制备异氰酸酯化合物的方法与流程

文档序号:13426255

异氰酸酯是工业上重要的一类化合物,主要作为生产聚氨酯的单体。在常见的合成途径上,异氰酸酯通过胺与光气的反应在工业规模上生产(参见:C,Six,F,Richter,Isocyanates,Organic in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,2012,63-82)。该方法的主要缺点是由于处理极其有毒的光气而必需的高安全性预防措施以及在合成过程中作为副产物形成的盐酸的再循环。

因此,替代使用光气合成异氰酸酯的途径变得越来越重要(参见:O.Kreye,H.Mutlu,M.A.R.Meier,Green Chemistry,2013,15,1431-1455)。

原则上,在由胺合成异氰酸酯中,CO2可作为光气的替代。然而,由于作为中间体形成的氨基甲酸的不稳定性(参见,C,Six,F,Richter,Isocyanates,Organic in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,2012,63-82)和该反应的不利的热力学平衡,由CO2和胺直接合成异氰酸酯是不可能的。为了将平衡驱动到正确的方向,需要碱(例如叔胺,如三乙基胺)和化学计量量的苛刻干燥剂,如POCl3或P4O10。使用苛刻干燥剂和形成铵盐作为副产物是不期望的。

迄今为止,用于所形成的盐的简单的再循环方案或者用于再生干燥剂的方案尚未有记载(参见:T.E.Waldmann,W.D.McGhee,J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,1994,957-958;D.C.Dean,M.A.Wallace,T.M.Marks,D.G.Melillo,Tetrahedron Lett.,1997,38,919-922)。

已知使用碳酸二烷基酯作为用于由胺制备氨基甲酸酯和/或异氰酸酯的CO2构造单元。

WO 2011/051314描述了由胺在多阶段反应序列中制备异氰酸酯,涉及在两步工艺中由CO2形成碳酸二烷基酯,并形成二醇作为副产物。在第一步骤中,使环氧烷与CO2反应以得到环状碳酸酯。然后使环状碳酸酯与单醇反应得到二醇(化学计量的副产物)和非环状碳酸二烷基酯。然后使碳酸酯与胺反应得到氨基甲酸酯,其可热裂解成所需的异氰酸酯和单醇。醇可以在碳酸二烷基酯的形成步骤中再循环。该方法需要化学计量量的环氧烷。此外,该方法产生作为副产物的化学计量量的二醇。因此,该方法需要化学位点,在该位点环氧烷(主要是环氧乙烷或环氧丙烷)是可用的,因此限制了构建这种方法的灵活性。

JP 2013107909描述了一种制备异氰酸酯的方法,其中碳酸二芳基酯和胺化合物在作为溶剂的芳族羟基化合物的存在下反应。使获得的芳基氨基甲酸经受热分解反应以获得异氰酸酯。

G.Zhu等人,Ind.Eng.Chem.Res.,2013,52,4450-4454涉及将氨基甲酸N-苯基酯裂解成异氰酸苯基酯的动力学研究。在高压下使用氯苯作为溶剂,无任何催化剂,获得氨基甲酸酯的分解。这些研究的结果表明,在氨基甲酸酯化合物的分解期间,催化剂的存在促进了副反应并降低了异氰酸酯化合物的产率。

本发明的目的是提供一种合成异氰酸酯化合物的方法,该方法允许避免使用光气。该方法应比需要较少工艺步骤的已知工艺更有效。该方法对于合成脂族和脂环族异氰酸酯化合物以及芳族异氰酸酯化合物应当是可行的。

令人惊奇的是,现在已经发现,这些目的通过包括以下步骤的方法实现:使具有至少一个伯氨基团的胺化合物与CO2和下文定义的有机锡化合物反应,以将至少一个伯胺基团转化成氨基甲酸酯基团,然后裂解氨基甲酸酯基团以形成异氰酸酯化合物和醇的步骤。

因此,本发明涉及一种制备异氰酸酯化合物的方法,其包括以下步骤:

a)使具有至少一个伯胺基团的胺化合物A与CO2以及有机锡化合物S反应,以将胺化合物A中的伯氨基团中的至少一个转化为氨基甲酸酯基团,从而获得氨基甲酸酯化合物C,所述有机锡化合物S具有至少一个连接至有机锡化合物的锡原子的基团OR3,其中R3是具有1至30个碳原子的C-键合的有机基团,其中1、2或3个碳原子可以被氧或氮替代;

b)裂解在步骤a)中获得的氨基甲酸酯化合物C中的氨基甲酸酯基团以形成异氰酸酯化合物和醇R3OH,而不分离在步骤a)中形成的锡化合物;

c)从步骤b)的反应混合物中获得异氰酸酯化合物。

根据本发明的方法与几个优点相关联。主要地,通过比涉及使用CO2的已知方法要求更少的工艺步骤,该方法更有效。此外,本发明的方法避免了化学计量的副产物的形成。另一个优点是避免使用光气。此外,该方法允许合成芳族异氰酸酯化合物。此外,通过氨基甲酸酯化合物的裂解获得的醇的至少一部分可用于再生通过有机锡化合物S与胺A和CO2的反应形成的有机锡化合物或有机锡残余物。因此,未反应的反应物、醇和再生的有机锡化合物S可以再循环到反应中,从而提供了非常经济的方法。

图1示出了实施例3-1在2小时后的粗混合物的IR光谱。

在本发明的上下文中,下文中使用的通用术语如卤素、烷基、卤代烷基、烷氧基、环烷二基、芳基和亚芳基如下定义:

在通用术语的上下文中,前缀Cx-Cy表示一般定义的基团可能具有的可能碳原子的数目。

术语“卤素”在各种情况下表示氟、溴、氯或碘,特别是氟、氯或溴。

术语“C1-C4-烷基”表示包含1至4个碳原子的直链或支化烷基,例如CH3、C2H5、正丙基、CH(CH3)2、正丁基、CH(CH3)-C2H5、CH2-CH(CH3)2和C(CH3)3

术语“C1-C6-烷基”表示包含1至6个碳原子的直链或支化烷基,例如以上提及的C1-C4-烷基,以及例如,正戊基、1-甲基丁基、2-甲基丁基、3-甲基丁基、2,2-二甲基丙基、1-乙基丙基、正己基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基、1-甲基戊基、2-甲基戊基、3-甲基戊基、4-甲基戊基、1,1-二甲基丁基、1,2-二甲基丁基、1,3-二甲基丁基、2,2-二甲基丁基、2,3-二甲基丁基、3,3-二甲基丁基、1-乙基丁基、2-乙基丁基、1,1,2-三甲基丙基、1,2,2-三甲基丙基、1-乙基-1-甲基丙基或1-乙基-2-甲基丙基,优选甲基、乙基、正丙基、1-甲基乙基、正丁基、1,1-二甲基乙基、正戊基或正己基。

术语“C1-C4-卤代烷基”,在本文中和在C1-C4-卤代烷氧基的卤代烷基单元中,描述具有1至4个碳原子的直链或支化烷基,其中这些基团的部分或全部氢原子已被卤原子取代。其实例是氯甲基、溴甲基、二氯甲基、三氯甲基、氟甲基、二氟甲基、三氟甲基、氯氟甲基、二氯氟甲基、氯二氟甲基、1-氯乙基、1-溴乙基、1-氟乙基、2-氟乙基、2,2-二氟乙基、2,2,2-三氟乙基、2-氯-2-氟乙基、2-氯-2,2-二氟乙基、2,2-二氯-2-氟乙基、2,2,2-三氯乙基、五氟乙基、3,3,3-三氟丙-1-基、1,1,1-三氟丙-2-基、3,3,3-三氯丙-1-基、七氟异丙基、1-氯丁基、2-氯丁基、3-氯丁基、4-氯丁基、1-氟丁基、2-氟丁基、3-氟丁基、4-氟丁基等。

术语“烷氧基”表示通过氧原子与分子的剩余部分键合的包含1至6个碳原子的直链或支化饱和烷基(C1-C6-烷氧基)或1至4个碳原子的直链或支化饱和烷基(C1-C4-烷氧基),如甲氧基、乙氧基、正丙氧基、1-甲基乙氧基(异丙氧基)、正丁氧基、1-甲基丙氧基(仲丁氧基)、2-甲基丙氧基(异丁氧基)和1,1-二甲基乙氧基(叔丁氧基)。

术语“C1-C18-烷基”表示包含1至18个碳原子的直链或支化烷基。实例为对C1-C4-烷基或C1-C6-烷基指明的基团,以及戊基、己基、庚基、辛基、2-乙基己基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、2-丙基庚基、3-丁基辛基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基及其位置异构体。

术语“环烷基”表示具有3至16个碳环成员的单环饱和烃基(C3-C16-环烷基)或3至12个碳环成员的单环饱和烃基(C3-C12-环烷基),如环丁基、环戊基、环己基、环庚基、环辛基、环壬基、环癸基、环十一烷基、环十二烷基、十二烷基、环十三烷基、环十四烷基、环十五烷基和环十六烷基。

术语“环烷基-C1-C6-烷基”表示通过C1-C6-烷基与分子的剩余部分键合的环烷基,实例为环丙基甲基(CH2-环丙基)、环丁基甲基、环戊基甲基、环己基甲基、1-环丙基乙基(CH(CH3)-环丙基)、1-环丁基乙基、1-环戊基乙基、1-环己基乙基、2-环丙基乙基(CH2CH2-环丙基)、2-环丁基乙基、2-环戊基乙基或2-环己基乙基。

术语“环烷二基”是指具有3至12个碳原子的二价饱和环状烃基,如环丙烷-1,2-二基、环丁烷-1,3-二基、环戊烷-1,2-二基、环己烷-1,4-二基、环庚烷-1,3-二基。

术语“芳基”表示具有6至14个碳原子的碳环芳族基团。其实例包括苯基,萘基,芴基,薁基,蒽基和菲基。芳基优选为苯基或萘基,特别是苯基。

术语“芳基-C1-C6-烷基”表示通过C1-C6-烷基与分子的剩余部分键合的芳基。其实例为苄基、2-苯基乙基(苯乙基)等。

术语“(C1-C8-烷氧基)-C1-C8-烷基”表示通过C1-C8-烷基与分子的剩余部分键合的烷氧基。实例为甲氧基甲基、乙氧基甲基、正丙氧基甲基、丁氧基甲基、1-甲氧基乙基、1-乙氧基乙基、1-(正丙氧基)乙基、1-丁氧基乙基、2-甲氧基乙基、2-乙氧基乙基、2-(正丙氧基)乙基、2-丁氧基乙基、2-甲氧基丙基、2-乙氧基丙基、2-(正丙氧基)丙基、2-丁氧基丙基。

术语“C6-C14-亚芳基”表示具有6至14或6至10个碳原子的二价芳族基团,如苯-1,2-二基、苯-1,3-二基、苯-1,4-二基或萘-1,2-二基。

步骤a)

在本发明方法的步骤a)中,具有至少一个伯胺基团的胺化合物A在有机锡化合物S的存在下与CO2反应,所述有机锡化合物S具有至少一个连接至有机锡化合物的锡原子的基团OR3,其中R3是具有1至30个碳原子的C-键合的有机基团,其中1、2或3个碳原子可以被氧或氮替代。

有机锡化合物S具有至少一个连接至有机锡化合物S的锡原子的基团OR3,其中R3是具有1至30个碳原子的C-键合的有机基团,其中1、2或3个碳原子可以被氧或氮替代并且不具有质子官能团。

特别地,R3选自C1-C18-烷基、C3-C16-环烷基、C3-C16-环烷基-C1-C4-烷基、C6-C14-芳基和C6-C14-芳基-C1-C4-烷基,其中上述5种基团是未被取代的或被1、2、3、4或5个取代基取代,所述取代基独立地选自卤素、C1-C6-烷基和C1-C4-烷氧基。

合适的基团R3的实例包括但不限于甲基、乙基、1-丙基、2-丙基、1-丁基、2-丁基、叔丁基、1-(2-甲基)丙基、2-(2-甲基)丙基、1-戊基、1-(2-甲基)戊基、1-己基、1-(2-乙基)己基、1-庚基、1-2(丙基)庚基、1-辛基、1-壬基、1-癸基、1-十一烷基、1-十二烷基、三氟甲基、2,2,2-三氟乙基、五氟乙基、甲氧基甲基、乙氧基甲基、2-甲氧基乙基、2-乙氧基乙基、3-甲氧基丙基、3-乙氧基丙基、2-甲氧基丙基、2-乙氧基丙基、金刚烷基、环戊基、甲基环戊基、环己基、甲基环己基、环庚基、环辛基、降冰片基、苯基、萘基、甲苯基、二甲苯基、氯苯基和茴香基。

更特别地,R3是C1-C6-烷基,其是未被取代的或带有1、2、3、4或5个选自F和C1-C4-烷氧基(如甲氧基或乙氧基)的取代基。

尤其是,R3为C1-C6-烷基,C1-C4-烷基,其被1至4个氟原子取代,以及C1-C4-烷氧基-C1-C4-烷基。

在特别优选的实施方案中,有机锡化合物S具有式(I)

R1R2Sn(OR3)2 (I)

其中R1和R2相同或不同,并且选自具有1至30个碳原子的C-键合的有机基团,并且R3具有如上定义的含义之一。

特别地,R1和R2相同或不同,并且选自C1-C18-烷基、C1-C8-烷氧基-C1-C8-烷基、C3-C16-环烷基、C3-C16-环烷基-C1-C4-烷基、C6-C14-芳基和C6-C14-芳基-C1-C4-烷基,其中上述6种基团是未被取代的或被1、2、3或4个取代基取代,所述取代基独立地选自卤素、C1-C6-烷基和C1-C4-烷氧基,和

尤其是,R1和R2为C1-C6-烷基,如甲基、乙基、1-丙基、2-丙基、1-丁基、2-丁基、叔丁基、1-(2-甲基)丙基、2-(2-甲基)丙基、1-戊基、1-(2-甲基)戊基、1-己基。

在式(I)的上下文中,R3特别具有上述具体的、更具体的或特别的含义之一。尤其是,R1和R2为C1-C6-烷基,如甲基、乙基、1-丙基、2-丙基、1-丁基、2-丁基、叔丁基、1-(2-甲基)丙基、2-(2-甲基)丙基、1-戊基、1-(2-甲基)戊基、1-己基,以及R3为C1-C6-烷基,C1-C4-烷基,其被1至4个氟原子取代,以及C1-C4-烷氧基-C1-C4-烷基。式(I)的有机锡化合物的具体实例包括但不限于二甲基二甲氧基锡烷、二乙基二甲氧基锡烷、二甲基二乙氧基锡烷、二正丁基二甲氧基锡烷、二正丁基二丁氧基锡烷、二正丁基二-(2-甲氧基-乙氧基)锡烷、二甲基-(2-甲氧基-乙氧基)锡烷、二甲基-二-(2,2,2-三氟乙氧基)锡烷、二正丁基-二-(2,2,2-三氟-乙氧基)锡烷、二正丁基二异丁氧基锡烷和二甲基二异丁氧基锡烷。

术语有机锡副产物、有机锡残余物和在步骤a)中形成的有机锡化合物同义使用。它们与有机锡化合物S的不同之处在于,它们缺少基团OR3,因为它们在有机锡化合物S、胺A和CO2的反应中形成。推定有机锡副产物或有机锡残余物包含Sn-OH、Sn=O、和/或Sn-O-Sn亚单元。有机锡副产物或有机锡残余物可以是单体、二聚、低聚、聚合、环状或其混合的含锡化合物。

步骤a)中形成的有机锡化合物可以是单体、二聚或低聚或更高级的聚合物。推定在步骤a)中形成的有机锡化合物可具有以下结构A至E之一或可以是其混合物。单体有机锡化合物的实例是由式A和B定义的化合物:

其中R1、R2和R3具有本文定义的含义之一。

二聚、低聚和聚合物的实例是式C至E的化合物:

其中R1、R2具有如上定义的含义之一,R3a是氢或具有如本文所定义的R3的含义之一,n是反映聚合物结构的聚合度的整数。

胺化合物A包含至少一个伯胺基团NH2。特别地,胺化合物A具有一个或两个伯胺基团NH2

在胺化合物中,实施方案的更特别的组(1)涉及式(II)的胺化合物

H2NR4 (II),

其中

R4是具有1至30个碳原子的有机基团,其中1、2或3个碳原子可被氧或氮替代;

特别地,R4选自C1-C12-烷基、C3-C12-环烷基、C3-C12-环烷基-C1-C4-烷基、C6-C14-芳基和C6-C14-芳基-C1-C4-烷基,其中上述5种基团是未被取代的或被1、2、3或4个取代基取代,所述取代基独立地选自卤素、C1-C6-烷基和C1-C4-烷氧基;

更特别地,R4选自C1-C12-烷基、C3-C9-环烷基、C3-C9-环烷基-C1-C4-烷基、C6-C10-芳基和C6-C10-芳基-C1-C4-烷基,其中上述5种基团是未被取代的或被1、2、3或4个取代基取代,所述取代基独立地选自卤素、C1-C2-烷基和C1-C2-烷氧基。

合适的基团R4的实例包括但不限于甲基、乙基、1-丙基、2-丙基、1-丁基、2-丁基、叔丁基、1-(2-甲基)丙基、c-(2-甲基)丙基、1-戊基、1-(2-甲基)戊基、1-己基、1-(2-乙基)己基、1-庚基、1-2(丙基)庚基、1-辛基、1-壬基、1-癸基、1-十一烷基、1-十二烷基、金刚烷基、环戊基、甲基环戊基、环己基、甲基环己基、环庚基、环辛基、降冰片基、苯基、萘基、甲苯基、二甲苯基、氯苯基和茴香基;

式(II)的化合物的特定实例包括1-氨基己烷、1-氨基-2-乙基己烷、苯胺、2-氨基甲苯、3-氨基甲苯、4-氨基甲苯和氨基二甲苯及其混合物,即R4为1-己基、1-(2-乙基)己基、苯基、2-甲苯基、3-甲苯基、4-甲苯基1,2-二甲基-3-苯基、1,3-二甲基-4-苯基或1,4-二甲基-2-苯基。

实施方案的更特别的组(2)涉及式(III)的二胺化合物,

H2NXNH2 (III),

其中

X是具有2至30个碳原子的二价有机基团,其中1、2或3个碳原子可被氧或氮替代;

优选地,X选自C2-C12-链烷二基,C3-C12-环烷二基,C6-C14-亚芳基,其中C3-C12-环烷二基和C6-C14-亚芳基是未被取代的或具有1、2、3或4个取代基,所述取代基独立地选自卤素、C1-C6-烷基和C1-C4-烷氧基,

L-Rx,Rx-L’-Rx,其中

L选自C1-C12-链烷二基、C3-C12-环烷二基和C6-C14-亚芳基,

L’选自O、S、SO2、C1-C12-链烷二基、C3-C12-环烷二基和C6-C14-亚芳基,

Rx,Rx’彼此独立地选自C3-C12-环烷二基和C6-C14-亚芳基,其中上述2种基团是未被取代的或被1、2、3或4个取代基取代,所述取代基独立地选自卤素、C1-C6-烷基和C1-C4-烷氧基,

特别地,X选自C2-C8-链烷二基、C3-C6-环烷二基、亚苯基,如1,4-亚苯基,其中C3-C6-环烷二基和亚苯基是未被取代的或具有1、2、3或4个取代基,所述取代基独立地选自卤素、C1-C6-烷基和C1-C4-烷氧基,

L-Rx,Rx-L’-Rx,其中

L选自C1-C8-烷二基,C3-C6-环烷二基和亚苯基,如1,4-亚苯基,

L’选自O、S、SO2、C1-C12-烷二基、C3-C12-环烷二基和亚苯基,如1,4-亚苯基;

Rx,Rx’彼此独立地选自C3-C6-环烷二基和亚苯基,如1,4-亚苯基,其中上述2种基团是未被取代的或被1、2、3或4个取代基取代,所述取代基独立地选自氟、C1-C4-烷基和C1-C4-烷氧基;

尤其是,X选自C2-C8-链烷二基、C3-C6-环烷二基和亚苯基,其中C3-C6-环烷二基和亚苯基是未被取代的或被1、2、3或4个取代基取代,所述取代基独立地选自氟、C1-C6-烷基和C1-C4-烷氧基,

更尤其是,X选自C2-C8-链烷二基、C3-C6-环烷二基和亚苯基,其中C3-C6-环烷二基和亚苯基是未被取代的或被1或2个取代基取代,所述取代基独立地选自C1-C4-烷基。

式(III)化合物的特别的实例包括1,6-二氨基己烷,1,2-、1,3-和1,4-二氨基苯,2,3-二氨基甲苯,2,4-二氨基甲苯,2,5二氨基甲苯,2,6-二氨基甲苯,4,4'-二氨基二苯基甲烷,双(4-氨基环己基)甲烷和异佛尔酮二胺,即,X选自六亚甲基、亚苯基、2,3-甲苯二基、2,4-甲苯二基、2,5甲苯二基、2,6-甲苯二基、二苯基甲烷-4,4'-二基、双(环己基)甲烷-4,4'-二基和异佛尔酮二基。特别优选1,6-二氨基己烷和二氨基甲苯,包括其异构体的混合物,如2,3-二氨基甲苯,2,4-二氨基甲苯,2,5-二氨基甲苯,2,6-二氨基甲苯,3,4-二氨基甲苯,3,5-二氨基甲苯及其混合物。还特别优选4,4'二氨基二苯基甲烷。

在步骤a)中,胺化合物A的至少一个伯胺基团转化成氨基甲酸酯基团,从而获得氨基甲酸酯化合物C。氨基甲酸酯化合物的特征在于具有下式的基团:

其中R3O来自有机锡化合物的OR3基团,而#表示与胺化合物的剩余部分的键合位点。

在一个优选的实施方案中,使用式(II)化合物作为胺化合物。因此,所得到的氨基甲酸酯化合物C将是式(IV)的化合物

其中R3和R4具有在上文对式(I)和(II)的定义的含义中的一个。

在另一优选的实施方案中,使用式(III)的化合物作为胺化合物。因此,得到的氨基甲酸酯化合物C具有式(V)的结构。

其中R3和X具有如上定义的含义之一;

根据本发明的方法,在步骤a)中使用的有机锡化合物S通常以0.9至10mol的量使用,基于胺化合物A中的每摩尔伯氨基团,特别是以1至5mol/的量使用,基于胺化合物A中的每摩尔伯氨基团。

根据本发明的方法,在步骤a)中进行的反应通常在液相中进行,即除了CO2之外的反应物,即有机锡化合物和胺化合物和任选的溶剂于反应条件下以液态存在。

根据本发明的方法,在步骤a)中进行的反应可以本体进行或在通常为非质子有机溶剂的有机溶剂中进行。在本文中,术语“以本体”被本领域技术人员理解为,除了CO2和任选的气相之外,反应物(即有机锡化合物和胺化合物)量为反应器内容物的至少95%。

合适的非质子有机溶剂原则上是对反应物、中间体和产物在化学上是惰性的那些。非质子有机溶剂包括但不限于:

-具有6至14个碳原子,优选6至10个碳原子的芳族烃,

-具有6至14个碳原子,优选6至10个碳原子的卤代芳族烃,

-具有6至14个芳族碳原子(优选6至10个芳族碳原子)和1至10个脂族碳原子(优选1至4个脂族碳原子)的烷基化芳族烃,

-具有3至20个碳原子,优选4至18个碳原子,最优选5至16个碳原子的烷烃和环烷烃,

-具有1至6个碳原子,优选1至4个碳原子,最优选1至3个碳原子的氯化和/或溴化烷烃,

-具有2至12个碳原子的直链或支化或环状醚,

-具有3至9个碳原子的二烷基甲酰胺,优选二烷基3至7个碳原子的二烷基甲酰胺,

-二烷基亚砜,二烷基2至8个碳原子,

-具有1至4个碳原子的腈,

以及它们的混合物。

非质子有机溶剂优选选自

-具有5至16个碳原子的链烷烃和环烷烃,如戊烷、己烷、庚烷、正辛烷、异辛烷、2-乙基己烷、环己烷、环庚烷、甲基环己烷和高级烷烃,如十二烷、十四烷、十六烷等,

-具有6至10个碳原子的芳族烃,包括任选氯代的芳族烃,如苯、甲苯、二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、二氯苯和三氯苯,

-具有1至4个碳原子的氯代烷烃如二氯甲烷或二氯乙烷,

-直链或支化的具有2至8个碳的醚,如二甲醚、二乙醚、二叔丁基醚、二正丁基醚、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃,

-二甲基甲酰胺,

-二甲基亚砜,

-乙腈和丙腈,

以及它们的混合物。

非质子有机溶剂尤其选自:

-具有5至16个碳原子的链烷烃和环烷烃,如戊烷、己烷、庚烷、正辛烷、异辛烷、2-乙基己烷、环己烷、环庚烷、甲基环己烷和高级烷烃,如十二烷、十四烷、十六烷等,

-具有6至10个碳原子的芳族烃,包括任选氯代的芳族烃,如苯、甲苯、二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、二氯苯和三氯苯,和

-具有1至4个碳原子的氯代烷烃如二氯甲烷或二氯乙烷,

如果反应在溶剂中进行,除CO2外的反应物的浓度通常在1至90重量%,特别是2至80重量%,尤其是5至70重量%的范围内,基于除CO2外的溶剂和反应物的总重量计。

优选在基本不存在质子杂质(如水)的条件下进行步骤a)的反应,即反应物的混合物中这些杂质的浓度小于1000重量ppm。优选地,CO2也含有小于1000重量ppm的质子杂质(如水)。

在根据本发明的方法的步骤a)中,CO2与胺化合物A反应。为此,通常将CO2引入胺化合物A和有机锡化合物S和任选的非质子溶剂的混合物中。为此,CO2可以气态、液态或超临界状态使用。也可以使用在工业规模上可用的包含二氧化碳的气体混合物。除了CO2之外,气体混合物可以含有一种或多种惰性气体,如氮气或稀有气体,如氩气。优选地,反应在使得反应器中的CO2分压通常为0.1至500巴,优选1至200巴,特别是10至150巴的条件下进行。优选地,步骤a)的反应在绝对压力为0.1至500巴,优选1至200巴,特别是10至150巴的条件下进行。

根据本发明的方法的步骤a)通常在20至300℃,特别是30至250℃,尤其是50至200℃或100至180℃的温度下进行,取决于胺的反应性和CO2在反应容器中的分压。

步骤a)的反应可以在本领域技术人员已知的用于液体-气体反应的常规装置和/或反应器中进行。用于碱交换的合适的标准反应器例如在K.D.Henkel,“Reactor Types and Their industrial Applications”,在Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry,2005,Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,DOI:10.1002/14356007.b04_087中示出。标准反应器的实例包括但不限于搅拌釜反应器,包括搅拌釜反应器、管式反应器和固定床反应器的级联。

根据本发明的方法的步骤a)可以间歇或连续地进行。

在间歇操作的情况下,向反应器中加入有机锡化合物S、胺化合物A和任选的溶剂。然后将CO2引入至所需压力,并将反应容器加热至所需温度。反应完成后,通常将反应器解压。反应时间通常为1分钟至20小时,特别是5分钟至2小时。

在连续操作模式的情况下,将有机锡化合物S、CO2和胺化合物A和任选的溶剂连续引入反应器。相应地,从反应器中连续地排出产物,使得反应器中的平均液面水平保持恒定。用于连续操作步骤a)的合适的反应容器包括搅拌釜反应器和管式反应器的级联。如果步骤a)以连续模式进行,则反应物在反应器中的平均停留时间通常为1分钟至10小时,特别是5分钟至2小时。

优选地,连续地进行根据本发明的方法的步骤a)。

步骤a)可以进行直至反应混合物中的胺化合物的总量已被消耗。通常,步骤a)将进行直至引入反应器中的胺化合物的转化率为至少30%,特别是至少50%。

步骤b)

在根据本发明的方法的步骤b)中,步骤a)中形成的氨基甲酸酯化合物C中的氨基甲酸酯基团被裂解以形成异氰酸酯化合物和醇R3OH,其中R3具有如本文所定义的含义之一。

除了氨基甲酸酯化合物C之外,步骤a)中获得的反应混合物包含通过步骤a)中的反应形成的有机锡副产物。根据本发明,这些有机锡副产物不与步骤a)中获得的氨基甲酸酯化合物C分离。相反,步骤b)的反应在这些有机锡副产物的存在下进行。

步骤a)和b)可以作为分别的相继步骤进行。然而,取决于步骤a)的反应条件,步骤a)中形成的部分氨基甲酸酯可能已经被裂解成异氰酸酯化合物和醇R3OH。也可以作为单个步骤进行步骤a)和b),即,通过选择反应条件进行,中间体氨基甲酸酯化合物被裂解成异氰酸酯化合物。

如果在步骤a)中使用溶剂,则通过蒸馏除去溶剂以获得纯氨基甲酸酯和有机锡副产物可能是有利的。除去未反应的起始材料,并由此除去未反应的胺A和任选的未反应的有机锡化合物S也是有利的。通常,优选在减压下通过蒸馏来进行溶剂或起始材料的除去。

步骤b)中氨基甲酸酯化合物C中氨基甲酸酯基团的裂解可以在液相或气相中进行。

优选地,基于在步骤b)中反应的反应混合物,未反应的胺的浓度降低至小于10重量%,特别地基于在步骤b)中反应的反应混合物,未反应的胺的浓度降低至小于1重量%。

或者,步骤b)的反应可以在有机溶剂的存在下进行。合适的有机溶剂是如上面针对步骤a)所定义的非质子有机溶剂,特别是所提及优选的那些溶剂。

优选地,步骤b)在50至400℃,特别是100℃至350℃,尤其是120至240℃范围内的温度下进行。步骤b)的反应温度可以是在步骤a)中施加的相同温度。也可在比步骤a)的温度高的温度下进行步骤b),例如,比步骤a)的反应温度高至少10K。

步骤b)中的反应优选在低于1巴的绝对压力下进行。优选0.00001至<1巴的总压力,特别地,绝对压力优选为从0.0001至<1巴。步骤b)的反应可以在与步骤a)相同的压力下进行。优选地,步骤b)的反应在低于步骤a)期间的绝对压力的绝对压力下进行。

步骤b)的裂解可以在对步骤a)提及的任何合适的反应装置中进行。还可以作为蒸馏进行步骤b),特别是在有机锡化合物的挥发度低于所形成的异氰酸酯的挥发度的情况下。在这种情况下,将在馏出物中获得醇R3OH和异氰酸酯化合物。

步骤b)的裂解也可以在没有组分被蒸馏出来的温度或压力下开始,然后升高温度和/或降低压力以蒸馏出醇R3OH和异氰酸酯化合物。

氨基甲酸酯化合物C的裂解产生异氰酸酯化合物和醇R3OH,其中R3具有如本文所定义的含义之一。显然,通过进行步骤a)和b),将氨基化合物A的伯氨基团转化成异氰酸酯基团。

因此,使用式(II)的氨基化合物将得到式(VI)的异氰酸酯化合物

而使用式(III)的氨基化合物将得到具有式(VII)的结构的异氰酸酯化合物

其中R4和X分别如式(II)和(III)所定义。

步骤c

在步骤c)中,步骤c)的异氰酸酯由步骤b)中形成的反应混合物获得。

步骤b)和c)可以作为分别的步骤进行或以单个步骤进行。优选地,通过蒸馏将步骤b)中获得的产物与反应混合物分离。

如上面对于步骤b)所提及的,蒸馏可以这样方式进行:在氨基甲酸酯化合物裂解期间从反应混合物中蒸馏出异氰酸酯,从而合并步骤b)和c)。在这种情况下,重质组分将含有有机锡化合物和反应的高沸点副产物。如果有机锡化合物具有高挥发性,则可以首先蒸馏出有机锡化合物和醇,然后从高沸点副产物蒸馏出异氰酸酯。

在根据本发明的方法的步骤c)中,优选将产物即异氰酸酯化合物和醇R3OH彼此快速分离,以分别防止不希望的副反应或防止高转化率。可例如通过进行分馏来实现快速分离,从而分离醇R3OH和异氰酸酯化合物。还可以在减压下除去醇R3OH而不会凝结。

因此,步骤c)优选在蒸馏单元中进行,以将醇R3OH立即从异氰酸酯化合物中分离出来。待使用的蒸馏单元通常包括无规填料元件、有序填料和/或泡罩塔板。

取决于醇的取代基R3和异氰酸酯化合物的R4或X,异氰酸酯化合物或醇R3OH是较低沸点化合物。如果异氰酸酯化合物是较低沸点化合物,则将异氰酸酯化合物从醇和有机锡副产物/残余物分离。如果醇R3OH是较低沸点化合物,则将醇R3OH从异氰酸酯化合物和有机锡副产物/残余物分离。通常,醇R3OH将具有足够低于异氰酸酯化合物沸点的沸点,这允许有效的分馏。

通常,蒸馏塔底部的温度为至少50℃,优选至少150℃。特别地,温度≤400℃,尤其是≤300℃。

压力通常为至少0.00001巴,优选至少0.001巴,优选≤1巴,特别是小于0.2巴。

如果异氰酸酯化合物是较高沸点的化合物,则异氰酸酯化合物与低沸点馏分中的有机锡副产物保持在一起。根据有机锡副产物和有机锡副产物的如上定义的取代基R1和R2以及异氰酸酯化合物如上定义的取代基R4或X的性质,有机锡副产物/残余物可以作为较高沸点残余物或较低沸点残余物分离。

通常,异氰酸酯化合物具有高于有机锡副产物的蒸气压。

根据本发明的方法可以包括另外的步骤d),其中使R3具有如上定义的含义之一的醇R3OH与有机锡副产物/残余物反应,以便再生有机锡化合物S。

优选地,在步骤b)中获得的醇R3OH的至少一部分,特别是在步骤b)中形成的醇R3OH的至少50%用于再生步骤a)中形成的有机锡化合物/残余物,以获得有机锡化合物S,然后将其再循环到步骤a)中。

有机锡副产物/残余物的再生步骤d)优选在液相中进行,但也可以在气相中进行。优选在50至400℃的温度下进行。优选地,步骤d)在至少100℃的温度下进行,优选在至多350℃的温度下进行。

优选地,步骤d)在0.00001至1巴范围内的绝对压力下进行。优选地,步骤d)中的绝对压力为0.0001至1巴。

对于再生步骤d),优选从反应混合物中连续除去水以获得高转化率。

再生步骤d)可以使用有机锡化合物/残余物和醇R3OH的本体进行。或者,可以向反应混合物中加入溶剂,尤其是为了通过连续共沸蒸馏除去水。合适的溶剂是具有与水的混合间隙的非质子有机溶剂。有用的溶剂包括:

-具有5至16个碳原子的烷烃和环烷烃,如戊烷、己烷、庚烷、正辛烷、异辛烷、2-乙基己烷、环己烷、环庚烷、甲基环己烷和高级烷烃,如十二烷、十四烷、十六烷等,和

-具有6至10个碳原子的芳族烃,包括任选氯代的芳族烃,如苯、甲苯、二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、二氯苯和三氯苯。

有机锡副产物/残余物的再生步骤优选在蒸馏单元中进行,以通过共沸蒸馏从有机锡化合物S立即分离水。通常,蒸馏塔底部的温度为至少50℃,优选为50℃至400℃,特别是150℃至300℃。蒸馏优选在0.00001巴至10巴范围内的压力下进行,特别是在0.001巴至10巴范围内的压力下进行。

通过以下实施例详细说明本发明。

分析:

气相色谱(GC):Agilent Technologies 6890N网络GC系统

HPLC:HPLC Chiralpka IB,使用己烷/异丙醇的混合物,其中己烷和异丙醇的比例为:

0至5分钟:5%异丙醇,95%己烷,

5至10分钟:15%异丙醇,85%己烷

1至25分钟:25%异丙醇,75%己烷

从25分钟起:50%异丙醇,50%己烷。

1H-NMR谱仪:

IR光谱仪:

市售氨基甲酸酯,N-苯基氨基甲酸甲酯(>98.0%):TCI

二氯二甲基锡(IV)(96%):Sigma Aldrich

2,4-二氨基甲苯(>98%):TCI

氧化二甲基锡(IV)(96%):Sigma Aldrich

4,4'-亚甲基二苯胺:

1.锡化合物的制备

实施例1-1:二甲氧基二甲基锡(IV)的合成

在手套箱中,向Schlenk管中加入甲醇钠(1.79g;33.15mmol)。加入无水甲醇(100mL),将得到的溶液冷却至-40℃(干冰浴)。在20分钟内向该混合物中按份加入二氯二甲基锡(IV)(3.64g;16.57mmol)。将反应混合物在5小时内温热至室温。之后,通过Celite路径过滤粗混合物来除去氯化钠。然后在1atm蒸馏出甲醇。所需化合物最终在-40℃的戊烷中重结晶,以得到结晶无色固体(1.19g;29%)。

实施例1-2:二甲氧基二甲基锡(IV)的合成

在手套箱中,向200mL的Schlenk烧瓶中加入甲醇钠(1.79g;33.15mmol)。在氩气氛下,将无水甲醇(70mL)加入到烧瓶中,并将所得溶液冷却至0℃(水-冰浴)。在20分钟内向该混合物中按份加入二氯二甲基锡(IV)(3.64g;16.57mmol)。将反应混合物在13小时内温热至室温。将所得混合物转移到加装有蒸馏装置的圆底烧瓶(250mL)中。蒸馏出甲醇(总体积的约95%)。将所得无色油转移到手套箱中,加入100mL无水戊烷。不溶材料通过cellite过滤。通过在-40℃储存24小时,从戊烷溶液中结晶,获得所需化合物(无色晶体;72%;2.53g)。

已经类似于以上提及的实施例1-1或1-2准备了双(2,2,2-三氟乙醇)二甲基锡(IV)和双(2,2,2-三氟乙醇)二丁基锡(IV)的合成。

1H NMR(400MHz,[D8]甲苯):δ=3.35(s,6H;MeO),0.30ppm(t,3J(H-H)=3.6Hz,6H;CH3);

13C NMR(100MHz,[D8]甲苯):δ=50.9,-1.7ppm

119Sn NMR(298K;111.82MHz;[D8]甲苯):δ=133.1ppm

2.氨基甲酸酯化合物的制备:

实施例2-1:2,4-甲苯氨基甲酸二甲酯的合成

在手套箱中,向60mL的不锈钢高压釜中加入二甲氧基二丁基锡(IV)(1.68g;6mmol)、2,4-二氨基甲苯(0.122g;1mmol)和戊烷(10mL)。将高压釜密封,并在手套箱外部,用50巴二氧化碳加压高压釜。将混合物搅拌并在10分钟后实现CO2摄取的平衡。然后将混合物加热至135℃。3小时后,用水冰浴冷却高压釜。30分钟后,释放压力。然后将高压釜解封。将粗混合物过滤,黄色固体用冷戊烷洗涤(三次)。获得分析纯的2,4-甲苯氨基甲酸二甲酯(77%,185mg)。锡物类留在有机溶剂中,并可以从该相再生,并再次用于氨基甲酸酯化反应。

1H NMR(200MHz,[D2]二氯甲烷):δ=7.78(s,1H;Har),7.16-7.03(m,2H;Har),6.79(bs,1H;NH),6.48(bs,1H;NH),3.73(s,3H;NHCO2CH3),3.71(s,NHCO2CH3,3H),2.16ppm(s,3H;ArCH3);

13C NMR(100MHz,[D2]二氯甲烷):δ=154.5,154.3,137.2,136.8,131.0(3C),52.7,52.5,17.1ppm;

元素分析:对于C11H14N2O4(238.1)计算的(%):C 55.46,H 5.92,N 11.76;发现:C 54.66,H 6.64,N 11.19。

MS(EI):m/z(%):256.43[M+H2O])

将2,4-甲苯氨基甲酸二甲酯裂解为2,4-甲苯二异氰酸酯可以类似于以下提及的实施例3-1至3-3进行。

实施例2-2:亚甲基二苯基-4,4'-氨基甲酸二甲酯的合成

在手套箱中,向60mL的不锈钢高压釜中加入二甲氧基二丁基锡(IV)(1.68g;6mmol)、4,4’-亚甲基二苯胺(0.204g;1mmol)和戊烷(10mL)。将高压釜密封,并在手套箱外部用50巴二氧化碳加压高压釜。将混合物搅拌并在10分钟后实现CO2摄取的平衡。然后将混合物加热至135℃。3小时后,用水冰浴冷却高压釜。30分钟后,释放压力。然后将高压釜解封。将粗混合物过滤,黄色固体用冷戊烷洗涤(三次)。获得分析纯的亚甲基二苯基-4,4'-氨基甲酸二甲酯(42%,185mg)。锡物类留在有机溶剂中,并可以从该相再生,并再次用于随后的氨基甲酸酯化反应。

1H NMR(400MHz,[D6]二甲亚砜):δ=9.52(bs,2H;NH),7.35(d,3J(H-H)=8.4Hz,4H;Har),7.11(d,3J(H-H)=8.4Hz,4H;Har),3.79(s,2H;CH2),3.64ppm(s,6H;NHCO2CH3);

13C NMR(100MHz,[D6]二甲亚砜):δ=154.0,137.0,135.5,128.8,118.4,114.0,51.5ppm

元素分析:对于C17H18N2O4(314.1)计算的(%):C 64.96,H 5.77,N 8.91;发现C 65.5,H 5.8,N 9.1。

MS(EI):m/z(%):314.53[M+H2O])

将亚甲基二苯基-4,4'-氨基甲酸二甲酯裂解为二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯可以类似于以下提及的实施例3-1至3-3进行。

3.异氰酸酯化合物的制备

实施例3-1:N-苯基氨基甲酸乙酯和苯基异氰酸酯的合成

在手套箱中,向不锈钢高压釜中加入二甲氧基二丁基锡(IV)(3当量;930mg;3mmol),苯胺(1当量;93.1mg;1mmol)和1,2,4-三氯苯(10mL)。将高压釜密封,并在手套箱外部用50巴二氧化碳加压高压釜。将混合物搅拌并在10分钟后实现CO2摄取的平衡(41巴)。最终开始加热至所需温度(在135℃下,压力69巴)。在3小时的反应后,将高压釜冷却至室温。释放压力,将高压釜解封并在手套箱中打开。将粗混合物转移到圆底烧瓶(25mL)中。在手套箱外,在60℃(油浴温度)在1.10-3毫巴下蒸馏出N-苯基甲基氨基甲酸甲酯和1,2,4-三氯苯,留下双(二甲基甲氧基锡(IV))氧化物,其被转化成二甲氧基二甲基锡(IV)。将含有N-苯基氨基甲酸甲酯(MPC)在1,2,4-三氯苯中的溶液的烧瓶加装冷凝器,将溶液加热至230℃5小时。然后将溶液冷却至室温,加入无水乙醇(5mL)。将所得混合物再次加热至100℃3小时。将粗混合物冷却至室温。取等分试样进行HPLC分析。

之后,加入无水乙醇(5mL)。将所得混合物再次加热至100℃3小时。将粗品冷却至室温后,取样品进行HPLC分析。

在加入乙醇之前,鉴定出苯基异氰酸酯。

当换用十氢化萘作为溶剂时,得到类似的结果。

使用己烷/异丙醇的混合物从HPLC Chiralpka IB收集HPLC数据,其中己烷和异丙醇的比例如上所定义。使用市售苯基异氰酸酯(具有UV指纹)作为HPLC分析参比:t=12.90;面积[%]=100。

在1小时后,粗混合物的等分试样的HPLC-谱显示出以下峰:

苯胺(通过UV指纹识别):t=11.779;面积[%]=2.295,

苯基异氰酸酯:t=12.902;面积[%]=25.173,

二苯基脲(通过UV指纹和HPLC-MS识别):t=13.251,面积[%]=1,705,

N-苯基氨基甲酸甲酯:t=24.653;面积[%]=70.827。

在2小时后,粗混合物的等分试样的HPLC-谱显示出以下峰:

苯基异氰酸酯:t=13.014;面积[%]=55.869,

N-苯基氨基甲酸甲酯:t=25.101;面积[%]=44.131。

2小时后粗混合物的IR光谱(见图1)显示了在2261cm-1的信号,其可以归属为苯基异氰酸酯的特征信号(根据市售苯基异氰酸酯的IR光谱以及文献中给出的值)。

用无水乙醇淬灭异氰酸酯并在上述条件下反应(5小时热解),HPLC-谱显示以下峰:

N-苯基氨基甲酸甲酯:t=24.918;面积[%]=37.882,

N-苯基氨基甲酸乙酯:t=26.099;面积[%]=62.118。

实施例3-2:N-苯基氨基甲酸甲酯和苯基异氰酸酯的合成

在手套箱中,向60mL不锈钢高压釜中加入二甲氧基二甲基锡(IV)(211mg;1mmol)和苯胺(93mg,1mmol)。加入根据下表1的溶剂并密封高压釜。在室温下用二氧化碳(50巴)将高压釜加压,将混合物搅拌10分钟。压力降至30巴。然后,将高压釜加热至150℃,由此压力升至下表1中给出的压力。反应后,通过气相色谱从粗反应混合物直接测量氨基甲酸酯/异氰酸酯的转化率和产率。气相色谱图显示异氰酸酯直接从粗反应混合物中形成,通过在GC-烘箱(250℃,环境压力)中在蒸发条件下裂解氨基甲酸酯,获得锡残余物。将氨基甲酸酯裂解成苯基异氰酸酯和苯胺。观察到苯基异氰酸酯与苯胺的比例随着注射温度的变化而变化。该反应可以在甲苯、1,2,4-三氯苯、乙腈、二氯甲烷或戊烷中进行。还观察到锡醇盐当量的增加使转化率提高。

还通过GC分析了市售氨基甲酸酯(N-苯基氨基甲酸甲酯)和氧化二甲基锡(IV)在二氯甲烷中的混合物。取决于注射温度,检测到苯胺、异氰酸酯和氨基甲酸酯的不同比例,而在注入氨基甲酸酯在二氯甲烷中的溶液后观察到单峰。这证明了,在苯胺、二氧化碳和二甲基锡(IV)二甲氧基化物之间反应的过程中也形成氧化二甲基锡(IV),以及氧化二甲基锡(IV)导致GC注入期间的氨基甲酸酯裂解。

二甲基锡(IV)双(2,2,2-三氟乙醇)或二丁基锡(IV)双(2,2,2-三氟乙醇)与苯胺和二氧化碳在相同条件下的反应导致了GC注射后形成苯基异氰酸酯。

表1:

实施例3-3:将含有N-苯基氨基甲酸甲酯,氧化二甲基锡(IV)和溶剂的粗混合物裂化:

在手套箱中,向25mL圆底烧瓶中加入N-苯基氨基甲酸甲酯(1.65g,10mmol)和氧化二甲基锡(IV)(1.52g,10mmol)。加入1,2,4-三氯苯(25mL),将烧瓶连接于顶-柱。将混合物在180℃在真空(5.10-2巴)下加热16小时。在GC中检测到异氰酸酯。

实施例3-4:N-[3-(甲氧基羰基氨基)-4-甲基-苯基]-氨基甲酸甲酯和2,4-二异氰酸酯-1-甲基-苯的合成

在手套箱中,向60mL不锈钢高压釜中加入二甲氧基二甲基锡(IV)(422mg;2mmol)和2,4-二氨基甲苯(122mg,1mmol)。加入无水二氯甲烷(10mL)。在室温下用二氧化碳(50巴)将高压釜加压,将混合物搅拌10分钟。压力降至30巴。之后,将高压釜加热至150℃,由此将压力升至70巴。粗混合物的1H-NMR-谱证明形成了所需化合物二氨基甲酸酯,N-[3-(甲氧基羰基氨基)-4-甲基-苯基]氨基甲酸甲酯。

将含有N-[3-(甲氧基羰基氨基)-4-甲基-苯基]氨基甲酸甲酯的粗混合物置于升华装置(装有干冰/丙酮的指形冷阱)中,并在真空下加热至200℃。收集2,4-二异氰酸酯-1-甲基-苯,并通过1H-NMR-谱检测。

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