技术领域
本发明涉及一种制备含脲硅烷的方法。
发明背景
CAS 1184961-62-3、442527-46-0和498553-03-0公开了下式的化合物:
另外,US 20030191270 A1公开了下式的硅烷:
JP 2002201312 A公开了下式的橡胶改性剂:
另外,J.Mat.Chem.2009,19,4746-4752公开由介孔二氧化硅形成的SH官能化的框架结构内的金纳米颗粒和含脲硅烷的制备。在已知方法中,使用的是有机溶剂。
已知制备方法的一个缺点在于,其是具有许多方法步骤和有机溶剂的复杂方法(在H2O中中和,萃取到CH2Cl2相中,用MgSO4干燥,去除溶剂,将溶剂交换为THF,在THF中反应,去除溶剂,在戊烷中沉淀/洗涤)。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法,与源自现有技术的方法相比,其在不含有机溶剂的情况下有效,并且具有更少的方法步骤。
本发明提供一种制备通式I的含脲硅烷的方法,
其中R1相同或不同,并且是C1-C10烷氧基,优选地甲氧基或乙氧基、C2-C10环二烷氧基、苯氧基、C4-C10环烷氧基、C6-C20芳基,优选地苯基、C1-C10烷基,优选地甲基或乙基、C2-C20烯基、C7-C20芳烷基或卤素,优选地Cl;并且R相同或不同,并且是任选地经F-、Cl-、Br-、I-、-CN或HS-取代的支链或非支链、饱和或不饱和的脂肪族、芳香族或混合脂肪族/芳香族的二价C1-C30、优选地C1-C20、更优选地C1-C10、甚至更优选地C1-C7、尤其优选地C2和C3烃基,其特征在于,
使通式II的二胺与通式III的异氰酸基硅烷在水中反应:
H2N-R-S-S-R-NH2 (II)
(R1)3Si-R-NCO (III),
其中R和R1各自如上文所定义。
对于所述反应,任选地可以使用额外的有机溶剂。
反应可以在不含有机溶剂的情况下进行。
含脲硅烷可以是通式I的含脲硅烷的混合物。
过程产物可以包含通过使通式I的含脲硅烷的烷氧基硅烷官能团水解和缩合而形成的低聚物。
R可以优选地是-CH2-、-CH2CH2-、-CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2-、-CH(CH3)-、-CH2CH(CH3)-、-CH(CH3)CH2-、-C(CH3)2-、-CH(C2H5)-、-CH2CH2CH(CH3)-、-CH(CH3)CH2CH2-、-CH2CH(CH3)CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-、-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2-或或-CH2-CH2-C6H4-CH2-。
通式I的含脲硅烷可以优选地是:
((EtO)3Si-CH2-NH-CO-NH-CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2CH2-NH-CO-NH-CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2-NH-CO-NH-CH2CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2CH2CH2-NH-CO-NH-CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2-NH-CO-NH-CH2CH2CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2CH2-S)2、
((EtO)3Si-CH2CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2-NH-CO-NH-CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2CH2-NH-CO-NH-CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2-NH-CO-NH-CH2CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2CH2CH2-NH-CO-NH-CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2-NH-CO-NH-CH2CH2CH2-S)2、
((MeO)3Si-CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2CH2-S)2或
((MeO)3Si-CH2CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2CH2-S)2。
尤其优选的化合物具有下式:
((EtO)3Si-CH2CH2CH2-NH-CO-NH-CH2CH2-S)2。
通式II的二胺可以优选地是:
H2N-CH2-S-S-CH2-NH2、
H2N-CH2CH2-S-S-CH2-NH2、
H2N-CH2CH2-S-S-CH2CH2-NH2、
H2N-CH2-S-S-CH2CH2CH2-NH2、
H2N-CH2CH2-S-S-CH2CH2CH2-NH2或
H2N-CH2CH2CH2-S-S-CH2CH2CH2-NH2。
通式III的异氰酸基硅烷可以优选地是:
(C2H5O)3Si-CH2-NCO、
(C2H5O)3Si-CH2CH2-NCO、
(C2H5O)3Si-CH2CH2CH2-NCO、
(CH3O)3Si-CH2-NCO、
(CH3O)3Si-CH2CH2-NCO或
(CH3O)3Si-CH2CH2CH2-NCO。
可通过根据本发明的方法获得的通式I的含脲硅烷可以以大于50%、优选地大于60%、更优选地大于70%、极优选地大于80%的收率获得。
通过根据本发明的方法获得的产物在DMSO-d6或CDCl3中的可溶分数通过在DMSO-d6或CDCl3中添加内标物,例如添加三苯基氧化膦(TPPO)和本领域技术人员已知的1H NMR方法测定。
相对于所用通式II的二胺,水的量可以大于1重量%、优选大于10重量%、更优选大于50重量%并且最优选大于100重量%。
反应可以在排除空气的情况下进行。
反应可以在惰性气体氛围下进行,例如在氩气或氮气下、优选地在氮气下进行。
本发明的方法可以在大气压力、升高的压力或减压下进行。优选地,根据本发明的方法可以在标准压力下进行。
升高的压力可以是1.1巴到100巴、优选地1.5巴到50巴、更优选地2巴到20巴并且极优选地2到10巴的压力。
减压可以是1毫巴到1000毫巴、优选地1毫巴到500毫巴、更优选地1毫巴到250毫巴、极优选地5毫巴到100毫巴的压力。
根据本发明的方法可以在0℃与+100℃之间、优选地在5℃与60℃之间、更优选地在5℃与30℃之间进行。
对于本发明的方法,可以将通式II的二胺计量加入通式III的异氰酸基硅烷中。
对于本发明的方法,可以优选地将通式III的异氰酸基硅烷计量加入通式II的二胺中。
通式II的二胺在与通式III的异氰酸基硅烷反应之前,由以下通式IV的二胺的氢卤化物盐通过添加碱、优选地添加NaOH或KOH而制备:
Hal-+H3N-R-S-S-R-NH3+Hal- (IV)
其中Hal是F、Cl、Br或I,优选地Cl。可以添加碱直到确立7与14之间的pH。
在根据本发明的方法中,通式II的二胺可以相对于通式III的异氰酸基硅烷以1:1.70到1:2.20、优选地1:1.75到1:2.10的摩尔比率、更优选地以1:1.80到1:2.00的比率使用。
通过根据本发明的方法制备的产物可以具有少于25摩尔%、优选地少于10摩尔%、更优选地少于5摩尔%、极优选地少于3摩尔%的通式II的二胺残余物含量。
通过根据本发明的方法制备的产物中通式II的二胺的相对摩尔百分比可在13C NMR中通过相对于通式I的含脲硅烷的Si-CH2-基团中的碳原子对通式II的二胺的-CH2-NH2基团中的碳原子求积分而测定。
对于式II的物质H2N-CH2-CH2-S-S-CH2-CH2-NH2,举例来说,将-CH2-NH2基团的碳原子的积分用于测定相对含量。
通过根据本发明的方法制备的产物可以具有少于10摩尔%、优选地少于5摩尔%、更优选地少于1摩尔%、极优选地少于0.1摩尔%的通式III的异氰酸基硅烷残余物含量。
通过根据本发明的方法制备的产物中的通式III的异氰酸基硅烷在>1摩尔%范围内的相对摩尔百分比可在13C NMR中通过相对于通式I的含脲硅烷的Si-CH2-基团中的碳原子对通式III的异氰酸基硅烷的-NCO基团中的碳原子求积分而测定。
对于式III的物质(EtO)3Si-CH2-CH2-CH2-NCO,举例来说,将-NCO基团的碳原子(δ=122.22ppm)的积分用于测定在>1摩尔%范围内的相对含量。
通过根据本发明的方法制备的产物中的通式III的异氰酸基硅烷在<1摩尔%范围内的相对摩尔百分比可通过本领域技术人员已知的定量FT-IR光谱术测定。所述方法通过使用适合浓度的校准溶液(例如在C2Cl4中)校准。为了测量,将约1g样品称重到25ml辊颈瓶中,并且添加25g C2Cl4。将样品在搅拌器上搅拌1-2小时。之后,将下部液相小心计量加入20mm IR比色皿中,并且通过FT-IR光谱法(4000-1200cm-1,分辨率2cm-1)进行分析。在相同条件下,记录溶剂的光谱以用于扣除。
对于式III的物质(EtO)3Si-CH2-CH2-CH2-NCO,举例来说,将-NCO基团在2270cm-1下的价键振动的波长用于测定在<1摩尔%范围内的相对含量。
通过根据本发明的方法制备的产物可以具有少于25摩尔%、优选地少于10摩尔%、更优选地少于5摩尔%、极优选地少于3摩尔%的通式IV的二胺的氢卤化物盐残余物含量。
通过根据本发明的方法制备的产物中的通式IV的二胺的氢卤化物盐的相对摩尔百分比可在13C NMR中通过相对于通式I的含脲硅烷的Si-CH2-基团中的碳原子对通式IV的二胺的氢卤化物盐的-CH2-NH2·HCl基团中的碳原子求积分而测定。
对于式IV的物质HCl·H2N-CH2-CH2-S-S-CH2-CH2-NH2·HCl,举例来说,将S-CH2-CH2-NH2·HCl基团的碳原子(δ=37.82ppm)或S-CH2-CH2-NH2·HCl基团的碳原子(δ=33.79ppm)的积分用于测定相对含量。
随后可以将反应产物过滤,并且用水和/或有机溶剂、优选地烷烃、更优选地戊烷、己烷或庚烷洗涤。优选的是用水洗涤,然后用烷烃、更优选地用己烷洗涤。
可以将产物在过滤之后干燥。干燥可以在20℃-100℃、优选地25℃-50℃的温度下实施。干燥可以在1-500毫巴的减压下实施。
在优选的实施方案中,制备其中R和R1各自如上文所定义的通式I的含脲硅烷的方法
可以特征在于,将通式IV的二胺的氢卤化物盐溶解于水中并且与碱反应,
Hal-+H3N-R-S-S-R-NH3+Hal- (IV)
然后添加通式III的异氰酸基硅烷:
(R1)3Si-R-NCO (III)
将沉淀产物滤出,用水和己烷洗涤,并且干燥。
通式I的含脲硅烷可以用作以下物质之间的促粘剂:无机材料,例如玻璃珠、玻璃碎片、玻璃表面、玻璃纤维或氧化性填料、优选地二氧化硅,如沉淀法二氧化硅和热解法二氧化硅;和有机聚合物,例如热固性材料、热塑性材料或弹性体;或用作用于氧化性表面的交联剂和表面改性剂。
通式I的含脲硅烷可以用作填充橡胶混合物中的偶联剂,实例是轮胎胎面、工业橡胶制品或鞋类鞋底。
根据本发明的方法的优点在于,通式I的含脲硅烷能够在不含有机溶剂情况下的一个合成步骤中进行制备。
根据本发明的方法的另一个优点在于,反应可在相对短的周期内实施。
根据本发明的方法的另一个优点在于,所得产物的复杂纯化处理可以省略。
具体实施方式
实施例:
实施例1:[(EtO)3Si-(CH2)3-NH-C(=O)-NH-(CH2)2-S-]2在水中的制备(用己烷洗涤)
开始时以溶解于软水(940ml)中的胱胺二盐酸盐(108.39克,0.47摩尔,1.00当量)加料至N2吹扫的2l带夹套的四口烧瓶,所述烧瓶具有精密玻璃搅拌器、回流冷凝器、内部温度计和滴加漏斗。借助于滴加漏斗,在17-20℃下计量加入50%KOH溶液(92.31克,0.82摩尔,1.75当量),并且将混合物搅拌15分钟。然后将3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷(221.05克,0.85摩尔,1.8当量)计量加入,加入速度应使内部温度不超过30℃。之后,将混合物在23℃下搅拌一小时。将白色悬浮体在压力下过滤,用200ml软水冲洗,并且用干燥的N2干燥2小时。将滤饼用三份己烷(每份150ml)洗涤,并再次用干燥的N2干燥1小时。[(EtO)3Si-(CH2)3-NH-C(=O)-NH-(CH2)2-S-]2产物是白色细粉(254.78克,理论值的92.8%);
1H NMR(δppm,500MHz,CDCl3):0.64(4H,t),1.22(18H,t),1.61(4H,m),2.78(4H,m),3.15(4H,m),3.52(4H,m),3.81(12H,q),5.2-6.5(4H,br);
13C NMR(δppm,125MHz,CDCl3):7.7(2C),18.3(6C),23.8(2C),38.8(2C),38.9(2C),42.8(2C),58.3(6C),159.0(2C)。
29Si NMR(δppm,100MHz,CDCl3):-45.7(97.4%硅烷),-53.5(2.6%M结构);
使用TPPO内标物时在CDCl3中的可溶分数:94.4%;
水含量(DIN 51777): 0.4%;
初始熔点: 106-110℃;
残余异氰酸酯含量: 0.04%
实施例2:[(EtO)3Si-(CH2)3-NH-C(=O)-NH-(CH2)2-S-]2在水中的制备(无己烷洗涤)
开始时以溶解于软水(382ml)中的胱胺二盐酸盐(108.39克,0.47摩尔,1.00当量)加料至N2吹扫的1l带夹套的四口烧瓶,所述烧瓶具有精密玻璃搅拌器、回流冷凝器、内部温度计和滴加漏斗。借助于滴加漏斗,在15-23℃下计量加入50%KOH溶液(92.31克,0.82摩尔,1.75当量),并且将混合物搅拌30分钟。然后将3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷(221.05克,0.85摩尔,1.8当量)以使得内部温度不超过30℃的速率计量加入。之后,将混合物在24℃下搅拌一小时。将白色悬浮体在压力下过滤,用三份软水(总计340ml)冲洗,并用干燥的N2干燥2小时。将滤饼在旋转蒸发器中在N2流中在35℃和166毫巴下干燥7小时,在35℃和150毫巴下干燥10小时,并在35℃和100毫巴下干燥9小时。[(EtO)3Si-(CH2)3-NH-C(=O)-NH-(CH2)2-S-]2产物是白色细粉(246.38克,理论值的90.7%);
1H NMR(δppm,500MHz,DMSO-d6):0.52(4H,t),1.14(18H,t),1.42(4H,m),2.74(4H,m),2.96(4H,m),3.29(4H,m),3.74(12H,q),6.05(4H,m);
13C NMR(δppm,125MHz,DMSO-d6):7.3(2C),18.2(6C),23.5(2C),38.5(2C),39.6(2C),42.0(2C),57.7(6C)157.9(2C)。
29Si NMR(δppm,100MHz,DMSO-d6):-45.3(100%硅烷);
使用TPPO内标物、在d6-DMSO中的可溶分数:86.0%;
水含量(DIN 51777): 0.7%;
初始熔点: 97℃;
残余异氰酸酯含量: 0.08%
实施例3:(比较例)
有机二氯甲烷和THF溶剂中的[(EtO)3Si-(CH2)3-NH-C(=O)-NH-(CH2)2-S-]2的制备
开始时以溶解于二氯甲烷(100ml)中的胱胺二盐酸盐(22.52克,0.10摩尔,1.00当量)加料至干燥的N2吹扫的三口烧瓶,所述烧瓶具有搅拌器、回流冷凝器、内部温度计和滴加漏斗。借助于滴加漏斗, 计量加入50%KOH溶液(11.5ml,0.20摩尔,2.00当量)。将所得悬浮体引入具有50ml软水的溶液中,另外添加6.5ml的50%KOH溶液,并将混合物搅拌2小时。分离两相,水相用二氯甲烷(3×50ml)萃取。将经合并的有机相经MgSO4干燥,过滤,并且在旋转蒸发器上去除溶剂。将所得浅黄色粘稠油(胱胺,12.07g)吸收(take up)至THF(100ml)中,将滴加漏斗用以计量加入3-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷(49.47克,0.20摩尔,2.00当量),并且将混合物在23℃下搅拌过夜。在反应已经结束之后,在旋转蒸发器上去除溶剂。将所得白色固体吸收于新鲜THF(84ml)中,并通过在8℃下添加正戊烷(521ml)而沉淀。将悬浮体在压力下过滤,将滤饼用正戊烷(3×100ml)洗涤,并且用干燥的N2干燥。[(EtO)3Si-(CH2)3-NH-C(=O)-NH-(CH2)2-S-]2产物为白色细粉(50.42克,理论值的77.9%);
29Si NMR(δppm,100MHz,DMSO-d6):-40.5(91.2%硅烷),-48.2(8.9%M结构)。