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2008年07月 盐酸催化合成二苯甲烷二氨基甲酸甲酯 撇与开发 盐酸催化合成二苯甲烷二氨基甲酸甲酯 谢可卫,项曙光,韩方煜 (青岛科技大学炼油化工高新技术研究所,山东青岛266042) 摘 要:用碳酸二甲酯(DMC)代替光气,与苯胺甲氧羰基化反应制得苯氨基甲酸甲酯(MPC),在盐酸催化 剂的作用下,经甲基化缩合反应合成了4,4._二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC);使用液一质联用仪分析 了反应物组成;测定了MDC的熔点;采用核磁共振仪对产品结构进行了表征;考察了反应温度、物料配 比、反应时间、催化剂用量对MDC收率的影响。实验结果表明,在n(MPC/甲醛)=6:1、1 5%盐酸用量1 5 mL、反应温度90 cC、反应时间3 h的条件下,MDC收率达到63%。该合成方法具有便于光气法改造、反 应条件温和、催化剂易得易分离等优点。 关键词:二苯甲烷二氨基甲酸甲酯;苯氨基甲酸甲酯;甲醛;盐酸;缩合反应 中图分类号:TQ323.8 文献标识码:A 文章编号:1006—253x(2008)00—0001—03 Synthesis of Methylene Diphenyl Dicarbamate Catalyzed by HydrocMoric Acid XIE Ke-wei,XIANG Shu-guang,HAN Fang—yu fHi—Tech Institute for Petroleum and Chemical Industry.Qingdao University of Sdence and Technology.Qingdao 266042.Shandong. ch ̄a) Abstract:Using dimethyl carbonate (DMC)to replace phosgene,and aniline methoxy carbonylation reaction in the benzene methyl carbamate(MPC),the role of a catalyst in hydrochloric acid,and the condensation reaction of methyl 4,4 -diphenylmethane dicarbamate (MDC),the use of liquid-mass spectrometry analysis of the response of the instrument was composed of the melting point of the MDC;using NMR structure of the products were characterized;investigated the reaction temperature, the material ratio,reaction time,the amount of catlayst on the yield of the MDC.The experimental results show that:n(MPC/HCHO):6:1,15%hydrochloric acid 15mL,reaction temperature 90℃,and time 3h,yield of MDC can reach 63%.The practical method has advantages:facilitate the transfor- mation of phosgene,mild reaction conditions,the catalyst easy to get and separation. Key words:methylene diphenyl dicarbamate;methyl N-phenyl carbamate;formaldehyde;hydrochlo— rie acid: condensation reaction 二苯甲烷二异氰酸酯即MDI,是聚氨酯工业主要 产品。全世界对MD1的需求以每年8%的速度增长,我 原料之一,广泛应用于聚氨酯、涂料、染料和农药等领 国对MD1的需求量已仅次于美国居第二位,并仍将以 域。在我国,纯MDI主要用于PU浆料、PU鞋底原液等 两位数持续高速增长[ 。 方面,近年国内氨纶行业的迅速崛起,对纯MDI的需 目前,工业上生产MD1的工艺主要为液相光气法 求也与日俱增。聚合MD1主要用来生产聚氨酯硬泡、 [}4],该法所用的光气易挥发,有剧毒;副产物氯化氢对 半硬泡等,广泛应用于冰箱、保温材料、油漆及涂料等 设备腐蚀严重;工艺要求苛刻;环境污染较大;产品中 收稿日期:2008—03—19 作者简介:谢可卫(1983-),硕士研究生,青岛科技大学炼油化工高新技术研究所,化学工程专业。 维普资讯 http://www.cqvip.com 中问体 Chemical Intermedjate 2008年第07期 氯离子不易分离,严重影响了产品的质量。同时,随着 算: 世界范围内环保意识的增强,MDI的生产必然转向非 Y=InI. }m(M1.】c 光气法。在合成MDI的各种非光气法中,氨基甲酸酯 式中:mMDC-反应后MDC的所得质量,g; 分解法是目前研究最多的方法,该方法中二苯甲烷二 In阳 一反应前HCHO的投料质量,g; 氨基甲酸甲酯(MDC)是制备MDI的重要中间体,MDC分 M ̄--MDC的摩尔质量,g/mo1 解生成MDI。因此,MDC的合成是MDI生产的关键。 HCHO的摩尔质量,g/mol。 关于MDC的合成工艺,研究热门是以苯胺和有 “绿色化学原料”[53之称的碳酸二甲酯(DMC)为原料的 2 结果与讨论 两步法[6]。第一步:苯胺与DMC氧化羰基化合成中间体 苯氨基甲酸甲酯(肝c)。第二步:MPC与甲醛、多聚醛等 2.1反应物的分析结果 甲基化试剂缩合生成MDC。在MPC的合成过程中大多 对反应后的固体产品,经过Waters液~质联用 采用均相催化剂,现在研究较为全面;在缩合反应中 仪分析,反应物的LC谱图见图i。从图i可以看出所 需用酸作催化剂,这与光气法相类似,便于解决工艺 得产品含量高,杂质少。图2,产品的MS谱图表明,产 改造方面的问题。 品中高含量物质的分子量与MDC一致。 本文以MPC和甲醛溶液为原料,在盐酸的催化作 用下,发生甲基化缩合反应合成MDC:对反应产物进行 了分离提纯,测定了MDC的熔点,并使用液一质联用 仪和核磁共振仪对其进行了表征。其中,本文的MPC 是由DMC与苯胺[7 合成的,经过精馏,可以较容易得到 嚣嚣为辫 繇我磊 0 99%以上的肝C。该合成方法具有条件温和、MDC收率 较高、产物易分离等优点。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 实验部分 T_蛐e袖 图1反应物的LC谱图 Fig.1 LC spectrum of product 1.1实验试剂 MPC:自制,>99%;盐酸溶液:分析纯,烟台三和化 学试剂有限公司:甲醛溶液:分析纯,烟台三和化学试 剂有限公司;无水甲醇:分析纯,烟台三和化学试剂有 限公司。 1_2实验仪器 恒温磁力搅拌器:DF—i型,金坛市大中仪器厂;精 密电子天平:AL204型,瑞士Mettler Toledo公司;电 热鼓风于燥箱:DHG一9070A型,上海一恒科技有限公 椎 50 100 150 2O0驯3OOl ) 稿 400删・ 3410, ouu 司:液一质联用仪:Waters2695一ZQ4000型,美国wa— Ⅱ妇 图2反应物的MS谱图 ters公司;核磁共振仪:AV500型,瑞士Bruker公司; Fig.2 MS spectrum of product 熔点测定仪:XT-6型,北京市科仪电光仪器厂。 2.2产品的表征结果 1。3实验方法 产品的C-NMR谱图见图3,tH—m佩谱图见图4。溶 取15g自制MPC、10ml的盐酸加人到三口烧瓶 剂使用氘代试剂一二甲基亚砜(DMS0),经与MDC纯品 中,使用恒温磁力搅拌器加热到60"C,使用恒压滴液 谱图比对,产品的C和H原子的位置数目与MDC结构 漏斗开始滴加2ml甲醛溶液,2h后,停止加热,冷却至 一致,证明所合成的产品系MDC。 室温,使用甲醇和去离子水反复洗涤烧瓶内反应液中 2.3反应温度对MDC收率的影响 的固体,烘干后得到产品。经过XT-6型熔点仪测定, 反应温度对MDC收率的影响,见图5。由图可知, 产品的熔程为179—183 ̄C。MDC的收率(Y)可按下式计 反应温度为1o0℃时,MDC收率最高。反应温度太高, 维普资讯 http://www.cqvip.com
2008年o7月 盐酸催化合成二苯甲烷二氨基甲酸甲酯 /一 。4 / 0 3 / n: 1 2 3 4 5 e 反匦I对间 图6反应时间对MDC收率的影响 Fig.6 Effect of Reaction Time on yield of MDC 图3产品的C-NMR谱图 Fig.3 C-N14R spectrum of product … 。 图4产品的 H-NMR谱图 Fig.4 H-N14R spectrum of product 图7物料配比对MDC收率的影响 Fig.7 Effect of Materials Ratio on yield of MDC MDC烘干后略显淡黄色,可能由于其它副反应所致。根 催化剂量对MDC收率的影响,见图8。由图可见, 据反应热力学关系,反应温度升高有利于甲基化反应 MDC的收率随盐酸用量的增加而增加;当18%盐酸用 的进行,但是,反应温度越高,收率增长越不明显。 量增加到15mL后,MDC的收率变化不明显。盐酸用量 小于5mL时,MDC收率很低,这是由于酸根离子的催化 中心不足,也不能很好的分散于反应液中;当盐酸用 量太大时,MDC收率增长趋于平缓,认为盐酸中的溶剂 水使反应液中的活性中心分散,减弱了催化活性,导 致催化效果增长不明显。因此,15%盐酸得用量为15mL 较合适。 图5反应温度对MDC收率的影响 Fig.5 Effect of Reaction Temperature on yield of ̄Ⅱ)C 2.4反应时间对MDC收率的影响 反应时间对MDC收率的影响,见图6。由图可见, 随反应时间的延长,MDC收率增加;当反应时间延长至 5h后,MDC收率增长趋势减缓。如果反应时间太短,反 应不完全:若反应时间太长,副反应转化率会增长。因 此,适宜的反应时间为4h。 图8催化剂量对MDC收率的影响 2.5物料配比对MDC收率的影响 Fig.8 Effect of CataIyst Dosage on yield of MDC 物料配比对MDC收率的影响,见图7。通过化学分 3 结论 子式可知,MPC与甲醛的摩尔比为2:1,但生成的肋C 又与MDA反应生成脲类物质,反应式如下: (1)以自制的MPC和甲醛溶液在盐酸的催化作用 2.6催化剂量对MDC收率的影响 (下转第9页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年07月 2.3线性关系的测定 2.3.1 GC法线性关系的测定 二甲戊灵的GC和HPLC分析方法研究 ・9・ 测定。分别以不同浓度下二甲戊灵的峰面积为纵坐 标,以它们对应的二甲戊灵的不同进样质量为横坐标 分别以二甲戊灵与内标物邻苯二甲酸二戊酯的 作图。二甲戊灵线性方程为:Y=922826x+48.19,线性 质量比计算,在0~2的范围内配制溶液,在上述色谱 相关系数r=0.9999。 4精密度测定 条件下进样。分别以二甲戊灵与内标物峰面积之比 2.(As/Ai)为纵坐标,以它们对应的质量比(Ws/Wi)为横 2.4.1 Gc法中,分别称取二甲戊灵原药五份,在上述 坐标作图,线性方程为:Y=0.7374X+0.0198,线性相关 色谱条件下分析,测得精密度结果,实验数据如表1。 系数r=0.9999。 2.3.2 HPLC法线性关系的测定 测得二甲戊灵含量平均值为95.03%,标准偏差为 0.074%,变异系数为0.0779%。 表1二甲戊灵精密度测量数据 用5个不同浓度的溶液,在上述色谱条件下分别 3.4.2 HPLC法中,对同一个二甲戊灵原药样品五个 平行样,在上述色谱条件下进行平行测定,计算其标 95.01%,标准偏差为0.106%,变异系数为0.112%, 准偏差和变异系数。测得二甲戊灵含量平均值为 结果见表2。 表2 二甲戊灵精密度测量数据 2.5准确度测定 表4二甲戊灵准确度测量数据 2.5.1 GC法中,称取二甲戊灵原药五份,分别定量加 入二甲戊灵标准品,在相同色谱条件下测定,二甲戊 灵的平均回收率为100.06%,测定数据如表3。 表3二甲戊灵准确度测量数据 3 结论 2.5.2 HPLC法中,称取5个已知含量的二甲戊灵样 试验结果表明,高效液相色谱分析方法的准确度 品,分别定量加入二甲戊灵标准品,在上述色谱条件 和精密度不低于毛细管气相色谱法,线性关系良好, 下测定,测得二甲戊灵的平均回收率为99.80%,测 具有简便、快速、准确及分离效果好等优点,可作为农 定数据见表4。 (上接第3页) 药质量分析和企业质量控制的优先备选方法。 下,合成了MDC。在n(MPC/甲醛)=6:1、15%盐酸15mL、 [1]李明,伍小明.MDI的生产技术及市场分析[J].化工科 反应温度90℃、反应5h的条件下,MDC收率为63%。 用现有光气法工艺及设备,经过改造即可节约资金, 技市场,2006,29(6):12—16. 化工进展,2007,26(5):668—673. (2)该法实验了MDC的非光气法生产,可充分利 [2]马德强,丁建生,宋锦宏.有机异氰酸酯生产技术进展[J]. 实现资源的有效合理利用,达到绿色合成目的。 [3]朱正德,项曙光,韩方煜.二苯基甲烷二异氰酸酯生产技术 及发展[. 化工进展,2007,35(11):660—665. 参考文献: (下转第l2:两) 维普资讯 http://www.cqvip.com
中闻体 ・l2・ Chemical Intermediate 2008年第07期 的影响,实验结果如图4所示。 图4醋酐用量对产品收率的影响 Fig—Influence of acidic anhydride on the yield of product 图5反应温度对产品收率的影响 Fig.5 Influence of reaction temperature on the yield of product 实验表明, 一溴苯乙烷用量为l8.5g(O.1mo1), 较高,温度升高时,4一硝基苯乙基溴的收率下降,升高 醋酐用量为0.1~O.2mol时,产品4一硝基苯乙基溴的 到O℃以上时,收率大大降低。综合考虑反应温度为 收率为68.5~69.2%,变化不大。醋酐用量小于0.1mol 一5℃较好。 时,产品4一硝基苯乙基溴的收率较低,无醋酐情况下, 几乎没有产品生成,这可能是由于醋酐有利于生成硝基 3 结论 正离子。因此,醋酐的合适用量取0.12mol。 2.3反应时间的影响 实验以 一溴苯乙烷为原料,用醋酸、醋酐和发 在其它条件(O.1mol B一溴苯乙烷,冰醋酸 烟硝化合成4一硝基苯乙基溴。实验考察了发烟 l2.Og,发烟0.15mol,醋酐0.12mol,反应温度为 用量、醋酸用量、反应时间和反应温度对4一硝基 一5℃)不变情况下,考察了反应时间对产品收率的影 苯乙基溴收率的影响,得出以下结论: (1)0.1mol 一溴苯乙烷硝化,醋酐和发烟的 适宜用量分别为0.12 mol和0.15mol; 表2反应时间对产品收率的影响 响,实验结果如表2所示。 Tab.2 Influence of reaction time on the yield of product 反应时间,h 产品收率,% (2)反应温度控制在一5℃,反应时间4小时较好; 3 有原料 3.5 有原料 4 69 2 4.5 69.2 5 69.t 8 65.1 (3)产品4一硝基苯乙基溴收率可达69.2%; (4)4一硝基苯乙基溴为白色晶体,熔程为67~ 实验表明,反应时间4小时合适,少于4小时时, 67.3℃。原料没有反应完;4小时后再继续反应,收率降低,可 能是由于有副反应发生。 参考文献: 2.4反应温度影响 [1]Ronny Neumann,Fernando de la Vega,Adva Bar-On. a—Bromo carbonyl compounds as Promoters for the 在其它条件(O.1mol B一溴苯乙烷,冰醋酸 l2.Og,发烟0.15mol,醋酐0.12mol,反应时间4 synthesis of (2-Bromoethy1)benzene by the an— ti-Markovnikov addition of hydrogen bromide to 小时)不变情况下,考察了反应温度对产品收率的影 响,实验结果如图5所示。 件下很重要,温度上升的过程中会产生副产物,并且 会直接影响到4一硝基苯乙基溴的收率。 从图中可以看出反应温度低于一5℃时,产品收率 (上接第9页) [4]沈菊华.国内外二苯基甲烷二异氰酸酯生产应用及市场分 析[J].石油化工技术经济,2005,21(4):40—44. [5]刘吉平,肖玉梅.绿色化学试剂——碳酸二甲酯[J].化学 教学,2006,(12):31—33. styrene[J].J.Org.Chem.,1995,60:1315—8. 2]E.L.Foreman and S.M.McElvain.The reaction of 硝化反应是强放热反应,反应温度控制在低温条 [organic halides with piperidine.V.negatively subst i tuted ethyl bromi des[J]. J.AM.Chem.Soc, 1940,62:1435—8. [6]李芳,王延吉,苗静.MDI的非光气合成研究新进展 [J].化学工业与工程,2006,(5):458—461. [7]朱正德.非光气法苯氨基甲酸甲酯合成及工艺研究[D].青 岛科技大学硕士论文,2007.