СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛИГО-3,3-БИС(АЗИДОМЕТИЛ)ОКСЕТАНА
METHOD OF PRODUCING OLIGO-3,3-BIS(AZIDOMETHYL)OXETANE

Изобретение относится к области получения азидсодержащих олигооксетандиолов с молекулярной массой 1000-5000, которые применяются в качестве гидроксилсодержащих соединений для получения энергоемких полиуретановых термоэластопластов.
Известен способ получения поли-3,3-бис(азидометил)оксетана, включающий взаимодействие поли-3,3-бис(хлорметил)оксетана с азидом натрия в среде диметилформамида. Для выделения поли-3,3-бис(азидометил)оксетана из реакционной массы в мелкодисперсном виде смесь подвергают воздействию низких температур от минус 5°С до минус 20°С в течение 1,5-2,0 ч, смешивают с водой при соотношении раствора полимера в диметилформамиде и воды, равном 1,0:(1,0-2,0) об. (RU Патент №2393175 С2, МПК C08G 65/325, C08G 73/00, C08G 65/1, 2010 г.).
Поли-3,3-бис(азидометил)оксетан по известному способу является высокомолекулярным продуктом с молекулярной массой более 50000 и не пригоден для получения полиуретановых термоэластопластов. Для выделения полимера в мелкодисперсном виде требуется применение температуры от минус 5°С до минус 20°С, что увеличивает энергетическую нагрузку процесса. Количество диметилформамида, взятого в реакцию азидирования, в 5-7 раз больше поли-3,3-бис(хлорметил)оксетана, что приводит к увеличению объема используемого оборудования и уменьшению коэффициента полезного использования.
Известен способ получения полимеров 3,3-бис(хлорметил)оксетана катионной полимеризацией в смеси жидкого диоксида серы с гексаном или керосином в присутствии поверхностно-активных добавок при температуре от минус 35°С до минус 50°С (от минус 15°С до минус 30°С) в присутствии 0,2-7,5 мас.% катализатора трехфтористого бора. Выделение полимера в мелкодисперном виде проводят добавлением метанола в количестве от 5:1 до 1:20 мас.ч. (от 1:1 до 1:6 мас.ч.) к раствору 3,3-бис(хлорметил)оксетана (USA Patent №2909492, 1959).
Известен способ получения полимеров 3,3-бис(хлорметил)оксетана катионной полимеризацией в жидком диоксиде серы при температуре от 0°С до минус 50°С (от минус 20°С до минус 25°С) в присутствии 1-7,5 мас.% катализатора трехфтористого бора. Выделение полимера в мелкодисперном виде проводят добавлением метанола в количестве 1,56:1 мас.ч. к 3,3-бис(хлорметил)оксетану (см. USA Patent №2722520, 1955).
Недостатком известных способов является использование в качестве реакционной среды жидкого диоксида серы с температурой кипения минус 10,1°С, что требует применения низких температур или повышенного давления для проведения полимеризации 3,3-бис(хлорметил)оксетана. Это значительно усложняет аппаратурное оформление при реализации процесса на производстве. Использование для высаждения полимеров 3,3-бис(хлорметил)оксетана большого количества ядовитого метанола делает процесс экологически опасным.
Способы получения низкомолекулярного олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана, включающие выделение промежуточного олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана в мелкодисперсном виде, в литературе не описаны.
Задачей изобретения является разработка способа получения с высоким выходом низкомолекулярных азидсодержащих олигооксетандиолов для полиуретановых термоэластопластов, пригодного для промышленной реализации.
Техническая задача решается способом получения олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана, включающим катионную полимеризацию 3,3-бис(хлорметил)оксетана в хлористом метилене при 20-35°С в присутствии катализатора эфирата трехфтористого бора в количестве 1-10 мас.% (4-7 мас.%) и 1,4-бутандиола в соотношении 1:(5-15) мол. (1:(6-13 мол.)) к 3,3-бис(хлорметил)оксетану, выделение промежуточного олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана в мелкодисперсном виде, для чего по окончании полимеризации в реакционную массу добавляют N,N-диметилформамид, упаривают хлористый метилен и высаждают олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетан водой, и последующее взаимодействие олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана с азидом натрия в среде N,N-диметилформамида в присутствии катализатора тетрабутиламмония бромистого в количестве 0,5-3 мас.% (1-2%) при 90-130°С (110-125°С).
Техническая задача также решается способом получения олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана, включающим катионную полимеризацию 3,3-бис(хлорметил)оксетана в хлористом метилене при 20-35°С в присутствии катализатора эфирата трехфтористого бора в количестве 1-10 мас.% (4-7 мас.%) и 1,4-бутандиола в соотношении 1:(5-15) мол. (1:(6-13 мол.)) к 3,3-бис(хлорметил)оксетану, выделение промежуточного олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана в мелкодисперсном виде, для чего по окончании полимеризации в реакционную массу добавляют диметилсульфоксид, упаривают хлористый метилен и высаждают олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетан водой, и последующее взаимодействие олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана с азидом натрия в среде диметилсульфоксида в присутствии катализатора тетрабутиламмония бромистого в количестве 0,5-3 мас.% (1-2%) при 90-130°С (110-125°С).
Техническая задача также решается способом получения олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана, включающим катионную полимеризацию 3,3-бис(хлорметил)оксетана в хлористом метилене при 20-35°С в присутствии катализатора эфирата трехфтористого бора в количестве 1-10 мас.% (4-7 мас.%) и этиленгликоля в соотношении 1:(5-15) мол. (1:(6-13 мол.)) к 3,3-бис(хлорметил)оксетану, выделение промежуточного олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана в мелкодисперсном виде, для чего по окончании полимеризации в реакционную массу добавляют N,N-диметилформамид, упаривают хлористый метилен и высаждают олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетан водой, и последующее взаимодействие олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана с азидом натрия в среде N,N-диметилформамида в присутствии катализатора тетрабутиламмония бромистого в количестве 0,5-3 мас.% (1-2%) при 90-130°С (110-125°С).
Техническая задача также решается способом получения олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана, включающим катионную полимеризацию 3,3-бис(хлорметил)оксетана в хлористом метилене при 20-35°С в присутствии катализатора эфирата трехфтористого бора в количестве 1-10 мас.% (4-7 мас.%) и этиленгликоля в соотношении 1:(5-15) мол. (1:(6-13 мол.)) к 3,3-бис(хлорметил)оксетану, выделение промежуточного олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана в мелкодисперсном виде, для чего по окончании полимеризации в реакционную массу добавляют диметилсульфоксид, упаривают хлористый метилен и высаждают олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетан водой, и последующее взаимодействие олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана с азидом натрия в среде диметилсульфоксида в присутствии катализатора тетрабутиламмония бромистого в количестве 0,5-3 мас.% (1-2%) при 90-130°С (110-125°С).
Решение технической задачи позволяет получать промежуточный продукт олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетан в виде мелкодисперсного порошка, что делает процесс его выгрузки из реактора, промывки, загрузки на стадию взаимодействия с азидом натрия технологичным и существенно снижает материальные потери. Количество используемого в качестве реакционной среды хлористого метилена уменьшается в 1,7-2,2 раза. Выход целевого олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана при этом увеличивается с 55-61 до 80-83%.
В качестве регулятора молекулярной массы олигомеров используют 1,4-бутандиол, этиленгликоль.
В качестве катализатора катионной полимеризации 3,3-бис(хлорметил)оксетана используют эфират трехфтористого бора. В качестве катализатора реакции азидирования используют тетрабутиламмоний бромистый.
Предлагаемое изобретение иллюстрируют примеры конкретного выполнения.
Пример 1
В реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником, капельной воронкой и термометром загружают при 25°С и перемешивании 66,3 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана и 15,4 г 1,4-бутандиола. 198,7 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана растворяют в 265 г хлористого метилена и дозируют из капельной воронки в реакционную массу в течение 2 часов. 38 г эфирата трехфтористого бора подают в реакционную массу дробным дозированием, не допуская разогрева выше 35°С. После добавления всего количества катализатора и раствора 3,3-бис(хлорметил)оксетана реакционную смесь выдерживают при 30-35°С в течение 2 часов. Затем в реакционную массу добавляют 1060 г хлористого метилена. Полученный раствор олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана отмывают от катализатора водой, сушат от воды прокаленным сульфатом магния, упаривают хлористый метилен и получают твердое воскообразное вещество, которое выгружается из колбы с большими потерями. Выход олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана составляет 190,7 г (68%).
Азидирование олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана проводят в реакторе, снабженном мешалкой, рубашкой, обратным холодильником, термометром, в среде аргона при температуре 125°С. Загружают 763 г диметилформамида, 190,7 г олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана, 208 г азида натрия, 1,9 г тетрабутиламмония бромистого и перемешивают при 125°С в течение 25-30 часов. По окончании азидирования в реакционную массу добавляют 381 г хлористого метилена, затем 763 г воды для растворения солей. Реакционная масса разделяется на два слоя. Органический слой промывают водой от остатков диметилформамида и солей, упаривают хлористый метилен. Олиго-3,3-бис(азидометил)оксетан вакууммируют при 5-10 мм рт.ст. и 80°С в течение 2-3 часов. В результате полученный продукт представляет собой вязкую жидкость от темно-желтого до коричневого цвета, которая при охлаждении структурируется в мазеобразное вещество. Содержание гидроксильных групп 1,3 мас.%. Общий выход олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана составляет 186,5 г (61%).
Пример 2
В реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником, капельной воронкой и термометром загружают при 25°С и перемешивании 66,3 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана и 15,4 г 1,4-бутандиола. 198,7 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана растворяют в 265 г хлористого метилена и дозируют из капельной воронки в реакционную массу в течение 2 часов. 38 г эфирата трехфтористого бора подают в реакционную массу дробным дозированием, не допуская разогрева выше 35°С. После добавления всего количества катализатора и раствора 3,3-бис(хлорметил)оксетана реакционную смесь выдерживают при 30-35°С в течение 2 часов. Затем в реакционную массу при перемешивании добавляют 265 г диметилформамида, упаривают хлористый метилен, охлаждают реакционную массу до температуры 30-35°С и добавляют 795 г воды. При этом выделение олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана происходит в виде мелкодисперсного порошка. Суспензию олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана отжимают от водно-диметилформамидной смеси и промывают водой в фильтрующей центрифуге. Полученный олигомер представляет собой мелкодисперсный порошок от белого до кремового цвета. После сушки до остаточной влаги 0,1-0,2% выход олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана составляет 252 г (90%).
Азидирование олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана проводят в реакторе, снабженном мешалкой, рубашкой, обратным холодильником, термометром, в среде аргона при температуре 125°С. Загружают 1000 г диметилформамида, 252 г олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана, 274,7 г азида натрия, 2,5 г тетрабутиламмония бромистого и перемешивают при 125°С в течение 25-30 часов. По окончании азидирования в реакционную массу добавляют 500 г хлористого метилена, затем 1000 г воды для растворения солей. Реакционная масса разделяется на два слоя. Органический слой промывают водой от остатков диметилформамида и солей, упаривают хлористый метилен. Олиго-3,3-бис(азидометил)оксетан вакууммируют при 5-10 мм рт.ст. и 80°С в течение 2-3 часов. В результате полученный продукт представляет собой вязкую жидкость от темно-желтого до коричневого цвета, которая при охлаждении структурируется в мазеобразное вещество. Содержание гидроксильных групп 1,46 мас.%. Общий выход олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана составляет 253,8 г (83%).
Пример 3
Способ осуществляют аналогично примеру 2 с той лишь разницей, что после окончания полимеризации 3,3-бис(хлорметил)оксетана в реакционную массу при перемешивании добавляют 265 г диметилсульфоксида, упаривают хлористый метилен, охлаждают реакционную массу до температуры 30-35°С и добавляют 795 г воды. При этом выделение олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана происходит в виде мелкодисперсного порошка. Азидирование олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана осуществляют аналогично примеру 2 с той лишь разницей, что в качестве реакционной среды используют 1000 г диметилсульфоксида. Содержание гидроксильных групп 1,35 мас.%. Общий выход олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана составляет 249 г (81,5%).
Пример 4
В реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником, капельной воронкой и термометром загружают при 25°С и перемешивании 28 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана и 7,5 г этиленгликоля. 84 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана растворяют в 224 г хлористого метилена и дозируют из капельной воронки в реакционную массу в течение 2 часов. 16,1 г эфирата трехфтористого бора подают в реакционную массу дробным дозированием, не допуская разогрева выше 35°С. После добавления всего количества катализатора и раствора 3,3-бис(хлорметил)оксетана реакционную смесь выдерживают при 30-35°С в течение 2 часов. Затем в реакционную массу при перемешивании добавляют 112 г диметилформамида, упаривают хлористый метилен, охлаждают реакционную массу до температуры 5-10°С и добавляют 336 г воды. При этом выделение олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана происходит в виде мелкодисперсного порошка. Суспензию олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана отжимают от водно-диметилформамидной смеси и промывают водой в фильтрующей центрифуге. Полученный олигомер представляет собой мелкодисперсный порошок от белого до кремового цвета. После сушки до остаточной влаги 0,1-0,2% выход олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана составляет 102,8 г (86%).
Азидирование олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана проводят в реакторе, снабженном мешалкой, рубашкой, обратным холодильником, термометром, в среде аргона при температуре 115°С. Загружают 411 г диметилформамида, 102,8 г олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана, 112 г азида натрия, 1 г тетрабутиламмония бромистого и перемешивают при 125°С в течение 25-30 часов. По окончании азидирования в реакционную массу добавляют 205,5 г хлористого метилена, затем 411 г воды для растворения солей. Реакционная масса разделяется на два слоя. Органический слой промывают водой от остатков диметилформамида и солей, упаривают хлористый метилен. Олиго-3,3-бис(азидометил)оксетан вакууммируют при 5-10 мм рт.ст. и 80°С в течение 2-3 часов. В результате полученный продукт представляет собой вязкую жидкость от темно-желтого до коричневого цвета. Содержание гидроксильных групп 2,4 мас.%. Общий выход олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана составляет 104 г (80%).
Пример 5
Способ осуществляют аналогично примеру 4 с той лишь разницей, что после окончания полимеризации 3,3-бис(хлорметил)оксетана в реакционную массу при перемешивании добавляют 112 г диметилсульфоксида, упаривают хлористый метилен, охлаждают реакционную массу до температуры 5-10°С и добавляют 336 г воды. При этом выделение олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана происходит в виде мелкодисперсного порошка. Азидирование олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана осуществляют аналогично примеру 2 с той лишь разницей, что в качестве реакционной среды используют 411 г диметилсульфоксида. Содержание гидроксильных групп 2,6 мас.%. Общий выход олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана составляет 106 г (82%).
Пример 6
В реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником, капельной воронкой и термометром загружают при 25°С и перемешивании 75 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана и 13,4 г 1,4-бутандиола. 225 г 3,3-бис(хлорметил)оксетана растворяют в 450 г хлористого метилена и дозируют из капельной воронки в реакционную массу в течение 3 часов. 43 г эфирата трехфтористого бора подают в реакционную массу дробным дозированием, не допуская разогрева выше 35°С. После добавления всего количества катализатора и раствора 3,3-бис(хлорметил)оксетана реакционную смесь выдерживают при 30-35°С в течение 2 часов. Затем в реакционную массу при перемешивании добавляют 300 г диметилформамида, упаривают хлористый метилен, охлаждают реакционную массу до температуры 30-35°С и добавляют 900 г воды. При этом выделение олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана происходит в виде мелкодисперсного порошка. Суспензию олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана отжимают от водно-диметилформамидной смеси и промывают водой в фильтрующей центрифуге. Полученный олигомер представляет собой мелкодисперсный порошок от белого до кремового цвета. После сушки до остаточной влаги 0,1-0,2% выход олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана составляет 268 г (85,5%).
Азидирование олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана проводят в реакторе, снабженном мешалкой, рубашкой, обратным холодильником, термометром, в среде аргона при температуре 125°С. Загружают 1072 г диметилформамида, 268 г олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана, 292 г азида натрия, 4 г тетрабутиламмония бромистого и перемешивают при 125°С в течение 25-30 часов. По окончании азидирования в реакционную массу добавляют 536 г хлористого метилена, затем 1072 г воды для растворения солей. Реакционная масса разделяется на два слоя. Органический слой промывают водой от остатков диметилформамида и солей, упаривают хлористый метилен. Олиго-3,3-бис(азидометил)оксетан вакууммируют при 5-10 мм рт.ст. и 80°С в течение 2-3 часов. В результате полученный продукт представляет собой вязкую жидкость от темно-желтого до коричневого цвета, которая при охлаждении структурируется в твердое парафинообразное вещество. Содержание гидроксильных групп 1,0 мас.%. Общий выход олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана составляет 282, 6 г (82,7%).
Пример 7
Способ осуществляют аналогично примеру 6 с той лишь разницей, что после окончания полимеризации в реакционную массу при перемешивании добавляют 300 г диметилсульфоксида, упаривают хлористый метилен, охлаждают реакционную массу до температуры 30-35°С и добавляют 900 г воды. При этом выделение олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана происходит в виде мелкодисперсного порошка. Азидирование олиго-3,3-бис(хлорметил)оксетана осуществляют аналогично примеру 2 с той лишь разницей, что в качестве реакционной среды используют 1072 г диметилсульфоксида. Содержание гидроксильных групп 1,1 мас.%. Общий выход олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана составляет 273 г (80%).
Данные по примерам сведены в таблицу.
Как видно из примеров конкретного выполнения, заявляемый способ позволяет существенно снизить материальные потери и увеличить выход искомого олиго-3,3-бис(азидометил)оксетана с 55-61 до 80-83%. Количество используемого в качестве реакционной среды хлористого метилена уменьшается в 1,7-2,2 раза.
Предлагаемый способ прошел апробацию на пилотной установке ФКП «ГосНИИХП» и подтвердил указанный положительный эффект.