羟甲基乙内酰脲的制备方法

专利名称：羟甲基乙内酰脲的制备方法技术领域：本发明涉及固体无水羟甲基乙内酰脲的制备方法。本发明方法避免了通常与固体混合有关的加工方面的限制，并且可使用普通的液相反应器生产固体无水乙内酰脲。羟甲基乙内酰脲是一种无色、无味、水溶性化合物，并可作为甲醛给予物质用于对微生物生长敏感的某些制品中。这些制品包括工业产品例如液体洗涤剂，水基表面活性剂，软皂，水基涂料，纤维软化剂，室内除臭剂/空气清洁剂，聚合物乳液，纺织品用保护涂料，建筑涂料，水基凝胶，密封胶和腻子，纸涂料用胶乳，水基墨水，木才防腐剂等等;也包括个人卫生用品例如化妆品，香波，脂膏，洗剂，粉状品等等。羟甲基乙内酰脲例如单羟甲基二甲基乙内酰脲(MDMH)或二羟甲基二甲基乙内酰脲(DMDMH)典型地是以含水溶液的形式制备的，通常的制法是使一摩尔DMH与一摩尔或2摩尔甲醛羟甲基化。特别地，Foelsh在US3，987，184中公开了一种制备DMDMH含水溶液的方法，其中每摩尔5，5-二甲基乙内酰脲(5，5-DMH)与1.85-2，4摩尔甲醛(水溶液)在pH约7-9，于约22℃-65℃温度下反应约20分钟。但是，由于溶剂和运输含水溶液的费用，增加了含水MDMH和DMDMH溶液的产品成本。因此，需要一种干品。制备干品的最简单的方法是将羟甲基乙内酰脲从溶剂中分离出。但是，分离过程一般都比较冗长费时并且包括一个或多个加工步骤。Farina等人在US4，908，465中公开了制备干的结晶的羟甲基乙内酰脲的方法，该方法是使乙内酰脲，甲醛源如多聚甲醛和催化剂混合，然后在升温下使各组分反应。但是，由于反应剂是干混合的然后加热至极端温度，因此所需设备复杂而不易实现。已经发现了液相制备固体无水羟甲基乙内酰脲的方法。这些方法可以在普通的液体加工反应器中实施，原因是初始填充的反应器中含有含水介质。在本发明方法中，反应器决不含有完全固体的中间体物质。因此，不需要承受反应热的特殊的干燥加工设备。本发明的第一个实施方案(含水介质/熔融体系方法)提供了一种制备固体无水羟甲基乙内酰脲的方法，包括(a)脱水和加热含水可搅拌介质，得到基本无水的可搅拌熔体，所述含水可搅拌介质包括(A)一种选自如下组的溶质(ⅰ)二羟甲基二甲基乙内酰脲，(ⅱ)乙内酰脲反应物，(ⅲ)甲醛源反应物，或(ⅳ)上述反应物的任何混合物;和(B)必要时加入的一种催化剂;(b)向上述可搅拌熔体中加入一种反应物混合物，得到一熔融体系，所述反应物混合物包括(A)(ⅰ)与上述相同或不同的乙内酰脲反应物，(ⅱ)与上述甲醛源反应物相同或不同的基本无水的甲醛源反应物，或(ⅲ)上述反应物的混合物;以及(B)必要时加入的与上述相同的或不同的催化剂;其中熔融体系包括(ⅰ)至少一种乙内酰脲反应物和(ⅱ)至少一种脱水的甲醛源反应物或基本无水的甲醛源反应物;(c)使(ⅰ)至少一种所述乙内酰脲反应物和(ⅱ)至少一种所述的脱水的甲醛源反应物或基本无水的甲醛源反应物在熔融体系中反应，同时除去反应生成的水，得到无水的熔融羟甲基乙内酰脲;和(d)固化熔融的羟甲基乙内酰脲。在第二个实施方案中(综合体系法)，固体无水羟甲基乙内酰脲的制备方法如下在如上所述的含水可搅拌介质中，使由(ⅰ)与上述相同或不同的乙内酰脲反应物，(ⅱ)与上述甲醛源反应物相同或不同的基本无水的甲醛源反应物或(ⅲ)上述反应物的混合物以及(ⅳ)必要时加入的与上述相同或不同的催化剂组成的反应物混合物反应;其中(ⅰ)至少存在一种乙内酰脲反应物和(ⅱ)至少存在一种甲醛源反应物或基本无水的甲醛反应物;同时加热至至少为羟甲基乙内酰脲的熔化温度并同时除去基本全部的水;得到熔融的羟甲基乙内酰脲;并接着固化熔融的羟甲基乙内酰脲。上述方法可以间歇法或半连续法实施。DMDMH为甲醛给予物质，是DMH和甲醛的二甲酰化产物。MDMH作为中间体首先生成。MDMH本身是一种含有约19%(重量)的键合的但可游离出来的甲醛的甲醛清除剂。接下的MDMH与甲醛的反应得到DMDMH，理论上其含有31.9%的键合的但可游离出来的甲醛。在本发明方法中，首先提供一种含水可搅拌的反应介质。因为初始的反应介质呈液相，因此可使用普通的液相反应器例如带搅拌的箱式反应器，Pfaudlers反应器等。不需要为同时混合和加热干反应物或混合物而设计的特殊反应器。含水可搅拌的反应介质可以是悬浮、溶解或载于一含水介质或溶剂中的包括羟甲基乙内酰脲或羟甲基乙内酰脲前体(在此称之为“溶质”)的溶液，混合物，尤其是悬浮液或混合形式。合适的介质溶质是DMDMH;乙内酰脲反应物，包括但不限于DMH和/或MDMH;甲醛源反应物，或上述物质的任何混合物，必要时，也可加入下述的催化剂。适宜的DMDMH溶质包括，但并不限于，DMDMH如1，3-二羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲，MDMH如1-或3-羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲。适于在含水可搅拌介质中用作乙内酰脲反应物溶质的DMH包括，但并不限于，二甲基乙内酰脲如5，5-二甲基乙内酰脲，单羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲，5-乙基-5-甲基乙内酰脲，或上述化合物的混合物。适宜的MDMH乙内酰脲反应物溶质包括，但并不限于，1-或3-羟甲基-5-乙基-5-甲基乙内酰脲，或上述化合物的混合物。适于用作含水可搅拌介质的溶质的甲醛源反应物包括任何可溶于水的甲醛，优选多聚甲醛、福尔马林等。多聚甲醛为具有化学式HO(CH2O)2-H(其中n约为8-100)的甲醛聚合物。适于加到可搅拌熔体或可搅抖介质中的反应混合物中的乙内酰脲反应物包括任何本领域已知的乙内酰脲反应物，这些乙内酰脲反应物在有或没有催化剂存在下，在基本无水的体系中，特别是本发明的熔融体系中，与基本无水的甲醛反应。可同时使用一种以上乙内酰脲反应物的混合物。这些乙内酰脲反应物包括，但并不限于，DMH如5，5-二甲基乙内酰脲，MDMH如1-单羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲，5-乙基-5-甲基乙内酰脲或其混合物。基本无水的甲醛源反应物的水含量不大于1%(重量)。优选的基本无水的甲醛源反应物为多聚甲醛。用于可搅拌介质中或加到乙内酰脲和/或甲醛反应物中的催化剂通常包括，但并不限于，碱金属或碱土金属盐，如碳酸钠、碳酸氢钠和氢氧化钠。含水可搅拌介质或反应混合物可以提供最终用来生成固体无水羟甲基乙内酰脲的乙内酰脲反应物或甲醛源反应物，但条件是在可搅拌介质或反应混合物中有至少一种乙内酰脲反应物和至少一种甲醛源反应物用于反应。在熔融体系中反应的乙内酰脲反应物与无水甲醛源反应物或基本无水甲醛源反应物的摩尔比最好在约1∶1至约1∶2的范围内。含水可搅拌介质或可搅拌熔体与乙内酰脲反应剂的摩尔比根据反应器的设计而改变，且可在很宽的范围内变化，只要有足够的物料在反应器中受到例如，搅拌器的搅拌。这种反应器的设计对于本领域的普通技术人员来说是已知的。该摩尔比最好在约1至约0.1的范围内。用本发明方法制备的羟甲基乙内酰脲的组成取决于在可搅拌介质中所加的羟甲基乙内酰脲或乙内酰脲，和/或在熔融体系中所加乙内酰脲反应物，以及反应物的摩尔比。例如，如果DMH(优选5，5-二甲基乙内酰脲)在可搅拌介质中或作为乙内酰脲反应物，且DMH与甲醛源反应物的摩尔比约为1∶1，则会得到固体无水MDMH，特别是1-或3-羟甲基乙内酰脲。如上述摩尔比在约1∶1至约1∶2之间，会得到上述MDMH和DMDMH，特别是1，3-二羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲的混合物。如上述摩尔比达到1∶2，反应产物基本全是DMDMH。如果在可搅拌介质中有羟甲基乙内酰脲或以MDMH，特别是单羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲作为乙内酰脲反应物，产物通常为DMDMH，特别是1，3-二羟甲基-5，5-二甲基乙内酰脲。如果在可搅拌介质中有羟甲基乙内酰脲或以乙基甲基乙内酰脲(EMH)，特别是5-乙基-5-甲基乙内酰脲为乙内酰脲反应物，且EMH与甲醛源反应物的摩尔比约为1∶1，得到的产物将为一羟甲基乙基甲基乙内酰脲(MEMH)，特别是1-或3-羟甲基-5-乙基甲基乙内酰脲。如果上述摩尔比在约1∶1至约1∶2之间，得到的产物为MEMH与二羟甲基乙基甲基乙内酰脲(DMDMH)的混合物。如上述摩尔比达到1∶2，反应产物基本全是DMEMH。可搅拌介质中的羟甲基乙内酰脲混合物或乙内酰脲混合物和/或乙内酰脲反应物以及摩尔比可调节，如本领域的普通技术人员所知或发上所述，以得到特定的产品或产品混合物。在本发明的一个实施方案的典型方法中，向反应器中加入一定量的含水可搅拌介质，或者在反应器中直接制备含水可搅拌介质。然后随着介质温度的升高，对含水可搅拌介质脱水，从而脱水完成(即水含量低于1%(重量)〕后，介质温度高于含水可搅拌介质中存在的一种或多种羟甲基乙内酰脲或乙内酰脲的熔化温度。一般地说，该温度至少约80℃，优选的是至少约90℃至约110℃，但该温度随可搅拌介质的组成而变化。通常在减压下进行脱水，例如在真空或约10至约200mmHg部分真空下进行脱水。然后将可搅拌熔体作为“尾料”或介质，向其加入乙内酰脲反应物，基本无水的甲醛源或这两者的混合物。还可向其加入催化剂。“尾料”与乙内酰脲反应物的摩尔比一般在约1至约0.1间。可以调节各组分的量，以使反应器的容量得到最大限度的利用。这一点，是本领域的普通技术人员所已知的。所有反应物可同时加入，也可将反应物顺序加入或分批加入。最初，各反应物组分在熔融状态下反应，优选在至少约80℃至约110℃的温度下反应。在脱水溶质甲醛或基本无水甲醛，例如多聚甲醛，与乙内酰脲的反应中，由于多聚甲醛的解聚而产生反应水。可以用本领域的技术人员所熟知的任何方法从熔融体系中除去反应水，优选采用抽真空的方法。这样就会得到无水熔融羟甲基乙内酰脲，随后通常以结晶的形式固化。在本发明的另一实施方案中，在加热升至熔融温度的同时，从含水可搅拌介质和反应物混合物中除去水。本发明的方法可以间歇操作或半连续操作的方式实施。在半连续操作中，将一部分熔融羟甲基乙内酰脲留在反应器中，或转移到另一个反应器中，作为供后续反应所用的尾料，而其余部分则如上所述，固化为固体无水羟甲基乙内酰脲产物。在本发明的方法中可以使用本领域常用的液体反应器，混合装置和固化装置。所有的脱水、加热、混合及加料步骤都按本领域常规的操作方式进行。用下述不具限制作用的实施例说明本发明。除非另有说明，所有的份数和百分比均以重量计。采用下述分析方法。通过与羟胺盐酸化物反应测定游离甲醛。每摩尔甲醛释放出1摩尔氯化氢。通过用碱进行电位滴定来确定氯化氢的量。用气相色谱来测定溶液的组成(DMH、MDMH和DMDMH的百分比)。可用下述两种方法中的一种来测定甲醛总量。第一种方法称为Hantzsch法，通过与乙酸铵和乙酰丙酮反应，使结合的甲醛从二甲基乙内酰脲环中释放出来。结合的和游离的甲醛与乙酸铵和乙酰丙酮反应，生成3，5-二乙酰基-14，-二氢二甲基吡啶。测定二甲基吡啶衍生物于413纳米的吸收，通过与标准曲线的比较来确定甲醛的量。第二种测定甲醛总量的方法为碱氧化法。在含过量氢氧化钾的溶液中，用过氧化氢氧化甲醛，生成甲酸钾。用无机酸电位滴定过量的氢氧化钾。用KarlFischer技术测量水。实施例1向一装有磁性搅拌器、搅拌棒、温度计、加热套、温度调节器、冷凝器和玻璃塞的500毫升四颈圆底烧瓶加入243.2克(3摩尔)福尔马林(37%的甲醛水溶液)。用0.05克50%的氢氧化钠将福尔马林的pH值调到8.1。在室温下，加入192.2克(1.5摩尔)DMH，搅拌混合物，其温度升至40℃。反应进行1小时，得到单羟甲基乙内酰脲含水悬浮液，含34.3%水，1.3%游离甲醛，甲醛总量为21.5%。在另一个500毫升四颈圆底烧瓶上配置顶部搅拌棒、温度计、蒸馏头和玻璃塞。在蒸馏头上配置温度计、冷凝器、收集馏出液的量筒以及真空接头。通过油浴和温度调节器控制温度。向该烧瓶中加入183.9克羟甲基乙内酰脲含水悬浮液可搅拌介质，加热。温度达到40℃时，抽真空(56毫米汞柱)。温度缓升至95℃。水于60℃开始蒸出。温度达到95℃时，将混合物于56毫米汞柱保持30分钟，得到可搅拌熔体。在冷阱中共收集69.6克水。然后将烧瓶放空，加入0.38克(计划加入的固体物重量的1%)碳酸氢钠催化剂。向可搅拌熔体中加入256.3克(2摩尔)DMH和125.4克(4摩尔)95%多聚甲醛，将温度保持在80℃之上，得到熔融体系。加完后，熔融体系的温度升至95℃，在此温度下保温1小时。抽真空(56毫米汞柱)45分钟，得到无水熔融羟甲基乙内酰脲。将反应器放空。将熔融无水羟甲基乙内酰脲倾于铝箱之上，冷却后得到白色晶状固体。分析固体产物，结果列于表1。表1甲醛总量30.8%游离甲醛＜0水0.58DMH0.3MDMH2.6DMDMH96.8多羟甲基乙内酰脲0.3实施例2在一个500毫升四颈烧瓶上配置顶部搅拌棒、温度计、蒸馏头和玻璃塞。在蒸馏头上配置温度计、冷凝器、收集馏出液的量筒和真空接头。向该烧瓶加入111.3克55%DMDMH/MDMH水溶液作为可搅拌介质，以及0.35克碳酸氢钠催化剂。搅拌该介质。用15分钟加入约268.7克(2.1摩尔)DMH和125.8克(3.98摩尔)95%的多聚甲醛预混合物，同时加热，以使加料完成时温度达39℃。抽真空(62毫米汞柱)，并保持真空，温度在1.5小时内升至101℃，共收集到约50克水。将该产物固化为白色晶状固体。分析结果表明，产物中甲醛总量为30.8%，游离甲醛的含量为0.02%，水的含量为0.48%。实施例3(综合体系法)在一个500毫升四颈烧瓶上配置顶部搅拌棒、温度计、蒸馏头和玻璃塞。在蒸馏头上配置温度计、冷凝器、收集馏出液的量筒和真空接头。向该烧瓶加入53.0克水，然后加入176.0克DMH，得到粘稠的、但仍可搅拌的淤浆状可搅拌介质。再加入24.9克水，将温度升至41℃。再加入80.5克(共计2摩尔)DMH。将混合物的温度升至53℃，并保持该温度45分钟。用15分钟加入126.4克(4摩尔)95%的多聚甲醛。再加热。当温度升至72℃，抽真空(48毫米汞柱)，以除去水。在其后的2小时内，将温度升至98℃，将真空逐渐升至56毫米汞柱。将产物固化。分析结构表明，产物中甲醛总量为30%，游离甲醛含量＜0.01%，水含量为0.8%。实施例4(含水介质/熔融体系的半连续法)重复实施例1的操作。但在将产物倾于铝箔之上后，将120克熔融产物留于烧瓶内，作为可搅拌介质。用约25分钟加入0.38克碳酸氢钠，然后加入256.3克(2摩尔)DMH和126.4克(4摩尔)95%的多聚甲醛。将温度保持于95℃至97℃，逐渐抽真空至62毫米泵柱，再用1小时45分钟除去水。将产物固化。分析结果表明，产物中甲醛总量为30.8%，游离甲醛含量为0.01%，水含量为0.41%实施例5(含水介质/熔融体系法)在一个500毫升四颈烧瓶上配置顶部搅拌器、温度计、蒸馏头和玻璃塞。在蒸馏头上配置温度计、冷凝器、收集馏出液的量筒和真空接头。向该烧瓶加入11.3克55%DMDMH/MDMH水溶液作为可搅拌介质。该可搅拌介质的甲醛总量为18.1%，游离甲醛含量为0.83%，水含量为45%。将该介质在真空(56毫米汞柱)下脱水，温度升至95℃，得到可搅拌熔体。分析该熔体后发现，其甲醛总量为31.1%，游离甲醛含量为0.05%，水含量为0.82%。搅拌该熔体，然后用15分钟加入约256.3克(2摩尔)DMH和126.4克(4摩尔)95%的多聚甲醛的预混合物，同时加热，以使加料结束时的温度达39℃。然后抽真空(62毫米汞柱)，并保持真空。用1.5小时将温度升至101℃。共收集到50克水。将产物固化，得到白色晶状固体。分析表明，产物中的甲醛总量为31.7%，游离甲醛的含量＜0.01%，水含量为0.44%。所有上述所引用的专利和试验方法在本文中仅起参考作用。根据上述详细描述，本领域的普通技术人员能对本发明做出一些改动。但这些改动都不超出本发明的范围。权利要求1.一种制备固体无水羟甲基乙内酰脲的方法，包括(a)脱水和加热一种含水可搅拌介质，得到一种基本无水的可搅拌熔体，所述含水可搅拌介质包括(A)一种选自如下组的溶质(i)二羟甲基二甲基乙内酰脲，(ii)乙内酰脲反应物，(iii)甲醛源反应物，或(iv)上述反应物的任何混合物；以及(B)必要时加入的一种催化剂；(b)向上述可搅拌熔体中加入一种反应物混合物，得到一种熔融体系，该反应物混合物包括(A)(i)与上述相同的或不同的乙内酰脲反应物，(ii)与上述甲醛源反应物相同或不同的基本无水的甲醛源反应物，或(iii)上述反应物的混合物；以及(B)必要时加入的与上述相同的或不同的催化剂；其中所述的熔融体系包括(i)至少一种乙内酰脲反应物和(ii)至少一种脱水的甲醛源反应物或基本无水的甲醛源反应物；(c)使(i)至少一种所述的乙内酰脲反应物和(ii)至少一种所述的脱水的甲醛源反应物或基本无水的甲醛源反应物在所述的熔融体系中反应，同时除去反应生成的水，得到无水的熔融羟甲基乙内酰脲；以及(d)固化所述的熔融羟甲基乙内酰脲。2.权利要求1所述的方法，其中所述的固体无水羟甲基乙内酰脲包括单羟甲基二甲基乙内酰脲，二羟甲基二甲基乙内酰脲或其混合物。3.权利要求1所述的方法，其中所述的脱水步骤(a)是在10-200mmHg的减压下进行的。4.权利要求1所述的方法，其中所述的熔融体系的温度在约80℃至约110℃范围内。5.权利要求1所述的方法，其中所述的脱水步骤(a)是在10-200mmHg减压下，加热步骤(a)在约80℃-110℃温度下进行的。6.权利要求1所述的方法，其中所述的在步骤(c)反应生成的水借助抽真空方式除去。7.权利要求1所述的方法，其中所述的方法为间歇法。8.权利要求1所述的方法，其中所述的方法为半连续法。9.权利要求8所述的方法，其中步骤(d)包括(1)保留所述熔融羟甲基乙内酰脲第一部分作为可搅拌熔体并重复步骤(b)-(d);以及(2)固化所述熔融羟甲基乙内酰脲第二部分。10.权利要求1所述的方法，其中在所述熔融体系中的所述乙内酰脲反应物为二甲基乙内酰脲，所述脱水的甲醛源反应物或其本无水的甲醛源反应物为多聚甲醛。11.权利要求10所述的方法，其中所述二甲基乙内酰脲和所述多聚甲醛以约1∶1至约1∶1的摩尔比加入。12.权利要求1所述的方法，其中在所述的熔融体系中所述可搅拌熔体对所述乙内酰脲反应物的摩尔比在约1∶1至约1∶10范围内。13.一种制备固体无水羟甲基乙内酰脲的方法，包括(a)为得到熔融羟甲基乙内酰脲，使一种反应物混合在一种含水可搅拌介质中反应，所述反应物混合物包括(ⅰ)一种乙内酰脲反应物，(ⅱ)一种基本无水的甲醛源反应物或(ⅲ)上述反应物的混合物，以及(ⅳ)必要时加入的一种催化剂;所述含水可搅拌介质包括(A)一种选自如下组的溶质(ⅰ)二羟甲基二甲基乙内酰脲，(ⅱ)与上述相同或不同的乙内酰脲反应物，(ⅲ)与上述基本无水的甲醛源反应物相同或不同的甲醛源反应物，或(ⅳ)上述反应物的任何混合物;以及(B)必要时加入的一种催化剂;其中(ⅰ)存在至少一种乙内酰脲反应物和(ⅱ)至少存在一种甲醛源反应物或基本无水的甲醛源反应物;同时加热至至少为所述无水羟甲基乙内酰脲的熔化温度;并同时除去基本全部的水;以及(b)固化所述的熔融羟甲基乙内酰脲。14.权利要求13所述的方法，其中所述的固体无水的羟甲基乙内酰脲包括单羟甲基二甲基乙内酰脲，二羟甲基二甲基乙内酰脲，或其混合物。15.权利要求13所述的方法，其中所述除去水的步骤在约10-约200mmHg减压下进行。16.权利要求13所述的方法，其中所述加热是于约80℃-110℃范围内进行的。17.权利要求13所述的方法，其中所述的除去水的步骤是在约10-200mmHg减压下进行的，所述加热步骤是于约80℃至约110℃范围内进行的。18.权利要求13所述的方法，其中所述的方法为间歇法。19.权利要求13所述的方法，其中所述的方法为半连续法。20.权利要求19所述的方法，其中步骤(b)包括(1)(ⅰ)保留所述熔融羟甲基乙内酰脲第一部分作为可搅拌介质，并重复步骤(a)和(b);和(2)固化所述熔融羟甲基乙内酰脲第二部分。21.权利要求13所述的方法，其中所述乙内酰脲反应物为二甲基乙内酰脲，所述甲醛源反应物或基本无水的甲醛源反应物为多聚甲醛。22.权利要求21所述的方法，其中所述二甲基乙内酰脲和所述多聚甲醛以约1∶1至约1∶的摩尔比进行反应。23.权利要求13所述的方法，其中所述可搅拌介质与所述乙内酰脲反应物的摩尔比在约1∶1至约1∶10范围内。全文摘要公开了一种制备固体无水羟甲基乙内酰脲的方法，该方法包括脱水和加热一种含水可搅拌介质，得到一种基本无水的可搅拌熔体；向所述的熔体中加入一种反应混合物，得到一种熔融体系；使至少一种乙内酰脲反应物和至少一种脱水甲醛源反应物或基本无水的甲醛源反应物在所述熔融体系中反应，同时除去反应生成的水，得到无水熔融羟甲基乙内酰脲；固化所述的熔融羟甲基乙酰脲。上述方法可以间歇法或半连续法实施。文档编号C07D233/72GK1080635SQ93105790公开日1994年1月12日 申请日期1993年5月21日 优先权日1992年5月21日发明者T·E·法瑞纳, D·A·伯格 申请人:伦萨公司