1,1-二取代的乙烯化合物的純化的制作方法

1,1-二取代的乙烯化合物的純化的制作方法
【專利摘要】通過將1,1-二取代的乙烯與氧化鋁接觸并且分離氧化鋁以獲得具有成本、純度、貯藏期和固化速率的優良組合的1,1-二取代的乙烯，從而獲得1,1-二取代的乙烯的生產性改善。
【專利說明】1, 1-二取代的乙烯化合物的純化
[0001] 相關申請
[0002] 本專利申請要求于2012年1月28日提交的、發明人為McConville等人、題目為 "改進的1，1-二取代的乙烯方法"的美國臨時專利申請第61/591，882號的優先權，將其全 部內容引入本文作為參考。

【技術領域】
[0003] 本發明涉及一種用于改善1，1-二取代的乙烯單體和含單體的組合物的固化速度 和/或提供（即各批次間）更一致的固化速度的方法。本發明還涉及一種用于生產1，1-二 取代的乙烯單體（包括亞甲基丙二酸酯（methylidene malonates)和氰基丙烯酸酯，尤其 是亞甲基丙二酸酯）的改進方法及其應用。

【背景技術】
[0004] 1，1-二取代的乙烯單體和包含該單體的組合物是大家熟知的，并且大多數已被廣 泛使用。它們可在廣泛范圍的終端應用中使用，尤其是利用了它們的固化性質或可聚合性 質的終端應用。具體地，在其他應用中，發現它們可在涂料、密封劑和粘合劑中廣泛使用。在 1位具有1個或，優選2個吸電子取代基的上述1，1-二取代的乙烯已經被用于賦予粘合劑 和密封劑以快速的固化速率和高結合強度。它們中最值得注意的是氰基丙烯酸酯，諸如氰 基丙烯酸乙酯、氰基丙烯酸丁酯和氰基丙烯酸辛酯。已顯示出許多前景，但是具有有限的商 業成功的另一類1，1-二取代的乙烯是亞甲基丙二酸酯，包括亞甲基丙二酸二乙酯。
[0005] 1，1-二取代的乙烯的商業成功依賴大量的變量和因素，包括合理的成本、高純度、 良好（尤其長）的貯藏期和快速的固化速率。為了努力實現這些目標，已為它們的制造、純 化和分離做了許多工作來開發新的和/或改進的方法，以及合成方案。
[0006] 例如，通過使諸如氰基乙酸乙酯的氰基乙酸酯與甲醛或諸如仲甲醛的甲醛合成 子進行諾文葛爾縮合反應（Knoevenagel condensation)，然后進行酯交換反應，制備了 α-氰基丙烯酸酯（美國專利第6,245,933號）。然后，將制得的產品混合物裂化并蒸餾以 制造 α -氰基丙烯酸酯單體。
[0007] 在另一制備中（美國專利第7, 569, 719號），氰基乙酸乙酯與由仲甲醛和諸如叔丁 胺的伯胺制備的特定亞胺鹽反應。
[0008] 在WO 2010129068所公開的方法中，由二乙基丙二酸酯和仲甲醛制備了粗制二乙 基亞甲基丙二酸酯，然后進行穩定和蒸餾，之后再次進行穩定和蒸餾。
[0009] 進行了大量的工作來開發各種合成途徑且盡最大努力來純化1，1-二取代的乙 烯，這表明這些材料及其制造是重要的和復雜的。然而，已在氰基丙烯酸酯、亞甲基丙二酸 酯上發現了商業成功，正為之繼續努力。事實上，亞甲基丙二酸酯已是努力了數十年的課 題，即，以商業規模來制備它們，并使其具有商業可行的價格以及合適的固化速度和貯藏穩 定性；然而，一直未獲成功。
[0010] 最早制備亞甲基丙二酸二烷基酯（最簡單的亞甲基丙二酸酯）的兩種方法是碘化 物法和甲醛法，在所述碘化物法中，二碘甲烷與丙二酸二烷基酯反應，在所述甲醛法中，在 堿存在的條件下，甲醛與丙二酸二烷基酯在醇類溶劑的溶液中反應。前者由于非常低的產 率和昂貴的原料，因此并不令人滿意。雖然后者相比碘化物法能夠偶爾提供更好的產率，但 是產率仍然相對較差，更嚴格講，即使在相同的條件下，各批次間的產率也不一致。
[0011] 雖然存在問題，但是早期的努力仍然關注甲醛法。廣為實踐的甲醛法中的一種包 括在金屬醋酸鹽催化劑存在的條件下使丙二酸二乙酯與甲醛在冰醋酸中反應來制備亞甲 基丙二酸二乙酯。之后，在通過過濾去除催化劑以及分離溶劑后，通過蒸餾回收產物。這些 努力持續失敗的同時開發了該基本方法的各種變形和重復，所有這些都是為了改善與之相 關的一致性和產率。
[0012] 作為可選方案，Bachman等人（US 2, 313, 501)教導在羧酸的堿金屬鹽存在的條件 下，使C1?C5二烷基丙二酸酯與甲醛在基本上以無水羧酸為溶劑的溶液中反應，然后分餾 以分離所期望的產物。Bachman等人指出在單體的乙烯基化合物的聚合反應的抑制劑存在 的條件下，可以有利地實施他們的方法。合適的抑制劑據說包含諸如氯化銅的銅鹽（尤其 是諸如醋酸銅的羧酸的銅鹽）、諸如醋酸鐵的鐵鹽和諸如氫醌的酚。這些抑制劑在添加丙二 酸酯之前加入到混合溶液中。
[0013] 雖然Bachman等人報道了產率高達72%，但給出的結果是轉化率，并不是產率。觀 察該方法的實際產率會發現，Bachman等人的最好表現是43%的產率，而所有其它的產率 小于25%。雖然Bachman等人提到高純度和能夠回收純材料，但是他們沒有給出任何有關 那些純度和回收率的細節或數據。無論如何，Bachman等人報道分離的產物在靜置時根據 分離后的材料的純度在一天至幾周時間內聚合，之后該聚合物被加熱至足夠高的溫度以促 進該聚合物逆轉回為單體。
[0014] 另一方面，D'Alelio (US 2,330,033)指出這種方法是不穩定的且多數情況下平均 產率為10%?12%。D'Alelio采用了一種產率在30%以上的改進方法，該方法以1摩爾 的丙二酸酯比至少1摩爾的甲醛的比率在堿性條件下使前者與后者反應，在多數情況下， 在諸如銅、醋酸銅、氫醌、間苯二酚或鄰苯二酚的聚合反應抑制劑的存在下進行反應以形成 羥甲基衍生物。然后，為了延緩進一步反應，使用合適的有機或無機酸將羥甲基衍生物酸化 至pH小于7.0。之后，將酸化的物質脫水以形成相應的亞甲基丙二酸酯，隨后通過蒸餾將其 分離。
[0015] Coover等人（US 3, 221，745和US 3, 523, 097)采用另一種方法來形成亞甲基丙二 酸酯，其選擇以預形成的二烷基烷氧亞甲基丙二酸酯來開始反應。按照他們的方法，在加氫 催化劑存在的條件下，對二烷基烷氧亞甲基丙二酸酯的烯烴雙鍵進行加氫，然后在五氧化 二磷抑制劑存在的條件下對加氫的化合物進行熱解以剝離醇，從而制備亞甲基丙二酸酯。 然后，在低溫下，將生成的物質進行真空蒸餾以分離所聲稱的高純度亞甲基丙二酸酯，但產 率較低。根據Coover等人的描述，使用低溫蒸餾是為了防止通常在高溫蒸餾中所產生的熱 解產物對單體的污染。據說這些高純度的單體在外科手術應用中尤為重要。
[0016] 最終，這種努力引向多步驟方法，其中，將某種不飽和分子作為平臺用于形 成中間加合物，隨后由該中間加合物剝離和回收亞甲基丙二酸酯。例如，Hawkins等 人（US4, 049, 698)發現，某種丙二酸二酯能夠在伯胺、仲胺或叔胺存在的條件下、在約 回流溫度下與甲醛和線狀共軛二烯反應以形成中間加合物，然后，該中間加合物能夠 在超過600°C的溫度下被容易地熱解，從而分離出所期待的亞甲基丙二酸酯。類似地， Ponticello (US4, 056, 543)和 Ponticello 等人（US 4, 160, 864)開發了如下方法，通過該方 法從預先形成的降冰片烯加合物制備了非對稱的亞甲基丙二酸酯，尤其是甲基烯丙基亞甲 基丙二酸酯。所述降冰片烯加合物是在室溫或加熱或使用路易斯催化劑的條件下通過烷基 丙烯酸酯與環戊二烯的狄爾斯-阿爾德（Diels-Alder)反應制得的。然后，使如此形成的 單酯降冰片烯加合物在烷基取代的鋰酰胺絡合物存在的條件下與親電體材料反應以形成 二酯加合物，隨后在400°C至800°C的溫度下、在Imm至760mm Hg的壓力下、在惰性氣氛中 熱解以分離出所期望的亞甲基丙二酸酯。盡管他們獲得了產率和/或純度，但是這些仍沒 有實現商業成功。
[0017] 縱觀上述方法的大量缺點，這些缺點使得上述方法難以（甚至不可能）適應工業 規模。Bru-Magniez等人（US4, 932, 584和US 5, 142, 098)開發了一種方法，其中，通過使單 丙二酸酯或二丙二酸酯在蒽存在的條件下（最優選在選擇的催化劑存在的條件下、在非水 溶劑介質中）與甲醛反應制備了蒽加合物。
[0018] 根據Bru-Magniez等人的描述,蒽加合物容易以高產率生產，而且可以使用任何 已知的方法從蒽加合物中分離而獲得所期望的亞甲基丙二酸酯，該方法包括熱處理、熱分 解（thermolysis)、熱解或水解，優選在馬來酸酐存在的條件進行熱處理。然后，將生成的粗 產物進行多重蒸餾，優選在真空下進行較低溫蒸餾，以回收純化的亞甲基丙二酸酯。盡管主 張得到了高產率，但他們的粗產率通常在21%?71%的范圍內，更重要的是沒有關于所獲 得的材料的純度的說明。
[0019] 基于與Bru-Magniez技術的后繼者的交談，由于整個生產過程和最終產物的高度 不穩定性，商業生產材料的努力遭遇了巨大的困難。事實上，他們報道了高失敗率：通過粗 蒸餾僅獲得有限的批次。由于生成的產物的高不穩定性和自發的聚合反應，因此即使在使 用高于50, OOOppm的SO2穩定后，也不得不將它們保存在冷藏庫中。
[0020] Malofsky等人（W0 2010/129068)通過剝離加合物的同時或之前使用聚合反應抑 制劑解決了一些有關逆狄爾斯-阿爾德（Retro-Diels-Alder)加合物法的方法不穩定性的 問題。使用了諸如三氟乙酸和氫醌的抑制劑。在一些實例中，三氟乙酸也被添加于蒸餾物。 對此僅做了有限的固化研究，但是生成的丙二酸酯能夠與四丁基氟化銨聚合。Malofsky教 導了多種純化方法，包括雙蒸餾和用諸如正庚烷的烷烴提取產物。雖然這是相對于現有技 術的改善，但這些不同的純化方法是高成本的且降低產率。
[0021] 生產具有成本、純度、貯藏期和快速固化速率的優良組合的1，1_二取代的乙 烯的問題并不是亞甲基丙二酸酯或具體生產方法所特有的。Imohel等人（美國專利第 3, 728, 373號）教導了與聚氰基丙烯酸酯一同使用氫醌和其他聚合反應抑制劑，并且分解 它們且從聚合物/穩定劑混合物中蒸餾氰基丙烯酸酯。最近，Malofsky等人（美國專利第 6, 512, 023)建立了如下理論，即通過使用特定組合的某種氣相和某種液相的陰離子聚合反 應抑制劑，能夠改善1，1-二取代的乙烯單體和聚合物的穩定性。這些單體（典型為氰基丙 烯酸酯）表現出改善的穩定性。McArdle (美國專利第7, 973, 119號）通過一種使用質子化 的亞胺的完全不同的方法制備了缺電子的1，1-二取代的乙烯化合物，諸如氰基丙烯酸酯 和亞甲基丙二酸酯。McArdle教導了使用自由基和酸性穩定劑。
[0022] 大量的研究以及努力解決這些問題的大量科研工作者是對認識到1，1-二取代的 乙烯單體（包含亞甲基丙二酸酯和氰基丙烯酸酯）的重要性和存在于它們的生產中的復雜 性的證明，尤指亞甲基丙二酸酯及其使用。反應能力（即，在固化前分離產物的能力）、低 產率、低純度、短貯藏期或要求苛刻的保存條件以及具有的不穩定的固化率持續挫敗那些 克服相同問題的努力。可以肯定的是，穩定化技術以及最終產物和分離最終產物的技術的 改進已明顯改善了反應能力、產率、純度和貯藏期；然而，固化速度仍然不穩定且不可預測。 從純技術的觀點考慮，固化速度或許并不重要，但從商業角度考慮，它是至關重要的。因此， 商業應用受到嚴格限制（即使不期望），并且如果不能夠給出或建立一致和/或可預測的固 化速度，之前的改善是無意義的。可固化的組合物需要確定的固化速度或固化速度參數以 便在商業、醫療和工業領域中應用。
[0023] 然而，存在一種非平衡性，兩個期望的性質（即優異的貯藏期和快速的或可預測 的固化速率）是相互矛盾的，并且犧牲其中一個時，另一個必須妥協。優異的貯藏期表明 良好的穩定性和對聚合反應的抗性，然而快速的固化速率表明高活性以及由此導致的不穩 定，從而產物趨于快速聚合。此外，這些單體生產中的復雜性基于如下事實，許多純化技術 需要高溫（例如，蒸餾），和/或者加速聚合反應和/或提高被研究的材料的不穩定性的條 件。由此，引起了對材料的聚合反應和/或降解的研究。的確，氰基丙烯酸酯的生產利用了 該效應，使單體聚合，然后在某種穩定劑存在的條件下使單體裂化，以有效地再生單體。然 而，該方法不可控的或不適合用于多數1，1-二取代的乙烯單體的生產，尤其亞甲基丙二酸 酯。
[0024] 因此，仍然需要一種用于生產1，1-二取代的乙烯單體，尤指亞甲基丙二酸酯的新 型和/或改進的方法，該方法能夠以高產率；高純度和良好的貯藏期以及快速的、一致的或 可預測的固化速率提供恒定的生產能力。


【發明內容】

[0025] 根據本發明教導，提供了一種改善1，1-二取代的乙烯單體、二聚物、三聚物、低聚 物、低分子量聚合物及其組合的固化性能的方法。特別是，提供了一種如下方法，該方法提 供具有更快速的和/或一致的和更可預測的（從各批次間方面來看）固化速度的1，1-二 取代的乙烯單體、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其組合的方法。具體地，目前 已發現，通過用微酸性至中等強度堿性的氧化鋁處理1，1-二取代的乙烯單體、二聚物、三 聚物、低聚物、低分子量聚合物及其組合，一方面可以提高固化速度，另一方面可以對被處 理的材料的固化速率進行控制和/或提供更高的一致性和/或可預測性。
[0026] 根據本發明教導的第二方面，提供了一種用于生產和分離1，1-二取代的乙烯單 體、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其組合的改進方法，其中，所述改進包括用 微酸性至中等強度堿性的氧化鋁處理1，1-二取代的乙烯單體、二聚物、三聚物、低聚物、低 分子量聚合物及其組合。處理可在分離（separate)/分離（isolate)和/或純化1，1-二取 代的乙烯單體、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其組合所采用的那些步驟之前、 過程中或之后進行。優選地，上述處理在最后的高溫蒸餾、蒸發或類似過程（如果存在）后 進行。
[0027] 根據本發明教導的第三方面，提供了包含由上述方法得到的1，1-二取代的乙烯 單體、二聚物、三聚物、低聚物、低分子量聚合物及其組合的組合物，與沒有經過氧化鋁處理 的相同組合物相比，所述組合物具有改善的和更一致的固化速率。在該方面中，本發明教導 還涉及一種通過調節處理過程和/或處理的材料的摻混量來定制固化速度的方法。
[0028] 雖然本發明教導通常適用于1，1-二取代的乙烯，但是其尤其適用于那些穩定性 和/或聚合反應受到所存在的酸或酸性物質的不良影響的單體，特別是，本發明教導尤其 適用于氰基丙烯酸酯和亞甲基丙二酸酯，尤其最適用于聚合反應被所存在的酸和酸性物質 減緩（如果沒有被完全抑制）的亞甲基丙二酸酯。
[0029] 如上所述，本發明在于使用氧化鋁作為1，1-二取代的乙烯的處理劑。適合在本發 明教導的實踐中使用的氧化鋁是那些具有輕度酸性至中等強度堿性PH的氧化鋁。優選地， 氧化鋁具有約pH 5. 5至pH 8. 5的pH(在中性水中測量），更優選約pH 6至pH 8。
[0030] 氧化鋁處理可以用于使1，1-二取代的乙烯單體、二聚物、三聚物、低聚物、低分子 量聚合物和/或其組合與氧化鋁接觸的任何合適方式進行。典型地，以批量或批量改良的 連續方式進行該方法：后者包括將給定量的待處理的組合物循環通過氧化鋁柱直至達到所 期望的接觸時間。當然，連續的方法還適合提供足夠的氧化鋁和被處理的材料之間的接觸 時間，從而對固化速率提供所期望的效果。
[0031] 典型地，氧化鋁處理在約0°C至約150°C、優選約20°C至70°C下實施從約5分鐘 至約20小時，優選實施約10分鐘至5小時。所采用的氧化鋁的量依賴許多因素，包括所 采用的方法。通常來講，尤其在批量法中，基于單體的重量，氧化鋁的量為約〇.5wt. %至約 20wt. %，優選約2wt. %至約IOwt. %。可以采用更高的濃度，但是這種高濃度使得難以攪 動材料，并且由于單體潤濕了氧化鋁的表面，從而導致單體的損失。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1是表示在從實施例15的研究中所得到的不同條件下大量2. 1. 2單體的誘導 時間變化的圖表。
[0033] 圖2是表示根據實施例15的研究密封于玻璃安瓿瓶中的2. 1. 2單體的誘導時間 變化的圖表。

【具體實施方式】
[0034] 一方面，雖然本發明教導提供了一種用于處理1，1-二取代的乙烯（尤其是單體） 的新方法，但是該方法同樣適用于它的二聚物、三聚物、低聚物和低分子量聚合物，以及任 何兩種或多種前述物質的組合，由此改善了固化速度和/或固化速度控制或可預測性。具 體地，提供了一種如下方法，其中所述1，1-二取代的乙烯被某種氧化鋁材料（具體是具有 微酸性至中等強度堿性PH的氧化鋁）處理，從而改善了固化速度和/或固化速度可預測 性。另一方面，本發明教導提供了用于生產和/或分離或純化1，1-二取代的乙烯的改進方 法，其中，該方法進一步包括如下步驟，即用某種氧化鋁材料（具體為具有微酸性至中等強 度堿性PH的氧化鋁）處理粗產物、或者純化的或部分純化的反應產物。最終，本發明教導 提供和主張根據本發明教導加工的處理后的1，1-二取代的乙烯及包含其的組合物。
[0035] 在其最寬泛的概念中，本發明教導應用于在一個位置具有至少一個吸電子取代基 的1，1-二取代的乙烯，其中優選的吸電子基團選自腈類（包含氰基）、硝基、羧酸、羧酸酯、磺 酸和磺酸酯、酰胺、酮和甲酰基，尤其選自氰基和羧酸酯，優選氰基和羧酸酯。如同上文和此中 所述，雖然本發明教導適用于1，1-二取代的乙烯單體、二聚物、三聚物、低聚物和低分子量聚 合物，以及任何兩種或多種前述物質的組合，但為了簡單和簡潔，下述討論將只涉及單體，但 應理解本發明教導不局限于此。事實上，經驗表明大多數用于1，1-二取代的乙烯（尤指亞甲 基丙二酸酯）的反應法生成單體、二聚物、三聚物、低聚物和/或低分子量聚合物的組合。
[0036] 尤其本發明方法通常適用于生產1，1-二取代的乙烯單體，但不局限于具有通式I 的那些單體：
[0037]

【權利要求】
1. 一種用于改善在1位具有一個或兩個吸電子取代基的1，1-二取代的乙烯的固化特 性的方法，所述方法包括以設定的量將所述1，1-二取代的乙烯與具有微酸性至中等強度 堿性的pH的氧化鋁接觸一段時間，從而與沒有經過如此處理的相同材料相比，減少了所述 1，1-二取代的乙烯的固化誘導時間。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯是乙烯單體、乙烯二聚物、 乙烯三聚物、乙烯低聚物或乙烯低分子量聚合物、或者任何一種或兩種前述物質的組合。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯包括單體或單體組合物。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，所述吸電子取代基的至少一個選自由氰基、羧酸、 羧酸酯、酰胺、酮和甲酰基所組成的組。
5. 根據權利要求1所述的改善方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯具有通式：
其中，R選自由!1和烴基所組成的組，X選自由烴基、氰基、羧酸、羧酸酯、酰 胺、酮和甲酰基所組成的組，并且Y選自由氰基、羧酸、羧酸酯、酮和甲酰基所組成的組。
6. 如權利要求5所述的改善方法，其中，R是H，并且X和Y獨立地選自由氰基和羧酸 酯所組成的組。
7. 如權利要求5所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯具有通式：
其中，X選自由氰基和羧酸酯所組成的組，并且&是烴基基團。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯選自由如下物質所組成的 組：
9. 如權利要求1所述的方法，進一步包括將處理后的1，1-二取代的乙烯與所述氧化鋁 分尚的步驟。
10. 如權利要求1所述的方法，其中，所述氧化鋁具有5. 0?8. 5的pH。
11. 如權利要求1所述的方法，其中，所述氧化鋁具有5. 5?8. 0的pH。
12. 如權利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯與氧化鋁在某溫度下接 觸，1，1-二取代的乙烯與氧化鋁在l〇°C?70°C的溫度下接觸。
13. 如權利要求1所述的方法，其中，所述1，1-二取代的乙烯與氧化鋁在25°C?60°C的溫度下接觸。
14. 如權利要求1所述的方法，其中，以批量形式進行所述處理，基于所述1，1-二取代 的乙烯的重量，將設定量的所述1，1-二取代的乙烯與約0. 5wt%?約20wt%的氧化鋁結 合。
15. 如權利要求1所述的方法，其中，以批量形式進行所述處理，基于所述1，1-二取代 的乙烯的重量，將設定量的所述1，1-二取代的乙烯與約lwt%?約15wt%的氧化鋁結合以 形成漿料。
16. 如權利要求15所述的方法，其中，在進行攪拌或沒有攪拌的情況下將所述漿料放 置約5分鐘至20小時。
17. 如權利要求15所述的方法，其中，在進行攪拌或沒有攪拌的情況下將所述漿料放 置約10分鐘至5小時。
18. -種用于生產可聚合的1，1-二取代的乙烯單體和單體組合物的改進方法，其中， 所述改進包括將權利要求1所述的方法整合至用于生產液態粗單體且通過氧化鋁柱或類 似氧化鋁容器分離液態粗單體一次或多次的方法中。
19. 一種可聚合的1，1-二取代的乙烯單體或單體組合物，包括權利要求1所述的方法 的產品。
20. -種可聚合的1，1-二取代的乙烯單體或單體組合物，包括權利要求18所述的改進 方法的產品。
【文檔編號】B01D15/00GK104411668SQ201380016735
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年1月28日 優先權日:2012年1月28日
【發明者】弗朗西斯·麥康維爾, 約翰·格雷戈里·里德, 穆魯加帕·韋達查拉姆 申請人:Opt邁德有限公司