製備異氰酸酯的改進方法
2023-06-10 03:23:11
專利名稱：製備異氰酸酯的改進方法
技術領域：
本發明涉及通過讓相應的伯胺與光氣在惰性溶劑中反應來製備異氰酸酯的改進方法。
異氰酸酯是在聚氨酯聚合物領域中具有許多用途的大規模工業產物。然而，在藥物活性化合物的製備中也使用某些異氰酸酯。
通過胺與光氣的反應來合成異氰酸酯的方法已知有很長時間了。在文獻中描述了兩種基本方法，其中之一在大氣壓下進行，而另一種在超大氣壓力下進行。在超大氣壓力下進行光氣化的缺點是需要大大增加的設備費用來應付增高的安全危險，即光氣的逸出。
在大氣壓下製備異氰酸磺醯酯的方法可從US 3,371,114和US3,484,466中獲悉，其中作為催化劑的磺醯胺和異氰酸酯的溶液與光氣在惰性溶劑中反應。在該方法中，形成了作為中間體的相應磺醯脲，再與光氣反應，形成了所需的異氰酸磺醯酯。
烷基和芳基異氰酸酯通常由相應的胺分兩步在大氣壓下通過例如在Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第6版，2000電子發行版，「ISOCYANATES，ORGANIC-Production」中所述的光氣化方法來製備。在第一步，即冷光氣化中，胺與過量的光氣在高度稀溶液中在低溫下反應，形成相應的氨基甲醯氯，在第二步中在升溫下由此形成異氰酸酯，即熱光氣化。由於比芳族胺的鹼度高，脂族和脂環族伯胺更難以光氣化且導致了副產物的形成增加。這些方法的缺點是需要分兩步進行光氣化，尤其還形成了微溶性氨基甲醯氯和胺鹽酸鹽的中間懸浮液，這進而使反應介質的所需稀釋度增加以防止在設備部件上沉積或堵塞設備部件。由於形成了固體，該方法不能在大氣壓下連續進行。此外，該方法導致了作為副產物的對稱N，N』-二取代脲的形成，並且它的形成只能以急劇降低的時空收率為代價來抑制。
脂族和脂環族胺常常以鹽形式用於冷/熱光氣化。然而，這些鹽在反應介質中微溶，使得必需額外的反應步驟和非常長的反應時間。
此外，US 3,440,268和US3,492,331教導了伯胺與光氣在作為催化劑的N，N-二取代甲醯胺、N-烷基內醯胺、N，N-二取代N』-芳基甲脒或N，N，N』，N』-四取代N″-芳基胍的存在下反應的方法。H.Ulrich，Chemistry Technology of Isocyanates，Wiley Sons，1996，328-330頁公開了伯胺與光氣在作為催化劑的叔胺、四甲基脲和羰基二咪唑的存在下反應的方法，以及CS 262 295公開了N，N』-二氮雜雙環[2.2.2]辛烷作為催化劑的用途。所述化合物中的一些化合物必需以等摩爾量使用，並且在反應條件下形成了催化劑鹽酸鹽加合物形式的微溶性鹽。此外，所使用的胺和所形成的氯化氫反應，產生了微溶性胺鹽酸鹽。
WO 01/17951教導了通過相應的伯胺在反應開始之前首先在惰性溶劑中加入並與光氣混合的單異氰酸酯的存在下光氣化來製備異氰酸酯的方法。該方法的缺點是，優選的低分子量脂族異氰酸酯有毒且需要嚴格的安全預防措施。
本發明的目的是發現製備異氰酸酯的方法，該方法不再具有上述缺點，可以連續和間歇進行，不形成或僅輕微形成微溶組分，可以不用高毒性催化劑進行，可使反應在僅一個反應步驟中進行和即使在溫和的溫度和壓力條件下也能獲得高轉化率、高選擇性和高時空收率。
我們已經發現，該目的可通過包括讓相應的伯胺與光氣在惰性溶劑中反應來製備異氰酸酯的方法來達到，其中使用0.01-50mol％的氧化膦，基於在反應溶液中的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。
可以在本發明方法中使用的氧化膦具有通式(I)R1R2R3PO (I)其中基團R1-R3彼此獨立地是含碳有機基團，還可以彼此連接。
對於本發明來說，含碳有機基團是未取代的或取代的脂族、芳族或芳脂族基團。它可以含有一個或多個雜原子如氧，氮，硫或磷，例如-O-，-S-，-NR-，-CO-，-N＝，-SiR2-，-PR-和/或-PR2-，和/或被例如含有氧、氮、硫和/或滷素的一個或多個官能團取代，例如被氟、氯、溴、碘和/或氰基取代(基團R同樣是含碳有機基團)。含碳有機基團可以是單價基團或是二價或三價基團。
單價基團R1、R2和R3彼此獨立地優選是-未支化或支化、無環或環狀、未取代或取代的烷基，它具有1-30個脂族碳原子和其中一個或多個CH2基團可以被雜原子如-O-或-S-置換或被含雜原子的基團如-CO-、-NR-或-SiR2-置換，和其中一個或多個氫原子可以被取代基如芳基或官能團置換；或-未取代或取代的芳族基團，它具有3-30個碳原子和一個環或兩個或三個稠環，其中一個或多個環原子可以被雜原子如氮置換和其中一個或多個氫原子可以被取代基如烷基或芳基或官能團置換。
由R1與R2一起，R2與R3一起，或R1與R3一起組成的二價基團優選各自是-未支化或支化、無環或環狀、未取代或取代的C4-C20亞烷基(「二價烷基」)，在亞烷基鏈中具有4-10個原子和其中CH2基團可以被雜原子基團如-CO-、-O-、-SiR2-或-NR-置換，和其中一個或多個氫原子可以被取代基如芳基置換。
尤其優選使用其基團R1、R2和R3彼此獨立是以下基團的氧化膦(I)-未支化或支化的C1-C20烷基，如甲基，乙基，1-丙基，2-丙基(仲丙基)，1-丁基，2-丁基(仲丁基)，2-甲基-1-丙基(異丁基)，2-甲基-2-丙基(叔丁基)，1-戊基，2-戊基，3-戊基，2-甲基-2-丁基(叔戊基)，1-己基，2-己基，3-己基，2-甲基-2-戊基，3-甲基-3-戊基或2-甲氧基-2-丙基；-未支化或支化的C5-C20環烷基，如環戊基，環己基或環辛基；或-C6-C20芳基或C3-C20雜芳基，它可以是未取代的或被一個或多個C1-C4烷基取代，例如苯基，2-甲基苯基(鄰甲苯基)，3-甲基戊基(間甲苯基)，4-甲基苯基(對甲苯基)，2，6-二甲基苯基，2，4-二甲基苯基，2，4，6-三甲基苯基，2-甲氧基苯基，3-甲氧基苯基，4-甲氧基苯基，2-吡啶基，3-吡啶基，4-吡啶基，3-噠嗪基，4-噠嗪基，5-噠嗪基，2-嘧啶基，4-嘧啶基，5-嘧啶基，2-吡嗪基，2-(1，3，5-三嗪)基，1-萘基，2-萘基，2-喹啉基，8-喹啉基，1-異喹啉基或8-異喹啉基。
更尤其優選使用其基團R1、R2和R3彼此獨立是以下基團的氧化膦(I)-未支化或支化的C1-C10烷基；-未支化或支化的C5-C10環烷基；或-可以是未取代的或被一個或多個C1-C4烷基取代的C6-C12芳基。
尤其，在本發明的方法中使用氧化三苯基膦，氧化三-(C6-C8烷基)膦或它們的混合物。不同的氧化三-(C6-C8烷基)膦的混合物例如可以以Cyanex923的商品名從Cytec Industries獲得。
氧化膦以0.01-50mol％的催化量使用，基於在反應溶液中的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。在計算伯胺和所形成的異氰酸酯的總量中，將仍未反應的起始原料(伯胺)和已形成的產物(異氰酸酯)和所存在的任何中間體的摩爾量相加。在本發明的方法中，優選使用0.01-25mol％，尤其優選0.5-20mol％和更尤其優選1-15mol％的氧化膦，基於在反應溶液中的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。
在本發明的方法中，一般首先在惰性溶劑中加入氧化膦。對於本發明來說，惰性溶劑是對所用伯胺、光氣、所形成的異氰酸酯和所使用的氧化膦呈化學惰性的溶劑。「化學惰性」是指這些稀釋劑不與所提及的物質在選擇的條件下發生化學反應。優選使用芳族或脂族烴類，尤其優選單取代或多取代的芳族烴類如甲苯，鄰-、間-、對-二甲苯，乙基苯，氯苯，或鄰-、間-、對-二氯苯。更尤其優選的是鄰-、間-或對-二甲苯，氯苯，鄰-、間-或對-二氯苯以及它們的混合物。
一般，然後開始引入光氣。它可以以液體或氣體形式引入。通常首先引入光氣的理論需要量的大約10-50％，基於反應體積計。
然後開始將伯胺加入到氧化膦在惰性溶劑中的載有光氣的起始溶液中。其它的光氣根據反應的進程和胺的添加量來引入。
可以在本發明方法中使用的伯胺具有通式(II)
R4-NH2(II)其中基團R4是如以上定義的含碳有機基團。
基團R4優選是-未支化或支化、無環或環狀、未取代或取代的烷基，它具有1-30個脂族碳原子和其中一個或多個CH2基團可以被雜原子如-O-或-S-置換或被含雜原子的基團如-CO-、-NR-或-SiR2-置換，和其中一個或多個氫原子可以被取代基如芳基或官能團置換，其中-OH、-SH和-COOH基團被排除在外；或-未取代或取代的芳族基團，它具有3-30個碳原子和一個環或兩個或三個稠環，其中一個或多個環原子可以被雜原子如氮置換和其中一個或多個氫原子可以被取代基如烷基或芳基或官能團置換，其中-OH，-SH和-COOH基團被排除在外。
尤其，基團R4可以攜帶一個或多個其它的NH2基團，使得具有兩個或多個NH2基團的低聚胺明確地作為伯胺被包括。所使用的伯胺尤其優選是具有一個NH2基團的的單胺，或者具有兩個NH2基團的二胺，各自具有1-20個碳原子。
作為適合的無環和取代或未取代的烷基R4的實例，可以提及甲基，乙基，1-丙基，2-丙基(仲丙基)，1-丁基，2-丁基(仲丁基)，2-甲基-1-丙基(異丁基)，2-甲基-2-丙基(叔丁基)，1-戊基，2-戊基，3-戊基，2-甲基-2-丁基(叔戊基)，1-己基，2-己基，3-己基，2-甲基-2-戊基，3-甲基-3-戊基，1-辛基，1-癸基，2-氨基乙基，3-氨基丙基，4-氨基丁基，5-氨基戊基，6-氨基己基，8-氨基辛基，苯基甲基，1-苯基乙基，1-苯基丙基或1-苯基丁基。
作為環狀和取代或未取代的環烷基R4的實例，可以提及環戊基，環己基，環辛基或3-氨基甲基-3，5，5-三甲基環己基。
作為芳族和雜芳族和取代或未取代的基團R4的實例，可以提及苯基，鄰-、間-或對-甲苯基和氨基甲苯基。
可以強調的是，具有鍵接於NH2基團的旋光碳的對映純的旋光化合物或它們的混合物也可以用作伯胺。有利的是，本發明的方法在反應和後處理過程中導致了僅小程度的外消旋度，一般在2％以下。
在本發明方法中使用的伯胺更尤其優選是1，6-一氨基己烷，環己基胺，異佛爾酮二胺(3-氨基甲基-3，5，5-三甲基環己基胺)，苯胺，二氨基甲苯，二苯基甲烷-4，4』-二胺，R-(+)-和S(-)-苯基乙基胺。
所引入的光氣的總量與所要光氣化的伯胺基團的摩爾比一般是1-10，優選1-5和尤其優選1-2，特別是1.2-1.8。
惰性溶劑的量一般是100-2000重量％和優選300-1000重量％，基於所存在的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。
本發明的方法一般在20-200℃，優選20-150℃和尤其優選50-100℃下進行。在本發明方法的實施中，壓力一般是0.05-0.5MPa(絕對)和優選0.08-0.12MPa(絕對)。
在已加入所需量的光氣和胺之後，一般將所得反應溶液在反應條件下保持一定時間，一般30分鐘到6小時，以便發生進一步的反應。為了除去或減少反應溶液中的過量光氣和它的反應產物二氧化碳和氯化氫的量，隨後通常在強力混合下將惰性氣體通入混合物(「汽提」)。
本發明的方法原則上可以連續或間歇進行，其中連續操作是優選的。該方法可以在適於與光氣反應的任何裝置中進行。適合的反應器例如是攪拌容器。
反應之後的反應混合物一般通過已知方法進行後處理。優選的是通過分餾來分離所需的異氰酸酯。用作催化劑的氧化膦優選通過蒸餾來回收，以及在連續方法的情況下，進行再循環。
在間歇製備異氰酸酯的一般實施方案中，在攪拌的同時將氧化膦與惰性溶劑一起投入到反應器內，例如攪拌容器內，以及將光氣加載到該溶液中。然後使反應體系達到所需溫度，再開始引入胺。根據反應的進程和加入的胺量引入另外的光氣。在已加入所需量的光氣之後，將反應溶液在設定溫度下保留一段時間，同時繼續攪拌，以便發生進一步的反應。在該後反應時間中，仍然存在於反應溶液中的光氣與殘留胺反應。為了除去或降低反應溶液中的過量光氣及其反應產物二氧化碳和氯化氫的濃度，可以在強力混合的同時將惰性氣體通入混合物(「汽提」)。所得反應溶液然後進行後處理。一般，後處理通過蒸餾來進行，適當的話在減壓下進行。在相對高沸點的異氰酸酯的情況下，其它純化方法例如結晶也是可行的。
在連續製備異氰酸酯的一般實施方案中，在攪拌的同時將氧化膦與惰性溶劑一起投入到反應器內，例如攪拌容器內，然後將光氣加載到溶液中。然後使反應體系達到所需溫度，再開始連續引入胺。根據反應的進程和所加入的胺量連續引入其它光氣。在反應器的內容物大部分反應形成異氰酸酯之後，調節胺和光氣的量，使得二者基本以化學計算需求比率來添加。例如經液面調節器或溢流管從反應裝置中排出對應於加入量的反應溶液的量。已排出的反應溶液在下遊容器例如攪拌容器中收集，以便進行進一步的反應。
在下遊容器已經裝滿反應混合物之後，視需要而定，溢流管通過如上所述的汽提來脫除副產品二氧化碳和氯化氫，再進行後處理。後處理例如可以通過蒸餾來進行。
本發明的方法可以通過伯胺的連續或間歇光氣化來製備異氰酸酯。與已知的無催化劑方法相比，本發明的方法可以在溫和的溫度和壓力條件下用僅一個反應步驟來進行實際的反應，並且還獲得了較高的伯胺轉化率、異氰酸酯的高選擇性和高時空收率。與已知的無催化劑方法和在催化劑存在下的已知方法相比，本發明的方法沒有或僅有不明顯的形成微溶組分的傾向性。在設備部件上的沉積和堵塞設備部件的危險大大降低，從而在處理有毒光氣時，構成了決定性的安全優點。此外，沒有形成或僅少量形成微溶組分使得首先可以進行連續方法，並且在後續後處理中獲得了顯著的優點。
在本發明方法中使用的氧化膦一般是無毒的，或僅具有低毒性，與在WO 01/17951中所述的使用脂族單異氰酸酯相比，這尤其構成了優點。
實施例實驗裝置實驗裝置包括配備攪拌器、恆溫器、氣體光氣的進口管和兩件式冷凝器級聯的1L玻璃容器。兩件式冷凝器級聯包括保持在-10℃的加強冷凝器和保持在-78℃的二氧化碳冷凝器。實驗在大氣壓下進行。
對比實施例1將500g的氯苯投入到玻璃容器內，再於室溫下引入40g的氣體光氣。隨後將反應混合物加熱到77℃，同時建立了強烈的光氣回流。在77-80℃下強力攪拌的同時，經3小時的過程引入溶解在200g氯苯中的總共99.2g環己基胺(1mol)和同時另外92g的光氣。在添加完成後，該體系在不引入光氣的情況下在77-80℃下保持另外1小時，以便發生進一步的反應，殘留未反應的光氣隨後在50℃下用氮氣汽提出來。所得反應混合物是懸浮液，通過過濾從該懸浮液中分離出所得固體。可以以這種方式分離出15g的固體，根據IR-光譜分析該固體主要是胺鹽酸鹽。過濾的粗產物通過蒸餾來後處理。脫除溶劑並分餾，獲得了88.8g的異氰酸環己酯(0.710mol)。這對應於理論產量的71.0％。
實施例2(根據本發明)將500g的氯苯和7g的氧化三苯基膦(0.025mol)投入到玻璃容器內，再於室溫下引入47g的氣體光氣。隨後將反應混合物加熱到78℃，同時建立了強烈的光氣回流。在78-80℃下強力攪拌的同時，經3小時引入溶解在200g氯苯中的總共99.2g環己基胺(1mol)和同時另外116g的光氣。在添加完成後，該體系在不引入光氣的情況下在78-80℃下保持另外1小時，以便發生進一步的反應，殘留未反應的光氣隨後在40℃下用氮氣汽提出來。所得反應混合物是流體懸浮液，通過過濾從該懸浮液中分離出所得固體。可以以這種方式分離出1.9g的固體。過濾的粗產物通過蒸餾來後處理。脫除溶劑並分餾，獲得了84.6g的異氰酸環己酯(0.677mol)。這對應於理論產量的67.7％。
實施例3(根據本發明)將500g的氯苯和8.7g的Cyanex923(Cytec Industries的商品，具有348g/mol平均分子量的不同氧化三-(C6-C8烷基)膦的混合物)(0.025mol)投入到玻璃容器內，再於室溫下引入53g的氣體光氣。隨後將反應混合物加熱到80℃，同時建立了強烈的光氣回流。在77-80℃下強力攪拌的同時，經3小時引入溶解在200g氯苯中的總共99.2g環己基胺(1mol)和同時另外113g的光氣。在添加完成後，該體系在不引入光氣的情況下在77-80℃下保持另外1小時，以便發生進一步的反應，殘留未反應的光氣隨後在40℃下用氮氣汽提出來。所得反應混合物是流體懸浮液，通過過濾從該懸浮液中分離出所得固體。可以以這種方式分離出幾毫克的固體。過濾的粗產物通過蒸餾來後處理。脫除溶劑並分餾，獲得了82.8g的異氰酸環己酯(0.662mol)。這對應於理論產量的66.2％。
與不使用催化劑的對比實施例1相比，使用氧化三苯基膦的本發明實施例2的固體比例降低了13倍。這樣，需要分離的固體大大減少。在使用氧化三-(C6-C8烷基)膦(Cyanex923)的本發明實施例3的情況下，形成了僅痕量的固體。
固體比例的顯著降低使得本發明方法進行得更加簡單、更加安全和問題更少。尤其，在設備部件上的沉積和堵塞的風險顯著降低，這在處理有毒光氣時構成了決定性的優點並且使得連續方法是可行的。
與因為固體形成而不得不間歇進行的已知方法相比，實施連續方法的能力使得可以獲得顯著增加的時空收率。未反應的胺可以返回到反應裝置，也使可獲得的收率高於已知方法。
權利要求
1.一種通過相應的伯胺與光氣在惰性溶劑中反應來製備異氰酸酯的方法，其中使用0.01-50mol％的氧化膦，基於在反應溶液中的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。
2.如權利要求1所要求的方法，其中使用0.01-25mol％的氧化膦，基於在反應溶液中的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。
3.如權利要求1或2所要求的方法，其中使用通式(I)的氧化膦作為氧化膦R1R2R3PO (I)其中基團R1、R2和R3彼此獨立地是未支化或支化的C1-C10烷基，未支化或支化的C5-C10環烷基，或可以是未取代的或被一個或多個C1-C4烷基取代的C6-C12芳基。
4.如權利要求3所要求的方法，其中所用的氧化膦(I)是氧化三苯基膦，氧化三-C6-C8烷基膦或它們的混合物。
5.如權利要求1-4的任一項所要求的方法，其中所使用的伯胺是具有一個NH2基團的的單胺，或者具有兩個NH2基團的二胺，各自具有1-20個碳原子。
6.如權利要求5所要求的方法，其中所使用的伯胺是1，6-二氨基己烷，環己基胺，異佛爾酮二胺，苯胺，二氨基甲苯，二苯基甲烷-4，4』-二胺，R-(+)-或S(-)-苯基乙基胺。
7.如權利要求1-6的任一項所要求的方法，其中反應在20-200℃和0.05-0.5MPa絕對壓力下進行。
8.如權利要求1-7的任一項所要求的方法，其中惰性溶劑以100-2000重量％的量使用，基於所存在的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。
9.如權利要求1-8的任一項所要求的方法，其中所使用的惰性溶劑是鄰二甲苯、間二甲苯或對二甲苯、氯苯、鄰二氯苯、間二氯苯、對二氯苯或它們的混合物。
全文摘要
本發明涉及製備異氰酸酯的方法，包括讓相應的伯胺與光氣在惰性溶劑中反應。根據所述方法，使用0.01－50mol％的氧化膦，基於在反應溶液中的伯胺和所形成的異氰酸酯的總量計。
文檔編號C07C265/10GK1575276SQ02820912
公開日2005年2月2日 申請日期2002年10月17日 優先權日2001年10月23日
發明者T·巴德, A·斯塔姆, J·亨克爾曼 申請人:巴斯福股份公司