专利名称：异氰酸酯的生产方法
技术领域：
本发明涉及一种通过使相应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应而制备异氰酸酯的改进方法。
异氰酸酯是大规模的工业产品，其在聚氨酯聚合物领域具有许多用途。然而，某些异氰酸酯也用于制备药物活性化合物。
很久以来就已知通过胺与光气反应而合成异氰酸酯。文献中描述了两种基本方法，其中之一在大气压力下进行，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设备费用以应付增加的安全危险，即光气的溢出。
由US 3,371,114和US 3,484,466已知一种在大气压力下制备异氰酸磺酰酯的方法，其中使磺酰胺和作为催化剂的异氰酸酯的溶液与光气在惰性溶剂中反应。在该方法中，对应的磺酰脲以中间体形成并与光气反应形成所需的异氰酸磺酰酯。
异氰酸烷基酯和异氰酸芳基酯通常在大气压力下通过光气化方法由对应的胺以两步制备，所述方法描述于例如Ullmann’s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry(Ullmann工业化学大全，第6版，2000年电子版)的“ISOCYANATES，ORGANIC-Production”一章中。在第一步即冷光气化中，使胺与过量光气在高度稀释的溶液中于低温下反应，形成对应的氨基甲酰氯，在第二步中于升高的温度下由该氨基甲酰氯形成异氰酸酯，即热光气化。由于脂族和环脂族伯胺与芳族胺相比碱性增加，因此它们更难光气化并导致形成的副产物增多。这些方法的缺点是需要以两步进行光气化以及尤其还形成微溶性氨基甲酰氯和胺盐酸盐的中间悬浮液，这又使得必须进一步稀释反应介质以防止在设备组件上的沉积和设备组件的堵塞。由于形成的这种固体，该方法不能在大气压力下连续进行。此外，该方法导致以副产物形成对称的N，N’-二取代脲，并且其形成仅能以显著降低时空产率的代价来抑制。
脂族和环脂族胺通常以其盐的形式用于冷/热光气化中。然而，这些盐微溶于反应介质中，因此需要额外的反应步骤和非常长的反应时间。
此外，US 3,440,268和US 3,492,331教导了伯胺与光气在N，N-二取代的甲酰胺、N-烷基内酰胺、N，N-二取代的N’-芳基甲脒或N，N，N’，N’-四取代的N”-芳基胍作为催化剂存在下的反应。H.Ulrich的Chemistry &Technology of Isocyanates(异氰酸酯化学和技术，Wiley & Sons，1996)中第328-330页公开了伯胺与光气在叔胺、四甲基脲和羰基二咪唑作为催化剂存在下的反应，而CS 262 295公开了使用N，N’-二氮杂双环[2.2.2]辛烷作为催化剂。一些具体提到的化合物必须以等摩尔量使用并在反应条件下以催化剂盐酸盐加合物的形式形成微溶性盐。此外，所用的胺和形成的氯化氢反应生成微溶性胺盐酸盐。
WO 01/17951教导了通过对应的伯胺在单异氰酸酯存在下的光气化制备异氰酸酯，所述单异氰酸酯在开始反应之前先加入惰性溶剂中并与光气混合。该方法的缺点在于优选的低分子量脂族异氰酸酯有毒且需要严格的安全防范。
本发明的目的是要找出一种制备异氰酸酯的方法，该方法不再具有上述缺点、既可连续地又可间歇地进行、不形成或仅不显著地形成微溶性组分、可以不使用高度有毒的催化剂进行、可以使反应仅以一个反应步骤进行并且甚至在温和的温度和压力条件下也产生高转化率、高选择性和高时空产率。
我们发现该目的由一种通过使对应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应而制备异氰酸酯的方法实现，在该方法中基于反应溶液中的伯胺和形成的异氰酸酯的总量使用0.01-50mol％亚砜、砜或其混合物。
可以用于本发明方法中的亚砜具有式(I)R1-S(O)-R2(I)而可以用于本发明方法中的砜具有式(II)R1-S(O)2-R2(II)，其中基团R1和R2各自独立地为含碳的有机基团且还可以相互连接。
对本发明而言，含碳的有机基团是未被取代或取代的脂族、芳族或芳脂族基团。该基团可以含有一个或多个杂原子如氧、氮、硫或磷，例如-O-、-S-、-SO-、-SO2-、-NR-、-CO-、-N＝、-SiR2-、-PR-和/或-PR2，和/或可以被一个或多个例如含有氧、氮、硫和/或卤素的官能团取代，例如被氟、氯、溴、碘和/或氰基取代(基团R同样为含碳的有机基团)。含碳的有机基团可以是一价基团也可以是二价或三价基团。
一价基团R1和R2各自优选独立地为-未支化或支化的、无环或环状的、未被取代或取代的烷基，该烷基具有1-30个脂族碳原子，其中一个或多个CH2基团可以被杂原子如-O-或-S-替换或被含杂原子的基团如-CO-、-SO-、-SO2-、-NR-或-SiR2-替换和其中一个或多个氢原子可以被诸如芳基或官能团的取代基替换；或-未被取代或取代的芳族基团，该基团具有3-30个碳原子和1个环或2或3个稠合环，其中一个或多个环原子可以被杂原子如氮替换和其中一个或多个氢原子可以被诸如烷基、芳基或官能团的取代基替换。
由R1与R2一起构成的二价基团各自优选为-未支化或支化的、无环或环状的、未被取代或取代的C4-C20亚烷基(“二价烷基”)，该亚烷基链中具有4-10个原子，其中CH2基团可以被杂基团如-CO-、-O-、-S-、-SO-、-SO2-、-SiR2-或-NR-替换和其中一个或多个氢原子可以被诸如芳基的取代基替换。
特别优选使用其中R1和R2各自相互独立地为如下基团的亚砜(I)和/或砜(II)-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-未被取代的或被一个或多个C1-C4烷基取代的C6-C20芳基或C3-C20杂芳基，例如苯基、2-甲基苯基(邻甲苯基)、3-甲基苯基(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。
非常特别优选使用其中基团R1和R2各自相互独立地为如下基团的亚砜(I)和/或砜(II)-未支化或支化的C1-C10烷基；-未支化或支化的C5-C10环烷基；或-未被取代或被一个或多个C1-C4烷基取代的C6-C12芳基。
在本发明方法中尤其使用二甲亚砜或二甲砜。
基于反应溶液中的伯胺和形成的异氰酸酯的总量以0.01-50mol％的催化量使用亚砜、砜或其混合物。在计算伯胺和形成的异氰酸酯的总量时，将尚未反应的原料(伯胺)和已经形成的产物(异氰酸酯)以及任何存在的中间体的摩尔量加起来。在本发明方法中，基于反应溶液中的伯胺和形成的异氰酸酯的总量优选使用0.01-25mol％、特别优选0.5-20mol％、非常特别优选1-15mol％的亚砜、砜或其混合物。
在本发明方法中，通常首先将亚砜、砜或其混合物加入惰性溶剂中。对本发明而言，惰性溶剂是对所用伯胺、光气、形成的异氰酸酯和所用亚砜或砜呈化学惰性的溶剂。“化学惰性”是指稀释剂不与所提到的物质在选定条件下发生化学反应。优选使用芳族或脂族烃类，特别优选单取代或多取代的芳族烃类，如甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、乙苯、氯苯、邻二氯苯、间二氯苯、对二氯苯。非常特别优选邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、间二氯苯、对二氯苯及其混合物。
通常随后开始引入光气。光气可以以液体或气体形式引入。通常首先引入基于反应量占理论所需量约10-50％的光气。
然后开始将伯胺加入载有光气的惰性溶剂中的亚砜、砜或其混合物的起始溶液中。根据反应进程和加入的胺量进一步引入光气。
可以用于本发明方法中的伯胺具有式(II)R3-NH2(II)，其中基团R3为如上所定义的含碳有机基团。
基团R3优选为
-未支化或支化的、无环或环状的、未被取代或取代的烷基，该烷基具有1-30个脂族碳原子，其中一个或多个CH2基团可以被杂原子如-O-或-S-替换或被含杂原子的基团如-CO-、-NR-或-SiR2-替换和其中一个或多个氢原子可以被诸如芳基或官能团的取代基替换，但基团-OH、-SH和-COOH除外；或-未被取代或取代的芳族基团，该基团具有3-30个碳原子和1个环或2或3个稠合环，其中一个或多个环原子可以被杂原子如氮替换和其中一个或多个氢原子可以被诸如烷基、芳基或官能团的取代基替换，但基团-OH、-SH和-COOH除外。
特别地，基团R3可以带有一个或多个另外的NH2基团，因而具有两个或更多个NH2基团的低聚胺也明确地包括在伯胺内。所用伯胺尤其优选为具有一个NH2基团的一元胺或具有两个NH2基团的二元胺，其各自具有1-20个碳原子。
作为合适的无环的取代或未被取代的烷基R3的实例，可以提到甲基、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。
作为环状的取代或未被取代的环烷基R3的实例，可以提到环戊基、环己基、环辛基或3-氨基甲基-3，5，5-三甲基环己基。
作为芳族和杂芳族的取代或未被取代的基团R3的实例，可以提到苯基、邻甲苯基、间甲苯基、对甲苯基和氨基甲苯基。
可以强调的是也可将具有键合于NH2基团上的旋光碳的对映体单一的旋光化合物或其混合物用作伯胺。有利的是本发明方法在反应和处理过程中仅得到低外消旋化程度，通常低于2％。
用于本发明方法中的伯胺非常特别优选的是1，6-二氨基己烷、环己胺、异佛尔酮二胺(3-氨基甲基-3，5，5-三甲基环己胺)、苯胺、二氨基甲苯、二苯基甲烷-4，4’-二胺、R-(+)-和S(-)-苯基乙基胺。
引入的光气总量与待光气化的伯胺基团的摩尔比通常为1-10，优选1-5，特别优选1-2，尤其是1.2-1.8。
惰性溶剂的量基于存在的伯胺和形成的异氰酸酯的总量通常为100-2000重量％，优选300-1000重量％。
本发明方法通常在20-200℃，优选20-150℃，特别优选50-100℃下进行。在进行本发明方法时，压力通常为0.05-0.5MPa(绝对)，优选0.08-0.12MPa(绝对)。
在加入所需量的光气和胺后，通常将所得反应溶液在反应条件下放置一段时间，一般为30分钟至6小时，以允许进一步发生反应。为了从反应溶液中除去过量光气及其反应产物二氧化碳和氯化氢或降低它们在反应溶液中的量，通常随后在强烈混合下使惰性气体通过该混合物(“汽提”)。
本发明方法原则上可以连续或间歇地进行，优选连续操作。该方法可以在任何适于与光气反应的设备中进行。合适的反应器例如为搅拌釜。
反应之后的反应混合物通常通过已知方法进行处理。优选通过分馏来分离所需的异氰酸酯。用作催化剂的亚砜、砜或其混合物优选通过蒸馏回收并且在连续方法情况下将其再循环。
在间歇制备异氰酸酯的通用实施方案中，在搅拌下将亚砜、砜或其混合物与惰性溶剂一起放入反应器如搅拌釜中，并向该溶液加载光气。然后使反应体系达到所需温度并开始引入胺。根据反应进程和供入的胺量引入另外的光气。在供入所需量的光气后，将反应溶液在设定温度下放置一段时间，同时继续搅拌以允许发生进一步的反应。在该后反应期间，仍存在于反应溶液中的光气与残留胺反应。为了从反应溶液中除去过量光气及其反应产物二氧化碳和氯化氢或降低它们在反应溶液中的浓度，可以在强烈混合下使惰性气体通过该混合物(“汽提”)。然后对所得反应溶液进行处理。通常而言，通过蒸馏进行处理，所述蒸馏合适的话在减压下进行。在较高沸点的异氰酸酯情况下，其他提纯方法如结晶也是可能的。
在连续制备异氰酸酯的通用实施方案中，在搅拌下将亚砜、砜或其混合物与惰性溶剂一起放入反应器如搅拌釜中，并向该溶液加载光气。然后使反应体系达到所需温度并开始连续引入胺。根据反应进程和供入的胺量连续引入另外的光气。在反应器的内容物大量反应形成异氰酸酯后，调节胺和光气的量以使二者基本以所需化学计量比加入。例如经由液面调节器或溢流器从反应设备中取出对应于供入量的反应溶液。将取出的反应溶液收集在下游容器如搅拌釜中，以允许发生进一步的反应。在下游容器被反应混合物充满之后，合适的话通过如上所述的汽提从溢流中除去联产物二氧化碳和氯化氢并将该溢流送入处理中。可以例如通过蒸馏进行处理。
本发明方法使得可以通过伯胺的连续或间歇光气化而制备异氰酸酯。与已知的无催化剂方法相比，本发明方法使得可以在温和的温度和压力条件下仅在一个反应步骤中进行实际的反应，而且还产生较高的伯胺转化率、异氰酸酯的高选择性和高时空产率。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，本发明方法没有形成微溶性组分的倾向或仅具有不显著的该倾向。在设备组件上沉积和堵塞设备组件的危险因此显著降低，这在处理有毒光气时意味着决定性的安全优势。此外，不形成或仅不显著地形成微溶性组分第一次使得可以实施连续方法并且在随后的处理中提供了显著的优势。
用于本发明方法中的亚砜和砜通常无毒或仅具有低毒性，这与使用WO 01/17951所述的脂族单异氰酸酯相比尤其具有优势。
实施例实验设备实验设备包括1升玻璃容器，该容器装有搅拌器、恒温器、气态光气入口管和两部分冷凝器级联。该两部分冷凝器级联包括维持在-10℃下的强化冷凝器和维持在-78℃下的二氧化碳冷凝器。实验在大气压力下进行。
对比实施例1将500g氯苯放入该玻璃容器中并在室温下引入40g气态光气。然后将反应混合物加热到77℃，同时产生剧烈的光气回流。在77-80℃下剧烈搅拌的同时，在3小时内引入总共99.2g溶于200g氯苯中的环己胺(1mol)并同时引入另外92g光气。加料完成后，将体系在77-80℃下维持另外1小时，其间不引入光气，以允许发生进一步的反应，然后在50℃下通过氮气汽提出残留的未反应光气。所得反应混合物为悬浮液，通过过滤由该悬浮液分离所得固体。以此方式可以分离出15g固体，根据IR光谱分析得知该固体主要为胺盐酸盐。通过蒸馏处理该过滤的粗产物。除去溶剂并分馏得到88.8g异氰酸环己基酯(0.710mol)。这对应于理论产率的71.0％。
实施例2(根据本发明)将500g氯苯和2g二甲亚砜(0.025mol)放入该玻璃容器中并在室温下引入35g气态光气。然后将反应混合物加热到78℃，同时产生剧烈的光气回流。在78-82℃下剧烈搅拌的同时，在3小时内引入总共99.2g溶于200g氯苯中的环己基胺(1mol)并同时引入另外113g光气。加料完成后，将体系在78-82℃下维持另外1小时，其间不引入光气，以允许发生进一步的反应，然后在40℃下通过氮气汽提出残留的未反应光气。所得反应混合物为流体悬浮液，通过过滤由该悬浮液分离所得固体。以此方式可以分离出2.2g固体。通过蒸馏处理该过滤的粗产物。除去溶剂并分馏得到79.7g异氰酸环己基酯(0.631mol)。这对应于理论产率的63.1％。
实施例3(根据本发明)将500g氯苯和2.4g二甲砜(0.025mol)放入该玻璃容器中并在室温下引入30g气态光气。然后将反应混合物加热到78℃，同时产生剧烈的光气回流。在78-80℃下剧烈搅拌的同时，在3小时内引入总共99.2g溶于200g氯苯中的环己基胺(1mol)并同时引入另外105g光气。加料完成后，将体系在78-80℃下维持另外1小时，其间不引入光气，以允许发生进一步的反应，然后在50℃下通过氮气汽提出残留的未反应光气。所得反应混合物为悬浮液，通过过滤由该悬浮液分离所得固体。以此方式可以分离出7.8g固体。通过蒸馏处理该过滤的粗产物。除去溶剂并分馏得到86.8g异氰酸环己基酯(0.694mol)。这对应于理论产率的69.4％。
与不使用催化剂的对比实施例1相比，本发明使用二甲亚砜的实施例2表出现的固体比例降低为对比实施例1的1/7，并且本发明使用二甲砜的实施例3表出现的固体比例降低为对比实施例1的1/2。因此，需要分离的固体显著更少。
固体的比例更低使得本发明方法可以显著更简单、更安全地进行，并且问题较少。尤其是显著降低了在设备组件上沉积和堵塞设备组件的危险，这在处理有毒光气时意味着决定性的安全优势且使得连续方法成为可能。
与因固体形成而必须间歇进行的已知方法相比，能够连续进行的能力使得时空产率显著增加。未反应的胺可以返回反应设备中，从而也可以获得高于已知方法的产率。
权利要求
1.一种通过使相应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应而制备异氰酸酯的方法，其中基于反应溶液中的伯胺和形成的异氰酸酯的总量使用0.01-50mol％亚砜、砜或其混合物。
2.如权利要求1的方法，其中基于反应溶液中的伯胺和形成的异氰酸酯的总量使用0.01-25mol％亚砜、砜或其混合物。
3.如权利要求1或2的方法，其中用作亚砜的是具有式(I)的亚砜R1-S(O)-R2(I)和/或用作砜的是具有式式(II)的砜R1-S(O)2-R2(II)，其中基团R1和R2各自独立地为未支化或支化的C1-C10烷基、未支化或支化的C5-C10环烷基或未被取代或被一个或多个C1-C4烷基取代的C6-C12芳基。
4.如权利要求3的方法，其中使用二甲亚砜或二甲砜。
5.如权利要求1-4中任一项的方法，其中所用伯胺为具有一个NH2基团的一元胺或具有两个NH2基团的二元胺，其各自具有1-20个碳原子。
6.如权利要求5所要求的方法，其中所用伯胺为1，6-二氨基己烷、环己胺、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中任一项的方法，其中该反应在20-200℃和0.05-0.5MPa的绝对压力下进行。
8.如权利要求1-7中任一项的方法，其中惰性溶剂的用量基于存在的伯胺和形成的异氰酸酯的总量为100-2000重量％。
9.如权利要求1-8中任一项的方法，其中所用惰性溶剂为邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、间二氯苯、对二氯苯或其混合物。
全文摘要
本发明涉及一种通过使相应的伯胺与光气在惰性溶剂中反应而制备异氰酸酯的方法，其中基于反应溶液中的伯胺和形成的异氰酸酯的总量使用0.01－50mol％亚砜、砜或其混合物。
文档编号C07C265/12GK1575278SQ02820953
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·罗德, A·斯塔姆, J·亨克尔曼 申请人:巴斯福股份公司