发明内容

发明目的

现有技术中已知的方法所具有的缺点尤其在于，使用的化合物毒性高并且对生态有害。然而这与更可持续的经济发展的要求不匹配。

因此，需要克服现有技术的缺点，并且需要提供一种改进的用于制备式(A)的二异氰酸酯的方法。这样的改进的目的特别在于改进方法控制、改进环境相容性和降低方法的健康风险。所述方法理想地还应当是简化的，特别是关于对于其实施所必需的安全性要求方面。最后，还希望改进所述方法的经济性，例如通过使用较简单的设备，或者通过避免费力的纯化过程。

发明概述

本发明的目的通过根据本发明的用于制备式(A)的二异氰酸酯的方法实现，

其中R选自烷基、芳基和它们的组合，

该方法包括以所指出顺序的以下方法步骤：

1)采用使用赖氨酸和脲的方法提供式(B)的中间体

其中R和每个R'独立地选自烷基、芳基和它们的组合；和

2)将式(B)的中间体热裂解，

从而获得式(A)的二异氰酸酯。

发明详述

在说明书和权利要求书中的百分比数据是重量百分比(缩写为重量％)，除非另外明确说明。收率是作为理论收率的百分比给出的。下文描述的不同实施方案可以彼此组合，只要这在技术上可行并且没有明确指出相反意见。术语“转化”和“反应”是同义使用的，如在现有技术中通常的那样。

为了本发明的目的，术语“烷基”包括支化的和非支化的烷基基团，其包括环状的和/或无环的结构单元，其中环状的结构单元必定包含至少三个碳原子。在说明书中和在权利要求书中，C1-CX烷基是指包含1至X个碳原子的烷基基团(X是自然数)。C1-C8烷基包括例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、仲戊基、叔戊基、新戊基、己基、庚基和辛基。

为了本发明的目的，术语“芳基”包括环状芳族分子片段(或基团)，例如苯基或萘基，其中一个或多个形成环的碳原子可被N、O和/或S替代，例如在吡啶基中。优选地，形成环的碳原子中没有一个被N、O和/或S取代。

为了本发明的目的，烷基和芳基的组合是包含至少一个烷基基团和至少一个芳基基团的分子片段，例如苄基和甲苯基。

任选地，烷基和芳基是官能化的。在此，在所述基团中的氢原子在形式上被官能团替代，优选被羟基(-OH)和/或氨基(-NH₂)基团替代。

如果对于在权利要求书中或在说明书中提及的化合物需要选择多于一个基团，则所述基团的选择是彼此独立的，与选择来自一个列举还是来自多个列举无关。因此，如果在所述列举中提出，则它们可以是相同或不同的。

如果在权利要求书中或在说明书中使用数词“一”(例如“一种二异氰酸酯”或“一种醇”)，则这通常要被理解为意思是“至少一”(例如“至少一种二异氰酸酯”或“至少一种醇”)，即一或多于一。为了改进可读性，没有使用这种措辞。

根据本发明的方法适合于制备式(A)的二异氰酸酯

其中R选自烷基、芳基和它们的组合，

R优选选自C1-C8烷基，更优选选自甲基、乙基、异丙基、正丙基、正丁基、异丁基、仲丁基和叔丁基，特别是选自甲基、乙基和正丁基。

为了本发明的目的，非常特别优选的式(A)的二异氰酸酯是以下外消旋混合物或以下相应的L-对映异构体：

甲酯(CAS号4460-02-0，外消旋混合物的形式；CAS号45158-78-9，L-形式)、乙酯(CAS号4254-76-6，外消旋混合物的形式；CAS号45172-15-4，L-形式)和丁酯(CAS号24305-78-0，外消旋混合物的形式；CAS号1291098-99-1，L-形式)。这些非常特别优选的二异氰酸酯在经济上具有特别突出的重要性。

根据本发明的方法至少包括方法步骤1)和2)。根据本发明的方法任选包括另外的方法步骤，其可以在方法步骤1)和2)之前、期间、之间和/或之后实施。

方法步骤1)中采用使用赖氨酸和脲的方法提供式(B)的中间体，

其中R和每个R'独立地选自烷基、芳基和它们的组合。

在此，使用赖氨酸和脲的方法被理解为是指其中使赖氨酸、脲、至少一种醇和任选的至少一种碱和/或至少一种酸彼此一起进行反应的方法。

在此，优选地，要么i)使赖氨酸和脲进行反应，并使所形成的脲加合物进一步与醇反应成中间体(B)，要么ii)初始加入赖氨酸，使该赖氨酸与碱反应以形成羧酸盐，并使所述羧酸盐与脲进行反应以形成脲盐，该脲盐要么ii)a)直接与醇反应以形成中间体(B)，要么ii)b)在与酸进行中间的反应回到羧酸后与醇反应以形成中间体(B)。

R和R'优选选自C1-C8烷基，更优选选自甲基、乙基、异丙基、正丙基、正丁基、异丁基、仲丁基和叔丁基，特别是选自甲基、乙基和正丁基。

也可以在合适的反应容器中初始加料并因此提供式(B)的中间体。用于制备式(B)的中间体的方法是现有技术中已知的。

在方法步骤2)中，式(B)的中间体经历热裂解。由此获得了式(A)的二异氰酸酯。所述热裂解优选是由中介物介导的，更优选是由基于金属的催化剂介导的，甚至更优选是由锡(II)盐介导的。特别优选使用卤化锡(II)，例如氯化锡(II)或溴化锡(II)。为了本发明的目的，中介物要么是能够实现所述热裂解的化合物，要么是理想地加速所述热裂解的化合物。为了本发明的目的，催化剂要么是能够实现所述热裂解的化合物，要么是理想地加速所述热裂解的化合物，并且它可以基于反应物(在本发明的情况下是式(B)的中间体)计低于化学计量的量使用。

所述热裂解任选是在溶剂中进行的。这种任选的溶剂选自非质子性溶剂。所述任选的溶剂优选是无水的。这意思是在所述溶剂中水的浓度不超过1重量％，优选不超过0.1重量％，更优选不超过0.01重量％。所述任选的溶剂优选是高沸点的，即具有优选至少200℃，更优选至少250℃的沸点。优选的实例是Marlotherm SH。在开始所述热裂解之前将任选存在的溶剂和其它挥发性成分除去，例如通过蒸馏。

在所述热裂解期间的温度优选在160至240℃范围内，更优选在170至230℃范围内，特别是在180至220℃范围内。优选在反应期间连续地从反应容器中蒸馏出所形成的二异氰酸酯。

所述热裂解反应的持续时间取决于多种参数，并且可由本领域技术人员视情况做出选择。

在第一个优选的实施方案中，通过以下方法步骤获得式(B)的中间体(下文中称为“变化方案1”)：

a.1)提供赖氨酸；

a.2)使所述赖氨酸与脲反应以形成式(C)的脲加合物，

和

a.3)使式(C)的脲加合物与醇反应以形成式(B)的中间体。

在第二个优选的实施方案中，通过以下方法步骤获得式(B)的中间体(下文中称为“变化方案2”)：

b.1)提供赖氨酸；

b.2)使所述赖氨酸与碱反应以形成式(Z)的赖氨酸盐，

其中X是反离子；

b.3)使式(Z)的赖氨酸盐与脲反应以形成式(Y)的脲盐，

其中X是反离子；

b.4)使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(X)的氨基甲酸盐，

其中每个R'独立地选自烷基、芳基和它们的组合，和

X是反离子；

b.5)使式(X)的氨基甲酸盐与酸反应以形成式(W)的羧酸，

其中每个R'独立地选自烷基、芳基和它们的组合；和

b.6)使式(W)的羧酸与醇反应以形成式(B)的中间体。

在第三个优选的实施方案中，通过以下方法步骤获得式(B)的中间体(下文中称为“变化方案3”)：

c.1)提供赖氨酸；

c.2)使所述赖氨酸与碱反应以形成式(Z)的赖氨酸盐，

其中X是反离子；

c.3)使式(Z)的赖氨酸盐与脲反应以形成式(Y)的脲盐，

其中X是反离子；

c.4)使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(B)的中间体，任选在将所述羧酸盐预先质子化的情况下。

变化方案1有利地包括非常少的反应步骤，并且因此，以及考虑到在单个方法步骤中能实现的收率，是成本有效的。

变化方案2允许针对性引入基团R的大量不同可能选项。例如，也可允许将较高分子量的基团并入到所述二异氰酸酯中，其在其他情况下可能会在式(B)的中间体的热裂解中导致问题，因为否则在式(B)的中间体中的所有基团R和R'通常都是相同的。变化方案3实现了较低的副产物形成，然而必须去除形成的盐副产物。优选地，使用变化方案1或变化方案2。更优选地，使用变化方案1。

使用变化方案1、2和3来提供式(B)的中间体。这些变化方案因此可作为方法步骤1)的补充或者在其之前进行。

在方法步骤a.1)、b.1)和c.1)中提供了赖氨酸。为此，将其例如初始加料到合适的反应容器中，或者将其添加到合适的反应混合物中。为此，以L-赖氨酸、R-赖氨酸的形式或者作为它们的混合物(例如以外消旋体的形式)使用赖氨酸。

在方法步骤a.2)、b.3)和c.3)中，使赖氨酸与脲反应以形成式(C)的脲加合物，或者使式(Z)的赖氨酸盐与脲反应以形成式(Y)的脲盐。

(在方法步骤a.2)、b.3)和c.3)中)脲的摩尔比例优选在基于所述赖氨酸的伯胺基团计或基于式(Z)的赖氨酸盐的伯胺基团计的1:1至5:1范围内。这意味着，对于所述赖氨酸的每个伯胺基团或所述赖氨酸盐的每个伯胺基团，所使用的脲的计算量为1至5个分子。由此可获得希望反应产物的最佳收率。更优选地，所述摩尔比例在1.25:1至3:1范围内，并且甚至更优选在1.4至2.5范围内。

优选地，使在方法步骤a.2)、b.3)和c.3)中的反应在极性溶剂中，更特别考虑到其溶解性能和有利的生态特性而在水中进行。

优选在50至120℃，更优选80至110℃的温度下进行在方法步骤a.2)、b.3)和c.3)中的反应。

典型地，进行所述反应直到至少一种反应物完全转化，所述至少一种反应物通常是赖氨酸或式(Z)的赖氨酸盐。本领域技术人员可通过标准分析方法，例如通过气相色谱法对其进行测试。氨形成的终点(可例如由在尾气中的湿pH试纸检测)也可用作测定所述反应完全的方法。所述反应的持续时间取决于多种参数，例如温度。反应时间的范围通常为10分钟至1200分钟，优选60至600分钟，更优选120至420分钟。

在方法步骤a.3)、b.6)和c.4)中，式(B)的中间体是由式(C)的脲加合物、由式(W)的羧酸或由式(Y)的脲盐与醇反应形成的。

为了本发明的目的，所述醇是具有至少一个、优选(仅)一个羟基基团的有机化合物。它包含在其上键接有至少一个羟基基团的烷基基团、芳基基团或它们的组合。所述醇优选选自C1-C8醇，更优选选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇和叔丁醇。

为了达到式(C)的脲加合物、式(W)的羧酸或式(Y)的脲盐迅速并且尽可能定量地反应，以基于所提及组分计化学计量过量的量使用所述一种醇。更优选地，基于式(C)的脲加合物、式(W)的羧酸或式(Y)的脲盐计，所述一种醇的摩尔比例在2:1至100:1范围内。甚至更优选地，所述摩尔比例在5:1至50:1范围内，理想地在10:1至25:1范围内。当使用多于一种醇时，所述醇的所有摩尔量(Stoffmenge)的总和在所规定的范围内。

在方法步骤a.3)、b.6)、c.4)中的与醇反应期间的压力优选至少在部分时间内在≥1巴范围内，优选在1至35巴范围内，更优选在1至25巴范围内。

在方法步骤a.3)、b.6)、c.4)中的与醇反应期间的压力优选在所提及范围内持续1至20小时，更优选3至10小时，特别是4至6小时。

在方法步骤a.3)、b.6)、c.4)中的与醇反应优选是在150至300℃范围内的温度下，优选在180至230℃的温度下，更优选在190至220℃的温度下进行的。原则上，在根据本发明的方法中，过高的温度在不利地情况下可能由于脱羧或类似的分解反应导致收率降低。如果温度过低，为了实现良好的收率，可能需要不利地长的反应时间。

典型地，进行在方法步骤a.3)、b.6)、c.4)中的反应直到式(C)的脲加合物、式(W)的羧酸或式(Y)的脲盐的转化尽可能完全。为此，优选使在方法步骤a.3)、b.6)、c.4)中与醇的反应在所提及的温度范围内持续进行1至20小时，优选3至10小时，特别是4至6小时的时间。在提及的反应时间之外的反应时间也可能是有利的，这取决于相关的反应动力学。

在方法步骤a.3)、b.6)、c.4)中可任选使用酯化催化剂。合适的酯化催化剂是本领域技术人员已知的。例如，可以使用酸，诸如硫酸、甲磺酸或磷酸，以及金属有机化合物，诸如常见的锡或钛盐。

在方法步骤b.2)或c.2)中，使赖氨酸与碱反应以形成式(Z)的赖氨酸盐。所述碱(在方法步骤b.2)和c.2)中)不受进一步的限制。可以使用适合于去除所述赖氨酸的质子并适合于形成式(Z)的赖氨酸盐的任何碱。大量适用于此的碱是本领域技术人员已知的。特别合适的碱是金属氢氧化物(特别是碱金属氢氧化物，例如氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾)、胺和氨。

X(在式(Z)中)是反离子。X由使用的碱形成。X优选选自碱金属离子(特别是锂、钠或钾的离子)和铵离子。如果X具有多个正电荷，则其因此键合于多于一个赖氨酸阴离子，例如在Mg(Lys)₂中。

典型地，在方法步骤b.2)和c.2)中碱的所用摩尔比例为基于所述赖氨酸计的至少1:1。所需的碱的量尤其取决于其碱强度。其优选以基于赖氨酸计1.1:1的摩尔比例，更优选以1.05:1的摩尔比例使用。

任选地，在方法步骤b.2)和c.2)中的使赖氨酸与碱反应以形成式(Z)的赖氨酸盐的过程是在极性溶剂中进行的。合适的溶剂选自水、四氢呋喃(THF)、二氧六环和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和它们的混合物。出于上文已经提到的原因，特别优选水。

在方法步骤b.2)或c.2)中的使赖氨酸与碱反应以形成式(Z)的赖氨酸盐的过程优选是在0至50℃范围内的温度下，优选在20至30℃的温度下，更优选在20至25℃的温度下进行的。

典型地，(在方法步骤b.2)和c.2)中的)使赖氨酸与碱的反应以形成式(Z)的赖氨酸盐的过程进行直到所述赖氨酸的转化尽可能完全。典型的反应时间在1秒至3小时范围内，优选在0.1至1小时范围内。所述反应通常无延时地发生(酸-碱反应)。反应时间仅受到所发生的放热的限制。

在方法步骤b.4)中，使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(X)的氨基甲酸盐。

对于与所述醇、醇与式(Y)的脲盐的摩尔比例、反应条件(压力、温度、反应时间和任选使用酯化催化剂)相关的细节和选项，针对方法步骤a.3)、b.6)、c.4)的相同信息同样适用。

在本发明的实施方案中，在方法步骤b.4)中和在方法步骤b.6)中使用的醇是不同的。在方法步骤b.4)中使用的醇优选选自甲醇、乙醇和丁醇，在方法步骤b.6)中使用的醇优选选自甲醇、乙醇和丁醇。这个实施方案也可用于将在其他情况下不可得的酯基团引入到所述二异氰酸酯中，例如当将醇键接于氨基甲酸根基团上时从所述醇开始形成的酯，其可能干扰相应的式(B)的中间体的热裂解。

在方法步骤b.5)中，使式(X)的氨基甲酸盐反应以形成式(W)的羧酸。所述酸(在方法步骤b.5)中)不受进一步的限制。根据本发明可使用适合于由式(X)的氨基甲酸盐形成式(W)的羧酸的任何酸。大量适合于此的酸是本领域技术人员已知的。所述酸优选选自无机酸(优选硫酸、盐酸、磷酸)和有机酸(例如甲磺酸和柠檬酸)。盐酸是特别优选的。

典型地，(在方法步骤b.5)中)所使用的酸的摩尔比例为基于式(X)的氨基甲酸盐计的至少1:1。所需的酸的量尤其取决于其酸强度。它优选以基于式(X)的氨基甲酸盐计的1.2:1的摩尔比例，更优选以1.05:1的摩尔比例使用。

任选地，在方法步骤b.5)中的使式(X)的氨基甲酸盐与酸反应以形成式(W)的羧酸的过程是在极性溶剂中进行的。合适的溶剂选自水、四氢呋喃(THF)、二氧六环和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和它们的混合物。出于上文已经提到的原因，特别优选水。

在方法步骤b.5)中的使式(X)的氨基甲酸盐与酸反应以形成式(W)的羧酸的过程优选是在0至50℃范围内的温度下，优选在20至30℃的温度下，更优选在20至25℃的温度下进行的。任何可能发生的放热可通过冷却被吸收。

典型地，使式(X)的氨基甲酸盐与酸反应以形成式(W)的羧酸(在方法步骤b.5)中)的过程进行直到式(X)的氨基甲酸盐的转化尽可能完全。典型的反应时间在1秒至1小时范围内，优选在0.1至0.5小时范围内。

在方法步骤c.4)中，式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(B)的中间体。为此可任选使用中介物，所述中介物不受进一步的限制。所述中介物典型地具有酸性或吸水性能。可以使用适合于介导使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(B)的中间体的过程的任何中介物。大量适合于此的选项是本领域技术人员已知的。可用的实例包括酸性分子筛、强无机酸(优选硫酸、盐酸、磷酸)和强有机酸(例如甲磺酸)。对此特别有利的是选自硫酸、甲磺酸、盐酸和它们的混合物的那些。

典型地，以基于式(Y)的脲盐计以催化量使用所述中介物(在方法步骤c.4)中)。所需的中介物的量尤其取决于其性能。它优选以基于式(Y)的脲盐计0.001重量％至1重量％的量使用。

任选地，使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(B)的中间体的过程(在方法步骤c.4)中)是在极性溶剂中进行的。合适的溶剂选自水、四氢呋喃(THF)、二氧六环和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和它们的混合物。

在方法步骤c.4)中的使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(B)的中间体的过程优选是在150至300℃范围内的温度下，优选在180至230℃的温度下，更优选在190至220℃的温度下进行的。

典型地，在方法步骤c.4)中的使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(B)的中间体的过程进行直到式(Y)的脲盐的转化尽可能完全。典型的反应持续时间在1至20小时，优选3至10小时，特别是4至6小时范围内。

所述方法优选在方法步骤2)之后和/或期间包括另外的方法步骤(3)：

3)纯化式(A)的二异氰酸酯，优选通过分馏。

特别优选地，至少在所述热裂解期间，通过蒸馏，优选通过分馏纯化所述二异氰酸酯。这意味着所述二异氰酸酯在其形成期间就已经从反应混合物中除去了。这有时改进反应收率，特别是空时收率。为了实现最佳收率，有时可能必须实施进一步的纯化，甚至在所述热裂解结束之后实施。

所述蒸馏优选在减压下进行。蒸馏的优选压力在0.01至200毫巴范围内，优选在0.1至100毫巴范围内，更优选在1至50毫巴范围内。可能热不稳定的二异氰酸酯因此被较温和地纯化，从而改进了收率。可选地，纯化也可在方法步骤2)结束后进行。

在一个优选的实施方案中，根据本发明的用于制备式(A)的二异氰酸酯的方法包括以所指出顺序的以下方法步骤：

其中R选自烷基、芳基和它们的组合，

a.1)提供赖氨酸；

a.2)使所述赖氨酸与脲反应以形成式(C)的脲加合物，

和

a.3)使式(C)的脲加合物与醇反应以形成式(B)的中间体；

或者

b.1)提供赖氨酸；

b.2)使所述赖氨酸与碱反应以形成式(Z)的赖氨酸盐，

其中X是反离子；

b.3)使式(Z)的赖氨酸盐与脲反应以形成式(Y)的脲盐，

其中X是反离子；

b.4)使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(X)的氨基甲酸盐，

其中每个R'独立地选自烷基、芳基和它们的组合，和

X是反离子；

b.5)使式(X)的氨基甲酸盐与酸反应以形成式(W)的羧酸，

其中每个R'独立地选自烷基、芳基和它们的组合；和

b.6)使式(W)的羧酸与醇反应以形成式(B)的中间体；

或者

c.1)提供赖氨酸；

c.2)使所述赖氨酸与碱反应以形成式(Z)的赖氨酸盐，

其中X是反离子；

c.3)使式(Z)的赖氨酸盐与脲反应以形成式(Y)的脲盐，

其中X是反离子；

c.4)使式(Y)的脲盐与醇反应以形成式(B)的中间体；

从而提供式(B)的中间体，

和

其中R和每个R'独立地选自烷基、芳基和它们的组合；

2)将式(B)的中间体热裂解，

和任选地

3)纯化式(A)的二异氰酸酯，优选通过分馏，

从而获得式(A)的二异氰酸酯。

在另一方面，本发明还涉及通过根据本发明的方法直接制备的式(A)的二异氰酸酯，

其中R选自烷基、芳基和它们的组合。

在本说明书和在权利要求书中阐述的关于根据本发明的方法的细节和实施方案，如果可用，则类推适用于由其直接获得的二异氰酸酯。为了避免不必要的重复，在此就不再重复赘述。

工业适用性

根据本发明的方法和由其得到的二异氰酸酯可用于大量的应用目的。例如，根据本发明的方法可用于提供在聚氨酯中使用的二异氰酸酯。这样的聚氨酯又可用于许多工业中。其实例包括制备用于医疗应用的生物相容性材料或者用于例如农业领域中的可生物降解产品，或者通常由可再生原材料制备的环境相容性产品。