一种对苯二异氰酸酯的制备方法与流程

本发明属于有机合成领域，具体涉及一种对苯二异氰酸酯的制备方法。

背景技术：

对苯二异氰酸酯是结构最简单的芳香族二异氰酸酯，纯品外观为白色晶体，熔点96-99℃，是制备高性能聚氨酯产品的重要原料。

除了光气法制备对苯二异氰酸酯以外，目前适合百-千吨级生产规模的制备方法是基于对苯二胺与二-(三氯甲基)碳酸酯的合成反应。如中国专利cn1687022，cn103351312a和cn107011215b中所公开描述的，该反应在如氯苯、邻二氯苯、甲苯和二甲苯的单一卤代芳烃或芳烃溶剂中进行，经过所谓的“冷光”(即低温混合和反应)和“热光”(即高温反应)两个阶段。由于副产物如脲类化合物的生成，该反应的产物收率通常在80-95％，反应后得到的产物颜色发黄，需要二次蒸馏纯化，纯品总产率难以高于90％。

而且，在常温下，对苯二胺在如甲苯、二甲苯、氯苯和二氯苯的芳烃和卤代芳烃类溶剂中的溶解度极低，升温后，溶解度略微增加，例如，在90℃的氯苯中，对苯二胺溶解的质量分数为5.5-5.7％，在100℃的邻二氯苯中，对苯二胺溶解的质量分数为4.5-5.0％。因此，目前在实际生产中需要使用大量溶剂溶解对苯二胺，同时加热并保温。而为了防止副产物的生成，对苯二胺溶液在与二-(三氯甲基)碳酸酯溶液混合时，得到的反应混合液需要予以冷却。在此过程中，因为冷却和溶剂回收导致能耗增加，而且总反应浓度降低也会导致每釜产出量降低，总体而言，现有的制备方法能耗高、生产效率低。

技术实现要素：

为了克服现有技术中对苯二异氰酸酯的制备方法存在能耗高、生产效率低的技术问题，本发明在研究过程中意外发现，使用某些低沸点溶剂可以在较低温度制备较高浓度的对苯二胺溶液，如二氧六环可在22℃制备质量分数约10％的对苯二胺溶液、乙腈可在35℃制备质量分数约15％的对苯二胺溶液、氯仿可在55℃制备质量分数约6％的对苯二胺溶液、1,2-二氯乙烷可在65℃制备质量分数约7％的对苯二胺溶液；由于对苯二胺溶液温度较低，在与常温下的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液混合时，得到的反应混合液温度能自控在常温至40℃之间，不需要冷却反应混合液。同时还意外发现，在短时间“热光”(110-180℃)反应之前，引入“温光”(50-80℃)的反应过程，可以得到高产率高纯度的对苯二异氰酸酯。基于以上发现，本发明提出一种对苯二异氰酸酯的制备方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种对苯二异氰酸酯的制备方法，在常温至65℃下将对苯二胺溶于低沸点溶剂制备得到对苯二胺溶液，在常温下将二-(三氯甲基)碳酸酯溶于高沸点溶剂中制备得到二-(三氯甲基)碳酸酯溶液，然后将所述对苯二胺溶液和二-(三氯甲基)碳酸酯溶液混合反应，得到对苯二异氰酸酯。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，所述低沸点溶剂为二氧六环、乙腈、氯仿或1,2-二氯乙烷，优选氯仿或1，2-二氯乙烷，更优选氯仿。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，所述对苯二胺溶液中对苯二胺的质量分数为5-15％。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，所述高沸点溶剂为卤代芳烃或芳烃，优选氯苯、邻二氯苯、甲苯或二甲苯，更优选氯苯或邻二氯苯。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，所述二-(三氯甲基)碳酸酯溶液中二-(三氯甲基)碳酸酯的质量分数为10-20％。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，包括以下步骤：

步骤(1)：常温下，将所述对苯二胺溶液和二-(三氯甲基)碳酸酯溶液按反应配比混合均匀并进行反应，得到混合反应液；

步骤(2)：将步骤(1)所得混合反应液升温至50-80℃，优选70-80℃，并在此温度条件下进行反应；

步骤(3)：在步骤(2)结束后，升温蒸出所述低沸点溶剂，蒸馏时的温度优选110-130℃；

步骤(4)：然后在110-180℃的温度条件下进行反应，优选130-180℃，反应结束后，后处理即得对苯二异氰酸酯。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，步骤(1)中，将所述对苯二胺溶液滴加到所述二-(三氯甲基)碳酸酯溶液中。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，步骤(1)中，进行反应的时间为1-6小时。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，步骤(2)中，进行反应的时间为10-14小时。

如上所述的对苯二异氰酸酯的制备方法，优选地，步骤(4)中，进行反应的时间为1-6小时。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明以如二氧六环、乙腈、氯仿和1，2-二氯乙烷这类低沸点溶剂溶解对苯二胺，且在较低的温度(常温至65℃)下获得了较高的溶解度，而且，如此配制的对苯二胺溶液与常温配制的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液混合后，由此得到的混合反应液的本身温度较低，自然没有副产物的产生，也无需为了避免副产物生成而进行冷却过程。因此，在对苯二胺溶液的配制过程中，本发明通过选择合适的低沸点溶剂，既节省了对苯二胺溶解时的能耗，而且节省了后续制冷冷却所产生的能耗。

(2)本发明采用两种沸点不同的溶剂可降低溶剂回收总能耗：按照本发明的制备方法，低沸点溶剂在反应进行的同时得以回收，无需额外能耗；而本发明仅在二-(三氯甲基)碳酸酯溶解时使用高沸点溶剂，相比现有的单一溶剂制备方法(对苯二胺和二-(三氯甲基)碳酸酯的溶解均使用高沸点溶剂)，本发明能够显著降低高沸点溶剂的用量，由此在反应后，回收这部分高沸点溶剂时所需的能耗也自然降低。

(3)本发明以对苯二胺和二-(三氯甲基)碳酸酯为原料，采用沸点不同的两种溶剂，经过“冷光”(常温至40℃)、“温光”(50-80℃)和“热光”(110-180℃)三个反应阶段，得到的对苯二异氰酸酯纯度超过98％(根据核磁和熔点数据判断纯度；本发明所制备的对苯二异氰酸酯的熔点高，熔区短(2度)且核磁谱无杂质峰，故判断纯度超过98％)，收率高达97.8％，温光反应阶段有助于提高反应收率和纯度。

附图说明

图1为实施例1所制备的对苯二异氰酸酯的红外谱图；

图2为实施例1所制备的对苯二异氰酸酯的核磁共振氢谱(300mhz,cdcl3)。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的实施例中，提供了一种对苯二异氰酸酯的制备方法，在常温至65℃下(比如20℃、23℃、30℃、37℃、45℃、60℃)将对苯二胺溶于低沸点溶剂制备得到对苯二胺溶液，在常温下将二-(三氯甲基)碳酸酯溶于高沸点溶剂中制备得到二-(三氯甲基)碳酸酯溶液，然后将所述对苯二胺溶液和二-(三氯甲基)碳酸酯溶液混合反应，得到对苯二异氰酸酯。

本发明所述常温是指20-25℃。

本发明的具体实施例中，所述低沸点溶剂为二氧六环、乙腈、氯仿或1,2-二氯乙烷，优选氯仿或1，2-二氯乙烷，更优选氯仿。

本发明的具体实施例中，所述对苯二胺溶液中对苯二胺的质量分数为5-15％(比如6％、7.5％、8％、9％、13％)。

本发明的具体实施例中，所述高沸点溶剂为卤代芳烃或芳烃，优选氯苯、邻二氯苯、甲苯或二甲苯，更优选氯苯或邻二氯苯。

本发明的具体实施例中，所述二-(三氯甲基)碳酸酯溶液中二-(三氯甲基)碳酸酯的质量分数为10-20％(比如12％、16％、19％)。

本发明的具体实施例中，具体制备过程包括以下步骤：

步骤(1)：常温下，将所述对苯二胺溶液和二-(三氯甲基)碳酸酯溶液按反应配比混合均匀并进行反应(即冷光反应)，得到混合反应液，且由于所述对苯二胺溶液和二-(三氯甲基)碳酸酯溶液的溶液温度均较低，使得所得到的混合反应液的温度在常温至40℃之间(比如25℃、27℃、35℃、37℃)；

步骤(2)：将步骤(1)所得混合反应液升温至50-80℃，优选70-80℃，并在此温度条件下进行反应(即温光反应，该温度高于80℃会导致低沸点溶剂的大量会发，不利于反应)；

步骤(3)：在步骤(2)结束后，升温至110-130℃，同时蒸出所述低沸点溶剂，这一方面可以保证后续高温反应的安全性，另一方面，低沸点溶剂与高沸点溶剂分离之后，可以提高反应液浓度，利于后期反应和后处理收集目标产物；

步骤(4)：然后在110-180℃的温度条件下进行反应(即热光反应)，优选130-180℃，反应结束后，后处理即得对苯二异氰酸酯。

根据本发明，对苯二胺和二-(三氯甲基)碳酸酯投料的摩尔比为1.0:0.66–1.0，对苯二胺和二-(三氯甲基)碳酸酯可以在步骤(1)按照该投料比一次性加入，也可以在步骤(1)加入一部分，然后在步骤(4)补加，只要控制总投料比在1.0:0.66–1.0即可(其中1.0:0.66是等当量，一般是一次性加入；如果1.0:1.0，则是过量，过量部分可以补加，二-(三氯甲基)碳酸酯投料相对过量有助于提高产率，但同时会造成浪费原料、成本增加，故控制投料比不超过1.0:1.0)。

本发明的具体实施例中，步骤(1)中，将所述对苯二胺溶液滴加到所述二-(三氯甲基)碳酸酯溶液中，使反应温和进行，避免副产物的生成。

本发明的具体实施例中，步骤(1)中，进行反应的时间为1-6小时。

本发明的具体实施例中，步骤(2)中，进行反应的时间为10-14小时。

本发明的具体实施例中，步骤(4)中，进行反应的时间为1-6小时。

实施例1

在55℃下，将对苯二胺(2.70g,0.025mol)溶于氯仿(40g)中配成质量分数为6.3％的对苯二胺溶液；常温下(20-25℃)，在反应釜内，将二-(三氯甲基)碳酸酯(6.68g,0.0225mol)溶于氯苯(60g)配成质量分数为10％的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液；在常温下，将对苯二胺的热溶液在10-15分钟内滴加到反应釜中，搅拌反应1小时后升温至75℃，保持回流14小时；然后继续升温至130℃，同时蒸出氯仿；最后在130℃下反应3小时得到透明清液。反应结束后，降温，减压蒸干溶剂，得到浅黄-白色晶体状对苯二异氰酸酯(3.92g，收率97.8％)：熔点96-98℃，其红外图谱和核磁氢谱分别如图1和图2所示，根据熔点和核磁判断产品纯度，本实施例得到的产品熔点很高，融区短(2度)，核磁谱无杂质峰，纯度超过98％，红外特征峰2262-2274cm^-1，与文献报道(v.l.k.valli,h.alper,j.org.chem.1995,60,257-258.)的数据(2264cm^-1)相符。

实施例2

在65℃下将对苯二胺(2.70g,0.025mol)溶于氯仿(33.6g)配成质量分数为7.45％的对苯二胺溶液；常温下，在反应釜内，将二-(三氯甲基)碳酸酯(6.70g,0.0226mol)溶于邻二氯苯(30.8g)配成质量分数为17.9％的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液；在常温下，将对苯二胺的热溶液在15分钟内滴加到反应釜中，搅拌反应2小时，再升温至80℃进行回流，保持回流10小时；然后在110-130℃蒸出氯仿，之后继续在180℃下回流反应2小时，反应结束后，降温，减压蒸干溶剂，得到浅黄色晶体状对苯二异氰酸酯(3.30g,收率82.5％)：熔点95-97℃，红外特征峰2262-2274cm^-1，与文献报道的数据相符；根据熔点和核磁判断产品纯度为97％。

实施例3

在常温(20-25℃)下，将对苯二胺(2.70g,0.025mol)溶于二氧六环(29g)配成质量分数为8.5％的对苯二胺溶液；常温下，在反应釜内，将二-(三氯甲基)碳酸酯(6.00g,0.0203mol)溶于邻二氯苯(33.6g)配成质量分数为15.2％的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液；常温下，将对苯二胺溶液在15分钟内滴加到反应釜中，搅拌反应2.5小时，再升温至70℃进行回流，保持回流14小时；补加二-(三氯甲基)碳酸酯溶液(由二-(三氯甲基)碳酸酯(1.0g,3.37mmol)溶于邻二氯苯(20g)中配制而成)，然后在110-130℃蒸出二氧六环，最后在180℃下回流反应6小时，反应结束后降温，过滤，减压蒸干溶剂，得到浅黄色晶体状对苯二异氰酸酯(2.1g,收率52.5％)：熔点95-97℃，纯度97％，红外特征峰2262-2274cm^-1，与文献报道的数据相符

实施例4

在65℃下，将对苯二胺(2.70g,0.025mol)溶于1，2-二氯乙烷(33g)配成质量分数为7.6％的对苯二胺溶液；常温下，在反应釜内，将二-(三氯甲基)碳酸酯(6.60g,0.0225mol)溶于邻二氯苯(30.8g)配成质量分数为18％的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液；然后在常温下，将对苯二胺的热溶液在10分钟内滴加到反应釜中，搅拌反应2小时后升温至80℃，保持回流14小时；然后在110-130℃蒸出1，2-二氯乙烷，最后在180℃下回流3小时得到透明浅黄色清液。反应结束后，降温，减压蒸干溶剂，得到浅黄色晶体状对苯二异氰酸酯(3.7g,收率92.5％)：熔点94-96℃，纯度95％，红外特征峰2262-2274cm^-1，与文献报道相符。

实施例5

在35℃下，将对苯二胺(2.70g,0.025mol)溶于乙腈(19g)配成质量分数为12.4％的对苯二胺溶液；常温下，在反应釜内，将二-(三氯甲基)碳酸酯(6.70g,0.0226mol)溶于邻二氯苯(40g)配成质量分数为14.3％的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液；在常温下，将对苯二胺的热溶液在10分钟内滴加到反应釜中，搅拌反应1小时，再升温至80℃，保持回流17小时；然后在110-130℃蒸出乙腈，最后在180℃下回流反应2小时。反应结束后，降温，减压蒸干溶剂，得到浅黄色晶体状对苯二异氰酸酯(3.50g,收率87.5％)：熔点94-96℃，纯度95％，红外特征峰2262-2274cm^-1，与文献报道的数据相符

对比例1

对比例1无“温光反应”过程，其余均与实施例1相同，即对比例1中，在“冷光反应”之后，直接升温进行“热光反应”，升温过程中蒸出氯仿。反应终止后，反应溶液含有白色不溶物(即副产物)，过滤后处理得到浅黄色固体产物，即对苯二异氰酸酯，共2.76g，收率为69％，明显低于实施例1的产率。

综上，本发明使用氯仿等低沸点溶剂可以在较低温度制备较高浓度的对苯二胺溶液，由于对苯二胺溶液温度较低，在与常温下的二-(三氯甲基)碳酸酯溶液混合时，得到的反应混合液温度能自控在常温至40℃之间，不需要冷却反应混合液，降低了冷却所需的能耗，同时本发明在短时间“热光”

(110-180℃)反应之前，引入“温光”(50-80℃)的反应过程，有助于得到高产率高纯度的对苯二异氰酸酯，因此，本发明通过以上方案较好地解决了现有的对苯二异氰酸酯存在的能耗高、生产效率低的技术问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。