具有低封留游离溴含量的高指标成分的十溴二苯基烷烃产物的制备

摘要

制备一种高指标成分的十溴二苯基烷烃产物，其中所述的亚烷基包含约1-10个碳原子并且封留游离溴的含量＜500ppm。所述的方法包括在铝、卤化铝或卤化铁催化剂存在下，使用有限过量的溴在液相反应混合物中对具有1-10个碳原子的至少一种α，ω-二苯基烷烃进行溴化，其中此类卤化物的原始卤素原子为氯原子、溴原子或这二者。所述的有限过量的溴为使得在实施所述的反应中使用的溴的最大过量为相对于将一定用量的α，ω-二苯基烷烃转化为十溴二苯基烷烃所需的化学计量的大约20摩尔％。在未使用热处理、烤箱老化、或研磨、或其他形式的粉碎下制备高指标成分的十溴二苯基烷基粗产物。

说明书

技术领域

本发明涉及无需对粗产物进行热处理/烤箱老化以及研磨或其他形式的粉 碎以便减少封留游离溴的条件下制备包含低量封留游离溴的高指标成分的十 溴二苯基烷烃产物。

背景技术

目前，高指标成分的十溴二苯基乙烷(也称为α，ω-双(五溴苯基)乙烷)是 通过使用无水氯化铝作为催化剂在过量的溴存在下溴化1，2-二苯基乙烷来制备 的。使用这种过量(通常为80％-150％化学计量过量)的主要原因是由于溴不 仅作为反应物，而且作为混合所需的溶剂。然后，回收过量的溴并回收利用到 下一批次中。但是，使用这种大量过量的溴不仅导致某些不需要的杂质形成， 而且使得大量的游离的溴在产物形成的过程中被捕获在粒子中。被捕获在产物 粒子中的这种游离的溴，通常被称为封留游离溴，必须在其可以用作塑料阻燃 剂之前由粗产物中除去。优选的是，与所有其他阻燃剂类似，十溴二苯基乙烷 不应该有游离的溴残留在粒子中。然而，事实上，总是有一些(200-300ppm) 保留在产物成品中。虽然可以通过使用溶剂的重结晶由粒子中有效地除去捕获 的溴，但是这种加工在商业上对类似于十溴二苯基乙烷之类的材料而言是不切 实际的，所述的十溴二苯基乙烷在几乎所有的有机溶剂中的溶解度都是特别差 的。例如，十溴二苯基乙烷在回流(98℃)下在二溴甲烷中的溶解度为大约 0.2重量％，在回流的氯苯(130℃)中为大约0.9重量％。用于减少封留游离 溴含量的另一个已知的技术为研磨、磨碎或粉碎产物使得捕获的溴可以被释放 并通过溶剂洗涤除去。商业上，在高温(280-300℃)下加热诸如十溴二苯基 乙烷之类的难溶阻燃剂，以便减少在形成时被捕获在粒子内的大量的游离的 溴。事实上，游离的溴如此紧密地与十溴二苯基乙烷粒子结合，使得通常需要 延长的时间以用于将游离的溴含量减少至少于300ppm(wt/wt)的所需的规范。 对十溴二苯基乙烷粗产物的这种高温处理，与相关的干燥步骤偶联，往往会显 著地增加制造这种产物的整体成本，还会导致颜色退化。

发明概述

在尝试大量减少制造十溴二苯基乙烷产物的成本中，研发出了新的且显著 改善的溴化方法。该方法使用诸如二溴甲烷之类的合适溶剂作为溴化介质，并 且大量地减少了过量的溴(例如10-20％或者较少过量的，而非商业上使用的 80-100％过量的)从而生产出具有所不需的杂质水平被有效减少且具有良好的 颜色的、合适高指标成分的产物。由于被捕获在粒子内的溴的量已经是极低的， 并且至少在试验室规模上实施所述的方法时，被捕获的溴的量可以良好地处于 优选的300ppm或更低的规范内，所以不需要热处理(烤箱老化)。事实上， 可以预计，当在工厂规模下实施本发明的方法时，该方法将会产生仅为500ppm 或更低的封留游离溴的含量，并且在最佳条件下为300ppm或更低。预计消除 单独的热处理步骤会使得成本显著减少。该方法除了用于十溴苯基烷烃产物 (例如十溴二苯基醚和十四溴二苯氧基苯)，可以用于制备阻燃剂。

因此，除了其他方面，本发明提供了用于制备高指标成分的十溴二苯基烷 烃产物的方法，其中亚烷基包含1至大约10个碳原子，并且封留游离溴的含 量不超过500ppm，其中所述的方法包含在铝、卤化铝或卤化铁催化剂存在下 使用有限过量的溴在液相反应混合物中对包含至少一种α，ω-二苯基烷烃(其中 亚烷基包含1至大约10个碳原子)的原料流进行溴化，其中在所述的反应混 合物中形成其添加使用的此类卤化物的卤素原子为氯原子、溴原子或这二者， 所述的有限过量的溴为使得在实施所述反应中使用的溴的最大过量为相对于 将一定用量的二苯基烷烃转化为十溴二苯基烷烃所需的化学计量的大约20摩 尔％。通常，原料流为此类α，ω-二苯基烷烃在合适的惰性溶剂中的溶液，所述 的惰性溶剂例如为卤化烃，其中卤素为氯和/或溴。

发明详述

如本文所用(包含权利要求)，术语“高指标成分”是指在未使用热处理、 烤箱老化、研磨、磨碎或其他形式的粉碎来减少封留游离溴的含量的条件下制 备的十溴二苯基烷烃产物包含至少97面积％十溴二苯基烷烃，如通过气相色 谱(GC)所测定。用于实施此类GC分析的过程在下文中列出。

如本文所用(包含权利要求)，术语“有限过量的溴”是指在至少90％的 时间内，二苯基烷烃反应物被引入到反应器或反应区中，无论是溶液还是其他 形式，反应器或反应区的反应混合物中都存在过量的溴，这种过量的量在本文 的其他处有所提及。

可以根据本发明溴化的典型二苯基烷烃可以通过下式表示：

(C₆H₅)-R-(C₆H₅)

其中C₆H₅为苯基基团，而R为包含1至大约10个碳原子的亚烷基。优 选的R基为亚甲基、亚乙基和亚丙基(也称为三亚甲基)，其得到了优选的反 应物二苯基甲烷；1，2-二苯基乙烷(通常称为二苯基乙烷)；以及1，3-二苯基丙 烷。其中1，2-二苯基乙烷和1，3-二苯基丙烷为特别优选的反应物。而言使用的 其他取代的二苯基烷烃包括1，4-二苯基丁烷、1，5-二苯基戊烷、以及其中亚烷 基包含至多大约10个碳原子的同系物。

本发明的一个重要的特征是使用了相对于在形成十溴二苯基烷烃产物中 所需的化学计量的有限过量的溴。因此，10摩尔溴(Br₂)/摩尔二苯基烷烃构成 了所述的化学计量。由此，在实施本发明的溴化反应中使用的Br₂∶二苯基烷烃 的摩尔比不高于大约12∶1(即，在实施所述反应中使用的溴的最大过量为将一 定用了的二苯基烷烃转化为十溴二苯基烷烃所需的化学计量的大约20摩尔 ％)。理想的是，这种最大过量为大约15摩尔％，甚至更理想的是为大约10 摩尔％。事实上，认为可以使用相对于将一定用量的二苯基烷烃转化为十溴二 苯基烷烃所需的化学计量的仅5摩尔％过量的溴来实施所述的反应。

在本发明的方法中可以使用商业级别的Br₂。万一Br₂包含会使得终产物 的颜色劣化的杂质，则应该对Br₂进行处理从而减少其杂质含量或者应该对颜 色劣化的产物进行处理从而改善其颜色。方便的是使用简单的蒸馏技术来处理 Br₂。可以在由反应物质中回收产物之后但是在干燥之前通过使用有机洗涤溶 剂对颜色劣化的产物进行洗涤来进行处理。所述的有机洗涤溶剂可以为任何合 适的有机溶剂，例如溴化甲烷、溴化乙烷、四氯化碳、二甲苯、甲苯、苯、丙 酮、甲醇等。优选的是，用作这种有机洗涤溶剂的溶剂应该与在溴化方法中本 身用作溶剂相同的溶剂。

本发明的溴化方法使用了诸如三卤化铝之类的合适的溴化催化剂，其中卤 素原子为溴原子或氯原子、或者这二者。可以使用活性形式的铝，例如铝屑、 铝粉或铝箔，但是在这种情况下，添加到反应中的溴的量应该考虑为将游离铝 转化为三溴化铝所需的溴的量。可以使用诸如溴化铁之类的其他相对强的溴化 催化剂，但是由于潜在的颜色问题，在形成添加到反应器中的催化剂中优选的 是使用三氯化铝和三溴化铝。如果需要，可以使用此类催化剂的组合。添加的 催化剂的量通常占所述方法中使用的溴的总摩尔的大约0.1至大约5摩尔％。 使用在之前所述范围中较多部分量的催化剂(例如占在所述方法中使用的溴的 总摩尔的大约0.75至大约2.0摩尔％)是理想的，这是因为较高的量往往会改 善十溴二苯基烷烃产物的测定。催化剂的另一个优选的量为占在所述方法中使 用溴的总摩尔的大约0.5至大约1.5摩尔％，该量的催化剂可以使不理想的杂 质形成最少，其中所述的杂质为不包含一定指标成分的所需的十溴化二苯基烷 烃产物。催化剂的另一个优选的量为占在所述方法中使用的溴的总摩尔的大约 0.3至大约1.0摩尔％。

多种惰性溶解可以用于形成高指标成分的十溴化的二苯基烷烃产物。尽管 由于二溴甲烷具有已经证实的生产高质量高指标成分产物的能力而使得其是 优选的溶剂，但是可以使用其他卤代烷烃。合适的卤代烷挺溶剂的非限定性实 例包括溴氯甲烷、1，2-二氯乙烷、全氯乙烯、1，2-二溴乙烷或者在所述的溴化过 程中保持惰性的任何其他溶剂。

在所述方法中使用的溴化温度通常为大约45至大约98℃，并且优选的是 大约60至大约95℃。溴化通常在缺乏光的情况下进行。

根据本发明实施二苯基烷烃的溴化，使得十溴化二苯基烷烃产物的十溴二 苯基烷烃的GC测定为至少97面积％，并且优选为至少98面积％。特别优选 的是实施溴化使得终产物的所需的十溴二苯基烷烃的GC测定为至少99面积 ％。因此，在反应条件下，使用各成分及其用量，在足以取得具有所述指标成 分的时间内加入原料溶液。原料溶液的加入比例取决于反应的规模以及控制温 度和处理溴化氢演变的速率和体积的能力。在试验室规模下，加入通常需要大 约1至大约10小时，而在商业规模下，所预计的原料溶液的加入时间通常为 大约4至大约14小时或更长。

尽管可以使用多种模式将反应成分供入到反应器中，但是两种方法被认为 是方便且有效的。一种所述的供入模式涉及将所有有限过量的溴以及一部分惰 性溶剂加入到反应器中。通常，所述的催化剂与溴及一部分惰性溶剂一起添加， 或者在添加溴和一部分惰性溶剂之后，将所述的催化剂加入到反应器中。由此， 与理想地作为预溶液的剩余溶剂一起供入二苯基烷烃。

另一种供入模式涉及单独地以及同时地分批将(i)溴和(ii)二苯基烷烃 溶液和一部分惰性溶解供入到装有催化剂和剩余的惰性溶剂的反应器或反应 区中。按照这种方式，可以控制溴与二苯基烷烃的摩尔比使得当溴和二苯基烷 烃在反应区中混合时Br₂∶二苯基烷烃基本上连续地处于所述方法所选用的最 大摩尔比下。应该控制这些原料的比例以及热去除的量使得过量的热生成以及 过量的HBr演变不会发生。

不管采用何种供入模式，二苯基烷烃和惰性溶剂的原料溶液通常包含含大 约95至大约55重量％的溶剂，并且平衡物为二苯基烷烃。通常，二苯基烷烃 的分子量越高，则处于上述范围内的溶剂的百分率应该越高，以便使得反应混 合物保持是可搅拌的。

可以在高压下进行溴化反应以便有助于控制反应反应速率并避免由多快 的HBr演变速率所导致的部分溴由反应区清除，在任何给定的情况下，发现 上述操作都应该是必须的或理想的。

在向反应器或反应区结束加入原料以确保得到高产率的高指标成分产物 之后，通常提供一段反应后时间。这段反应时间(也称为乘坐时间(ride time)) 的长度根据反应规模而改变。在试验室规模下，这段时间通常为大约0.5至大 约1.5小时。在其中所述的方法以分批方式实施的商业设置下，反应后的时间 通常为大约1至大约2小时。

通过本发明的方法的典型试验室规模的溴化通常涉及使用合适的溶剂和 溴添加溴化反应器，然后加入催化剂。然后，将二苯基烷烃在合适的溶剂(优 选为二溴甲烷)中形成的20-45重量％溶液在回流下供入到反应器的表面下， 然后经历供入后的反应时间(大约30分钟)。接着，将反应浆料冷却至室温， 用水洗涤，并在烤箱中干燥。未在高温下进行额外的烤箱老化。用于所述方法 中的合适的溶剂为在反应条件下是惰性的且热稳定性的、并且可以由十溴二苯 基烷烃粗产物中蒸馏或蒸汽蒸馏出的那些。

当以适用于生产高指标成分的十溴二苯基乙烷的方式进行实施时，产物的 颜色通常是白色的，或者仅为淡米色的。可以预计，当根据本发明进行实施时， 其他十溴二苯基烷烃产物，特别是高指标成分的1，3-(五溴苯基)丙烷(也称为 十溴二苯基丙烷)也具有白色或仅为淡米色的颜色。

推荐使用的用于检测十溴二苯基烷烃产物(特别是根据本发明生产的十溴 二苯基乙烷产物)的气相色谱如下：在装配有火焰电离检测器、温度和压力程 序性的冷柱头进样口(cool on-column temperature and pressure  programmable inlet)、以及温度程序性能力的Hewlett-Packard 5890Series II 气相色谱上实施气相色谱法。所述的柱为12QC5 HTS毛细管柱，12米，薄膜 厚度为0.15μ，直径为0.53mm，得自SGE，Inc.，部件编号为054657。条件为： 检测器的温度为350℃；进样口温度为70℃；氦气载气10ml/min；进样口压 力为4.0psi，以0.25psi/min升高至9.0psig并保持在9.0psi直到运行结束；烤 箱温度为60℃，并以12℃/min加热至350℃并保持10分钟；以及冷柱头注射 模式。通过在温暖条件下将0.003克于10克二溴甲烷中并注射2微升的该溶液 来制备样品。使用得自Thru-Put Systems，Inc的靶物色谱分析软件来进行峰的 整合。但是，可以使用适用于整合色谱峰的其他和市售可得的软件。目前， Thru-Put Systems，Inc.由Thermo Lab Systems所拥有，其地址为5750 Major  Blvd.，Suite 200，Orlando，FL 32819。SGE，Incorporated的地址为2007 Kramer  Lane，Austin，TX 78758。

提供以下实施例是为了说明的目的。它们无意于将泛化的发明仅限定于本 文所列的详细描述。

实施例1

使用10％过量的溴在溶剂中制备十溴二苯基乙烷

将250mL圆底烧瓶配置有机械搅拌器、数字热探针、加热套、0℃回流冷 凝器以及用于表面下供入的Teflon树脂探测管。所述的反应器添加由大约 72mL的二溴甲烷溶剂乙基176g(1.1摩尔，10％化学计量过量)溴。现在加 入溴化铝(1.8g，占添加的1，2-二苯基乙烷(DPE)的10重量％；占溴的总摩尔 的0.61摩尔％)，并搅拌从而制备溶液。然后，将该溶液加热至回流(73℃)。 在分离的储备器(Erlenmeyer瓶)中，将二苯基乙烷(18.2g，0.1摩尔)溶解于 9mL二溴甲烷中，然后通过蠕动泵，在200分钟的时间内表面下供入到回流的 Br₂、CH₂Br₂、AlBr₃催化剂溶液中。当更多的溴通过反应耗尽时，反应温度 缓慢地接近二溴甲烷溶剂的温度(98℃)。因此，在加入过程中，反应温度由 开始加入的73℃升至加入结束时的96℃。在接下来的30分钟内，将反应浆料 保持在回流下，在该过程中，回流的温度升至98℃，表明所有的溴被消耗。 尽管在反应中使用了10％过量的溴，但是假设该过量的溴随着演变的HBr而 缓慢地丧失在洗涤器中，这是由于反应温度为大约36-38℃，其高于溴的沸点 温度(59.9℃)。这种丧失可以通过在正常压力下完成所述的反应来避免。使淡 红色的浆料冷却并静置过夜。加入水(100mL)以便瓦解催化剂，然后将大约 2.18g 50％水性氢氧化钠溶液溶解于铝盐中。过滤浆料，并将潮湿的饼在环境 温度下在空气中干燥48小时，从而得到92.9g 95.5％的所需产物。在分析时， 产物显示出游离的溴含量为130ppm，离子溴化物的含量为967ppm。GC分析 显示产物的测定(通过Br-10含量测量)为98.30面积％。

实施例2

使用20％过量的溴在溶剂中制备十溴二苯基乙烷

按照与实施例1相同的方式，使用相同的设备来进行本次运行，不同之处 在于反应器中的初始添加由72mL二溴甲烷和62mL(193.4g，1.20摩尔，20％ 过量)溴构成。然后加入溴化铝(1.8g，占溴的总摩尔的0.56摩尔％)并将内 含物在73℃下进行回流。在197分钟内，在73-95℃下，将二苯基乙烷(18.2g， 0.1摩尔，溶解于9mL的溴化甲烷中)表面下供入到回流的溴/溶剂/催化剂溶 液中。然后再回流197分钟，冷却，使用水进行处理并如之前所述进行腐蚀， 然后通过过滤分离。将所述的饼在烤箱中在120℃下干燥2.5小时，从而得到 94.7g的终产物。分析显示，该产物的测定为98.65面积％。材料的游离的溴含 量为408ppm，离子溴化物的含量为472ppm。

实施例3

使用20％过量的溴在溶剂中制备十溴二苯基乙烷

本次运行基本代表了实施例1运行的重复，不同之处在于催化剂的量再次 升高至20重量％(占溴的总摩尔的1.12摩尔％)，同时保持相同的溴的量。假 设增加量的催化剂会改善测定。在相同的设备和同一方式进行，初始反应器添 加由72mL二溴甲烷溶剂、62mL溴和3.6g溴化铝催化剂构成。在73-95℃下， 在195分钟内，将DPE溶液(18.2g DPE溶解于9mL二溴甲烷溶剂中)供入 到反应器中。实施通常的逐步工作，不同之处在于在初始过滤之后，使用二溴 甲烷(2x20mL)洗涤所述的饼，腐蚀(120大约8％水性溶液)并最终使用水 (2x100mL)洗涤。在空气中将所述的饼干燥30分钟，然后在烤箱中在125℃下 干燥4小时，从而得到94.5g发光的貌似结晶的产物。如通过GC所分析，该 产物的测定为99.62面积％。其包含396ppm游离的溴和159ppm的粒子溴化 物。

实施例4

使用10％过量的溴以及10重量％催化剂在溶剂中制备十溴二苯基乙烷

通过保持每一项都相同，按照与实施例3相同的方式进行本次运行，不同 之处在于将催化剂由实施例3中使用的20重量％减少至10重量％(占溴的总 摩尔的0.56摩尔％)。在185分钟内，在75-96℃下供入DPE溶液。将滤饼相 继用二溴甲烷(3x25mL)、20g氢氧化钠在100mL水中形成的50％水性溶液、 以及水(2x100mL)洗涤。将产物在空气中干燥30分钟，然后在烤箱中在125 ℃下干燥4小时从而得到具有99.33面积％的测定的92.2g产物。分析其包含 228ppm的游离溴以及491ppm的离子溴化物。

实施例1-4的结果概括于下表中，其中“DDE”测定是指十溴二苯基乙烷 产物的测定。

表：通过本发明的方法由溶剂中得到的DDE产物的数据

表中所列的结果证明所述方法在制备的具有98-99.6％Br₁₀以及可接受水 平的游离溴的、高指标成分的白色十溴二苯基乙烷产物的用途，其中所述的方 法未使用常用的高温热处理，并且未使用研磨或其他形式的粉碎，由此形成封 留游离溴的含量＜500ppm并且优选＜300ppm的产物。因此，可以意识到的是 所证明的所述方法的益处如下：每个批次使用的溴都被大幅减少，传统的减少 封留游离溴的逐步工作过程(例如热处理和研磨、磨碎等)都是多余的，诸如 游离溴和离子溴化物之类的杂质的量可以被减少，以及生产十溴二苯基烷烃的 加工的有效成本得到改善。

应该理解并意识到的是，尽管未使用研磨、磨碎或其他形式的粉碎来将封 留游离溴的含量减少至＜500ppm的值并且优选为＜300ppm的值，但是一旦制 备得到具有这种低封留游离溴含量的产物，则由此可以对该产物进行研磨、磨 碎或粉碎以便减少产物的尺寸，本发明的实施已经通过在未使用研磨、磨碎和 /或其他形式的粉碎的条件下生产具有这种低封留游离溴含量的产物来完成。 此外，还应该理解并意识到的是术语“封留游离溴”与“封留的元素溴”或者 更简单的“封留的溴”是同义的，其中溴为Br₂。

应该理解的是，由说明书或其权利要求书中其他处的化学名称或化学式所 指成分(无论是单数还是复数)都被认为它们在与由化学名称或化学类型(例 如另一种成分、溶剂等)所指的另一种物质接触之前是存在的。重要的不是在 所得的组合或溶液中发生了什么样的化学变化、转化和/或反应(如果存在)， 而是这些变化、转化和/或反应是在根据本发明公开所要求的条件下将特定的 成分混合在一起时的天然结果。因此，成分被认为是与实施所需的操作或在形 成所需的组合中有关的混合在一起的组分。此外，尽管本文的权利要求书在一 般现在时(“包含”、“是”等)下可以指物质、成分和/或组分，但是根据本发 明公开，它们是指在这些物质首先与一种或多种其他物质、成分和/或组分接 触、共混或混合之前片刻时存在的物质、成分或组分。因此，在接触、共混或 混合操作过程(如果根据本发明公开以及普通的化学技术人员来实施)中物质、 成分或组分可能通过化学反应或转化会失去其原始性质的事实是完全不重要 的。

在本说明书中的任何部分中所指的每一份专利或公开均以引用方式全文 并入本文，如同在此完全列出。

除非另外明确地说明，否则如果并且如同本文所用，冠词“a”或“an” 无意于限定并且不应该被解释为将一项要求限定为冠词所指的单个要素。而 且，如果并且如同本文所用，冠词“a”或“an”是指涵盖了一种或多种此类 要素，除非在在上下文的内容中清楚地另外说明。

本发明可以包含、由或者基本由本文所述的材料和/或过程构成。

因此，之前的描述无意于限定并且不应该被解释为将本发明限定为上文所 述的具体的示例。