, Heptamer und Nonamer wurden aus den Literaturbekannten Diffusionskoeffizienten zu 0,75, 0,39, 0,29, 0,23 beziehungsweise 0,20 min 1 abgeschätzt. The mass transition parameters for monomer, trimer, pentamer, heptamer and nonamer were estimated from the diffusion coefficients known from the literature to be 0.75, 0.39, 0.29, 0.23 and 0.20 min 1 , respectively.
Die experimentell ermittelten Konzentrationsprofile nach 40 Durchläufen und die mathematische Modellierung im Gleichgewichtszustand sind in FIG. 2a (obere, n-I Icptan-rciche Phase) und FIG. 2b (untere, Acetonitril-reiche Phase) gezeigt. Die x-Achsen geben mit dem Zähler j die Nummer des jeweiligen Gefäßes und die y-Achsen den Massenanteil M der jeweiligen Komponente in der unpolaren Phase (Mu) und polaren Phase ( Mp ) an. Rechtecke ( ) für die Messwerte und die hinsichtlich des Gefäßes Nummer 1 obere Linie für das Ergebnis der Simulation sind hierbei dem 1,6-HDI-Trimer ("A3") zugeordnet. Auf der Spitze stehende Rechtecke (¨) und die hinsichtlich Gefäß Nummer 1 untere Linie sind entsprechend dem monomeren 1,6-HDI ("A") zugeordnet. The experimentally determined concentration profiles after 40 runs and the mathematical modeling in the equilibrium state are shown in FIG. 2a (upper, nIcptan-rciche phase) and FIG. 2b (lower, acetonitrile-rich phase). With the counter j, the x-axes indicate the number of the respective vessel and the y-axes the mass fraction M of the respective component in the non-polar phase (M u ) and polar phase (M p ). Rectangles () for the measured values and the upper line for the result of the simulation with regard to vessel number 1 are assigned to the 1,6-HDI trimer ("A3"). Rectangular rectangles (¨) and the bottom line with regard to vessel number 1 are assigned according to the monomeric 1,6-HDI ("A").
Aus FIG. 2a und 2b kann entnommen werden, dass es möglich ist, monomeres und trimeres 1,6- HDI mittels fraktionierter flüssig-flüssig-Extraktion voneinander zu trennen. Die mathematische Modellierung korreliert am besten mit den experimentellen Daten zum Trimer. Hieraus wird geschlossen, dass dessen Profil bereits nahe am Gleichgewichtszustand ist. From FIG. 2a and 2b it can be seen that it is possible to separate monomeric and trimeric 1,6-HDI from one another by means of fractional liquid-liquid extraction. Mathematical modeling correlates best with the experimental data on the trimer. From this it is concluded that its profile is already close to the state of equilibrium.
Beispiel 2 Example 2
In diesem Beispiel wurden die Simulationen aus Beispiel 1 zusätzlich mit 1 Gewichts-% (bezogen auf die ursprünglich eingesetzte Menge 1,6-HDI) eines Katalysators, der sich mehrheitlich in der n-Heptan -reichen Phase verteilt, durchgeführt. Der Verteilungskoeffizienten des Katalysators SQ+ CI LCCX L wurde experimentell bestimmt, indem 0,100 g des wie zuvor geschildert erhaltenen Katalysators in einer Mischung aus n-I Ieptan (5 g) und Acetonitril (5 g) gelöst wurde. Die Mischung wurde für 2 Stunden unter Rühren auf 60 °C erhitzt. Anschließend wurde der Rührer ausgeschaltet und die beiden Phasen separiert. Aus beiden Phasen wurden jeweils 1 g Lösung
entnommen, das Lösungsmittel abgezogen und der verbleibende Rückstand gewogen. Der Verteilungskoeffizient K = x«-HePtan/xAcetomtrii berechnet sich als das Verhältnis der gemessenen Menge des Katalysators, die in der n-Heptan-Phase gelöst war, und der gemessenen Menge des Katalysators, die in der Acetonitril-Phase gelöst war zu 0,74. In this example, the simulations from Example 1 were additionally carried out with 1% by weight (based on the amount of 1,6-HDI originally used) of a catalyst which is distributed predominantly in the n-heptane-rich phase. The distribution coefficient of the catalyst SQ + CI LCCX L was determined experimentally by dissolving 0.100 g of the catalyst obtained as described above in a mixture of nI ieptane (5 g) and acetonitrile (5 g). The mixture was heated to 60 ° C with stirring for 2 hours. The stirrer was then switched off and the two phases were separated. 1 g solution was obtained from each phase removed, the solvent removed and the remaining residue weighed. The partition coefficient K = x «- HePtan / x Acetomt rii is calculated as the ratio of the measured amount of the catalyst dissolved in the n-heptane phase and the measured amount of the catalyst dissolved in the acetonitrile phase 0.74.
Ebenso wurde der Verteilungskoeffizienten des Katalysators TTPU experimentell bestimmt, indem 0,103 ml TTPU in einer Mischung aus n-I Ieptan (5 g) und Acetonitril (5 g) gelöst wurden. Die Mischung wurde für 2 Stunden unter Rühren auf 60 °C erhitzt. Anschließend wurde der Rührer ausgeschaltet und die beiden Phasen separiert. Aus beiden Phasen wurden jeweils 1 g Lösung entnommen, das Lösungsmittel abgezogen und der verbleibende Rückstand gewogen. Der Verteilungskoeffizient K = x«-HePtan/xAcetonitrii von TTPU berechnet sich als das Verhältnis der gemessenen Menge TTPU, die in der n-I Ieptan-Phase gelöst war, und der gemessenen Menge TTPU, die in der Acetonitril-Phase gelöst war, zu K = 3,9. The distribution coefficient of the catalyst TTPU was also determined experimentally by dissolving 0.103 ml of TTPU in a mixture of nI ieptane (5 g) and acetonitrile (5 g). The mixture was heated to 60 ° C with stirring for 2 hours. The stirrer was then switched off and the two phases were separated. 1 g of solution was removed from each phase, the solvent was drawn off and the remaining residue was weighed. The partition coefficient K = x «- HePtan / x acetonit rii of TTPU is calculated as the ratio of the measured amount of TTPU dissolved in the nI Ieptane phase to the measured amount of TTPU dissolved in the acetonitrile phase K = 3.9.
Die Ergebnisse der Simulation analog zu FIG. 2a und 2b unter Berücksichtigung des Verteilungskoeffizienten des Katalysators SQ+ CH3COO von K = 0,74 sind in FIG. 3a und 3b dargestellt. Der Massenanteil des Katalysators ist hierbei durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die Kurven für das 1,6-HDI und das 1,6-HDI-Trimer entsprechen denen aus FIG. 2a und 2b. Man erkennt, dass der Katalysator zum Gefäß Nummer 15 hin verteilt wird und somit vom Produkt, dem 1,6-HDI-Trimer, abgetrennt werden kann. The results of the simulation analogous to FIG. 2a and 2b taking into account the partition coefficient of the catalyst SQ + CH 3 COO of K = 0.74 are shown in FIG. 3a and 3b. The mass fraction of the catalyst is shown by the dashed line. The curves for the 1,6-HDI and the 1,6-HDI trimer correspond to those from FIG. 2a and 2b. It can be seen that the catalyst is distributed towards vessel number 15 and can thus be separated from the product, the 1,6-HDI trimer.
Beispiel 3 Example 3
In diesem Beispiel wurde analog zu Beispiel 1 vorgegangen. Zum Einsatz kam jedoch eine Reaktionsmischung, wie sie auch in einem tatsächlichen Experiment erhalten wurde. Die Zusammensetzung der Mischung betrug 0,5 Gewichts-% des Katalysators SQ+ CI LCOCL ("Cat."), 24,88 Gewichts-% 1,6-HDI-Monomer ("A"), 15,68 Gewichts-% 1,6-HDI-Trimer ("A3"), 5,22 Gewichts-% 1,6-HDI-Pentamer ("A5"), 2,18 Gewichts-% 1,6-HDI-Heptamer ("A7") und 1,79 Gewichts-% 1,6-HDI-Nonamer ("A9") in 49,75 Gewichts-% Acetonitril. Solche eine Zusammensetzung lässt auf einfache Weise aus 50 Gewichts-% Acetonitril, 25 Gewichts-% 1,6- HDI und 25 Gewichts-% einer kommerziell erhältlichen 1,6-HDI-Oligomermischung und der entsprechenden Katalysatorzugabe erhalten. In this example, the procedure was analogous to example 1. However, a reaction mixture was used, as was also obtained in an actual experiment. The composition of the mixture was 0.5% by weight of the catalyst SQ + CI LCOCL ("Cat."), 24.88% by weight of 1,6-HDI monomer ("A"), 15.68% by weight of 1 , 6-HDI trimer ("A3"), 5.22% by weight 1.6-HDI pentamer ("A5"), 2.18% by weight 1.6-HDI heptamer ("A7") and 1.79% by weight 1,6-HDI nonamer ("A9") in 49.75% by weight acetonitrile. Such a composition can be obtained in a simple manner from 50% by weight of acetonitrile, 25% by weight of 1,6-HDI and 25% by weight of a commercially available 1,6-HDI oligomer mixture and the corresponding addition of catalyst.
Die experimentell ermittelten Massenanteile von A, A3, A5, A7 und A9 sind in FIG. 4a und FIG. 4b als entsprechende Datenpunkte wiedergegeben. FIG. 4a zeigt die Massenanteile in der un polaren Phase und FIG. 4b in der polaren Phase. Ebenso zeigen FIG. 4a und 4b als durchgezogene beziehungsweise unterschiedlich gestrichelte Linien Ergebnisse von Simulationen des Konzentrationsprofils der einzelnen Komponenten.
Man erkennt, dass der Katalysator dem n-I Icptan folgt und vollständig in Richtung Raffinat (Gefäß Nummer 15) getrieben wird. Auf diese Weise kann der Katalysator aus dem Produkt abgetrennt werden. Weiterhin ist zu erkennen, wie nicht reagiertes Monomer aus der Reaktionsmischung abgetrennt werden kann und somit für ein kontinuierliches Reaktionsverfahren zur Verfügung steht. The experimentally determined mass fractions of A, A3, A5, A7 and A9 are shown in FIG. 4a and FIG. 4b reproduced as corresponding data points. FIG. 4a shows the mass fractions in the non-polar phase and FIG. 4b in the polar phase. FIG. 4a and 4b as solid or different dashed lines, results of simulations of the concentration profile of the individual components. It can be seen that the catalyst follows the nI icptan and is driven completely towards the raffinate (vessel number 15). In this way, the catalyst can be separated from the product. It can also be seen how unreacted monomer can be separated from the reaction mixture and is thus available for a continuous reaction process.
Es sei allgemein angemerkt, dass in den zuvor beschriebenen Figuren die Abweichungen der simulierten Konzentrationsprofile von den experimentell bestimmten daher rühren, dass in den Simulationen ein Gleichgewichtszustand (steady state) zugrunde gelegt wurde. Dieser ist in den Experimenten nach 40 Zyklen teilweise noch nicht erreicht worden. It should be generally noted that in the figures described above, the deviations of the simulated concentration profiles from the experimentally determined ones stem from the fact that a steady state was taken as a basis in the simulations. In the experiments, this has in some cases not yet been reached after 40 cycles.
Beispiel 4 Example 4
In diesem Beispiel wurde die Verteilung des Katalysators SQ+ CI ECOCT experimentell untersucht. Der Extrakt und das Raffinat aus Beispiel 4 nach dem 40. Zyklus wurden mit ICP Analyse auf die Anwesenheit von Silizium und Phosphor hin analysiert. Im Raffinat wurden 0,0084 Gewichts-% Si und 0,0009 Gewichts-% P gefunden. Der Extrakt wies dagegen 0,0380 Gewichts-% Si und 0,0038 Gewichts-% P auf. hn Extrakt liegt damit eine 4,4 mal höhere Katalysatorkonzentration vor als im Raffinat. Somit wurde der Nachweis der Anreicherung des Katalysators im Extrakt erbracht. In this example the distribution of the catalyst SQ + CI ECOCT was investigated experimentally. The extract and the raffinate from Example 4 after the 40th cycle were analyzed for the presence of silicon and phosphorus using ICP analysis. 0.0084% by weight of Si and 0.0009% by weight of P were found in the raffinate. In contrast, the extract had 0.0380% by weight of Si and 0.0038% by weight of P. In the extract there is a 4.4 times higher catalyst concentration than in the raffinate. Evidence of the enrichment of the catalyst in the extract was thus provided.
FIG. 5 zeigt schematisch ein Reaktionsverfahren mit fraktionierter extraktiver Reaktion. Beispielhaft wird anhand dieser Figur die Trimerisierung von 1,6-HDI erläutert. FIG. 5 schematically shows a reaction method with a fractional extractive reaction. The trimerization of 1,6-HDI is explained using this figure as an example.
Stoffstrom 1 mit 1,6-HDI-Monomer und einem Trimerisierungskatalysator wird in den mittleren Bereich der Extraktionskolonne 2 eingetragen. Die Extraktionskolonne 2 ist als im Gegenstrom betriebene mehrstufige Mischer-Scheider-Anlage für eine flüssig-flüssig-Extraktion ausgeführt. Von oben nach unten, der Schwerkraft folgend, wird Acetonitril durch die Kolonne geführt. Von unten nach oben wird n-I Icptan geführt. In der Kolonne 2 kommt es nun analog zum Beispiel 3 zu einer Anreicherung von 1,6-HDI und des Katalysators in der n-I Ieptan-reichen Phase. Der Katalysator wird so ausgewählt, dass er stärker als 1,6-HDI in die n-I Ieptan-reiche Phase partitioniert, aber auch noch in der Acetonitril-reichen Phase vorhanden sein kann. Stream 1 with 1,6-HDI monomer and a trimerization catalyst is introduced into the central region of the extraction column 2. The extraction column 2 is designed as a multi-stage mixer-separator system operated in countercurrent for a liquid-liquid extraction. Acetonitrile is passed through the column from top to bottom, following gravity. N-I Icptan is led from bottom to top. In column 2 there is now an enrichment of 1,6-HDI and the catalyst in the n-I ieptane-rich phase analogously to Example 3. The catalyst is selected such that it is partitioned more strongly than 1,6-HDI in the n-I ieptane-rich phase, but can also still be present in the acetonitrile-rich phase.
Der so erhaltene 1,6-HDI enthaltende Extrakt wird als Stoffstrom 3 aus dem oberen Bereich der Kolonne 2 entnommen und in die Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 4 eingebracht. In der Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 4 wird die n-I Ieptan-reiche Phase abdestilliert. Das zurückgewonnene 1,6-HDI mitsamt Katalysator wird als Stoffstrom 6 wieder in den mittleren Bereich der Extraktionskolonne 2 eingetragen. Weiterhin wird das abdestillierte unpolare Lösungsmittel als Stoffstrom 5 wieder auf das untere Ende der Extraktionskolonne 2 aufgegeben.
In der Acetonitril-reichen Phase findet aufgrund seiner höheren Polarität eine Anreicherung des 1,6-HDI-Trimers statt. Diese wird am Boden der Kolonne 2 als Stoffstrom 7 abgezogen und in die Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 8 eingebracht. Das polare Lösungsmittel wird abdestilliert und als Stoffstrom 9 auf das obere Ende der Kolonne 2 aufgegeben. Das nach der Destillation erhaltene 1,6-HDI-Trimer wird als Produktstrom 10 entnommen. The extract containing 1,6-HDI thus obtained is removed as stream 3 from the upper region of column 2 and introduced into the solvent recovery unit 4. The nI ieptane-rich phase is distilled off in the solvent recovery unit 4. The recovered 1,6-HDI together with the catalyst is re-entered as stream 6 in the middle area of the extraction column 2. Furthermore, the distilled-off non-polar solvent is fed back to the lower end of the extraction column 2 as stream 5. Due to its higher polarity, the 1,6-HDI trimer is enriched in the acetonitrile-rich phase. This is withdrawn at the bottom of column 2 as stream 7 and introduced into the solvent recovery unit 8. The polar solvent is distilled off and fed as stream 9 to the upper end of column 2. The 1,6-HDI trimer obtained after the distillation is removed as product stream 10.
Durch diese Vorgehens weise wird die Kontaktzeit zwischen 1,6-HDI-Trimer und weiteren Monomeren sowie dem Katalysator reduziert. Hierdurch sinkt die Geschwindigkeit der unerwünschten Folgereaktionen. Es wird ein hoher Umsatz von 1,6-HDI bei gleichzeitig hoher Selektivität für das Trimer erreicht. Das Trimer-Produkt wird im Raffinat frei von Katalysator und Monomer erhalten. Die abgetrennten Lösungsmittelfraktionen werden für den Betrieb der Anlage erneut eingesetzt. This procedure reduces the contact time between 1,6-HDI trimer and other monomers and the catalyst. As a result, the speed of the undesirable subsequent reactions decreases. A high turnover of 1,6-HDI is achieved with a high selectivity for the trimer. The trimer product is obtained in the raffinate free of catalyst and monomer. The separated solvent fractions are used again for the operation of the plant.
FIG. 6a und 6b zeigen schematisch ein zu dem zuvor im Zusammenhang mit FIG. 5 diskutierten Reaktionsverfahren analoges Verfahren mit interner Rückgewinnung von Lösungsmitteln. Beispielhaft wird auch hier die Trimerisierung von 1,6-HDI erläutert. FIG. 6a and 6b schematically show one of the previously in connection with FIG. 5 discussed reaction processes analogous process with internal solvent recovery. The trimerization of 1,6-HDI is also explained here as an example.
Stoffstrom 1 mit 1,6-HDI-Monomer und einem Trimerisierungskatalysator wird in den mittleren Bereich der Extraktionskolonne 2 eingetragen. Die Extraktionskolonne 2 ist als im Gegenstrom betriebene mehrstufige Mischer-Scheider-Anlage für eine flüssig-flüssig-Extraktion ausgeführt. Von oben nach unten, der Schwerkraft folgend, wird Acetonitril durch die Kolonne geführt. Von unten nach oben wird n-I Ieptau geführt. In der Kolonne 2 kommt es nun analog zum Beispiel 3 zu einer Anreicherung von 1,6-HDI und des Katalysators in der n-I Icptan-rcichen Phase. Der Katalysator wird so ausgewählt, dass er stärker als 1,6-HDI in die n-I Icptau-rciche Phase partitioniert, aber auch noch in der Acetonitril-reichen Phase vorhanden sein kann. Stream 1 with 1,6-HDI monomer and a trimerization catalyst is introduced into the central region of the extraction column 2. The extraction column 2 is designed as a multi-stage mixer-separator system operated in countercurrent for a liquid-liquid extraction. Acetonitrile is passed through the column from top to bottom, following gravity. N-I Ieptau is led from bottom to top. Analogous to example 3, in column 2 there is now an enrichment of 1,6-HDI and the catalyst in the n-I-ceptane phase. The catalyst is selected such that it is partitioned more strongly than 1,6-HDI in the n-Ictau-rciche phase, but can also still be present in the acetonitrile-rich phase.
Der so erhaltene 1,6-HDI enthaltende Extrakt wird als Stoffstrom 3 aus dem oberen Bereich der Kolonne 2 entnommen und in die Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 4 eingebracht. In der Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 4 wird die n-I Icptau-rciche Phase abdestilliert. Das zurückgewonnene 1,6-HDI mitsamt Katalysator wird als Stoffstrom 6 wieder in den mittleren Bereich der Extraktionskolonne 2 eingetragen. Weiterhin wird das abdestillierte unpolare Lösungsmittel als Stoffstrom 5 wieder auf das untere Ende der Extraktionskolonne 2 aufgegeben. The extract containing 1,6-HDI thus obtained is removed as stream 3 from the upper region of column 2 and introduced into the solvent recovery unit 4. In the solvent recovery unit 4, the n-Ictau-rciche phase is distilled off. The recovered 1,6-HDI together with the catalyst is re-entered as stream 6 in the middle area of the extraction column 2. Furthermore, the distilled-off non-polar solvent is fed back to the lower end of the extraction column 2 as stream 5.
In der Acetonitril-reichen Phase findet aufgrund seiner höheren Polarität eine Anreicherung des 1,6-HDI-Trimers statt. Diese wird im unteren Bereich der Kolonne 2 als Stoffstrom 7 abgezogen und in die Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 8 eingebracht. Das polare Lösungsmittel wird abdestilliert und als Stoffstrom 9 auf das obere Ende der Kolonne 2 aufgegeben. Das nach der Destillation erhaltene 1,6-HDI-Trimer wird als Produktstrom 10 entnommen.
In der in FIG. 6a gezeigten Variante wird weiterhin die Tatsache ausgenutzt, dass am unteren Ende der Kolonne 2 eine Acetonitrilphase vorliegt, welche im Wesentlichen frei von weiteren Bestandteilen ist. Dann kann unter Umgehung der Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 8 in einem internen Recycling der Stoffstrom 11 wieder direkt auf das obere Ende der Kolonne 2 aufgegeben werden. Due to its higher polarity, the 1,6-HDI trimer is enriched in the acetonitrile-rich phase. This is drawn off in the lower region of column 2 as material stream 7 and introduced into the solvent recovery unit 8. The polar solvent is distilled off and fed as stream 9 to the upper end of column 2. The 1,6-HDI trimer obtained after the distillation is removed as product stream 10. In the in FIG. 6a, the fact that an acetonitrile phase is present at the lower end of column 2, which is essentially free of further constituents, is also used. Then, bypassing the solvent recovery unit 8 in an internal recycling process, the material stream 11 can be fed directly onto the upper end of the column 2.
In der in FIG. 6b gezeigten Variante liegt am oberen Ende der Kolonne 2 eine Heptanphase vor, die im Wesentlichen frei von anderen Bestandteilen, mit Ausnahme des Katalysators, ist. Unter Umgehung der Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 4 wird sie in einem internen Recycling als Stoffstrom 12 abgezogen. In der Lösungsmittelrückgewinnungseinheit 14 wird der Katalysator abgetrennt und dem Stoffstrom 1 zur Weiterverwendung in der Oligomerisierungsreaktion zugeführt. Der nach der Lösungsmittelrückgewinnungseinheit erhaltene Lösungsmittelstoffstrom 14 wird auf das untere Ende der Kolonne aufgegeben. In the in FIG. 6b, there is a heptane phase at the upper end of column 2 which is essentially free of other constituents, with the exception of the catalyst. Bypassing the solvent recovery unit 4, it is drawn off as material stream 12 in an internal recycling. In the solvent recovery unit 14, the catalyst is separated off and fed to stream 1 for further use in the oligomerization reaction. The solvent stream 14 obtained after the solvent recovery unit is fed to the lower end of the column.
Insgesamt wird die Energiebilanz des Verfahrens weiter verbessert, da der Umfang der notwendigen externen Stofftrennung reduziert werden kann. Diese Variante weist selbstverständlich auch die zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren aus FIG. 5 geschilderten Vorteile auf.
Overall, the energy balance of the process is further improved since the amount of external material separation required can be reduced. Of course, this variant also has the one previously described in connection with the method from FIG. 5 described advantages.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von oligomeren Verbindungen aus der Reaktion eines Monomers mit einem oder mehreren Monomeren und/oder mit einem Oligomer, welches auf diesem Monomer basierende Einheiten umfasst, wobei das Monomer und/oder das Oligomer derart ausgewählt sind, dass in der Reaktion Produkte gebildet werden, welche eine größere Anzahl polarer funktioneller Gruppen aufweisen als das individuelle Monomer und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Einbringen zumindest eines Monomers in einen Extraktionsbehälter (2), welcher zur fraktionierten flüssig-flüssig -Extraktion mit einem zwei Phasen ausbildenden Lösungsmittel systempaar, umfassend ein erstes Lösungsmittelsystem und ein zweites Lösungsmittelsystem, eingerichtet ist, b) Reaktion des Monomers im Extraktionsbehälter (2) unter Bildung eines Oligomere umfassenden Reaktionsgemisches ; c) Fraktionierte flüssig-flüssig -Extraktion des in Schritt b) erhaltenen Reaktionsgemisches in dem Extraktionsbehälter (2) unter Verwendung des ersten und zweiten Lösungsmittelsystems, wobei das erste Lösungsmittelsystem ein lineares, verzweigtes oder cyclisches Alkan Chloraromaten und/oder Bromaromaten umfasst und das zweite Lösungsmittelsystem ein Lösungsmittel umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nitrile, cyclische Carbonate, cyclische Ether, Sulfone, Sulfoxide, Nitroaromaten, Lactone, Ester, anorganische Ester, Aldehyde, Formamide, halogenierte (wobei Halogen nicht für Fluor steht) Alkane und/oder Dialkylether von Oligoethylenoxiden; und d) Entnehmen eines das zweite Lösungsmittelsystem und das in Schritt b) gebildete Oligomer umfassenden Stroms (7) aus dem Extraktionsbehälter (2). 1. Process for the preparation of oligomeric compounds from the reaction of a monomer with one or more monomers and / or with an oligomer which comprises units based on this monomer, the monomer and / or the oligomer being selected such that products are present in the reaction are formed which have a larger number of polar functional groups than the individual monomer and the method comprises the following steps: a) introducing at least one monomer into an extraction container (2) which is used for fractional liquid-liquid extraction with a two-phase Solvent system pair, comprising a first solvent system and a second solvent system, is set up, b) reaction of the monomer in the extraction container (2) to form a reaction mixture comprising oligomers; c) Fractionated liquid-liquid extraction of the reaction mixture obtained in step b) in the extraction container (2) using the first and second solvent systems, the first solvent system comprising a linear, branched or cyclic alkane chloroaromatic and / or bromine aromatic and the second solvent system comprises a solvent which is selected from the group comprising nitriles, cyclic carbonates, cyclic ethers, sulfones, sulfoxides, nitroaromatics, lactones, esters, inorganic esters, aldehydes, formamides, halogenated (where halogen is not fluorine) alkanes and / or dialkyl ethers of oligoethylene oxides; and d) removing a stream (7) comprising the second solvent system and the oligomer formed in step b) from the extraction container (2).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Monomer ein monomolekulares, dimolekulares oder trimolekulares Di- oder Polyisocyanat ist. 2. The method according to claim 1, wherein the monomer is a monomolecular, dimolecular or trimolecular di- or polyisocyanate.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Monomer ein Alkylenoxid ist und in Schritt b) mit einem Alkohol reagiert.
3. The method according to claim 1, wherein the monomer is an alkylene oxide and reacts with an alcohol in step b).
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei der fraktionierten flüssig-flüssig-Extraktion in Schritt c) das erste und zweite Lösungsmittelsystem im Gegenstrom zueinander geführt werden. 4. The method according to claim 1, wherein in the fractional liquid-liquid extraction in step c), the first and second solvent systems are guided in countercurrent to one another.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Extraktionsbehälter (2) als Füllkörperkolonne oder gepulste oder nicht gepulste Siebbodenkolonne ausgeführt ist. 5. The method according to claim 1, wherein the extraction container (2) is designed as a packed column or pulsed or non-pulsed sieve plate column.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Extraktionsbehälter (2) als mehrstufige Mischer- Scheider- Anlage ausgeführt ist. 6. The method according to claim 1, wherein the extraction container (2) is designed as a multi-stage mixer-separator system.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei nach Schritt d) das zweite Lösungsmittelsystem abgetrennt wird und wieder in den Extraktionsbehälter (2) eingebracht wird. 7. The method according to claim 1, wherein after step d) the second solvent system is separated and reintroduced into the extraction container (2).
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend die Schritte: e) Entnehmen eines das erste Lösungsmittelsystem und das in Schritt b) nicht reagierte Monomer umfassenden Stroms (3) aus dem Extraktionsbehälter (2); f) Abtrennung des ersten Lösungsmittelsystems von den nicht reagierten Monomer; g) Einbringen des in Schritt f) erhaltenen ersten Lösungsmittelsystems in den Extraktionsbehälter (2); und h) Einbringen des in Schritt f) erhaltenen nicht reagierten Monomers in den Extraktionsbehälter8. The method according to claim 1, further comprising the steps of: e) removing a stream (3) comprising the first solvent system and the monomer not reacted in step b) from the extraction container (2); f) separation of the first solvent system from the unreacted monomer; g) introducing the first solvent system obtained in step f) into the extraction container (2); and h) introducing the unreacted monomer obtained in step f) into the extraction container
(2). (2).
9. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend die Schritte: i) Entnehmen eines Stoffstroms (11) aus dem Extraktionsbehälter (2), wobei der hierbei entnommene Stoffstrom (11) das zweite Lösungsmittelsystem enthält und frei von Produkten der Reaktion in Schritt b) ist, gefolgt vom direkten Rückeinspeisen dieses Stoffstroms (11) an einem von seiner Entnahme verschiedenen Ort des Extraktionsbehälters (2); und/oder k) Entnehmen eines Stoffstroms (12) aus dem Extraktionsbehälter (2), wobei der hierbei entnommene Stoffstrom (12) das erste Lösungsmittelsystem enthält und frei von Monomeren ist, gefolgt vom Abtrennen eines gegebenenfalls vorhandenen Katalysators und Rückeinspeisen dieses Stoffstroms (12, 14) an einem von seiner Entnahme verschiedenen Ort des Extraktionsbehälters (2). 9. The method according to claim 1, further comprising the steps of: i) removing a stream of material (11) from the extraction container (2), the stream of material (11) removed in this process containing the second solvent system and being free of products from the reaction in step b) , followed by feeding this material stream (11) directly back to a location of the extraction container (2) that is different from its removal; and / or k) withdrawing a stream (12) from the extraction container (2), the stream (12) removed in this process containing the first solvent system and being free of monomers, followed by separating off any catalyst present and feeding this stream (12, 14) at a different location from the extraction container (2).
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das erste Lösungsmittelsystem lineare, verzweigte und/oder cyclische Alkane umfasst und das zweite Lösungsmittelsystem Acetonitril umfasst.
10. The method of claim 1, wherein the first solvent system comprises linear, branched and / or cyclic alkanes and the second solvent system comprises acetonitrile.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Reaktion in Schritt b) in Gegenwart eines Katalysators stattfindet und der Katalysator derart ausgewählt ist, dass er zu einem größeren Anteil im ersten Lösungsmittelsystem als im zweiten Lösungsmittelsystem vorliegt. 11. The method according to claim 1, wherein the reaction in step b) takes place in the presence of a catalyst and the catalyst is selected such that it is present to a greater extent in the first solvent system than in the second solvent system.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Katalysator in einem Anteil von > 0,1 Gewichts-% bis < 35 Gewichts-%, bezogen auf die Menge an eingesetztem Monomer, eingesetzt wird. 12. The method according to claim 11, wherein the catalyst is used in a proportion of> 0.1% by weight to <35% by weight, based on the amount of monomer used.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei nach Schritt (b) keine Desaktivierung des Katalysators durchgeführt wird. 13. The method according to claim 11, wherein after step (b) no deactivation of the catalyst is carried out.
14. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei Katalysator polyedrische oligomere Silsesquioxane der allgemeinen Formel (I) umfasst: 14. The method according to claim 11, wherein the catalyst comprises polyhedral oligomeric silsesquioxanes of the general formula (I):
wobei RI, R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus den Gruppen (Ia) und/oder (Ib) mit der Maßgabe, dass wenigstens einer der Reste RI, R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 aus der Gruppe (Ib) ausgewählt ist: wherein RI, R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 are independently selected from groups (Ia) and / or (Ib) with the proviso that at least one of the radicals RI, R2, R3, R4, R5 , R6, R7 and R8 is selected from group (Ib):
(La): Alkyl, Cy cloalkyl, Aryl, Heteroaryl, Heterocyclyl, Alkenyl, Alkinyl, Perfluoroaryl, Perfluoroalkenyl, Perfluoroalkinyl, Alkoxy, Perfluoroalkyl, Perfluoroalkoxy, Polyoxy- alkylen, (La): alkyl, cycloalkyl, aryl, heteroaryl, heterocyclyl, alkenyl, alkynyl, perfluoroaryl, perfluoroalkenyl, perfluoroalkynyl, alkoxy, perfluoroalkyl, perfluoroalkoxy, polyoxyalkylene,
(Lb): -A-R9, wobei gilt: (Lb): -A-R9, where:
A = (CR2)n mit n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15, und R für gleiche oder verschiedene Substituenten aus der Gruppe H und/oder Ia; oder A = (CR2) n with n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 or 15, and R for identical or different substituents from group H and / or Ia; or
A = ortho-, meta- oder para-C R , wobei R die vorstehend genannte Bedeutung hat; oder
A = (CR2)2-Si(R2)-(CR2)„, mit n = 1, 2, 3, 4, wobei R die vorstehend genannte Bedeutung hat; und A = ortho-, meta- or para-C R, where R has the meaning given above; or A = (CR 2 ) 2 -Si (R 2 ) - (CR 2 ) ", with n = 1, 2, 3, 4, where R has the meaning given above; and
R9 = N(R10)(R11), P(R10)(R11), N(R10)(R11)(R12)X, P(R10)(R11)(R12)X, R9 = N (R10) (R11), P (R10) (R11), N (R10) (R11) (R12) X, P (R10) (R11) (R12) X,
COOM, OM, oder ein weiterer Substituent gemäß Formel (I) ist, wobei COOM, OM, or a further substituent according to formula (I), wherein
RIO, RI 1 und RI 2 unabhängig voneinander Alkyl oder Aryl sind, RIO, RI 1 and RI 2 are independently alkyl or aryl,
X Carboxylat, Alkoholat, Hydrogencarbonat, oder Carben ist und M Ammonium, Phosphonium, ein Alkali- oder Erdalkalimetallkation ist. X is carboxylate, alcoholate, hydrogen carbonate, or carbene and M is ammonium, phosphonium, an alkali or alkaline earth metal cation.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei: 15. The method of claim 14, wherein:
R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 Ao-Butyl sind, RI ist -(CH2)ni-PAlkyl2 oder -(CH2)ni-PAlkyl3X mit nl = 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 und R2, R3, R4, R5, R6, R7 and R8 are a-butyl, RI is - (CH 2 ) ni -PAlkyl 2 or - (CH 2 ) ni -PAlkyl 3 X with nl = 2, 3, 4, 5 , 6, 7 or 8 and
X ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend X is selected from the group comprising
R13-COO mit R13 = CH3-, CH3CH2-, n- Propyl, Ao-Propyl, ieri.-Butyl, tert.- Amyl, CH3(CH2)n- mit n = 4, 5, 6, 7, 8, Phenyl, 4-Methoxyphenyl und/oder 3,4,5-Trimethoxyphenyl, R14-0 mit R14 = Phenyl oder 2,6-Bis(l,l-dimethylethyl)-4-methylphenyl.
R13-COO with R13 = CH3-, CH3CH 2 -, n-propyl, ao-propyl, ieri.-butyl, tert.-amyl, CH 3 (CH 2 ) n - with n = 4, 5, 6, 7, 8, phenyl, 4-methoxyphenyl and / or 3,4,5-trimethoxyphenyl, R14-0 with R14 = phenyl or 2,6-bis (l, l-dimethylethyl) -4-methylphenyl.
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