1,1-二取代的乙烯化合物的纯化的制作方法

1,1-二取代的乙烯化合物的纯化的制作方法
【专利摘要】通过将1,1-二取代的乙烯与氧化铝接触并且分离氧化铝以获得具有成本、纯度、贮藏期和固化速率的优良组合的1,1-二取代的乙烯，从而获得1,1-二取代的乙烯的生产性改善。
【专利说明】1, 1-二取代的乙烯化合物的纯化
[0001] 相关申请
[0002] 本专利申请要求于2012年1月28日提交的、发明人为McConville等人、题目为 "改进的1，1-二取代的乙烯方法"的美国临时专利申请第61/591，882号的优先权，将其全 部内容引入本文作为参考。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及一种用于改善1，1-二取代的乙烯单体和含单体的组合物的固化速度 和/或提供（即各批次间）更一致的固化速度的方法。本发明还涉及一种用于生产1，1-二 取代的乙烯单体（包括亚甲基丙二酸酯（methylidene malonates)和氰基丙烯酸酯，尤其 是亚甲基丙二酸酯）的改进方法及其应用。

【背景技术】
[0004] 1，1-二取代的乙烯单体和包含该单体的组合物是大家熟知的，并且大多数已被广 泛使用。它们可在广泛范围的终端应用中使用，尤其是利用了它们的固化性质或可聚合性 质的终端应用。具体地，在其他应用中，发现它们可在涂料、密封剂和粘合剂中广泛使用。在 1位具有1个或，优选2个吸电子取代基的上述1，1-二取代的乙烯已经被用于赋予粘合剂 和密封剂以快速的固化速率和高结合强度。它们中最值得注意的是氰基丙烯酸酯，诸如氰 基丙烯酸乙酯、氰基丙烯酸丁酯和氰基丙烯酸辛酯。已显示出许多前景，但是具有有限的商 业成功的另一类1，1-二取代的乙烯是亚甲基丙二酸酯，包括亚甲基丙二酸二乙酯。
[0005] 1，1-二取代的乙烯的商业成功依赖大量的变量和因素，包括合理的成本、高纯度、 良好（尤其长）的贮藏期和快速的固化速率。为了努力实现这些目标，已为它们的制造、纯 化和分离做了许多工作来开发新的和/或改进的方法，以及合成方案。
[0006] 例如，通过使诸如氰基乙酸乙酯的氰基乙酸酯与甲醛或诸如仲甲醛的甲醛合成 子进行诺文葛尔缩合反应（Knoevenagel condensation)，然后进行酯交换反应，制备了 α-氰基丙烯酸酯（美国专利第6,245,933号）。然后，将制得的产品混合物裂化并蒸馏以 制造 α -氰基丙烯酸酯单体。
[0007] 在另一制备中（美国专利第7, 569, 719号），氰基乙酸乙酯与由仲甲醛和诸如叔丁 胺的伯胺制备的特定亚胺盐反应。
[0008] 在WO 2010129068所公开的方法中，由二乙基丙二酸酯和仲甲醛制备了粗制二乙 基亚甲基丙二酸酯，然后进行稳定和蒸馏，之后再次进行稳定和蒸馏。
[0009] 进行了大量的工作来开发各种合成途径且尽最大努力来纯化1，1-二取代的乙 烯，这表明这些材料及其制造是重要的和复杂的。然而，已在氰基丙烯酸酯、亚甲基丙二酸 酯上发现了商业成功，正为之继续努力。事实上，亚甲基丙二酸酯已是努力了数十年的课 题，即，以商业规模来制备它们，并使其具有商业可行的价格以及合适的固化速度和贮藏稳 定性；然而，一直未获成功。
[0010] 最早制备亚甲基丙二酸二烷基酯（最简单的亚甲基丙二酸酯）的两种方法是碘化 物法和甲醛法，在所述碘化物法中，二碘甲烷与丙二酸二烷基酯反应，在所述甲醛法中，在 碱存在的条件下，甲醛与丙二酸二烷基酯在醇类溶剂的溶液中反应。前者由于非常低的产 率和昂贵的原料，因此并不令人满意。虽然后者相比碘化物法能够偶尔提供更好的产率，但 是产率仍然相对较差，更严格讲，即使在相同的条件下，各批次间的产率也不一致。
[0011] 虽然存在问题，但是早期的努力仍然关注甲醛法。广为实践的甲醛法中的一种包 括在金属醋酸盐催化剂存在的条件下使丙二酸二乙酯与甲醛在冰醋酸中反应来制备亚甲 基丙二酸二乙酯。之后，在通过过滤去除催化剂以及分离溶剂后，通过蒸馏回收产物。这些 努力持续失败的同时开发了该基本方法的各种变形和重复，所有这些都是为了改善与之相 关的一致性和产率。
[0012] 作为可选方案，Bachman等人（US 2, 313, 501)教导在羧酸的碱金属盐存在的条件 下，使C1?C5二烷基丙二酸酯与甲醛在基本上以无水羧酸为溶剂的溶液中反应，然后分馏 以分离所期望的产物。Bachman等人指出在单体的乙烯基化合物的聚合反应的抑制剂存在 的条件下，可以有利地实施他们的方法。合适的抑制剂据说包含诸如氯化铜的铜盐（尤其 是诸如醋酸铜的羧酸的铜盐）、诸如醋酸铁的铁盐和诸如氢醌的酚。这些抑制剂在添加丙二 酸酯之前加入到混合溶液中。
[0013] 虽然Bachman等人报道了产率高达72%，但给出的结果是转化率，并不是产率。观 察该方法的实际产率会发现，Bachman等人的最好表现是43%的产率，而所有其它的产率 小于25%。虽然Bachman等人提到高纯度和能够回收纯材料，但是他们没有给出任何有关 那些纯度和回收率的细节或数据。无论如何，Bachman等人报道分离的产物在静置时根据 分离后的材料的纯度在一天至几周时间内聚合，之后该聚合物被加热至足够高的温度以促 进该聚合物逆转回为单体。
[0014] 另一方面，D'Alelio (US 2,330,033)指出这种方法是不稳定的且多数情况下平均 产率为10%?12%。D'Alelio采用了一种产率在30%以上的改进方法，该方法以1摩尔 的丙二酸酯比至少1摩尔的甲醛的比率在碱性条件下使前者与后者反应，在多数情况下， 在诸如铜、醋酸铜、氢醌、间苯二酚或邻苯二酚的聚合反应抑制剂的存在下进行反应以形成 羟甲基衍生物。然后，为了延缓进一步反应，使用合适的有机或无机酸将羟甲基衍生物酸化 至pH小于7.0。之后，将酸化的物质脱水以形成相应的亚甲基丙二酸酯，随后通过蒸馏将其 分离。
[0015] Coover等人（US 3, 221，745和US 3, 523, 097)采用另一种方法来形成亚甲基丙二 酸酯，其选择以预形成的二烷基烷氧亚甲基丙二酸酯来开始反应。按照他们的方法，在加氢 催化剂存在的条件下，对二烷基烷氧亚甲基丙二酸酯的烯烃双键进行加氢，然后在五氧化 二磷抑制剂存在的条件下对加氢的化合物进行热解以剥离醇，从而制备亚甲基丙二酸酯。 然后，在低温下，将生成的物质进行真空蒸馏以分离所声称的高纯度亚甲基丙二酸酯，但产 率较低。根据Coover等人的描述，使用低温蒸馏是为了防止通常在高温蒸馏中所产生的热 解产物对单体的污染。据说这些高纯度的单体在外科手术应用中尤为重要。
[0016] 最终，这种努力引向多步骤方法，其中，将某种不饱和分子作为平台用于形 成中间加合物，随后由该中间加合物剥离和回收亚甲基丙二酸酯。例如，Hawkins等 人（US4, 049, 698)发现，某种丙二酸二酯能够在伯胺、仲胺或叔胺存在的条件下、在约 回流温度下与甲醛和线状共轭二烯反应以形成中间加合物，然后，该中间加合物能够 在超过600°C的温度下被容易地热解，从而分离出所期待的亚甲基丙二酸酯。类似地， Ponticello (US4, 056, 543)和 Ponticello 等人（US 4, 160, 864)开发了如下方法，通过该方 法从预先形成的降冰片烯加合物制备了非对称的亚甲基丙二酸酯，尤其是甲基烯丙基亚甲 基丙二酸酯。所述降冰片烯加合物是在室温或加热或使用路易斯催化剂的条件下通过烷基 丙烯酸酯与环戊二烯的狄尔斯-阿尔德（Diels-Alder)反应制得的。然后，使如此形成的 单酯降冰片烯加合物在烷基取代的锂酰胺络合物存在的条件下与亲电体材料反应以形成 二酯加合物，随后在400°C至800°C的温度下、在Imm至760mm Hg的压力下、在惰性气氛中 热解以分离出所期望的亚甲基丙二酸酯。尽管他们获得了产率和/或纯度，但是这些仍没 有实现商业成功。
[0017] 纵观上述方法的大量缺点，这些缺点使得上述方法难以（甚至不可能）适应工业 规模。Bru-Magniez等人（US4, 932, 584和US 5, 142, 098)开发了一种方法，其中，通过使单 丙二酸酯或二丙二酸酯在蒽存在的条件下（最优选在选择的催化剂存在的条件下、在非水 溶剂介质中）与甲醛反应制备了蒽加合物。
[0018] 根据Bru-Magniez等人的描述,蒽加合物容易以高产率生产，而且可以使用任何 已知的方法从蒽加合物中分离而获得所期望的亚甲基丙二酸酯，该方法包括热处理、热分 解（thermolysis)、热解或水解，优选在马来酸酐存在的条件进行热处理。然后，将生成的粗 产物进行多重蒸馏，优选在真空下进行较低温蒸馏，以回收纯化的亚甲基丙二酸酯。尽管主 张得到了高产率，但他们的粗产率通常在21%?71%的范围内，更重要的是没有关于所获 得的材料的纯度的说明。
[0019] 基于与Bru-Magniez技术的后继者的交谈，由于整个生产过程和最终产物的高度 不稳定性，商业生产材料的努力遭遇了巨大的困难。事实上，他们报道了高失败率：通过粗 蒸馏仅获得有限的批次。由于生成的产物的高不稳定性和自发的聚合反应，因此即使在使 用高于50, OOOppm的SO2稳定后，也不得不将它们保存在冷藏库中。
[0020] Malofsky等人（W0 2010/129068)通过剥离加合物的同时或之前使用聚合反应抑 制剂解决了一些有关逆狄尔斯-阿尔德（Retro-Diels-Alder)加合物法的方法不稳定性的 问题。使用了诸如三氟乙酸和氢醌的抑制剂。在一些实例中，三氟乙酸也被添加于蒸馏物。 对此仅做了有限的固化研究，但是生成的丙二酸酯能够与四丁基氟化铵聚合。Malofsky教 导了多种纯化方法，包括双蒸馏和用诸如正庚烷的烷烃提取产物。虽然这是相对于现有技 术的改善，但这些不同的纯化方法是高成本的且降低产率。
[0021] 生产具有成本、纯度、贮藏期和快速固化速率的优良组合的1，1_二取代的乙 烯的问题并不是亚甲基丙二酸酯或具体生产方法所特有的。Imohel等人（美国专利第 3, 728, 373号）教导了与聚氰基丙烯酸酯一同使用氢醌和其他聚合反应抑制剂，并且分解 它们且从聚合物/稳定剂混合物中蒸馏氰基丙烯酸酯。最近，Malofsky等人（美国专利第 6, 512, 023)建立了如下理论，即通过使用特定组合的某种气相和某种液相的阴离子聚合反 应抑制剂，能够改善1，1-二取代的乙烯单体和聚合物的稳定性。这些单体（典型为氰基丙 烯酸酯）表现出改善的稳定性。McArdle (美国专利第7, 973, 119号）通过一种使用质子化 的亚胺的完全不同的方法制备了缺电子的1，1-二取代的乙烯化合物，诸如氰基丙烯酸酯 和亚甲基丙二酸酯。McArdle教导了使用自由基和酸性稳定剂。
[0022] 大量的研究以及努力解决这些问题的大量科研工作者是对认识到1，1-二取代的 乙烯单体（包含亚甲基丙二酸酯和氰基丙烯酸酯）的重要性和存在于它们的生产中的复杂 性的证明，尤指亚甲基丙二酸酯及其使用。反应能力（即，在固化前分离产物的能力）、低 产率、低纯度、短贮藏期或要求苛刻的保存条件以及具有的不稳定的固化率持续挫败那些 克服相同问题的努力。可以肯定的是，稳定化技术以及最终产物和分离最终产物的技术的 改进已明显改善了反应能力、产率、纯度和贮藏期；然而，固化速度仍然不稳定且不可预测。 从纯技术的观点考虑，固化速度或许并不重要，但从商业角度考虑，它是至关重要的。因此， 商业应用受到严格限制（即使不期望），并且如果不能够给出或建立一致和/或可预测的固 化速度，之前的改善是无意义的。可固化的组合物需要确定的固化速度或固化速度参数以 便在商业、医疗和工业领域中应用。
[0023] 然而，存在一种非平衡性，两个期望的性质（即优异的贮藏期和快速的或可预测 的固化速率）是相互矛盾的，并且牺牲其中一个时，另一个必须妥协。优异的贮藏期表明 良好的稳定性和对聚合反应的抗性，然而快速的固化速率表明高活性以及由此导致的不稳 定，从而产物趋于快速聚合。此外，这些单体生产中的复杂性基于如下事实，许多纯化技术 需要高温（例如，蒸馏），和/或者加速聚合反应和/或提高被研究的材料的不稳定性的条 件。由此，引起了对材料的聚合反应和/或降解的研究。的确，氰基丙烯酸酯的生产利用了 该效应，使单体聚合，然后在某种稳定剂存在的条件下使单体裂化，以有效地再生单体。然 而，该方法不可控的或不适合用于多数1，1-二取代的乙烯单体的生产，尤其亚甲基丙二酸 酯。
[0024] 因此，仍然需要一种用于生产1，1-二取代的乙烯单体，尤指亚甲基丙二酸酯的新 型和/或改进的方法，该方法能够以高产率；高纯度和良好的贮藏期以及快速的、一致的或 可预测的固化速率提供恒定的生产能力。


【发明内容】

[0025] 根据本发明教导，提供了一种改善1，1-二取代的乙烯单体、二聚物、三聚物、低聚 物、低分子量聚合物及其组合的固化性能的方法。特别是，提供了一种如下方法，该方法提 供具有更快速的和/或一致的和更可预测的（从各批次间方面来看）固化速度的1，1-二 取代的乙烯单体、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其组合的方法。具体地，目前 已发现，通过用微酸性至中等强度碱性的氧化铝处理1，1-二取代的乙烯单体、二聚物、三 聚物、低聚物、低分子量聚合物及其组合，一方面可以提高固化速度，另一方面可以对被处 理的材料的固化速率进行控制和/或提供更高的一致性和/或可预测性。
[0026] 根据本发明教导的第二方面，提供了一种用于生产和分离1，1-二取代的乙烯单 体、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其组合的改进方法，其中，所述改进包括用 微酸性至中等强度碱性的氧化铝处理1，1-二取代的乙烯单体、二聚物、三聚物、低聚物、低 分子量聚合物及其组合。处理可在分离（separate)/分离（isolate)和/或纯化1，1-二取 代的乙烯单体、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其组合所采用的那些步骤之前、 过程中或之后进行。优选地，上述处理在最后的高温蒸馏、蒸发或类似过程（如果存在）后 进行。
[0027] 根据本发明教导的第三方面，提供了包含由上述方法得到的1，1-二取代的乙烯 单体、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其组合的组合物，与没有经过氧化铝处理 的相同组合物相比，所述组合物具有改善的和更一致的固化速率。在该方面中，本发明教导 还涉及一种通过调节处理过程和/或处理的材料的掺混量来定制固化速度的方法。
[0028] 虽然本发明教导通常适用于1，1-二取代的乙烯，但是其尤其适用于那些稳定性 和/或聚合反应受到所存在的酸或酸性物质的不良影响的单体，特别是，本发明教导尤其 适用于氰基丙烯酸酯和亚甲基丙二酸酯，尤其最适用于聚合反应被所存在的酸和酸性物质 减缓（如果没有被完全抑制）的亚甲基丙二酸酯。
[0029] 如上所述，本发明在于使用氧化铝作为1，1-二取代的乙烯的处理剂。适合在本发 明教导的实践中使用的氧化铝是那些具有轻度酸性至中等强度碱性PH的氧化铝。优选地， 氧化铝具有约pH 5. 5至pH 8. 5的pH(在中性水中测量），更优选约pH 6至pH 8。
[0030] 氧化铝处理可以用于使1，1-二取代的乙烯单体、二聚物、三聚物、低聚物、低分子 量聚合物和/或其组合与氧化铝接触的任何合适方式进行。典型地，以批量或批量改良的 连续方式进行该方法：后者包括将给定量的待处理的组合物循环通过氧化铝柱直至达到所 期望的接触时间。当然，连续的方法还适合提供足够的氧化铝和被处理的材料之间的接触 时间，从而对固化速率提供所期望的效果。
[0031] 典型地，氧化铝处理在约0°C至约150°C、优选约20°C至70°C下实施从约5分钟 至约20小时，优选实施约10分钟至5小时。所采用的氧化铝的量依赖许多因素，包括所 采用的方法。通常来讲，尤其在批量法中，基于单体的重量，氧化铝的量为约〇.5wt. %至约 20wt. %，优选约2wt. %至约IOwt. %。可以采用更高的浓度，但是这种高浓度使得难以搅 动材料，并且由于单体润湿了氧化铝的表面，从而导致单体的损失。

【专利附图】

【附图说明】
[0032] 图1是表示在从实施例15的研究中所得到的不同条件下大量2. 1. 2单体的诱导 时间变化的图表。
[0033] 图2是表示根据实施例15的研究密封于玻璃安瓿瓶中的2. 1. 2单体的诱导时间 变化的图表。

【具体实施方式】
[0034] 一方面，虽然本发明教导提供了一种用于处理1，1-二取代的乙烯（尤其是单体） 的新方法，但是该方法同样适用于它的二聚物、三聚物、低聚物和低分子量聚合物，以及任 何两种或多种前述物质的组合，由此改善了固化速度和/或固化速度控制或可预测性。具 体地，提供了一种如下方法，其中所述1，1-二取代的乙烯被某种氧化铝材料（具体是具有 微酸性至中等强度碱性PH的氧化铝）处理，从而改善了固化速度和/或固化速度可预测 性。另一方面，本发明教导提供了用于生产和/或分离或纯化1，1-二取代的乙烯的改进方 法，其中，该方法进一步包括如下步骤，即用某种氧化铝材料（具体为具有微酸性至中等强 度碱性PH的氧化铝）处理粗产物、或者纯化的或部分纯化的反应产物。最终，本发明教导 提供和主张根据本发明教导加工的处理后的1，1-二取代的乙烯及包含其的组合物。
[0035] 在其最宽泛的概念中，本发明教导应用于在一个位置具有至少一个吸电子取代基 的1，1-二取代的乙烯，其中优选的吸电子基团选自腈类（包含氰基）、硝基、羧酸、羧酸酯、磺 酸和磺酸酯、酰胺、酮和甲酰基，尤其选自氰基和羧酸酯，优选氰基和羧酸酯。如同上文和此中 所述，虽然本发明教导适用于1，1-二取代的乙烯单体、二聚物、三聚物、低聚物和低分子量聚 合物，以及任何两种或多种前述物质的组合，但为了简单和简洁，下述讨论将只涉及单体，但 应理解本发明教导不局限于此。事实上，经验表明大多数用于1，1-二取代的乙烯（尤指亚甲 基丙二酸酯）的反应法生成单体、二聚物、三聚物、低聚物和/或低分子量聚合物的组合。
[0036] 尤其本发明方法通常适用于生产1，1-二取代的乙烯单体，但不局限于具有通式I 的那些单体：
[0037]

【权利要求】
1. 一种用于改善在1位具有一个或两个吸电子取代基的1，1-二取代的乙烯的固化特 性的方法，所述方法包括以设定的量将所述1，1-二取代的乙烯与具有微酸性至中等强度 碱性的pH的氧化铝接触一段时间，从而与没有经过如此处理的相同材料相比，减少了所述 1，1-二取代的乙烯的固化诱导时间。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯是乙烯单体、乙烯二聚物、 乙烯三聚物、乙烯低聚物或乙烯低分子量聚合物、或者任何一种或两种前述物质的组合。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯包括单体或单体组合物。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述吸电子取代基的至少一个选自由氰基、羧酸、 羧酸酯、酰胺、酮和甲酰基所组成的组。
5. 根据权利要求1所述的改善方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯具有通式：
其中，R选自由!1和烃基所组成的组，X选自由烃基、氰基、羧酸、羧酸酯、酰 胺、酮和甲酰基所组成的组，并且Y选自由氰基、羧酸、羧酸酯、酮和甲酰基所组成的组。
6. 如权利要求5所述的改善方法，其中，R是H，并且X和Y独立地选自由氰基和羧酸 酯所组成的组。
7. 如权利要求5所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯具有通式：
其中，X选自由氰基和羧酸酯所组成的组，并且&是烃基基团。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯选自由如下物质所组成的 组：
9. 如权利要求1所述的方法，进一步包括将处理后的1，1-二取代的乙烯与所述氧化铝 分尚的步骤。
10. 如权利要求1所述的方法，其中，所述氧化铝具有5. 0?8. 5的pH。
11. 如权利要求1所述的方法，其中，所述氧化铝具有5. 5?8. 0的pH。
12. 如权利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯与氧化铝在某温度下接 触，1，1-二取代的乙烯与氧化铝在l〇°C?70°C的温度下接触。
13. 如权利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯与氧化铝在25°C?60°C的温度下接触。
14. 如权利要求1所述的方法，其中，以批量形式进行所述处理，基于所述1，1-二取代 的乙烯的重量，将设定量的所述1，1-二取代的乙烯与约0. 5wt%?约20wt%的氧化铝结 合。
15. 如权利要求1所述的方法，其中，以批量形式进行所述处理，基于所述1，1-二取代 的乙烯的重量，将设定量的所述1，1-二取代的乙烯与约lwt%?约15wt%的氧化铝结合以 形成浆料。
16. 如权利要求15所述的方法，其中，在进行搅拌或没有搅拌的情况下将所述浆料放 置约5分钟至20小时。
17. 如权利要求15所述的方法，其中，在进行搅拌或没有搅拌的情况下将所述浆料放 置约10分钟至5小时。
18. -种用于生产可聚合的1，1-二取代的乙烯单体和单体组合物的改进方法，其中， 所述改进包括将权利要求1所述的方法整合至用于生产液态粗单体且通过氧化铝柱或类 似氧化铝容器分离液态粗单体一次或多次的方法中。
19. 一种可聚合的1，1-二取代的乙烯单体或单体组合物，包括权利要求1所述的方法 的产品。
20. -种可聚合的1，1-二取代的乙烯单体或单体组合物，包括权利要求18所述的改进 方法的产品。
【文档编号】B01D15/00GK104411668SQ201380016735
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年1月28日 优先权日:2012年1月28日
【发明者】弗朗西斯·麦康维尔, 约翰·格雷戈里·里德, 穆鲁加帕·韦达查拉姆 申请人:Opt迈德有限公司