制备异氰酸酯的改进方法

专利名称：制备异氰酸酯的改进方法
技术领域：
本发明涉及通过让相应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应来制备异氰酸酯的改进方法。
异氰酸酯是在聚氨酯聚合物领域中具有许多用途的大规模工业产物。然而，在药物活性化合物的制备中也使用某些异氰酸酯。
通过胺与光气的反应来合成异氰酸酯的方法已知有很长时间了。在文献中描述了两种基本方法，其中之一在大气压下进行，而另一种在超大气压力下进行。在超大气压力下进行光气化的缺点是需要大大增加的设备费用来应付增高的安全危险，即光气的逸出。
在大气压下制备异氰酸磺酰酯的方法可从US 3,371,114和US3,484,466中获悉，其中作为催化剂的磺酰胺和异氰酸酯的溶液与光气在惰性溶剂中反应。在该方法中，形成了作为中间体的相应磺酰脲，再与光气反应，形成了所需的异氰酸磺酰酯。
烷基和芳基异氰酸酯通常由相应的胺分两步在大气压下通过例如在Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第6版，2000电子发行版，“ISOCYANATES，ORGANIC-Production”中所述的光气化方法来制备。在第一步，即冷光气化中，胺与过量的光气在高度稀溶液中在低温下反应，形成相应的氨基甲酰氯，在第二步中在升温下由此形成异氰酸酯，即热光气化。由于比芳族胺的碱度高，脂族和脂环族伯胺更难以光气化且导致了副产物的形成增加。这些方法的缺点是需要分两步进行光气化，尤其还形成了微溶性氨基甲酰氯和胺盐酸盐的中间悬浮液，这进而使反应介质的所需稀释度增加以防止在设备部件上沉积或堵塞设备部件。由于形成了固体，该方法不能在大气压下连续进行。此外，该方法导致了作为副产物的对称N，N’-二取代脲的形成，并且它的形成只能以急剧降低的时空收率为代价来抑制。
脂族和脂环族胺常常以盐形式用于冷/热光气化。然而，这些盐在反应介质中微溶，使得必需额外的反应步骤和非常长的反应时间。
此外，US 3,440,268和US3,492,331教导了伯胺与光气在作为催化剂的N，N-二取代甲酰胺、N-烷基内酰胺、N，N-二取代N’-芳基甲脒或N，N，N’，N’-四取代N″-芳基胍的存在下反应的方法。H.Ulrich，Chemistry &Technology of Isocyanates，Wiley & Sons，1996，328-330页公开了伯胺与光气在作为催化剂的叔胺、四甲基脲和羰基二咪唑的存在下反应的方法，以及CS 262 295公开了N，N’-二氮杂双环[2.2.2]辛烷作为催化剂的用途。所述化合物中的一些化合物必需以等摩尔量使用，并且在反应条件下形成了催化剂盐酸盐加合物形式的微溶性盐。此外，所使用的胺和所形成的氯化氢反应，产生了微溶性胺盐酸盐。
WO 01/17951教导了通过相应的伯胺在反应开始之前首先在惰性溶剂中加入并与光气混合的单异氰酸酯的存在下光气化来制备异氰酸酯的方法。该方法的缺点是，优选的低分子量脂族异氰酸酯有毒且需要严格的安全预防措施。
本发明的目的是发现制备异氰酸酯的方法，该方法不再具有上述缺点，可以连续和间歇进行，不形成或仅轻微形成微溶组分，可以不用高毒性催化剂进行，可使反应在仅一个反应步骤中进行和即使在温和的温度和压力条件下也能获得高转化率、高选择性和高时空收率。
我们已经发现，该目的可通过包括让相应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应来制备异氰酸酯的方法来达到，其中使用0.01-50mol％的氧化膦，基于在反应溶液中的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。
可以在本发明方法中使用的氧化膦具有通式(I)R1R2R3PO (I)其中基团R1-R3彼此独立地是含碳有机基团，还可以彼此连接。
对于本发明来说，含碳有机基团是未取代的或取代的脂族、芳族或芳脂族基团。它可以含有一个或多个杂原子如氧，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/或卤素的一个或多个官能团取代，例如被氟、氯、溴、碘和/或氰基取代(基团R同样是含碳有机基团)。含碳有机基团可以是单价基团或是二价或三价基团。
单价基团R1、R2和R3彼此独立地优选是-未支化或支化、无环或环状、未取代或取代的烷基，它具有1-30个脂族碳原子和其中一个或多个CH2基团可以被杂原子如-O-或-S-置换或被含杂原子的基团如-CO-、-NR-或-SiR2-置换，和其中一个或多个氢原子可以被取代基如芳基或官能团置换；或-未取代或取代的芳族基团，它具有3-30个碳原子和一个环或两个或三个稠环，其中一个或多个环原子可以被杂原子如氮置换和其中一个或多个氢原子可以被取代基如烷基或芳基或官能团置换。
由R1与R2一起，R2与R3一起，或R1与R3一起组成的二价基团优选各自是-未支化或支化、无环或环状、未取代或取代的C4-C20亚烷基(“二价烷基”)，在亚烷基链中具有4-10个原子和其中CH2基团可以被杂原子基团如-CO-、-O-、-SiR2-或-NR-置换，和其中一个或多个氢原子可以被取代基如芳基置换。
尤其优选使用其基团R1、R2和R3彼此独立是以下基团的氧化膦(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(异丁基)，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环烷基，如环戊基，环己基或环辛基；或-C6-C20芳基或C3-C20杂芳基，它可以是未取代的或被一个或多个C1-C4烷基取代，例如苯基，2-甲基苯基(邻甲苯基)，3-甲基戊基(间甲苯基)，4-甲基苯基(对甲苯基)，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-哒嗪基，4-哒嗪基，5-哒嗪基，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-异喹啉基或8-异喹啉基。
更尤其优选使用其基团R1、R2和R3彼此独立是以下基团的氧化膦(I)-未支化或支化的C1-C10烷基；-未支化或支化的C5-C10环烷基；或-可以是未取代的或被一个或多个C1-C4烷基取代的C6-C12芳基。
尤其，在本发明的方法中使用氧化三苯基膦，氧化三-(C6-C8烷基)膦或它们的混合物。不同的氧化三-(C6-C8烷基)膦的混合物例如可以以Cyanex923的商品名从Cytec Industries获得。
氧化膦以0.01-50mol％的催化量使用，基于在反应溶液中的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。在计算伯胺和所形成的异氰酸酯的总量中，将仍未反应的起始原料(伯胺)和已形成的产物(异氰酸酯)和所存在的任何中间体的摩尔量相加。在本发明的方法中，优选使用0.01-25mol％，尤其优选0.5-20mol％和更尤其优选1-15mol％的氧化膦，基于在反应溶液中的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。
在本发明的方法中，一般首先在惰性溶剂中加入氧化膦。对于本发明来说，惰性溶剂是对所用伯胺、光气、所形成的异氰酸酯和所使用的氧化膦呈化学惰性的溶剂。“化学惰性”是指这些稀释剂不与所提及的物质在选择的条件下发生化学反应。优选使用芳族或脂族烃类，尤其优选单取代或多取代的芳族烃类如甲苯，邻-、间-、对-二甲苯，乙基苯，氯苯，或邻-、间-、对-二氯苯。更尤其优选的是邻-、间-或对-二甲苯，氯苯，邻-、间-或对-二氯苯以及它们的混合物。
一般，然后开始引入光气。它可以以液体或气体形式引入。通常首先引入光气的理论需要量的大约10-50％，基于反应体积计。
然后开始将伯胺加入到氧化膦在惰性溶剂中的载有光气的起始溶液中。其它的光气根据反应的进程和胺的添加量来引入。
可以在本发明方法中使用的伯胺具有通式(II)
R4-NH2(II)其中基团R4是如以上定义的含碳有机基团。
基团R4优选是-未支化或支化、无环或环状、未取代或取代的烷基，它具有1-30个脂族碳原子和其中一个或多个CH2基团可以被杂原子如-O-或-S-置换或被含杂原子的基团如-CO-、-NR-或-SiR2-置换，和其中一个或多个氢原子可以被取代基如芳基或官能团置换，其中-OH、-SH和-COOH基团被排除在外；或-未取代或取代的芳族基团，它具有3-30个碳原子和一个环或两个或三个稠环，其中一个或多个环原子可以被杂原子如氮置换和其中一个或多个氢原子可以被取代基如烷基或芳基或官能团置换，其中-OH，-SH和-COOH基团被排除在外。
尤其，基团R4可以携带一个或多个其它的NH2基团，使得具有两个或多个NH2基团的低聚胺明确地作为伯胺被包括。所使用的伯胺尤其优选是具有一个NH2基团的的单胺，或者具有两个NH2基团的二胺，各自具有1-20个碳原子。
作为适合的无环和取代或未取代的烷基R4的实例，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(异丁基)，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。
作为环状和取代或未取代的环烷基R4的实例，可以提及环戊基，环己基，环辛基或3-氨基甲基-3，5，5-三甲基环己基。
作为芳族和杂芳族和取代或未取代的基团R4的实例，可以提及苯基，邻-、间-或对-甲苯基和氨基甲苯基。
可以强调的是，具有键接于NH2基团的旋光碳的对映纯的旋光化合物或它们的混合物也可以用作伯胺。有利的是，本发明的方法在反应和后处理过程中导致了仅小程度的外消旋度，一般在2％以下。
在本发明方法中使用的伯胺更尤其优选是1，6-一氨基己烷，环己基胺，异佛尔酮二胺(3-氨基甲基-3，5，5-三甲基环己基胺)，苯胺，二氨基甲苯，二苯基甲烷-4，4’-二胺，R-(+)-和S(-)-苯基乙基胺。
所引入的光气的总量与所要光气化的伯胺基团的摩尔比一般是1-10，优选1-5和尤其优选1-2，特别是1.2-1.8。
惰性溶剂的量一般是100-2000重量％和优选300-1000重量％，基于所存在的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。
本发明的方法一般在20-200℃，优选20-150℃和尤其优选50-100℃下进行。在本发明方法的实施中，压力一般是0.05-0.5MPa(绝对)和优选0.08-0.12MPa(绝对)。
在已加入所需量的光气和胺之后，一般将所得反应溶液在反应条件下保持一定时间，一般30分钟到6小时，以便发生进一步的反应。为了除去或减少反应溶液中的过量光气和它的反应产物二氧化碳和氯化氢的量，随后通常在强力混合下将惰性气体通入混合物(“汽提”)。
本发明的方法原则上可以连续或间歇进行，其中连续操作是优选的。该方法可以在适于与光气反应的任何装置中进行。适合的反应器例如是搅拌容器。
反应之后的反应混合物一般通过已知方法进行后处理。优选的是通过分馏来分离所需的异氰酸酯。用作催化剂的氧化膦优选通过蒸馏来回收，以及在连续方法的情况下，进行再循环。
在间歇制备异氰酸酯的一般实施方案中，在搅拌的同时将氧化膦与惰性溶剂一起投入到反应器内，例如搅拌容器内，以及将光气加载到该溶液中。然后使反应体系达到所需温度，再开始引入胺。根据反应的进程和加入的胺量引入另外的光气。在已加入所需量的光气之后，将反应溶液在设定温度下保留一段时间，同时继续搅拌，以便发生进一步的反应。在该后反应时间中，仍然存在于反应溶液中的光气与残留胺反应。为了除去或降低反应溶液中的过量光气及其反应产物二氧化碳和氯化氢的浓度，可以在强力混合的同时将惰性气体通入混合物(“汽提”)。所得反应溶液然后进行后处理。一般，后处理通过蒸馏来进行，适当的话在减压下进行。在相对高沸点的异氰酸酯的情况下，其它纯化方法例如结晶也是可行的。
在连续制备异氰酸酯的一般实施方案中，在搅拌的同时将氧化膦与惰性溶剂一起投入到反应器内，例如搅拌容器内，然后将光气加载到溶液中。然后使反应体系达到所需温度，再开始连续引入胺。根据反应的进程和所加入的胺量连续引入其它光气。在反应器的内容物大部分反应形成异氰酸酯之后，调节胺和光气的量，使得二者基本以化学计算需求比率来添加。例如经液面调节器或溢流管从反应装置中排出对应于加入量的反应溶液的量。已排出的反应溶液在下游容器例如搅拌容器中收集，以便进行进一步的反应。
在下游容器已经装满反应混合物之后，视需要而定，溢流管通过如上所述的汽提来脱除副产品二氧化碳和氯化氢，再进行后处理。后处理例如可以通过蒸馏来进行。
本发明的方法可以通过伯胺的连续或间歇光气化来制备异氰酸酯。与已知的无催化剂方法相比，本发明的方法可以在温和的温度和压力条件下用仅一个反应步骤来进行实际的反应，并且还获得了较高的伯胺转化率、异氰酸酯的高选择性和高时空收率。与已知的无催化剂方法和在催化剂存在下的已知方法相比，本发明的方法没有或仅有不明显的形成微溶组分的倾向性。在设备部件上的沉积和堵塞设备部件的危险大大降低，从而在处理有毒光气时，构成了决定性的安全优点。此外，没有形成或仅少量形成微溶组分使得首先可以进行连续方法，并且在后续后处理中获得了显著的优点。
在本发明方法中使用的氧化膦一般是无毒的，或仅具有低毒性，与在WO 01/17951中所述的使用脂族单异氰酸酯相比，这尤其构成了优点。
实施例实验装置实验装置包括配备搅拌器、恒温器、气体光气的进口管和两件式冷凝器级联的1L玻璃容器。两件式冷凝器级联包括保持在-10℃的加强冷凝器和保持在-78℃的二氧化碳冷凝器。实验在大气压下进行。
对比实施例1将500g的氯苯投入到玻璃容器内，再于室温下引入40g的气体光气。随后将反应混合物加热到77℃，同时建立了强烈的光气回流。在77-80℃下强力搅拌的同时，经3小时的过程引入溶解在200g氯苯中的总共99.2g环己基胺(1mol)和同时另外92g的光气。在添加完成后，该体系在不引入光气的情况下在77-80℃下保持另外1小时，以便发生进一步的反应，残留未反应的光气随后在50℃下用氮气汽提出来。所得反应混合物是悬浮液，通过过滤从该悬浮液中分离出所得固体。可以以这种方式分离出15g的固体，根据IR-光谱分析该固体主要是胺盐酸盐。过滤的粗产物通过蒸馏来后处理。脱除溶剂并分馏，获得了88.8g的异氰酸环己酯(0.710mol)。这对应于理论产量的71.0％。
实施例2(根据本发明)将500g的氯苯和7g的氧化三苯基膦(0.025mol)投入到玻璃容器内，再于室温下引入47g的气体光气。随后将反应混合物加热到78℃，同时建立了强烈的光气回流。在78-80℃下强力搅拌的同时，经3小时引入溶解在200g氯苯中的总共99.2g环己基胺(1mol)和同时另外116g的光气。在添加完成后，该体系在不引入光气的情况下在78-80℃下保持另外1小时，以便发生进一步的反应，残留未反应的光气随后在40℃下用氮气汽提出来。所得反应混合物是流体悬浮液，通过过滤从该悬浮液中分离出所得固体。可以以这种方式分离出1.9g的固体。过滤的粗产物通过蒸馏来后处理。脱除溶剂并分馏，获得了84.6g的异氰酸环己酯(0.677mol)。这对应于理论产量的67.7％。
实施例3(根据本发明)将500g的氯苯和8.7g的Cyanex923(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)投入到玻璃容器内，再于室温下引入53g的气体光气。随后将反应混合物加热到80℃，同时建立了强烈的光气回流。在77-80℃下强力搅拌的同时，经3小时引入溶解在200g氯苯中的总共99.2g环己基胺(1mol)和同时另外113g的光气。在添加完成后，该体系在不引入光气的情况下在77-80℃下保持另外1小时，以便发生进一步的反应，残留未反应的光气随后在40℃下用氮气汽提出来。所得反应混合物是流体悬浮液，通过过滤从该悬浮液中分离出所得固体。可以以这种方式分离出几毫克的固体。过滤的粗产物通过蒸馏来后处理。脱除溶剂并分馏，获得了82.8g的异氰酸环己酯(0.662mol)。这对应于理论产量的66.2％。
与不使用催化剂的对比实施例1相比，使用氧化三苯基膦的本发明实施例2的固体比例降低了13倍。这样，需要分离的固体大大减少。在使用氧化三-(C6-C8烷基)膦(Cyanex923)的本发明实施例3的情况下，形成了仅痕量的固体。
固体比例的显著降低使得本发明方法进行得更加简单、更加安全和问题更少。尤其，在设备部件上的沉积和堵塞的风险显著降低，这在处理有毒光气时构成了决定性的优点并且使得连续方法是可行的。
与因为固体形成而不得不间歇进行的已知方法相比，实施连续方法的能力使得可以获得显著增加的时空收率。未反应的胺可以返回到反应装置，也使可获得的收率高于已知方法。
权利要求
1.一种通过相应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应来制备异氰酸酯的方法，其中使用0.01-50mol％的氧化膦，基于在反应溶液中的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。
2.如权利要求1所要求的方法，其中使用0.01-25mol％的氧化膦，基于在反应溶液中的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。
3.如权利要求1或2所要求的方法，其中使用通式(I)的氧化膦作为氧化膦R1R2R3PO (I)其中基团R1、R2和R3彼此独立地是未支化或支化的C1-C10烷基，未支化或支化的C5-C10环烷基，或可以是未取代的或被一个或多个C1-C4烷基取代的C6-C12芳基。
4.如权利要求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烷基膦或它们的混合物。
5.如权利要求1-4的任一项所要求的方法，其中所使用的伯胺是具有一个NH2基团的的单胺，或者具有两个NH2基团的二胺，各自具有1-20个碳原子。
6.如权利要求5所要求的方法，其中所使用的伯胺是1，6-二氨基己烷，环己基胺，异佛尔酮二胺，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.如权利要求1-6的任一项所要求的方法，其中反应在20-200℃和0.05-0.5MPa绝对压力下进行。
8.如权利要求1-7的任一项所要求的方法，其中惰性溶剂以100-2000重量％的量使用，基于所存在的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。
9.如权利要求1-8的任一项所要求的方法，其中所使用的惰性溶剂是邻二甲苯、间二甲苯或对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、间二氯苯、对二氯苯或它们的混合物。
全文摘要
本发明涉及制备异氰酸酯的方法，包括让相应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应。根据所述方法，使用0.01－50mol％的氧化膦，基于在反应溶液中的伯胺和所形成的异氰酸酯的总量计。
文档编号C07C265/10GK1575276SQ02820912
公开日2005年2月2日 申请日期2002年10月17日 优先权日2001年10月23日
发明者T·巴德, A·斯塔姆, J·亨克尔曼 申请人:巴斯福股份公司