CN110105248A - 一种甲苯二异氰酸酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,将催化剂多金属氧酸盐、溶剂加入反应容器,再加入原料2,6‑二氨基甲苯以及苯硅烷、缚酸剂和脱水剂,一同混合均匀,最后加入气态二氧化碳,一定温度下磁力搅拌充分反应,即得到产物。本发明方法采用Anderson型杂多酸作为催化剂,该催化剂所需反应条件温和、专一选择性高,可回收利用对环境友好,提高了工业反应的清洁性,提高了工艺的经济性,降低制造成本和三废的产生,减轻环保压力,有利于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域,具体涉及一种甲苯二异氰酸酯的制备方法。
背景技术
甲苯二异氰酸酯主要作为聚氨酯树脂的生产原料,用于生产聚氯酯泡抹塑料、涂料、橡胶、密封剂、粘合剂等,也可用作橡胶硫化剂、蛋白质交联剂等。包括泡沫塑料;聚氨酯涂料;聚氨酯橡胶;聚酰亚胺纤维和胶粘剂等也有一些应用。由于其应用广泛使得甲苯二异氰酸酯的合成和应用研究得到人们的广泛关注。
传统制备甲苯二异氰酸酯是由甲苯硝化生成二硝基甲苯,再经还原得到甲苯二胺。甲苯二胺与光气反应即得甲苯二异氰酸酯TDI,但此制备方法繁琐且产率不高,最致命缺点是光气毒性极强,且对设备要求高。
专利CN108570135A是在氮气氛围下,首先将酚类物质、醛类物质、催化剂以及溶剂加入到反应器中,反应一段时间后,再加入胺类物质、甲醛继续反应,减压蒸馏得到目的产物甲苯二异氰酸酯。该发明所用的催化剂稳定性好,对甲苯二异氰酸酯三聚反应具有较高的催化活性和优异的催化选择性,但是减压蒸馏的提纯方式有一个弊端就是当对压力控制不当或者压力不稳定时,会导致蒸馏失败且容器需要耐真空。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种工艺简单的甲苯二异氰酸酯的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,以2,6-二氨基甲苯和气态的二氧化碳为原料,以多金属氧酸盐为催化剂进行偶联反应,反应通式为:
优选地,将2,6-二氨基甲苯、多金属氧酸盐以及溶剂混合加入到反应容器内,再加入苯硅烷、缚酸剂及脱水剂,混合均匀,最后通入气态二氧化碳,设定反应温度为0~40℃,搅拌反应6~24h,分离纯化即得到产品。
优选地,所述的催化剂为Fe,Cu,Ni或Cr为中心的Anderson型多金属氧酸盐,或者为三烷氧基衍生物(Tris衍生物)修饰的Fe,Cu,Ni或Cr为中心金属的Anderson型多金属氧酸盐,表征图谱见附图1-5。最优选采用Fe-POM催化剂,催化剂的量为0.1mol%~5mol%较为合适,1mol%时为最优。
优选地,所述缚酸剂为吡啶或三乙胺,加入缚酸剂吸收反应过程中产生的酸以提高反应产率。
优选地,所述脱水剂为二甲基亚砜或三氯氧磷。
优选地,所述溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、甲苯或无水乙腈,优选溶剂为甲苯。
优选地,设定反应温度为0~30℃,反应时间为6~12h,进一步优选,设定反应温度为30℃,反应时间为12h。
优选地,所述多金属氧酸盐、2,6-二氨基甲苯、苯硅烷、缚酸剂及脱水剂的摩尔比为0.02:2:4:1:2,所述溶剂的用量与2,6-二氨基甲苯的比例为3mL/mmol。
优选地,采用有机溶剂回收反应后的多金属氧酸盐催化剂,回收催化剂循环利用,所述有机溶剂采用***、乙醇、乙酸乙酯、甲醇等。
本发明利用2,6-二氨基甲苯和二氧化碳为反应原料,一步偶联生成甲苯二异氰酸酯,不仅工艺流程简易且原料简单,大大提高了原子经济性,另一方面,由于二氧化碳是温室效应的主要来源,也是自然界中储量最丰富的资源,无论从环境保护还是资源利用的角度考虑,二氧化碳固定和化学转化的研究都具有重要意义。本发明催化剂经简单处理后可以重新利用多次,是一种简易环保高效的合成路径,经济绿色高效,且采用一步法直接制备目标产品,效率大大提高。
与现有制备甲苯二异氰酸酯的方法相比较,具有以下优点:
1、工艺流程简单、生产成本低、无三废、产品收率高等特点,采用无毒、无害以及可再生资源二氧化碳作为为原料之一,是一种原子经济性高、环境友好的制备甲苯二异氰酸酯的方法。
2、采用的催化剂是一种新型的催化剂,以Anderson型为主的多金属氧酸盐(杂多酸),中心金属都为常见的非贵金属,是一种高效的多功能催化剂,具有较高的反应活性及稳定性,且氧化还原催化性能优异,属于绿色高效催化剂,经简单处理后还可以循环使用多次,且对设备腐蚀性极小,有利于工业化生产。
附图说明
图1是本发明以Anderson型或Tris衍生物修饰的Anderson型多金属氧酸盐的红外图谱(以铁是金属中心为例);
图2是本发明以Anderson型为主的多金属氧酸盐与多次回收利用后的XRD对比图(以铁是金属中心为例);
图3是本发明Tris衍生物修饰的Anderson型多金属氧酸盐的核磁图谱(以铁是金属中心为例);
图4是本发明Anderson型多金属氧酸盐的SEM图(以铁是金属中心为例);
图5是本发明Tris衍生物修饰的Anderson型多酸SEM图(以铁是金属中心为例)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
在25mL洁净的反应管中加入0.0240g(0.02mmol)以镍为中心的多金属氧酸盐[NH4]4[NiMo6O18(OH)6]·7H2O(NiMo6)、6mL甲苯溶剂、0.2484g(2mmol)2,6-二氨基甲苯、0.3067g(2mmol)三氯氧磷、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于93%,产物选择性为90%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例2
在25mL洁净的反应管中加入0.0240g(0.02mmol)以铁为中心的多金属氧酸盐[NH4]3[FeMo6O18(OH)6]·7H2O(FeMo6)、6mL甲苯溶剂、0.2484g(2mmol)2,6-二氨基甲苯、0.3067g(2mmol)三氯氧磷、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于95%,产物选择性为91%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例3
在25mL洁净的反应管中加入0.0240g(0.02mmol)以铜为中心的多金属氧酸盐[NH4]4[CuMo6O18(OH)6]·7H2O(CuMo6)、6mL甲苯溶剂、0.2484g(2mmol)2,6-二氨基甲苯、0.3067g(2mmol)三氯氧磷、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于91%,产物选择性为89%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例4
在25mL洁净的反应管中加入0.0240g(0.02mmol)以铬为中心的多金属氧酸盐[NH4]3[CrMo6O18(OH)6]·7H2O(CrMo6)、6mL甲苯溶剂、0.2484g(2mmol)2,6-二氨基甲苯、0.3067g(2mmol)三氯氧磷、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.1012g(1mmol)三乙胺,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于90%,产物选择性为89%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例5
在25mL洁净的反应管中加入0.0407g(0.02mmol)以Tris衍生物单侧修饰的以镍为中心的多金属氧酸盐[[N(C4H9)4]4[NiMo6O18(OH)3{(OCH2)3CCH2OH}]·13H2O(CH2OH-NiMo6)、6mL溶剂甲苯、0.4207g(2mmol)4,4’-二氨基二环己基甲烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.3067g(2mmol)三氯氧磷,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于89%,产物选择性为88%;向最终的反应体系中加入***(或乙酸乙酯等有机溶剂),过滤得到白色固体,洗涤干燥,收集再循环利用。分离提纯得淡黄色液体,通过核磁测试分析确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例6
在25mL洁净的反应管中加入0.0407g(0.02mmol)以Tris衍生物单侧修饰的以铁为中心的多金属氧酸盐[[N(C4H9)4]3[FeMo6O18(OH)3{(OCH2)3CCH2OH}]·13H2O(CH2OH-FeMo6)、6mL溶剂甲苯、0.4207g(2mmol)4,4’-二氨基二环己基甲烷、0.0641g(2mmol)甲醇、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.3067g(2mmol)三氯氧磷,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于92%,产物选择性为93%;向最终的反应体系中加入***(或乙酸乙酯等有机溶剂),过滤得到白色固体,洗涤干燥,收集再循环利用。分离提纯得淡黄色液体,通过核磁测试分析确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例7
在25mL洁净的反应管中加入0.0407g(0.02mmol)以Tris衍生物单侧修饰的以铜为中心的多金属氧酸盐[[N(C4H9)4]4[CuMo6O18(OH)3{(OCH2)3CCH2OH}]·13H2O(CH2OH-CuMo6)、6mL溶剂甲苯、0.4207g(2mmol)4,4’-二氨基二环己基甲烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.3067g(2mmol)三氯氧磷,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于90%,产物选择性为89%;向最终的反应体系中加入***(或乙酸乙酯等有机溶剂),过滤得到白色固体,洗涤干燥,收集再循环利用。分离提纯得淡黄色液体,通过核磁测试分析确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例8
在25mL洁净的反应管中加入0.0407g(0.02mmol)以Tris衍生物单侧修饰的以铬为中心的多金属氧酸盐[[N(C4H9)4]3[CrMo6O18(OH)3{(OCH2)3CCH2OH}]·13H2O(CH2OH-CrMo6)、6mL溶剂甲苯、0.4207g(2mmol)4,4’-二氨基二环己基甲烷、0.1012g(1mmol)三乙胺、0.2164g(4mmol)苯硅烷、0.3067g(2mmol)三氯氧磷,最后在反应管上方套上装有二氧化碳的气球,在30℃下反应12h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于89%,产物选择性为89%;向最终的反应体系中加入***(或乙酸乙酯等有机溶剂),过滤得到白色固体,洗涤干燥,收集再循环利用。分离提纯得淡黄色液体,通过核磁测试分析确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例9
反应步骤同实施例6,与实施例2不同之处在于,所用催化剂为回收后第1次使用,GC-MS分析得知反应底物转化率大于91%,选择性约为89%,分离提纯得到产物,核磁确认为甲苯二异氰酸酯。
实施例10
反应步骤同实施例6,与实施例2不同之处在于,所用催化剂为回收后第2次使用,GC-MS分析得知反应底物转化率大于90%,选择性约为88%,分离提纯得到产物,核磁确认为甲苯二异氰酸酯。
实施例11
反应步骤同实施例6,与实施例2不同之处在于,所用催化剂为回收后第3次使用,GC-MS分析得知反应底物转化率为89%,选择性约为88%,分离提纯得到产物,核磁确认为甲苯二异氰酸酯。
实施例12
反应步骤同实施例6,与实施例2不同之处在于,所用催化剂为回收后第4次使用,GC-MS分析得知反应底物转化率为88%,选择性约为86%,分离提纯得到产物,核磁确认为甲苯二异氰酸酯。
实施例13
反应步骤同实施例6,与实施例2不同之处在于,所用催化剂为回收后第5次使用,GC-MS分析得知反应底物转化率为87%,选择性约为85%,分离提纯得到产物,核磁确认为甲苯二异氰酸酯。
实施例12
反应步骤同实施例6,与实施例2不同之处在于,所用催化剂为回收后第6次使用,GC-MS分析得知反应底物转化率为83%,选择性约为84%,分离提纯得到产物,核磁确认为甲苯二异氰酸酯。
实施例13
本实施例与实施例1相同,不同之处,在40℃下反应6h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于86%,产物选择性为87%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例14
本实施例与实施例1相同,不同之处,脱水剂为二甲基亚砜,缚酸剂为吡啶,溶剂为无水乙腈,在35℃下反应8h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于88%,产物选择性为87%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例15
本实施例与实施例2相同,不同之处,在25℃下反应15h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于90%,产物选择性为89%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
实施例16
本实施例与实施例2相同,不同之处,脱水剂为二甲基亚砜,溶剂为N,N-二甲基甲酰胺,在25℃下反应15h;反应结束后,取样测GC-MS,得知反应底物转化率大于89%,产物选择性为87%,分离提纯得淡黄色液体,经核磁确认是产物甲苯二异氰酸酯。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,以2,6-二氨基甲苯和气态的二氧化碳为原料,以多金属氧酸盐为催化剂进行偶联反应。
2.根据权利要求1所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,将2,6-二氨基甲苯、多金属氧酸盐以及溶剂混合加入到反应容器内,再加入苯硅烷、缚酸剂及脱水剂,混合均匀,最后通入气态二氧化碳,设定反应温度为0~40℃,搅拌反应6~24h,分离纯化即得到产品。
3.根据权利要求1或2所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,所述的催化剂为Fe,Cu,Ni或Cr为中心的Anderson型多金属氧酸盐,或者为三烷氧基衍生物修饰的Fe,Cu,Ni或Cr为中心金属的Anderson型多金属氧酸盐。
4.根据权利要求2所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,所述缚酸剂为吡啶或三乙胺。
5.根据权利要求2所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,所述脱水剂为二甲基亚砜或三氯氧磷。
6.根据权利要求2所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,所述溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、甲苯或无水乙腈。
7.根据权利要求2所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,设定反应温度为0~30℃,反应时间为6~12h。
8.根据权利要求7所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,设定反应温度为30℃,反应时间为12h。
9.根据权利要求2所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,所述多金属氧酸盐、2,6-二氨基甲苯、苯硅烷、缚酸剂及脱水剂的摩尔比为0.02:2:4:1:2,所述溶剂的用量与2,6-二氨基甲苯的比例为3mL/mmol。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种甲苯二异氰酸酯的制备方法,其特征在于,采用有机溶剂回收反应后的多金属氧酸盐催化剂循环使用。
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