Brevet FR2525216A1 — publié le 19831021

- L'invention concerne de nouveaux isocyanates aro- matiques halogénés et leurs mélanges ayant pour squelettes hydrocarbonés des structures dissymétriques méthyldiphényl- méthane ou polyméthyldiphénylméthane substituées par un ou plusieurs atomes d'halogènes Ces isocyanates et leurs mé- langes sont utilisables dans la fabrication de polyuréthannes et particulièrement de mousses ignifugées. Des isocyanates de structure aromatique hydrocar- bonée diphénylméthane sont déjà synthétisés industriellement; il s'agit des dérivés du diphénylméthane diisocyanate (MDI), commercialisés, soit sous forme brute, c'est-à-dire sous forme d'un mélange de diisocyanates et de polyisocyanates, soit sous forme pure après distillation Dans ce cas, le mé- lange d'isomères, contenant essentiellement du diisocya- nate-4,4 ' diphénylméthane est solide à température ordinaire et présente un point de fusion compris entre 30 et 40 C. Les synthèses de polyuréthannes s'effectuent par réaction des isocyanates sur des polyols Des qualités d'ignifugation peuvent être apportées aux polymères par l'utilisation de polyols halogénés et/ou d'additifs halogénés Les isocyanates de l'invention, présentant eux-m 9 mes un ou plusieurs atomes d'halogènes sur les cycles aromatiques, sont ainsi particu- lièrement intéressants pour la préparation de polyuréthannes ayant une bonne résistance au feu. Les structures isocyanates selon l'invention répondent à la formule générale suivante: (x) x (X) OC Nx NC CH 2 3 (CH 3)z-1 avec -2 _ X = Cl ou Br x=Oà 2 x = à 2 y = o u 2 z = l ou 2 n= 1 ou 2 La synthèse de ces isocyanates fait appel à trois étapes réactionnelles successives à partir d'un mélange d'hydrocarbures aromatiques halogénés: une de nitration, une d'hydrogénation et une de phosgénation 1 O Les structures hydrocarbonées halogénées sont pré- parées par condensation de type FRIEDEL et CRAFTS, en pré- sence de catalyseurs utilisés classiquement dans ces réac- tions, de chlorure de benzyle halogéné éventuellement subs- titué par un groupement méthyle, avec du toluène ou du xylène éventuellement halogéné et placé en excès On obtient ainsi différents mélanges d'isomères aromatiques halogénés Suivant les conditions opératoires en réglant l'excès de toluène ou de xylène éventuellement halogéné, on obtient essentiellement des produits de condensation à deux noyaux aromatiques, mais il se forme également des produits à trois noyaux, l'ensemble répondant à la formule générale suivante: (x)x (X) xy CH 2 (H 3 C z (CH 3)z-1 n avec X = Cl ou Br x= O à 2 y = ou 2 z= 1 ou 2 N = 1 ou 2 3 - Il est possible de séparer, par distillation, les isomères à deux noyaux du milieu de réaction, cependant, il peut tre économiquement intéressant d'effectuer la synthèse des isocyanates sur le mélange réactionnel brut En pratique, les produits de réaction contiennent entre 70 et 95 % de con- densats diarylés. Parmi les hydrocarbures aromatiques servant de base à l'invention, la synthèse des isomères de (chloro benzyle) toluène peut se faire de différentes façons, mais il est pré- férable de faire réagir le chlorure de chlorobenzyle, obtenu par chloration photochimique ménagée de monochlorotoluène, sur le toluène en présence de catalyseurs utilisés dans de telles réactions; en effet, le toluène est dans ce cas la seule matière première hydrocarbonée Les isomères de (bromo- benzyle) toluène sont synthétisés de la même façon à partir du chlorure de bromo-benzyle. La synthèse d'autres hydrocarbures aromatiques de structure (polychloro)méthyldiphénylméthane ou (polychloro) (polyméthyl)-diphénylméthane est connue et décrite dans le brevet français 2 432 199 et le certificat d'addition 2 449 954. Les deux étapes que constituent la nitration puis l'hydrogénation conduisent aux amines conformes aux struc- tures isocyanates obtenues selon l'invention: (X) (X)y NH( CH 2 H 2 N H 3 z H 3) z-1 n avec _ 4 - X = Cl ou Br x = à 2 y = 1 ou 2 z = 1 ou 2 N = 1 ou 2 On utilise pour la nitration un mélange d'acide nitrique et d'acide sulfurique concentrés à, au moins 85 % en poids et de préférence au moins 95 % L'acide nitrique peut 9 tre placé en quantités stoéchiométriques par rapport au composé aromatique On utilise donc une mole d'acide par noyau aromatique à nitrer Il est cependant avantageux d'opé- rer en présence d'un excès d'acide nitrique pouvant aller jusqu'à 20 % par rapport à la stoéchiométrie L'acide sulfu- rique peut gtre utilisé en quantité équimolaire par rapport à l'acide nitrique, mais on peut le placer en excès ou en défaut La réaction de nitration s'effectue entre OOC et la température d'ébullition des mélanges, habituellement entre O O C et 50 C, le composé aromatique étant de préférence solu- bilisé dans un solvant tel que le chlorure de méthylène La phase organique, supérieure, est ensuite séparée des acides, neutralisée et évaporée à sec Il est recommandé d'opérer, sous atmosphère d'azote, dans un réacteur muni de moyens d'agitation efficace et de régulation de température. Le mélange brut obtenu peut être hydrogéné tel quel Cependant, dans le cas o les composés diarylés sont distillés, il est possible d'en isoler les isomères majo- ritaires en solubilisant le mélange dans le minimum de chlo- rure de méthylène et en les précipitant à l'aide d'éther ou de méthanol. La deuxième étape constitue l'hydrogénation des dérivés nitrés en amines correspondantes; elle peut être chimique, mais il est préférable d'opérer sous pression d'hydrogène, dans un réacteur résistant à la pression muni d'une agitation et possédant les moyens de contr 8 le et régu- lation classiques, en présence d'un catalyseur à base de ni- ckel, palladium, platine, ruthénium et autres. - Dans ce cas, on utilise un réacteur d'hydrogénation permet- tant de travailler sous des pressions pouvant atteindre bars La réaction peut s'effectuer sans solvant à une température o le dérivé nitré est fondu, ou dans des sol- vants classiques d'hydrogénation tels que les alcools, le dioxane, les éthers de l'éthylène glycol et autres. On utilise préférentiellement un catalyseur cons- titué de palladium déposé sur support à des teneurs comprises entre 1 et 10 %, ce qui permet d'opérer à des températures comprises entre 30 et 1000 C et des pressions de 20 à 50 bars. Le rapport molaire dérpailladiumitré nest pas impérativement fixé, mais il est de préférence compris entre 200 et 3 000. Après réaction et filtration du catalyseur, le solvant éven- tuellement utilisé est évaporé et le mélange des isomères de diamines obtenues peut être utilisé tel quel ou distillé. La troisième étape fait appel à des techniques clas- siques de phosgénation dans un réacteur muni d'une agitation et surmonté d'un réfrigérant Le mélange d'amines est placé dans un solvant aromatique chloré tel que le monochloroben- zène ou l'orthodichlorobenzène contenant la quantité néces- saire de phosgène, en maintenant la température à 00 C On chauffe ensuite la suspension progressivement; le mélange réactionnel s'homogénéise entre 45 et 60 C On continue d'élever lentement la température jusqu'au point d'ébullition du mélange, puis on distille le solvant de façon à récupérer les isocyanates formés Ces derniers peuvent être distillés, s'ils sont suffisamment volatils, ou utilisés tels quels Le mélange d'amines est de préférence placé dans le solvant à une concentration de 5 à 20 % et le phosgène est introduit en quantités stoéchiométriques ou en léger excès Une autre technique consiste à introduire conjointement dans le réac- teur une solution portée au-dessus de 100 JC des amines dans un solvant aromatique chloré et un courant de phosgène 6 - solubilisé dans le m 8 me solvant qu'on amène à 120 "C ou plus. La réaction est alors pratiquement immédiate. Les isocyanates ainsi obtenues peuvent conduire, selon les techniques connues, à des polyuréthannes possédant de bonnes propriétés, et notamment une résistance au feu améliorée. Les analyses sur les dérivés dinitrés et les amines ont été effectuées par chromatographie en phase gazeuse Dans le cas des produits de nitration, nous avons utilisé une colonne en inox d 11/8 ", longue de 1,5 mètre, emplie d'un sup- port Chromosorb W 80-100 mesh H P, commercialisé par la firme Johns MANVILLE, imprégné à 2 % de phase silicone XE 60 -Applied Science Laboratories, Inc; lors de l'injection, la colonne est à 100 C et au bout de 5 minutes est portée à 220 oc. Dans le cas des amines, a été utilisée une colonne en verre de 2 mètres, emplie de support chromosorb W N A W. -80 mesh -Johns MANVILLE-, imprégnée à 5 % de KOH et 5 % d'Apiézon N -Société Apiézon Products Limited en opérant en isotherme à 220 C. Les identifications des produits de nitration ou d'hydrogénation ont été faites par couplage de la chromato- graphie en phase gazeuse avec la spectrométrie de masse. Les teneurs en fonctions isocyanates ont été éva- luées par dosage chimique à la dibutylamine. EXEMPLE 1 On dissout 22 g ( 0,1 mole) des isomères de (chloro- benzyl) toluène distillés, préparés par condensation de FRIEDEL et CRAFTS du chlorure de chlorobenzyle sur le toluène, dans 40 ml de chlorure de méthylène En maintenant la tempé- rature autour de 100 C sous agitation, on verse en une demi- heure un mélange de 15,5 g d'acide nitrique à 98,7 % et de ml d'acide sulfurique à 96 % Dès la fin de l'addition, on porte à reflux pendant 3 h 30 en maintenant l'agitation, 7 - puis refroidit Deux phases se séparent, l'une inférieure acide, l'autre supérieure organique On extrait la phase organique et lave deux fois les acides avec du chlorure de méthylène On réunit les différentes fractions organiques, neutralise sur carbonate de potassium et évapore le solvant. On récupère ainsi 30,5 g d'un produit jaune clair visqueux dont l'analyse par chromatographie gazeuse couplée avec la spectrométrie de masse met en évidence les isomères de (nitrochlorobenzyle)-nitrotoluène. On place 20 g de ce mélange d'isomères dans l'auto- clave précédemment décrit et ajoute 200 ml de méthanol ainsi que 0,2 g de catalyseur constitué de palladium déposé sur charbon à 5 % Après avoir balayé le réacteur avec de l'azote, on y introduit 40 bars d'hydrogène et le chauffe, sous agita- tion, jusqu'à 600 C Après 3 h 20 de réaction, on laisse re- froidir, décomprime et récupère le mélange réactionnel qu'on filtre pour éliminer le catalyseur Le méthanol est évaporé à sec et on obtient 16 g d'un produit brun-foncé très épais. L'analyse par couplage de la chromatographie gazeuse avec la spectrométrie de masse montre qu'il contient les isomères d'(aminochlorobenzyle)-amino-toluène On introduit 12 g de ceux-ci dans une solution de 29 g de phosgène dans 100 ml d'orthodichlorobenzène en maintenant la température à O O C. On laisse ensuite remonter à température ambiante, puis on chauffe à 450 C pendant 1 heure, à 600 C pendant 1 heure et à 1000 C pendant 1/2 heure En faisant passer un courant d'azote, on amène anfin la température à 140 C pendant 2 heu- res afin de chasser le phosgène en excès et l'acide chlorhy- drique formé Puis on distille le solvant sous vide après filtration de la solution et recueille 13 g de mélange d'isocyanates (teneur en NCO: 5 équivalents par kilo) dont la distillation conduit à un liquide jaune constitué d'un mélange de diisocyanates du (chloro-benzyle) toluène (teneur en NCO: 2 fonctions par mole), correspondant à la formule 8 générale revendiquée dans laquelle X = Cl, x = 0, y = 1, z = 1, N = 1. EXEMPLE 2 On dissout 138 g du mélange d'isomères de (chloro- benzyl) toluènes préparés dans l'exemple 1 dans 240 ml de chlorure de méthylène En opérant de la même façon que dans l'exemple 1, on additionne un mélange de 93 g d'acide ni- trique à 98,3 % et de 120 ml d'acide sulfurique à 96 % On chauffe à reflux pendant 4 h 30, puis refroidit et extrait la phase organique On évapore le solvant jusqu'à la limite de solubilité des isomères de dinitration, puis on ajoute du méthanol et précipite ainsi un solide blanc qu'on filtre et lave au méthanol On récupère après séchage 21,5 g de solide blanc de point de fusion 1831 C L'analyse par chro- matographie gazeuse met en évidence la présence nettement majoritaire d'un isomère de dinitro(chlorobenzyl)toluène que l'étude en résonance magnétique nucléaire identifie comme étant le dinitro-3,3 ' méthyl-4 chloro-4 ' diphénylméthane: Cl Q H 2 Q CH 3 02 N NO 2 Le filtrat méthanolique contient le reste de cet iso- mère majoritaire ainsi que les autres isomères de dini- tration. g du précipité sont hydrogénés suivant le mode opératoire décrit dans l'exemple 2 à l'aide de 200 ml de méthanol et 0,4 g de catalyseur Pd sur charbon à 5 %. On récupère, après évaporation du méthanol, 16 g de pro- duit brun-foncé, pâteux, constitué principalement de diami- no-3,3 ' méthyl-4 chloro-4 ' diphénylméthane. 9 - On phosgène, suivant le mode opératoire exposé dans l'exemple 1, 10 g de ce mélange d'amines On récupère ainsi 12 g de produit brun p teux (teneur en NCO = 6 équivalents par kg) qui, distillé sous pression réduite de 2 mm de mer- cure, conduit à un solide jaune clair, pâteux, entièrement fondu à 64 C et contenant environ 66 % de diisocyanate-3,3 ' méthyl-4 chloro-4 ' diphénylméthane (teneur en NCO: 2 équi- valents par mole). EXEMPLE 3 Dans un réacteur agité de 250 ml, on place, sous atmosphère d'azote, 25,1 g ( 0,1 mole) d'un mélange d'isomères de (chlorobenzyl)-chlorotoluène synthétisés à partir de chlo- rotoluènes selon la description faite dans le brevet fran- çais ne 2 432 199 On ajoute 40 ml de chlorure de méthylène et introduit en une demi-heure entre 5 et 15 C un mélange de 13,5 g d'acide nitrique à 98,3 % et 20 ml d'acide sulfu- rique à 96 % On chauffe ensuite à 421 C pendant 3 h 30, puis refroidit et laisse décanter On récupère la phase organique supérieure et lave par du chlorure de méthylène la phase acide inférieure Les extraits organiques de soutirage et de lavage sont mélangés, neutralisés avec du carbonate de potas- sium et séchés à l'aide de sulfate de sodium On obtient une solution limpide de couleur orangée qu'on évapore à sec On recueille ainsi 32 g de liquide orangé très visqueux cor- respondant au mélange d'isomères de (nitrochlorobenzyl)-nitro- chlorotoluène. On hydrogène 30 g de ce liquide, dans un autoclave en acier inox muni d'une agitation magnétique, en présence de 0,3 g de catalyseur palladium sur charbon à 5 % (ENGEL- HARD) et 300 ml de méthanol En opérant à 35 bars et 50 C, la réaction dure 1 h 30, puis on décharge le réacteur et récupère après évaporation du solvant 24,5 g d'un solide orangé de point de fusion 45-47 C L'analyse par chromato- - graphie gazeuse montre qu'il s'agit des isomères de la dia- mine attendue, répondant à la formule générale de l'invention dans laquelle X = Cl, x = 1, y = 1, z = 1, N -= 1. On phosgène, conformément à la méthode précédem- ment décrite, le mélange d'amines On obtient, après réac- tion et évaporation du solvant, 29 g de mélange brut d'iso- cyanates (teneur en NCO: 5,2 équivalents par kg) qui, distil- lé sous pression réduite de 2 mm de mercure, conduit à un liquide jaune visqueux formé d'isomères de diisocyanates at- tendus (teneur en NCO: 2 fonctions par mole). EXEMPLE 4 27,9 g ( 0,1 mole) des isomères de (chloro-para- méthylbenzyle)-chloroparaxylène préparés par réaction de con- densation de FRIEDEL et CRAFTS de chlorure de chloro-oara- méthylbenzyle sur le chloroparaxylène, sont dissous dans ml de chlorure de méthylène On maintient la température autour de 10 C, agite et introduit en une demi-heure un mé- lange de 15,5 g d'acide nitrique à 98,7 % et de 20 ml d'acide sulfurique à 96 % On porte à reflux pendant 3 h 30, puis refroidit On récupère la phase organique supérieure et lave les acides avec du chlorure de méthylène Les phases orga- niques sont rassemblées et traitées avec du carbonate de potassium, puis le solvant est évaporé On récupère ainsi 36 g de produits de dinitration. On hydrogène 20 g de ce mélange suivant le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, avec 0,2 1 de méthanol et 0,4 g de catalyseur Pd/charbon à 5 % On récupère, après distillation du méthanol, 16,5 g d'un produit cristallisé rougeâtre de point de fusion 730 C, correspondant essentiel- lement aux isomères d'(amino-chloro-paraméthyl-benzyle)- amino-chloro-paraxylène. g de ce mélange sont phosgénés selon la méthode décrite dans l'exemple 1 On récupère, après filtration et distillation de l'orthodichlorobenzène, 15 g de produit brut 11 - brun de point de fusion 490 C, contenant un mélange des iso- cyanates attendus (teneur en NCO: 4,4 équivalents par kg), en accord avec la formula générale donnée dans le descriptif o X = Cl, x = 1, y = 1, z = 2, N = 1, EXEMPLE 5 La condensation de FRIEDEL et CRAFTS du chlorure de chlorobenzyle sur le toluène conduit, outre à la forma- tion de composés diarylés, traités dans l'exemple 1, à des produits de condensation à trois noyaux aromatiques Les composés à deux noyaux, correspondant aux isomères de (chloro- benzyle) toluène, peuvent tre séparés par distillation, les dérivés tri-arylés restant en pied de colonne. On nitre, selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 1, 34 g d'un mélange formé essentiellement d'iso- mères de bis-(chlorobenzyl) toluène, en utilisant 23,2 g d'acide nitrique à 98,7 % et 20,2 ml d'acide sulfurique à 96 % On recueille, en fin de réaction, 48 g d'un produit rougeâtre très visqueux dont on hydrogène 20 g, places dans l'autoclave avec 200 ml de méthanol et 0,6 g de catalyseur palladium sur charbon à 5 % (ENGELHARD), en opérant sous bars d'hydrogène et à 650 C On recueille ainsi 14,5 g d'un mélange brut d'amines, de point de fusion 127 C, qu'on fait réagir avec 33 g de phosgène suivant la description faite dans l'exemple 1 Après filtration de la solution de réac- tion dans l'orthodichlorobenzène, on évapore le solvant et récupère 13 g d'un produit brut fondant à 124 C et contenant les isomères isocyanates conformes à la formula générale de l'invention avec X = Cl, x = O, y = 1, z = 1 et N = 2 (teneur en NCO: 4,4 fonctions par kg). EXEMPLE 6 En opérant comme dans l'exemple 1, on nitre, avec 18,7 g d'acide nitrique à 96,7 % et 21,5 ml d'acide sulfu- 12 - rique à 96 %, 23,5 g d'un mélange brut de condensation de FRIEDEL et CRAFTS du chlorure de chlorobenzène sur le toluène, contenant 85 % en poids de dérivés diarylés et 15 % de dérivés essentiellement triarylés On obtient, après réaction, 32 g d'un produit de nitration mi-solide, mivisqueux, dont on hydrogène 20 g dans 200 ml de méthanol, en présence de 0,8 g de catalyseur palladium sur charbon à 5 % (ENGELHARD) en opérant à 65 C sous 40 bars d'hydrogène Apres réaction et évaporation du méthanol, on recueille 15 g d'un mélange brut d'amines qu'on fait réagir avec 36,2 g de phosgène conformé- ment à la description de l'exemple 1 Après filtration de la solution de réaction dans l'orthodichlorobenzène, on évapore le solvant et récupère 13,8 g d'un produit brun pâteux qui prend en masse au refroidissement et dont l'examen en spec- trométrie de masse montre qu'il contient des isomères d'iso- cyanates diarylés et triarylés correspondant à la formule brut du descriptif dans laquelle X = C 1, x = O, y = 1, z = 1 et N = 1 et 2 Ce mélange d'isocyanates, qui peut être faci- lement coulé à 60 C, a une teneur ën fonctions NCO de 5,4 équivalents par kg. EXEMPLE 7 On nitre, à l'aide de 15,5 g d'acide nitrique à 98,7 % et de 20 ml d'acide sulfurique à 96 % dans les condi- tions décrites dans l'exemple 1, 32 g de mélange d'isomères de (dichlorobenzyle) dichlorotoluène préparé par condensation de FRIEDEL et CRAFTS de chlorure de dichlorobenzyle sur le dichlorotoluène On récupère 39 g d'un mélange très visqueux de couleur orangée. On hydrogène 30 g de celui-ci en présence de 0,3 g de catalyseur palladium sur charbon à 5 % (ENGELHARD) dans 300 ml de méthanol, à 6 O C sous 40 bars, ce qui conduit à 25 g d'un mélange solide d'amines de couleur brun foncé qu'on phosgène dans les conditions décrites précédemment On obtient 13 - finalement 28 g de mélange brut d'isocyanates (teneur en NCO: 4,1 équivalents par kg) correspondant à la formule générale donnée dans le descriptif, dans laquelle X = C 1, x = 2, y = 2, z = 1, N = 1. 14 - REVENDICATIONS 1 Isocyanates aromatiques halogénés à structure dissymé- trique méthyl diphénylméthane ou polyméthyldiphénylméthane de formule: qu'il s'agit des isomères de (chloro-benzyl isocyanate)- toluène isocyanate. 3 Isocyanates selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'il s'agit des isomères de (chloro-benzyl isocyanate)- clorotoluène-isocyanate. 4 Isocyanates selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'il s'agit des isomères de (chloro-paraméthyl benzyl iso- cyanate)-chloroparaxylène isocyanate. 5 Isocyanates selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'il s'agit des isomères de bis-(chlorobenzyl isocyanate) toluène isocyanate. - 6 Isocyanates selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'il s'agit de mélanges d'isomères de (chloro-benzyl iso- cyanate) toluène isocyanate et d'isomères de bis-(chloro- benzylisocyanate)toluène isocyanate, 7 Procédé de fabrication d'isocyanates aromatiques halo- génés à structure dissymétrique diphénylméthane ou poly- méthyldiphénylméthane selon les revendications 1 à 6 carac- térisé en ce que les composés de formule: (X) y CH (CH 3 z (CH 3)z-1 n ou X représente un atome de chlore ou de brome avec x= O à 2 y 1 ou 2 z= 1 ou 2 n = 1 ou 2 sont successivement nitrés, hydrogénés puis phosgénés. 8 Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que les composés à structures hydrocarbonées halogénées sont obtenus par condensation d'un chlorure de benzyle halogéné avec du toluène ou du xylène. 9 Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le chlorure de benzyle halogéné est substitué par un grou- pement méthyle. _ 16 _ Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le toluène ou le xylène est chloré ou bromé. 11 Procédé selon l'une des revendications 7 à 10 caracté- risé en ce que la nitration s'effectue au moyen d'un mélange d'acide nitrique et d'acide sulfurique de concentrations supérieures à 85 %. 12 Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 caracté- risé en ce que l'hydrogénation s'effectue en présence de palladium comme catalyseur.