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CN1671768A - 用于制备聚醚型多元醇的双金属氰化物催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新的通过将烯化氧聚加成到含活性氢原子的起始化合物上来制备聚醚型多元醇的双金属氰化物(DMC)催化剂，该催化剂包含a)双金属氰化物，b)有机配体和c)冠状配体。本发明的催化剂在制备聚醚型多元醇时具有非常高的活性。

Description

用于制备聚醚型多元醇的双金属氰化物催化剂
本发明涉及一种通过将烯化氧聚加成到含活性氢原子的起始化合物上来制备聚醚型多元醇的新型双金属氰化物(DMC)催化剂。
用于将烯化氧聚加成到含活性氢原子的起始化合物上的双金属氰化物(DMC)催化剂是已知的(参见例如US-A3,404,109、US-A3,829,505、US-A3,941,849和US-A5,158,922)。与用碱金属催化剂如碱金属氢氧化物制备聚醚型多元醇的常规方法相比，这些DMC催化剂在制备聚醚型多元醇中的应用特别地降低了带有末端双键的单官能聚醚即所谓的“单醇”的含量。这样获得的聚醚型多元醇可以被加工成优质聚氨酯(如高弹体、泡沫塑料和涂料)。DMC催化剂通常是在有机络合物配体如醚的存在下，通过使金属盐的水溶液与金属氰化物盐的水溶液反应而得到的。在典型的催化剂制备中，例如将(过量)氯化锌的水溶液与六氰基高钴酸钾的水溶液混合，然后向形成的悬浮液中加入二甲氧基乙烷(甘醇二甲醚)。在过滤和用甘醇二甲醚水溶液洗涤催化剂之后，得到具有通式
Zn3[Co(CN)6]2·x ZnCl2·yH2O·z甘醇二甲醚的活性催化剂(参见例如EP-A 700 949)。
下面的参考文献公开了DMC催化剂：JP-A 4145123、US-A5,470,813、EP-A 700 949、EP-A 743 093、EP-A 761 708以及WO 97/40086，该催化剂在聚醚型多元醇的制备中通过使用叔丁醇(自身或与聚醚结合(EP-A 700 949，EP-A 761 708，WO 97/40086))作为有机配体来进一步降低带有末端双键的单官能聚醚的含量。此外，这些DMC催化剂的使用缩短了烯化氧与相应起始化合物的聚加成反应中的诱导时间并且提高了催化剂活性。
现已经发现，在聚醚型多元醇的制备时包含作为配体的冠状配体的DMC-催化剂具有非常高的活性。
因此本发明的内容是一种双金属氰化物(DMC)催化剂，其包含：
a)至少一种双金属氰化物，
b)至少一种有机配体，该配体不是冠状配体；和
c)至少一种冠状配体。
本发明的催化剂可以任选地包含d)水，优选含量为1-10％重量和/或e)一种或多种由双金属氰化物a)的制备中产生的式(I)M(X)n的水溶性金属盐，优选含量为5-25％重量。在(I)中，M选自下列金属：Zn(II)、Fe(II)、Ni(II)、Mn(II)、Co(II)、Sn(II)、Pb(II)、Fe(III)、Mo(IV)、Mo(VI)、Al(III)、V(V)、V(IV)、Sr(II)、W(IV)、W(VI)、Cu(II)和Cr(III)。特别优选Zn(II)、Fe(II)、Co(II)和Ni(II)。阴离子X是相同或不同的，优选相同，并且优选选自卤阴离子、氢氧根、硫酸根、碳酸根、氰酸根、硫代氰酸根、异氰酸根、异硫代氰酸根、羧酸根、草酸根或硝酸根。n的值为1、2或3。
在本发明催化剂中包含的双金属氰化物a)是水溶性金属盐与水溶性金属氰化物盐的反应产物。
适合用于制备双金属氰化物a)的水溶性金属盐优选由通式(I)M(X)n表示，其中M选自金属Zn(II)、Fe(II)、Ni(II)、Mn(II)、Co(II)、Sn(II)、Pb(II)、Fe(III)、Mo(IV)、Mo(VI)、Al(III)、V(V)、V(IV)、Sr(II)、W(IV)、W(VI)、Cu(II)和Cr(III)。特别优选Zn(II)、Fe(II)、Co(II)和Ni(II)。阴离子X相同或不同，优选相同，并且优选选自卤离子、氢氧根、硫酸根、碳酸根、氰酸根、硫代氰酸根、异氰酸根、异硫代氰酸根、羧酸根、草酸根或硝酸根。n的值为1、2或3。
适合的水溶性金属盐的例子是氯化锌、溴化锌、乙酸锌、乙酰丙酮酸锌、苯甲酸锌、硝酸锌、硫酸铁(II)、溴化铁(II)、氯化铁(II)、氯化钴(II)、硫代氰酸钴(II)、氯化镍(II)、硝酸镍(II)。也可以使用不同水溶性金属盐的混合物。
适合于制备双金属氰化物a)的水溶性金属氰化物盐优选由式(II)(Y)aM′(CN)b(A)c表示，其中M′选自金属Fe(II)、Fe(III)、Co(II)、Co(III)、Cr(II)、Cr(III)、Mn(II)、Mn(III)、Ir(III)、Ni(II)、Rh(III)、Ru(II)、V(IV)和V(V)。特别优选地M′选自金属Co(II)、Co(III)、Fe(II)、Fe(III)、Cr(III)、Ir(III)和Ni(II)。水溶性金属氰化物盐可以含有一种或多种这些金属。阳离子Y相同或不同，优选相同，并且选自碱金属离子和碱土金属离子。阴离子A相同或不同，优选相同，并选自卤离子、氢氧根、硫酸根、碳酸根、氰酸根、硫代氰酸根、异氰酸根、异硫代氰酸根、羧酸根、草酸根或硝酸根。不但a而且b和c均为整数，其中选择a、b和c的值以获得金属氰化物盐的电中性；a优选是1、2、3或4；b优选是4、5或6；c优选是0。适合的水溶性金属氰化物盐的例子有六氰基高钴(III)酸钾、六氰基铁(II)酸钾、六氰基高铁(III)酸钾、六氰基高钴(III)酸钙和六氰基高钴(III)酸锂。
本发明催化剂中包含的优选的双金属氰化物a)是由通式(III)表示的化合物：
                  Mx[M′x′(CN)y]z，
其中
M与式(I)中的定义相同；
M′与式(II)中的定义相同；
x、x′、y和z为整数，并对它们进行选择以使双金属氰化物为电中性。
优选的是：
x＝3，x′＝1，y＝6和z＝2，
M＝Zn(II)、Fe(II)、Co(II)或Ni(II)；且
M′＝Co(III)、Fe(III)、Cr(III)或Ir(III)。
适合的双金属氰化物a)的例子有六氰基高钴(III)酸锌、六氰基铱(III)酸锌、六氰基高铁(III)酸锌和六氰基高钴(III)酸钴(II)。其他适当的双金属氰化物的例子可以在例如US-A 5,158,922中找到。特别优选使用六氰基高钴(III)酸锌。
在本发明DMC催化剂中包含的有机配体b)原则上是已知的，并且详细地描述在现有技术中(例如US-A 5,158,922、US-A 3,404,109、US-A 3,829,505、US-A 3,941,849、EP-A 700 949、EP-A 761 708、JP-A 4145123、US-A 5,470,813、EP-A 743 093和WO 97/40086)。优选的有机配体是带有杂原子如氧、氮、磷或硫的水溶性有机化合物，它们可以与双金属氰化物a)形成配合物。适合的有机配体例如为醇、醛、酮、醚、酯、酰胺、脲、腈、硫化物和它们的混合物。优选的有机配体为水溶性脂族醇，如乙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇和叔丁醇。特别优选叔丁醇。
适合的冠状配体c)是单环冠状化合物例如冠醚、被杂原子取代的冠醚(例如氮杂、硫杂或磷杂冠状配体)、球状配体(Spheranden)、由杂芳族结构单元组成的环状化合物例如呋喃、噻吩或吡啶(例如六吡啶)或者在环中包含酮基、羧酸酯基或酸酰胺基作为供体部位的环状化合物(例如无活菌素或缬氨霉素)。优选使用冠醚作为冠状配体c)。特别优选其环体系中包含3至20个氧原子，其中在每种情况下二个相邻氧原子之间通过长度是2至6个碳原子的桥连接。在冠醚的中心环体系上，可以稠合脂族或芳族环；此外该冠醚可附加地具有官能团例如氨基、羟基、羰基或硝基。
未取代的冠醚的实例是[12]冠-4(1，4，7，10-四氧杂环十二烷)、[15]冠-5(1，4，7，10，13-五氧杂环十五烷)、[18]冠-6(1，4，7，10，13，16-六氧杂环十八烷)、[21]冠-7(1，4，7，10，13，16，19-七氧杂环二十一烷)或[24]冠-8(1，4，7，10，13，16，19，22-八氧杂环二十四烷)。具有稠合的环体系的冠醚的实例是苯并[15]冠-5、二苯并[18]冠-6、二环己烷并[18]冠-6或二苯并[30]冠-10。具有附加的官能团的冠醚的实例是2-羟甲基[12]冠-4、2-羟甲基[18]冠-6、[18]冠-6-2，3，11，12-四羧酸、4-氨基二苯并[18]冠-6、2-氨基甲基[15]冠-5、4-甲酰苯并[15]冠-5、4-硝基苯并[18]冠-6或全氟[15]冠-5。其它的实例可参见J.Chem.Soc.89(1967)7017，Angew.Chem，84(1972)16或者G.W.Gokel，S.J.Korzeniowski(Hrsg，)的“Macrocyclic Polyether Synthesis”，Springer，Berlin，Heidelberg，New York 1982。
本发明DMC催化剂包含20至90重量％、优选25-80重量％的双金属氰化物a)和0.5-30重量％、优选1-25重量％的有机配体b)，均以制备的催化剂量计。本发明的DMC催化剂通常包含1-80重量％、优选1-40重量％的至少一种冠状配体c)，以制备的催化剂量计。
通常借助于元素分析、热重量分析法或萃取除去离子表面或界面活性化合物并随后进行重量测定来分析所述催化剂组成。
本发明催化剂可以是结晶、部分结晶或非晶形的。通常通过粉末X-射线衍射来分析结晶度。
本发明催化剂优选包含：
a)六氰基高钴(III)酸锌，
b)叔丁醇，和
c)冠状配体。
本发明的DMC催化剂的制备通常是在水溶液中通过α)金属盐，尤其是由式(I)表示的金属盐与金属氰化物盐，尤其是由式(II)表示的金属氰化物盐，β)不是冠状配体的有机配体b)，和γ)至少一种冠状配体c)的反应进行的。
在这种情况下，在有机配体b)(例如叔丁醇)的存在下，首先使金属盐(例如氯化锌，以化学计量过量的量使用(以金属氰化物盐的摩尔数计，至少50％摩尔))与金属氰化物盐(例如六氰基高钴酸钾)的水溶液反应，其中形成含双金属氰化物a)(例如，六氰基高钴酸锌)、水d)、过量金属盐e)和有机配体b)的悬浮液。
在这种情况下，有机配体b)可存在于金属盐和/或金属氰化物盐的水溶液中，或者直接加入在双金属氰化物a)沉淀之后获得的悬浮液中。通常使用过量的有机配体。已经证明在剧烈搅拌下混合水溶液和有机配体b)是有利的。然后通常用组分c)处理所形成的悬浮液。优选将组分c)与水和有机配体b)混合使用。
然后通过已知的技术，如离心或过滤从悬浮液中分离出催化剂。在本发明优选实施方案中，随后用有机配体b)的水溶液洗涤分离的催化剂(例如通过再悬浮和之后通过过滤或离心重新分离)。以这种方式，例如可以从本发明催化剂中除去水溶性副产物，如氯化钾。
优选在洗涤溶液中有机配体b)的量为20-80重量％，以溶液总量计。此外，有利的是向洗涤水溶液中加入少量作为组分γ)使用的冠状配体c)，优选为0.5-5重量％，以溶液总量计。
此外，有利的是对DMC催化剂洗涤一次以上。为此可以例如重复上述的第一洗涤步骤。但是，优选在进一步洗涤过程中使用非水溶液，例如有机配体和作为组分γ)使用的冠状配体c)的混合物。
然后将洗涤过的催化剂任选地在粉碎之后在通常为20-100℃的温度和通常为0.1毫巴-常压(1013毫巴)的压力下进行干燥。
本发明的另一内容是本发明DMC催化剂在通过将烯化氧聚加成到含活性氢原子的起始化合物上来制备聚醚型多元醇的方法中的应用。
优选烯化氧是环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷以及它们的混合物。例如可以仅使用一种单体环氧化物或者使用2或3种不同单体环氧化物以随机或嵌段的方式来通过烷氧基化形成聚醚链。关于这一点的详细描述可以在 Ullmanns Encyclopdie der industriellen Chemie，A21卷，1992，670页及随后的页中找到。
优选含活性氢原子的起始化合物是(数均)分子量为18-2000并带有1-8个羟基的化合物。这类起始化合物的例子有乙二醇、二甘醇、三甘醇、1，2-丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、双酚A、三羟甲基丙烷、丙三醇、季戊四醇、山梨醇、蔗糖、降解淀粉或水。
优选使用例如通过常规碱金属催化由上述低分子量起始化合物制备的含活性氢原子的起始化合物，以及构成(数均)分子量为200-2000的低聚烷氧基化产物的起始化合物。
由本发明催化剂催化的烯化氧在含活性氢原子的起始化合物上的聚加成一般在20-200℃、优选40-180℃、更优选50-150℃的温度范围内进行。该反应可以在0.0001-20巴的总压力下进行。聚加成可以在本体或惰性有机溶液如甲苯和/或THF中进行。溶剂量通常为10-30重量％，以欲制备的聚醚型多元醇的量计。
选择催化剂的浓度使得在给定的反应条件下能充分地控制聚加成反应。催化剂浓度通常为0.0005重量％-1重量％，优选0.001重量％-0.1重量％，更优选0.001-0.0025重量％，以欲制备的聚醚型多元醇的量计。
由本发明的方法制备的聚醚型多元醇的(数均)分子量在500-100000g/mol，优选1000-50000g/mol，更优选2000-20000g/mol的范围内。
聚加成可以连续或不连续(如间歇或半间歇法)地进行。
由于其具有显著增加的活性，本发明的催化剂可以以极低浓度(25ppm和更低，以欲制备的聚醚型多元醇的量计)使用。在聚氨酯的制备中，如果使用在本发明催化剂的存在下制备的聚醚型多元醇(Kunststoffhandbuch，7卷，聚氨酯，第三版，1993，25-32页和57-67页)，则从聚醚型多元醇中除去催化剂的步骤可以省略，而不会对获得的聚氨酯的产品质量有不良影响。
实施例1  含顺-二环己烷并[18]冠-6的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将9毫升7.4重量％六氰基高钴酸钾的水溶液加入15毫升11.8重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇和0.4克顺-二环己烷并[18]冠-6的混合物中。将形成的沉淀物用10毫升叔丁醇和30毫升水的混合物洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在50℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝12.9重量％，锌＝25.7重量％，叔丁醇＝6.0重量％，顺-二环己烷并[18]冠-6＝14.6重量％。
实施例2  含顺-二环己烷并[18]冠-6的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将9毫升7.4重量％六氰基高钴酸钾的水溶液加入15毫升11.8重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇、1毫升12重量％乙酸和0.4克顺-二环己烷并[18]冠-6的混合物中。将形成的沉淀物用10毫升叔丁醇和30毫升水的混合物洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在50℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝10.4重量％，锌＝25.3重量％，叔丁醇＝4.8重量％，顺-二环己烷并[18]冠-6＝24.2重量％。
实施例3 含顺-二环己烷并[18]冠-6的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将26.1毫升1.84％六氰基高钴酸的水溶液加入15毫升11.8重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇、1毫升12重量％乙酸和0.4克顺-二环己烷并[18]冠-6的混合物中。将形成的沉淀物用10毫升叔丁醇和30毫升水的混合物洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在50℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝10.5重量％，锌＝19.7重量％，叔丁醇＝4.9重量％，顺-二环己烷并[18]冠-6＝15.2重量％。
实施例4  含顺-二环己烷并[24]冠-8的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将6毫升7.4重量％六氰基高钴酸钾的水溶液和5毫升4.8重量％的六氰基高铁(III)酸钾的水溶液加入15毫升11.8重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇和0.4克顺-二环己烷并[24]冠-8的混合物中。将形成的沉淀物用10毫升叔丁醇和30毫升水的混合物洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在50℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝7.3重量％，铁＝3.7重量％，锌＝25.5重量％，叔丁醇＝5.2重量％，顺-二环己烷并[24]冠-8＝21.7重量％。
实施例5  含顺-二环己烷并[18]冠-6的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将4.5毫升7.4重量％六氰基高钴酸钾的水溶液和5毫升7.2重量％的六氰基高铁(III)酸钾的水溶液加入15毫升11.8重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇和0.4克顺-二环己烷并[18]冠-6的混合物中。将形成的沉淀物用30毫升水洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在50℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝6.2重量％，铁＝5.9重量％，锌＝25.9重量％，叔丁醇＝5.9重量％，顺-二环己烷并[18]冠-6＝16.7重量％。
实施例6  含[18]冠-6的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将9毫升7.4重量％六氰基高钴酸钾的水溶液加入28毫升12.7重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇、1毫升12重量％乙酸和0.4克[18]冠-6的混合物中。将形成的沉淀物用30毫升水洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在100℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝11.0重量％，锌＝26.2重量％，叔丁醇＝6.2重量％，[18]冠-6＝15.1重量％。
实施例7  含[15]冠-5的DMC催化剂：
在剧烈搅拌下，将27毫升1.79重量％六氰基高钴酸的水溶液加入28毫升12.7重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇、1毫升12重量％乙酸和0.4克[15]冠-5的混合物中。将形成的沉淀物用30毫升水洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在100℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝10.7重量％，锌＝23.3重量％，叔丁醇＝5.0重量％，[15]冠-5＝11.4重量％。
实施例8  含2-羟甲基[18]冠-6的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将9毫升7.4重量％六氰基高钴酸钾的水溶液加入14毫升12.7重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇和0.4克2-羟甲基[18]冠-6的混合物中。将形成的沉淀物用30毫升水洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在100℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝10.4重量％，锌＝24.7重量％，叔丁醇＝5.8重量％，2-羟甲基[18]冠-6＝12.4重量％。
实施例9  含2-羟甲基[18]冠-6的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将27毫升1.79重量％六氰基高钴酸的水溶液加入14毫升12.7重量％氯化锌水溶液、13毫升叔丁醇、1毫升12重量％乙酸和0.4克2-羟甲基[18]冠-6的混合物中。将形成的沉淀物用30毫升水洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在100℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝10.1重量％，锌＝20.2重量％，叔丁醇＝4.2重量％，2-羟甲基[18]冠-6＝13.4重量％。
对比实施例10  不含冠状配体的DMC催化剂
在剧烈搅拌下，将9毫升7.4重量％六氰基高钴酸钾的水溶液加入15毫升11.8重量％氯化锌水溶液和13毫升叔丁醇的混合物中。将形成的沉淀物用10毫升叔丁醇洗涤并过滤。随后将滤渣中加入20毫升叔丁醇，并重新过滤。在过滤之后，在50℃、减压(10毫巴)下将催化剂干燥至恒重。
元素分析、热重量分析和萃取：
钴＝15.7重量％，锌＝27.8重量％，叔丁醇＝7.9重量％。
聚醚型多元醇的制备
一般步骤
在保护气体(氩气)下向500ml压力反应器中引入50g聚丙二醇原料(分子量为1000g/mol)和20mg催化剂，并在搅拌下加热至130℃，以测定催化剂活性。
在2.5巴的压力下，在30分钟内计量加入最多50克环氧丙烷。在30分钟后将反应混合物冷却至室温，并通过氩气吹扫除去环氧丙烷。
通过经GPC测定的分子量分布(重均)来评价产物。
下表给出了获得的结果：
    实施例序号的催化剂     Mw[g/mol]
    1     2130
    2     1970
    3     1940
    4     2180
    5     2020
    6     1920
    7     1890
    8     1910
    9     1900
    10(比较)     1310

Claims (7)

1.双金属氰化物(DMC)催化剂，其包含：
a)至少一种双金属氰化物，
b)至少一种有机配体，该配体不是冠状配体，和
c)至少一种冠状配体。
2.权利要求1的DMC催化剂，其还包含d)水和/或e)水溶性金属盐。
3.权利要求1或2的DMC催化剂，其中双金属氰化物a)是六氰基高钴(III)酸锌。
4.权利要求1至3之一的DMC催化剂，其中有机配体b)是叔丁醇。
5.权利要求1至4之一的DMC催化剂，其中催化剂包含1至80重量％的至少一种冠状配体。
6.制备DMC催化剂的方法，其包括步骤：
i)在水溶液中，使下列化合物反应：
α)金属盐和金属氰化物盐
β)不是冠状配体的有机配体，和
γ)冠状配体，
ii)分离、洗涤并干燥步骤i)中获得的催化剂。
7.一种通过将烯化氧聚加成到含活性氢原子的起始化合物上来生产聚醚型多元醇的方法，其中所述烯化氧的聚加成在一种或多种权利要求1至5之一的DMC催化剂的存在下进行。
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