Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛИГООРГАНОСИЛОКСАНОВ

Изобретение относится к химии и технологии кремнийорганических соединений, конкретно к получению олигоорганосилоксанов линейного, разветвленного и полициклического строения с молекулярной массой 10²<ММ<10⁴.

Соединения этого класса представлены различными продуктами: силиконовыми жидкостями и смолами, жидкими низкомолекулярными силоксановыми каучуками линейного строения, а также полициклическими олигомерами. Они составляют основу полимерных композиционных материалов, например диэлектрических паст, термостойких покрытий и клеев, применяемых в машиностроении, радиоэлектронике и других отраслях современной техники, а также для модификации свойств иных материалов различного технического назначения.

В современной промышленной технологии олигоорганосилоксанов используются разнообразные способы получения, основанные на гидролитической поликонденсации кремнийорганических мономеров (органохлорсиланов) в растворах и в водных средах. (Чернышев Е.А., Таланов В.Н.. Химия элементоорганических мономеров и полимеров, М., КолосС, 2011; Хананашвили Л.M и Андрианов К.А. Технология элементоорганических мономеров и полимеров. М.: Химия, 1998, с. 528).

Совокупной чертой традиционных промышленных способов гидролитической поликонденсации является взаимодействие органохлорсиланов с водой по схеме: 2≡Si-Cl+H₂O→≡Si-O-Si≡+2HCl. Образующийся при гидролизе хлористый водород растворяется в воде, образуя с ней трудноразделимые азеотропные смеси. Это препятствует рециклизации хлористого водорода, ухудшает технико-экономические показатели процесса и создает ряд экологических проблем. Для преодоления этих недостатков используются различные приемы, способствующие выделению и рециклизации хлористого водорода.

Для утилизации хлористого водорода органохлорсиланы перед гидролизом обрабатывают спиртами, а образующиеся алкоксисиланы затем подвергают гидролитической поликонденсации в водно-спиртовой среде. Известен способ (Патент RU №2108347, кл. C08G 77/06), согласно которому смесь хлорсиланов подвергают этерификации в среде органического растворителя с удалением выделяющегося хлористого водорода, затем проводят гидролитическую поликонденсацию в растворе соляной кислоты в присутствии хлоридов щелочных металлов с последующим выделением целевого продукта известными методами. В этом случае гидролитическая поликонденсация протекает в более мягких условиях и не сопровождается образованием агрессивных продуктов.

Однако возможности указанного способа ограничиваются тем, что органические и водные среды не смешиваются друг с другом, вследствие чего процесс вынужденно протекает в гетерогенной системе.

Кроме того, различные условия формирования олигоорганосилоксанов на границе раздела и в объеме обеих фаз ведут к увеличению полидисперсности, неднородности состава и строения продуктов реакции и к ухудшению их свойств (Иванов П.В. Особенности поликонденсации органосиланолов. Вестник МИТХТ, 2011, т. 6, №3, с. 3-22).

Известен способ получения гомо-олигоорганосилоксанов с одинаковыми структурными звеньями RR′SiO в цепях макромолекул, поликонденсацией дизамещенных органохлорсиланов формулы RR′SiCl₂ (где R,R′=CH₃, CH₂=CH или C₆H₅) в растворе в присутствии карбамида и ацетилацетона (Транкина Е.С., Завин Б.Г. и Музафаров A.M., Известия Академии наук, Серия химическая, 2013, №6, с. 1459-1461). При проведении реакций использовали только один из вышеуказанных мономеров формулы RR′SiCl₂, причем образующиеся гомо-олигоорганосилоксаны не выделяли из реакционной массы.

Известен способ получения олигофенилдиметилсилоксанов смешанного состава, с неодинаковыми силоксановыми звеньями (Патент RU №2422472, кл. C08G 77/06). Согласно этому способу, гидролитическую сополиконденсацию смеси органоалкоксисиланов C₆H₅Si(OR)₃; (CH₃)₂Si(OR)₂ и CH₃Si(OR)₃ проводят в «активной» гомогенной среде - безводной уксусной кислоте или в растворе безводной уксусной кислоты в органическом растворителе.

Существенными недостатками этого способа являются ограниченность сырьевой базы, многостадийность и трудности, связанные с выделением конечных олигоорганосилоксанов.

Известен способ получения олигоорганосилоксанов смешанного состава, содержащих неодинаковые звенья, из смесей органохлорсиланов (патент RU №2088603, МПК C08G 77/06, 1997), который наиболее близок к заявляемому способу и выбран в качестве прототипа.

Способ-прототип позволяет осуществить в препаративных масштабах синтез олигоорганосилоксанов смешанного состава, содержащих неодинаковые силоксановые звенья. Процесс включает следующие стадии:

(1) этерификацию смесей органохлорсиланов общей формулы R_nSiCl_4-n, (где n=1, 2, 3, a R - органический заместитель) алифатическими спиртами с образованием смесей органоалкоксисиланов;

(2) сополиконденсацию полученных смесей органоалкоксисиланов в гомогенной среде с участием уксусной кислоты (ацидолиз уксусной кислотой) с последующим нагреванием полученной реакционной массы до кипения и выдержкой при кипении 1-6 ч в присутствии катализатора - HCl;

(3) отмывку полученного продукта от уксусной кислоты водой в неполярном растворителе и частичное (или полное) удаление растворителя в присутствии азотсодержащего вещества - гексаметилдисилазана с получением целевых олигоорганосилоксанов смешанного состава, содержащих неодинаковые звенья.

Способ-прототип имеет ряд существенных недостатков, важнейшими из которых являются следующие:

- многостадийность процесса;

- использование ценного пищевого сырья (уксусной кислоты и этилового спирта);

- значительное количество производственных отходов (в том числе газообразного хлористого водорода, эфиров уксусной кислоты, кислых промывных вод, кубовых остатков) и необходимость их утилизации.

Указанные недостатки способа-прототипа обусловлены наличием стадии этерификации хлорсиланов. Желательно исключить эту стадию, с тем чтобы вместо органоалкоксисиланов на стадии гидролитической сополиконденсации использовать более доступные органохлорсиланы, которые являются промышленными продуктами.

Задачей заявляемого изобретения является создание технологичного и экологически безопасного способа получения олигоорганосилоксанов смешанного состава, содержащих неодинаковые звенья, непосредственно из доступных органохлорсиланов, выпускаемых промышленностью.

Поставленная задача решается способом получения олигоорганосилоксанов, включающим гидролитическую сополиконденсацию органохлорсиланов в активной безводной среде, последующее кипячение реакционной массы и отгонку растворителя, причем в качестве органохлорсиланов используют соединения общей формулы: Y_3-nSiCl_n, где n=1-3, Y - одновалентные углеводородные заместители -CH₃, -C₂H₅, -C₃H₇, -C₄H₉, CH=CH₂, -C₆H₅, или -H, а в качестве компонентов активной среды применяют смесь карбамида с 1,3-дикетоном, выбранным из группы: ацетилацетон, ацетоуксусный эфир или малоновый эфир, в апротонных растворителях, при этом мольные соотношения (в расчете на 1 группу ≡Si-Cl) хлорсилан:карбамид:1,3-дикетон составляют 1,0:0,5-1,2:0,5-1,2, сополиконденсацию проводят при температуре кипения реакционной массы в течение 1-5 ч, затем удаляют осадок хлоргидрата азотистого основания и выделяют целевой продукт известными приемами.

При гидролитической сополиконденсации органохлорсиланов образуются силанолы и хлористый водород, способствующий конденсации силанолов в олигоорганосилоксаны, содержащие различные силоксановые звенья, по схеме: 2≡Si-OH→≡Si-O-Si≡. Кроме того, образующийся хлористый водород также активизирует взаимодействие карбамида с 1,3-дикетоном с образованием соли азотистого основания и воды. Кристаллический осадок соли выпадает в осадок, а вода расходуется в реакции согидролиза новых порций органохлорсилана. Указанный цикл превращений многократно повторяется, причем количество образующейся воды и хлористого водорода строго контролируется соотношением хлорсилан : карбамид : 1,3-дикетон. Поэтому предлагаемым процессом гидролитической сополиконденсации органохлорсиланов легко управлять.

В отсутствие растворителей сополиконденсация органохлорсиланов в безводных средах протекает с выделением тепла, причем образующийся осадок соли азотистого основания затрудняет перемешивание реакционной массы. Для предотвращения перегрева и регулирования вязкости реакционной массы сополиконденсацию проводят в инертном органическом растворителе. Для этого используют осушенные органические растворители, не содержащие протоно-донорных групп, например алифатические углеводороды с 6-9 атомов углерода (гексан, гептан, октан, циклогексан, бензол, толуол, ксилол, этилбензол), петролейный эфир, алифатические эфиры, например, диэтиловый эфир, тетрагидрофуран, или их смеси.

Продукты гидролитической сополиконденсации анализируют методом спектроскопии ЯМР ²⁹Si. На фиг. 1 представлен спектр ЯМР ²⁹Si для олигоорганосилоксана, синтезированного в примере 2. В области -22 м.д. в спектре присутствуют сигналы моно-, ди- и трифункциональных силоксановых структурных звеньев, образующих цепь олигоорганосилоксана смешанного состава. На это указывают сигналы в области 7,5÷9,0 м.д. (характерные, для монофункциональных звеньев O_0,5SiMe₃, а также характерные сигналы дифункциональных звеньев O_0,5Si(OH)Me₂, OSiMe₂ и OSiMePh, (соответственно в области -6,5 м.д., -17÷-20 м.д. и -30÷-35 м.д.), наряду с сигналами трифункциональных звеньев O_1,5SiVin, присутствующие в области -78÷-83 м.д.

Изобретение иллюстрируется приведенными ниже примерами.

Пример 1

Сополиконденсация фенилтрихлорсилана PhSiCl₃, метилтрихлор-силана MeSiCl₃, метил(фенил)дихлорсилана MePhSiCl₂ и диметил(винил)-дихлорсилана Me₂VinSiCl (соотношение R/Si=1,80).

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид / 1,3-дикетон = 1,0:1,0:1,0.

В реактор, снабженный термометром, обратным холодильником, капельной воронкой и магнитной мешалкой, загружают 33,0 г (0,55 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 55,07 г (0,55 моль), ацетилацетона CH₃COCH₂COCH₃ и 150 мл гексана. В капельную воронку загружают PhSiCl₃ 10,58 г (0,05 моль), MeSiCl₃ 7,48 г (0,05 моль), MePhSiCl₂ 19,11 г (0,1 моль), Me₂VinSiCl 6,03 г (0,05 моль) и 100 мл гексана. При смешивании хлорсиланов с карбамидом и ацетилацетоном температура реакционной массы повышается. Раствор хлорсиланов вводят с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы не превышала 40°C. После введения смеси хлорсиланов реакционную массу кипятят в течение 3 часов, затем охлаждают до комнатной температуры, отфильтровывают выпавшую соль азотистого основания. Осадок на фильтре промывают гексаном (2×30 мл); фильтраты объединяют. Полученный раствор концентрируют, удаляя гексан при остаточном давлении 100 мм рт.ст.

Получено: 19,22 г олигометилфенил(винилдиметил)силоксана (89% теор.). По данным ЯМР ¹H состав продукта соответствует формуле (PhSiO_1,5)_0,20(MeSiO_1,5)_0,20(MePhSiO)_0,40(Me₃Si_0,5)_0,20; Найдено, % (мас.): C, 48,12; Si, 28,57. ММ 6200.

Пример 2

Сополиконденсация винилтрихлорсилана VinSiCl₃, метил(фенил)-дихлорсилана MePhSiCl₂, диметилдихлорсилана Me₂SiCl₂ и триметилхлорсилана Me₃SiCl (соотношение R/Si=1,88).

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид / 1,3-дикетон = 1,0:0,5:0,5.

В реактор, описанный в примере 1, загружают 34,24 г (0,57 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 57,06 г (0,57 моль) ацетилацетона C₅H₈O₂ и 150 мл бензола. В капельную воронку загружают 16,16 г (0,1 моль) VinSiCl₃, 38,22 г (0,2 моль) MePhSiCl₂, 25,82 г (0,2 моль) Me₂SiCl₂ и 4,34 г (0,04 моль) Me₃SiCl и 100 мл бензола. Раствор хлорсиланов прибавляют с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы не превышала 40°C. После прибавления смеси хлорсиланов реакционную массу кипятят 3 часа, затем охлаждают до комнатной температуры и отделяют выпавшую соль азотистого основания фильтрованием. Осадок на фильтре промывают бензолом (2×75 мл); фильтрат присоединяют к маточнику. Полученный раствор концентрируют, удаляя бензол при 100 мм.рт.ст. Получено 49,1 г (91%) олигометилфенилвинилсилоксана. По данным ЯМР-¹H, состав продукта соответствует формуле: (MePhSiO)_0,37(Me₂SiO)_0,37(VinSiO_1,5)_0,185(Me₃Si_0,5)_0,0/75.

Соотношение R/Si=1,88. Найдено, % (мас.): C, 47,36; Si, 28,84. ММ 2700.

Пример 3

Сополиконденсация енилтрихлорсилана PhSiCl₃, винилтрихлор-силана VinSiCl₃ и триметилхлорсилана Me₃SiCl (соотношение R/Si=1,54)

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид /1,3-дикетон = 1,0:1,0:1,2.

В реактор, описанный в примере 1, загружают 40,5 г (0,675 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 81 г. (0,81 моль) ацетилацетона C₅H₈O₂ и 100 мл бензола. В капельную воронку загружают 21,16 г (0,1 моль) PhSiCl₃, 16,16 г (0,1 моль) VinSiCl₃, 8,15 г (0,075 моль) Me₃SiCl и 100 мл бензола. Подачу раствора хлорсиланов регулируют так, чтобы температура реакционной массы не превышала 40°C. После прибавления смеси органохлорсиланов реакционную массу выдерживают при кипячении 3 часа, затем охлаждают до комнатной температуры и отделяют выпавшую соль азотистого основания фильтрованием. Осадок на фильтре промывают бензолом (2×75 мл.); фильтрат присоединяют к маточнику. Полученный раствор концентрируют, удаляя бензол при 100 мм рт.ст. Получено 24,7 г (92%) олигометилфенилвинилсилоксана. По данным ЯМР ¹H, состав продукта соответствует формуле (PhSiO_1,5)_0,36(VinSiO_1,5)_0,36(Me₃Si_0,5)_0,28.

Найдено, % (мас.): C=45,4; Si=28,96. ММ 4800.

Пример 4

Сополиконденсация фенилтрихлорсилана PhSiCl₃, метилтрихлор-силана MeSiCl₃ и триметилхлорсилана Me₃SiCl (соотношение R/Si=2,0)

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид / 1,3-дикетон = 1,0:0,5:0,5.

В реактор, описанный в примере 1, загружают 36,0 г (0,6 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 78,08 г (0,6 моль) ацетоуксусного эфира C₆H₁₀O₃ и 200 мл сухого диэтилового эфира. В капельную воронку загружают 42,32 г (0,2 моль) PhSiCl₃, 14,96 г (0,1 моль) MeSiCl₃ и 32,58 г (0,3 моль), Me₃SiCl в 150 мл сухого диэтилового эфира. Раствор хлорсиланов прибавляют с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы не превышала 10°C. После прибавления смеси органохлорсиланов реакционную массу выдерживают при кипячении 5 ч, охлаждают до ~20°C и отделяют соль азотистого основания фильтрованием. Осадок на фильтре промывают равными порциями эфира (2×100 мл); фильтраты объединяют. Растворитель удаляют при 100 мм рт.ст. Получено 53,4 г (~93%) олигофенилметилсилоксана. По данным ЯМР ¹H, состав продукта соответствует формуле (PhSiO_1,5)_0,34(MeSiO_1,5)_0,17(Me₃Si_0,5)_0,49. Найдено, % (масс): C=47,16; Si=29,89. ММ 3600.

Пример 5

Сополиконденсации енилтрихлорсилана PhSiCl₃ и диметил-(винил)хлорсилана Me₂VinSiCl (соотношение R/Si=1,67)

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид / 1,3-дикетон = 1,0:0,5:0,5.

В реактор, описанный в примере 1, загружают 21,0 г (0,35 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 56,0 г (0,35 моль) малонового эфира C₇H₁₂O₄ и 150 мл сухого тетрагидрофурана. В капельную воронку загружают 42,32 г (0,2 моль) PhSiCl₃, 12,06 г (0,1 моль) Me₂VinSiCl в 100 мл. сухого тетрагидрофурана. Прибавление раствора хлорсиланов ведут с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы не превышала 30°C. После введения смеси хлорсиланов реакционную массу кипятят 3 ч, охлаждают до ~20°C и отделяют соль азотистого основания фильтрованием. Осадок на фильтре промывают равными порциями тетрагидрофурана (2×80 мл); фильтрат объединяют с маточником. Растворитель удаляют при 100 мм рт.ст. Получено 30,52 г (86,9% теор.) олигофенил(диметилвинил)силоксана. По данным ЯМР-¹H, состав продукта соответствует формуле (PhSiO_1,5)_0,67(Me₂VinSiO_1,5)_0,33, Найдено, % (мас.): C, 55,17; Si, 23,43. ММ 5300.

Пример 6

Сополиконденсация фенилтрихлорсилана PhSiCl₃ и диметилхлор-силана Me₂SiHCl (соотношение R/Si=1,33*, Cl/Si=2,33).

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид / 1,3-дикетон = 1,0/1,2/1,0.

В реактор, описанный в примере 1, загружают 50,4 г (0,84 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 112,1 г (0,7 моль) малонового эфира C₇H₁₂O₄ и 200 мл сухого толуола. В капельную воронку загружают 42,32 г (0,2 моль) PhSiCl₃ и 9,46 г (0,1 моль) Me₂SiHCl в 100 мл сухого толуола. Раствор хлорсиланов прибавляют с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы не превышала 40°C. После введения хлорсиланов реакционную массу кипятят 1 час, охлаждают до ~20°C и отделяют соль азотистого основания фильтрованием. Осадок на фильтре промывают равными порциями толуола (2×60 мл); фильтрат объединяют с маточником. Растворитель удаляют при 50 мм рт.ст. Получено 29,33 г (90,2%) олигофенил(диметилгидрид)силоксана. По данным ЯМР ¹H, состав продукта соответствует формуле (PhSiO_1,5)_0,67(Me₂SiHO_0,5)_0,33. Найдено, % (мас.): C, 51,16; Si, 26,17. ММ олигомера 4800.

Пример 7

Сополиконденсация винилтрихлорсилана VinSiCl₃ с метил(фенил)-дихлорсиланом MePhSiCl₂ (соотношение R/Si=1,5).

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид / 1,3-дикетон = 1,0:0,5:0,5.

В реактор, описанный в примере 1, загружают 30,0 г (0,5 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 50,05 г (0,5 моль) ацетилацетона C₅H₈O₂ и 150 мл бензола. В капельную воронку загружают 32,3 г (0,2 моль) VinSiCl₃, 38,2 (0,2 моль) MePhSiCl₂ и 100 мл бензола. Прибавление раствора хлорсиланов регулируют так, чтобы температура реакционной массы не превышала 40°C. По окончании введения смеси хлорсиланов реакционную массу кипятят 3 часа, затем охлаждают до комнатной температуры. Выпавшую соль азотистого основания отделяют фильтрованием. Осадок на фильтре промывают бензолом (2×60 мл); фильтрат присоединяют к маточнику. Полученный раствор концентрируют, удаляя бензол при 100 мм рт.ст. Получено 37,5 г (86%) олигометилфенилвинилсилоксана. По данным ЯМР ¹H, состав продукта отвечает формуле {(MePhSiO)_0,5(VinSiO_1,5)_0,5}_x. Найдено, % (мас.): C, 42,96; Si, 21,27. ММ 3700.

Пример 8

Сополиконденсация фенилтрихлорсилана PhSiCl₃ с метилвинил-дихлорсиланом MeVinSiCl₂ (соотношение R/Si=1,33).

Мольное соотношение ≡SiCl / карбамид / 1,3-дикетон = 1,0:0,5:0,5.

В реактор, описанный в примере 1, загружают 24,0 г (0,4 моль) карбамида (NH₂)₂CO, 40,0 г (0,4 моль) ацетилацетона C₅H₈O₂ и 200 мл тетрагидрофурана. В капельную воронку загружают 42,32 г (0,2 моль) PhSiCl₃ и 14,11 г (0,1 моль) MeVinSiCl₂ в 100 мл тетрагидрофурана. Раствор хлорсиланов прибавляют с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы не превышала 30°C. После прибавления смеси хлорсиланов реакционную массу кипятят 5 ч, охлаждают до ~20°C и отделяют соль азотистого основания фильтрованием. Осадок на фильтре промывают равными порциями тетрагидрофурана (2×60 мл); фильтрат объединяют с маточником. Растворитель удаляют при 100 мм рт.ст. Получено 31,60 г (91%) олигофенил(метилвинил)силоксана. По данным ЯМР-¹H, состав продукта соответствует формуле (PhSiO_1,5)_0,67(MeVin)SiO)_0,33. Найдено, % (мас.): C, 51,87; Si, 24,96. ММ 3700.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании простого и технологичного способа получения олигоорганосилоксанов смешанного состава с неодинаковыми силоксановыми звеньями.

Заявляемый способ имеет ряд преимуществ по сравнению с прототипом. Способ позволяет снизить энергетические и материальные затраты и улучшить технико-экономический и экологические показатели процесса, что достигается в результате:

- исключения стадии этерификации и, следовательно,

- устранения необходимости использования ценного химического сырья - уксусной кислоты и этилового спирта;

- проведения гидролитической сополиконденсации при умеренных температурах;

- сокращения общей длительности процесса.

Одновременно существенно уменьшаются объемы побочных продуктов и отходов производства (эфиров уксусной кислоты, газообразного хлористого водорода, кубовых остатков и кислых промывных вод, загрязненных органическими веществами). Соответственно, сокращаются расходы на регенерацию растворителей и утилизацию отходов, уменьшается коррозия и износ оборудования.