Алкоксисиланы с гидрофильными n-(1,2-дигидроксипропил) аминоалкилсодержащими и n-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами и способ их получения

Алкоксисиланы с гидрофильными n-(1,2-дигидроксипропил) аминоалкилсодержащими и n-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами и способ их получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к новым химическим соединениям, конкретно к кремнийорганическим соединениям - алкоксисиланам общей формулы:

х, у, n - число групп, х=1, 3, 4; у=2-6; n=0, 1, 2; R'-CH₃, C₂H₅.

и способу их получения.

Указанные соединения, их свойства и способ получения в литературе не описаны.

Известна смесь полиорганосилоксана и полидиорганосилоксана, обладающая гидрофильными свойствами [Патент №3932276. ФРГ. Состав для обработки текстиля и способ обработки]. Используемый полиорганосилоксан обладает гидрофильными свойствами, но является водонерастворимым соединением. Для увеличения его эмульгирующей способности при обработке волокнистых материалов добавляется другой полидиорганосилоксан, выполняющий функцию поверхностно-активного вещества. Недостатком указанной смеси полиорганосилоксанов является нестабильность эмульсии, ее способность к коагуляции, обусловленная свойствами применяемого полиорганосилоксана.

Наиболее близкими, принятыми за прототип, являются водорастворимые оксиалкиленорганосилоксаны [Соболевский М.В., Музовская О.А., Попелева Г.С. Свойства и области применения кремнийорганических продуктов. Под общей ред. проф. М.В.Соболевского. М.: Химия, 1975 г. - 96 с.] общей формулы:

где х=-СН₂-, -СН₂С(O)-, -O-;

l, р, m, k, n - число групп и число молекул в группах соответственно;

l=14-4; р=4-14; m=15-24; k=1-4; n=1-5;

R'=СН₃, С₂Н₅.

Наличие в оксиалкиленорганосилоксанах оксиэтиленовых звеньев обуславливает их растворимость в воде. Эти вещества гидрофильны среди полиорганосилоксанов, обладающих обычно гидрофобными свойствами.

Недостатком данных оксиалкиленорганосилоксанов является то, что в настоящее время они являются труднодоступными и дорогими продуктами. Кроме того, данные оксиалкиленорганосилоксаны обладают недостаточно эффективными гидрофилизирующими свойствами [Патент РФ №2370583. Способ придания волокнистым материалам гидрофильных свойств].

Целью изобретения являлся синтез алкоксисиланов с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами, которые могли бы быть использованы для гидрофильной отделки волокнистых материалов.

Алкоксисиланы с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами указанной общей формулы получают конденсацией соответствующих аминоалкилалкоксисиланов с N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами общей формулы:

R'=CH₃, C₂H₅;

x=1, 3, 4; Y=2-6; n=0, 1, 2.

с изоцианатоалкилтриалкоксисиланом в токе азота при температуре 75°С в среде диметилформамида (ДМФА).

Указанные соединения являются химически активными и могут применяться для гидрофильной отделки волокнистых материалов.

Для лучшего понимания изобретения приводятся примеры получения алкоксисиланов с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил)-аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами.

Пример 1. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триэтоксисилилметилуретано-2-гидроксипропил)аминометилтриэтоксисилана (I). Смесь из 3,4 г (1·10^-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминометилтриэтоксисилана и 2,2 г (1·10^-2 моль) изоцианатометилтриэтоксисилана в 25 г диметилформамида (ДМФА) выдерживают в токе азота при температуре 75°С в течение 30 мин, охлаждают, отделяют на роторном испарителе ДМФЛ и в остатке получают 5,13 г (99%) соединения (I).

Найдено, %: С 44,01; Н 8,33; N 5,69; Si 11,25.

C₂₁H₄₈N₂O₁₁Si₂

Вычислено, %: С 43,93; Н 8,48; N 5,12; Si 10,27; M 546,741.

Пример 2. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксисилилпропилуретано-2-гидроксипропил)аминопропилтриэтоксисилана (II). Аналогично примеру 1 из 3,7 г (1·10^-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминопропилтриэтоксисилана и 2,1 г (1·10^-2 моль) изоцианатопропилтриэтоксисилана получают 5,26 г (99%) соединения (II).

Найдено, %: С 46,04; Н 9,01; N 4,51; Si 9,99.

C₂₂H₅₀N₂O₁₁Si₂

Вычислено, %: С 45,96; Н 8,76; N 4,87; Si 9,77; M 574,792.

Пример 3. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксиси-лилбутилуретано-2-гидроксипропил)аминобутилтриметоксисилана (III). Аналогично примеру 1 из 3,83 г (1·10^-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминобутилтриэтоксисилана и 2,2 г (1·10^-2 моль) 4-изоцианатобутилтриметоксисилана получают 5,5 г (99%) соединения (III).

Найдено, %: С 45,07; Н 9,0; N 4,53; Si 10,12.

C₂₁H₄₈N₂O₁₁Si₂

Вычислено, %: С 44,97; Н 8,63; N 4,99: Si 10,01; M 560,766.

Пример 4. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксисилил-пропилуретано-2-гидроксипропил)аминометил(метил)диметоксисилана (IV). Аналогично примеру 1 из 2,85 г (1·10^-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминометил(метил)диметоксисилана и 2,1 г (1·10^-2 моль) 3-изоцианатопропилтриметоксисилана получают 4,57 г (99%) соединения (IV).

Найдено, %: С 41,56; Н 8,70; N 5,23; Si 11,92.

C₁₇H₄₀N₂O₁₀Si₂

Вычислено, %: С 41,78; Н 8,25; N 5,73; Si 11,49; M 488,662.

Пример 5. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триэтоксисилилбутилуретано-2-гидроксипропил)аминопропилди(метил)этоксисилана (V). Аналогично примеру 1 из 3,1 г (1·10^-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминопропилди(метил)этоксисилана и 2,25 г (1·10^-2 моль) 4-изоцианатобутилтриэтоксисилана получают 5,22 г (99%) соединения (V).

Найдено, %: С 50,89; Н 9,22; N 4,33; Si 9,97.

C₂₄H₅₄N₂O₉Si₂

Вычислено, %: С 50,49; Н 9,53; N 4,90; Si 9,84; М 570,844.

Пример 6. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триэтоксисилилметилуретано-2-гидроксипропил)аминогексаметиленаминометилтриэтоксисилана (VI). Аналогично примеру 1 из 4,4 г (1·10^-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминогексаметиленаминометилтриэтоксисилана и 2,2 г (1·10^-2 моль) 3-изоцианатометилтриэтоксисилана получают 6,1 г (99%) соединения (VI).

Найдено, %: С 48,89; Н 9,11; N 6,27; Si 8,73.

C₂₇H₆₁N₃O₁₁Si₂

Вычислено, %: С 49,13; Н 9,31; N 6,36; Si 8,51; М 659,930.

Пример 7. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксисилил-метилуретано-2-гидроксипропил)аминоэтиламинопропил(метил)-диметоксисилана (VII). Аналогично примеру 1 из 3,7 г (1·10^-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоэтиламинопропил(метил)диметоксисилана и 1,77 г (1·10^-2 моль) изоцианатометилтриметоксисилана получают 5,15 г (99%) соединения (VII).

Найдено, %: С 42,73; H 8,77; N 7,22; Si 10,85.

C₁₉H₄₅N₃O₁₀Si₂

Вычислено, %: С 42,91; Н 8,53: N 7,89; Si 10,56; М 531,722.

При нанесении водного или спиртового раствора соединения (I-VII) на волокнистый материал на поверхности волокон образуется органосилоксановое полимерное покрытие, у атомов кремния которого имеются ковалентно связанные с ними гидрофильные N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащие и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащие радикалы, располагающиеся перпендикулярно поверхности волокна (рис.1) - "щеточная геометрия" полимерного покрытия.

Механизм образования таких органосилоксановых полимерных покрытий на волокне основан на взаимодействии реакционноспособных гидрофильных алкоксисилильных Si-OR' (R'=СН₃, С₂Н₅) и силанольных Si-ОН групп, которые образуются при гидролизе данных алкоксисиланов (I -VII) в водных растворах, с гидроксильными, карбоксильными, амино- и другими реакционноспособными группами волокнистого материала. N-(1,2-дигидроксипро-пил)аминоалкилсодержащие и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащие группы, находящиеся на поверхности органосилоксанового покрытия, обуславливают повышение гидрофильных свойств волокон.

Взаимодействие с кератином шерсти. Концевые карбоксильные СООН группы аминокислот шерсти реагируют с алкоксисилильными Si-OR' группами алкоксисилана с выделением этилового или метилового спирта (а) и с силанольными Si-OH группами с выделением воды (б). Подобный механизм наблюдается для шелка и капрона.

Взаимодействие с целлюлозой хлопка. Гидроксильные ОН группы хлопка реагируют с алкоксисилильными Si-OR' группами алкоксисилана с выделением этилового или метилового спирта (а), а с силанольными Si-OH группами с выделением воды (б).

Взаимодействие с полиэтилентерефталатом (лавсаном). Концевые карбоксильные СООН и гидроксильные ОН группы лавсана реагируют с алкоксисилильными Si-OR' группами алкоксисилана с выделением этилового или метилового спирта (а), а с силанольными Si-OH группами с выделением воды (б).

Этиловый или метиловый спирт, а также вода удаляются при термообработке волокнистого материала, которая необходима для образования ковалентных связей между функциональными группами алкоксисилана и полимера волокнистого материала.

Данные ИК-спектров, снятые с модифицированных образцов волокнистых материалов, содержат полосы валентных колебаний Si-OC связей в области 880-810 см^-1, Si-C связей в области 1260-800 см^-1, С-ОН связей в области 3400-3600 см^-1, С-Н связей в области 2960-2850 см^-1, NH связей в области 3350-3310 см^-1.

Общая методика обработки волокнистых материалов заключалась в следующем [Патент РФ №2370583. Способ придания волокнистым материалам гидрофильных свойств].

1. Для повышения гидрофильности текстильных волокон готовится 1%-ный раствор соединения (I-VII).

2. Волокнистый материал пропитывается раствором и вылеживается при комнатной температуре с целью его равномерной по всему объему пропитки. Операция повторяется до тех пор, пока привес волокнистого материала не достигнет 0,07-0,4% массы.

3. Модифицированный волокнистый материал подвергается термообработке при 110°С в течение 10 мин с целью фиксации алкоксисилана на волокне.

Пример 1. Обработка волокнистого материала 0,07% раствором алкоксисилана (I). В качестве волокнистого материала были взяты образцы ткани: саржа (2×2): хлопок - 100%; саржа (2×2): хлопок - 70% и вискоза - 30%. Повышение гидрофильных свойств оценивалось по влагосодержанию (таблица 1).

Пример 2. Обработка волокнистого материала 0,4% раствором алкоксисилана (VII). В качестве волокнистого материала были взяты образцы полушерстяной гребенной ленты. Повышение гидрофильных свойств оценивалось по влагосодержанию (таблица 2).

Анализ результатов обработки показал, что обработка водным раствором алкоксисилана (I-VII) придает волокнистым материалам из волокон различной природы гидрофильные свойства, влагосодержание образцов волокнистых материалов повышается в 1,8 раза при затрате алкоксисилана 0,07-0,4 мас.%.

Использование предлагаемых алкоксисиланов с N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилуретансодержащими группами (I-VII) для гидрофильной отделки волокнистых материалов обеспечивает по сравнению с существующими гидрофилизирующими продуктами следующие преимущества: возможность придавать волокнистым материалам эффективные гидрофильные свойства при малой затрате алкоксисилана.

Таблица 1
Примеры изменения влагосодержания ткани, обработанной 0,07 раствором алкоксисилана (I).
Образец	Количество поглощенной влаги при температуре 27°С и 100%-ной влажности воздуха, через сутки, %	Количество поглощенной влаги при температуре 27°С и 100%-ной влажности воздуха, через 3 суток, %
До обработки	После обработки	Изменение влагосодержания, %	До обработки	После обработки	Изменение влагосодержания, %
Саржа (2×2) хлопок 100%	16,89	18,22	7,85	20,71	22,75	9,85
Саржа (2×2), хлопок - 70%о, вискоза - 30%	18,92	20,85	10,20	22,95	25,58	11,46

Таблица 2
Пример изменения влагосодержания ленты, обработанной 0,4 раствором алкоксисилана (VII).
Полушерстяная гребенная лента (70% - шерсть, 30% - лавсан)	Влагосодержание, %	Изменение влагосодержания, %	Влагосодержание после 30 мин сушки при 100°С,%	Изменение влагосодержания, %
До обработки	7,03		2,21
После обработки	10,21	44,23	4,06	83,71

1. Алкоксисиланы с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил) аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами общей формулы где х, у, n - число групп; х=1, 3, 4; у=2-6; n=0, 1, 2; R'=СН₃, С₂Н₅.

2. Способ получения соединений по п.1, отличающийся тем, что алкоксисиланы с N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами общей формулы где х=1, 3, 4; у=2-6; n=0, 1, 2; R'=СН₃, С₂Н₅,конденсируют с изоцианатоалкилтриалкоксисиланом в токе азота при температуре 75°С в среде диметилформамида.