Способ получения поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксанов с заданной степенью поликонденсации

Способ получения поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксанов с заданной степенью поликонденсации

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к химии и технологии получения поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксанов с заданными степенями поликонденсации (n≤1).

Поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксаны находят свое применение для получения блок-сополимеров с различными органическими олигомерами, в качестве добавок в композиционные материалы для повышения их термостойкости и каучуков холодного, УФ- и термоотверждения, а также используются в виде лаков и эмалей для получения термо-, морозо-, радиационное влаго-, УФ- и химическистойких покрытий.

Известен способ получения органоалкоксисилоксанов частичным ацидолизом органоалкоксиланов в присутствии хлористого водорода (А.Г. Иванов, В.М. Копылов, В.Л. Иванова, В.А. Ковязин, И.Б. Сокольская, И.И. Хазанов. Получение органоалкоксисилоксанов частичным ацидолизом органоалкоксисиланов. ЖОХ. 2012. Т.82. Вып.1. С.69-75). Недостатком данного способа является невозможность четкой воспроизводимости конечных продуктов с заданной степенью поликонденсации.

В патенте US 5210168, МПК C08G 77/06, 1993 г. описывается способ получения диорганоциклосилоксанов ацидолизом дихлор- и диалкоксидиорганосиланов, а также гидридсилсесквиоксана из триметоксисилана в толуоле и метаноле.

Недостатком данного способа является использование растворителя и хлорсиланов, а также невозможность получения смол из мономеров различной функциональности.

Известны способы получения полиорганосилоксанов поликонденсацией органоалкоксисиланов в активной среде - безводной карбоновой кислоте или смеси безводной карбоновой кислоты и органического растворителя (заявка RU 2006113775, МПК C08G 77/06, 2007) и безводной карбоновой (уксусной) кислоте в присутствии катализаторов, содержащих соединения с хлорсилильной и хлорангидиридной функциональной группой в количестве 0.01-5 вес.% (заявка RU 2006113774, МПК C08G 77/04, 2007).

Существенными недостатками этих методов являются применение органических растворителей, большого избытка карбоновой кислоты и необходимость использования большого количества воды для удаления ее избытка. Применение избытка уксусной кислоты увеличивает глубину замещения алкокси- на ацетокси-группы в органоалкоксисилане, что способствует сохранению ацетоксисилильных групп при стерически затрудненных фрагментах в полимере, а это, в свою очередь, приводит к изменению характеристик полимера при хранении вследствие реакции гетерофункциональной конденсаци ацетоксисилильных групп с гидроксисилильными.

В патенте RU 2464286, МПК C08G 77/06, 2012 г. приведен способ получения термостойких олигоорганосилоксановых смол поликонденсацией в активной среде (безводная карбоновая кислота) продуктов частичного гидролиза исходных органоалкоксисиланов в толуоле с октаметилциклотетрасилоксаном в присутствии каталитических количеств (0.001-0.09 мольн.%) серной кислоты.

К недостаткам данного способа можно отнести использование растворителя, применение дополнительных технологических приемов по избавлению от избытка карбоновой кислоты, а также в присутствии серной кислоты происходит расщепление ≡Si-O-Si≡ связи с образованием ацетоксисилильных и гидроксисилильных групп, что в данном случае отрицательно влияет на воспроизводимость характеристик полимеров (патент RU 2357978, МПК C08G 77/06, 2009).

Предложен способ получения метилфенилсилоксановых смол ацидолизом соответствующих алкоксисиланов уксусной кислотой в присутствии кислотного катализатора при повышенной температуре с использованием стадии активации и порционной нейтрализацией полученных полиорганосилоксанов, также их модификацией органическими смолами (полиэфиры, эпоксидные смолы) на стадии отгонки растворителя (патент RU 2428438, МПК C08G 77/06; C08G 77/38).

Недостатком данного метода является образование большого количества промывных вод в ходе избавления от избытка уксусной кислоты. Удаление высококипящего растворителя - толуола из состава конечного продукта требует достаточно высокой температуры, при которой возможно продолжение процесса конденсации вплоть до образования нерастворимых продуктов - геля.

Близким по сущности предложенного нами технического решения является способ получения полиметаллосилоксанов (патент RU 2444540, МПК C08G 77/58; C08G 77/06; 2012 г.). Данный метод основан на реакции ацидолиза смеси алкоголятов металлов и алкокси(органо)силанов с низшими карбоновыми кислотами при температуре 20-105°C в присутствии сильной минеральной кислоты в качестве катализатора процесса (0.01-0.2 вес.%), с постепенным повышением температуры смеси до 135°C для отгонки летучих, возвратом последних в охлажденную реакционную массу, последующей ее нейтрализацией, фильтрацией и удалением летучих из целевого продукта.

Недостатками данного способа являются наличие замедленной стадии (индукционный период), которая увеличивает продолжительность процесса ацидолиза на 1 час, и отсутствие возможности регулировать степень поликонденсации (n) продуктов.

Задача настоящего изобретения - разработать универсальный эффективный способ получения поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксанов с заданными степенями поликонденсации (n≤1) АГПК одного из алкокси(органо)силанов с функциональностью (f) от 1 до 4 и/или их смеси.

Поставленная задача - получение поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксанов общей формулы

[R¹R²R³SiO_1/2]_0-12[R⁴R⁵SiO]_0-60[R⁶SiO_3/2]_0-10[SiO₂]_0-8[O_1/2R⁷]_0-12,

где R¹, R², R³, R⁴, R⁵ - H, алкил C₁-C₈, винил, фенил; R⁶ - H, алкил C₁-C₈, винил, фенил, γ-глицидилоксипропил, метакрилоксипропил, γ-трифторпропил; R⁷-H, алкил C₁-C₈, в котором алкокси(органо)силаны общей формулы R_mSi(OR⁷)_4-m, где R=R¹, R², R³, R⁴, R⁵, R⁶; m=0÷3 и R⁷-H, алкил C₁-C₈, и/или их смеси подвергают ацидогидролитической поликонденсации (АГПК) при температуре от 20 до 95°C в присутствии низшей карбоновой кислоты в качестве реагента, деминерализованной воды (0.1-0.5 моль) и/или водного спирта (0.06-0.6 моль - по спирту) и/или спирта (0.1-0.7) на 1 моль алкокси(органо)силана для активации и минеральной кислоты как катализатора процесса, взятой в количестве от 0.11 до 0.46 мас.%, с постепенным повышением температуры смеси до 145°C для достижения заданной степени поликонденсации (n) поли(органо)алкоксисилоксанов, получения полностью конденсированных полиорганосилоксанов и не более 125°C при синтезе полиорганогидроксисилоксанов, отгонки спиртов и их ацетатов, возвратом последних в охлажденную реакционную массу, последующей ее нейтрализацией (при необходимости), фильтрацией смеси и удалением летучих из целевого продукта.

Мольное количество (x) карбоновой кислоты для синтеза поли(органо)алкоксисилоксана с определенным значением n<1 и полностью конденсированного полиорганосилоксана (n=1) из индивидуального алкокси(органо)силана и/или смеси мономеров с одинаковой функциональностью вычисляют по уравнению (1)

x = n ⋅ f ⋅ y / 2,                                                    ( 1 )

где f - функциональность и y - мольное количество алкокси(органо)силана, а для смеси разнофункциональных алкокси(органо)силанов по уравнению (2)

x = n ⋅ Σ f i ⋅ y i / 2,                                                     ( 2 )

где f_i - функциональность и y_i - мольное количество отдельных алкокси(органо)силанов.

Для синтеза полиорганогидроксисилоксана с заданным значением n<1 из индивидуального алкокси(органо)силана и/или смеси мономеров с одинаковой функциональностью мольное количество (x) карбоновой кислоты вычисляют по уравнению (3)

x = f ⋅ y ( 2 − n ) / 2,                                                      ( 3 )

для смеси разнофункциональных алкокси(органо)силанов по уравнению (4)

x = ( 2 − n ) ⋅ Σ f i ⋅ y i / 2.                                                       ( 4 )

При использовании воды или водного спирта в качестве активатора реакции АГПК для всех полиорганосилоксанов загрузку карбоновой кислоты уменьшают на количество (моль) взятой воды или воды в спирте, также учитывают воду в составе минеральной кислоты.

Полученные продукты представляют собой прозрачные жидкости или твердые продукты от бесцветных до окрашенных в желтый цвет, без остатка растворяются в полярных и неполярных органических растворителях.

Технический результат - предложенный способ обеспечивает получение сополимера с равномерным распределением разнофункциональных атомов кремния, полностью исключает использование растворителя и воды для промывания, сокращает количество стадий, обеспечивает высокий выход полимера, полученные поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксаны обладают повышенной термостойкостью, пониженной температурой плавления, а большинство алкокси- и полностью конденсированные полиорганосилоксаны являются жидкостями.

Подробное описание способа приведено в следующих примерах.

Пример 1.

В колбу, снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником и капельной воронкой загружают 23.66 г (0.2 моль) Me₃SiOC₂H₅, 26.12 г (0.2 моль) Me₂(Vi)SiOC₂H₅, 0.30 г 34%-ной соляной кислоты (0.0028 моль HCl) и 11,35 г (0.189 моль) ледяной уксусной кислоты. Количество уксусной кислоты, необходимое для проведения полной конденсации (n=1) 0.4 моль (0.2+0.2) однофункциональных триорганоалкоксисиланов (f=1) определяют по уравнению (1) с учетом воды в соляной кислоте (0,011 моль). Реакционную массу при перемешивании нагревают до 60°C и добавляют 4,64 г (0.1 моль) абсолютированного этилового спирта. После перемешивания в течение 1 часа отгоняют летучие продукты - 31.09 г, постепенно повышая температуру до 100°C. Исследование состава отгона методом ГЖХ показало, что он содержит стехиометрические количества этилацетата и этанола, около 0.25 вес.% дисилоксанов. Получили 34,69 г продукта (выход 99,68%). На ²⁹Si ЯМР спектре продукта обнаружили химические сдвиги (δ)+6.71 м.д. (Me₃ SiOSiMe₃), +2.91 м.д. (Me₃ SiOSi(Vi)Me₂), -0.89 м.д. (Me₃SiOSi(Vi)Me₂), -4.68 м.д. (Me₂(Vi)SiOSi(Vi)Me₂). По интегральным интенсивностям химических сдвигов (δ) соответствующих атомов кремния определили состав продукта: Me₃ SiOSiMe₃ - 11%, Me₃SiOSi(Vi)Me₂ - 78%, Me₂(Vi)SiOSi(Vi)Me₂ - 11%.

Пример 2.

В колбу, снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником и капельной воронкой загрузили 41,65 г (0.2 моль) Si(OC₂H₅)₄, 0.16 г 34%-ной соляной кислоты (0.0014 моль HCl) и 6.66 г (0.145 моль) муравьиной кислоты. Количество муравьиной кислоты, необходимое для получения этилсиликата с n=0.625 из 0.2 моль четырехфункционального алкоксисилана (f=4) определяют по уравнению (1) с учетом воды в соляной кислоте (0,0055 моль) и деминерализованной воды, добавленной в качестве активатора - 1.82 г (0.1 моль). Реакционную массу нагревают до 50°C. После перемешивания в течение 1 часа отгоняют летучие продукты - 27.27 г, постепенно повышая температуру до 145°C. В состав отгона входили стехиометрические количества этилформиата, этанола и 0.03 вес.% воды (ГЖХ). Получили 23.01 г продукта среднего состава [SiO₂][O_1/2C₂H₅]_1,5 (выход 99,61%). Количественное соотношение фрагментов [C₂H₅OSiO_3/2-] (-104.7÷-103.3 м.д.): [(C₂H₅O)₂ SiO-] (-97.0÷-95.3 м.д.), найденное по интегральным интенсивностям химических сдвигов (δ) соответствующих атомов кремния на ²⁹Si ЯМР спектре равна 1. Химические сдвиги (δ), принадлежащие (C₂H₅O)₃SiO-фрагменту и исходному мономеру не обнаружены.

По этой методике из Si(OC₂H₅)₄ получили этилсиликат с n=0.5. В этом случае на ²⁹Si ЯМР спектре появились химические сдвиги (δ), принадлежащие (C₂H₅O)₃SiO-фрагменту (-89.6÷-88.7 м.д.) и исходному мономеру - Si(OC₂H₅)₄ (-82.3 м.д.).

Пример 3.

В колбу, снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником и капельной воронкой, загружают 39,65 г (0.2 моль) PhSi(ОСН₃)₃, 13.66 г (0.1 моль) MeSi(ОСН₃)₃, 0.11 г 34%-ной соляной кислоты (0.001 моль HCl) и 37,09 г (0.501 моль) пропионовой кислоты. Количество пропионовой кислоты, необходимое для получения полиметилфенилгидроксисилоксана с n=0.833 из 0.3 (0.2+0.1) моль трехфункциональных алкоксисиланов (f=3) определяют по уравнению (3) с учетом воды (0,004 моль) в соляной кислоте и воды (0.02 моль) в 9,02 г этилового спирта (96 вес.%), добавленного в качестве активатора. Реакционную массу нагревают до 95°C, после перемешивания в течение 2 часов отгоняют летучие продукты - 65.79 г, постепенно повышая температуру до 130°C. В составе отгона определили стехиометрические количества метил- и этил-пропионата, метанола, 0.09 вес.% воды (ГЖХ). Получили 33.73 г полиметилфенилгидроксисилоксана среднего состава [MeSiO_3/2]_2,6[PhSiO_3/2]_5,4[O_1/2Н]₄ (выход 99,67%). Количественное соотношение протонов C₆ H ₅ SiO_3/2 - (дуплет 8.000 и 7.604 м.д.): CH₃SiO_3/2 - (0.554 м.д.), найденное по интегральным интенсивностям химических сдвигов (δ) соответствующих протонов на ПМР-спектре равна 10:3, что соответствует соотношению исходных мономеров. Содержание остаточной CH₃O-группы (δ=3.574 м.д.), определенное по ПМР-спектру составляет следовое количество. Содержание ОН-групп в продукте 6,50 вес.% (титрование реактивом Фишера). Время гелеобразования продукта на полимер изационной плитке при 200°C равна 53 мин. Температура плавления - 72°C.

Пример 4.

В колбу, снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником и капельной воронкой загружают 40.91 г (0.3 моль) MeSi(ОСН₃)₃, 0.21 г 34%-ной соляной кислоты (0.002 моль HCl), 27,3 г (0.21 моль) 2-этилгексанола и 23,18 г (0.386 моль) ледяной уксусной кислоты. Количество уксусной кислоты, необходимое для получения полиметилалкоксисилоксана с n=0.867 из 0.3 моль трехфункционального алкоксисилана (f=3) определяют по уравнению (1) с учетом воды (0,0076 моль) в соляной кислоте. Реакционную массу перемешивали в течение 2 часов при температуре 20°C, отгоняют летучие продукты, постепенно повышая температуру до 145°C. Отгонку летучих продолжают на роторном испарителе при 20 мм рт.ст и температуре 145°C в течение 1 часа. Получили 26.33 г полиметилалкоксисилоксан среднего состава [CH₃SiO_3/2]₁₀[O_1/2CH₃]_2,8[O_1/2C₈H₁₇]_1.2, что подтвердили расчеты по интегральным интенсивностям химических сдвигов (δ) протонов CH₃SiO_3/2 - (0.557 м.д.), CH ₃O_1/2Si - (3.576 м.д.), CH₃(CH₂)₃CH(C₂H₅)CH₂OSi - (1.649 м.д.) ПМР-спектра продукта.

Пример 5.

В колбу, снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником и капельной воронкой загружают 11,82 г (0.05 моль) H₂C(O)CHCH₂O(CH₂)₃Si(ОМе)₃, 12,43 г (0.05 моль) CH₂=C(CH₃)C(O)O(CH₂)₃Si(OMe)₃, 36,01 г (0.3 моль) Me₂Si(ОСН₃)₂, 15,94 г (0.15 моль) Me(H)Si(ОСН₃)₂, 54,71 г (0.3 моль) Me(Ph)Si(ОСН₃)₂, 0,40 г 94%-ной серной кислоты, 13,62 г (0.425 моль) метанола и 53,99 г (0.899 моль) ледяной уксусной кислоты. Количество уксусной кислоты, необходимое для получения полностью конденсированного полиорганосилоксана с n=1.0 из смеси 0.1 (0.05+0.05) моль трехфункциональных (f=3) 0.75 (0.3+0.15+0.3) моль двухфункциональных (f=2) алкоксисиланов определяют по уравнению (2) с учетом воды (0,00089 моль) в серной кислоте. Реакционную массу нагревают до 80°C, после перемешивания в течение 2 часов отгоняют летучие продукты, постепенно повышая температуру до 125°C. Отгонку летучих продолжают на роторном испарителе при 20 мм рт.ст и температуре 145°C в течение 1 часа. Получили 88.83 г (выход 99.47%) полигидридметилфенилглицидоксипропилметакрилоксипропилсилоксан среднего состава

[Me(H)SiO]_0.15[Me₂SiO]_0.3[Me(Ph)SiO]_0.3[H₂C(O)CHCH₂O(CH₂)₃SiO_3/2]_0.05

[CH₂=C(CH₃)C(O)O(CH₂)₃SiO_3/2]_0.05. Полноту прохождения реакции поликонденсации (n=1.0) подтвердили ПМР-спектроскопией (следовое количество CH ₃O_1/2Si - (3.571 м.д.)) и титрованием реактивом Фишера (следовое количество SiOH-групп) продукта - вязкой жидкости светло-коричневого цвета. Количественное соотношение протонов H₂C(O)CHCH₂O(СН₂)₃SiO_3/2-(3.146 м.д.):CH₂=С(СН ₃)С(O)O(СН₂)₃SiO_3/2-(1.939 м.д.):Me(H)SiO-(4.535 м.д.):(CH₃)₂SiO-(0.129 м.д.):C₆H₅(CH₃)SiO-(дуплет 7.398÷7.712 м.д.) соответствует их соотношению в исходных реагентах (ПМР).

Пример 6.

В колбу, снабженную мешалкой, термометром, обратным холодильником и капельной воронкой загружают 28,03 г (0.2 моль) Vi₃SiOMe, 49,22 г (0.3 моль) CF₃CH₂CH₂(Me)Si(OMe)₂, 36,03 г (0.2 моль) CF₃CH₂CH₂Si(OMe)₃, 64,01 г (0.2 моль) Si(OBu)₄, 0,75 г 34%-ной соляной кислоты, 1,63 г (0.09 моль) деминерализованной воды и 70,40 г (1.172 моль) ледяной уксусной кислоты. Количество уксусной кислоты, необходимое для получения полиорганосилоксана с остаточными SiOH-группами (n=0.909 из смеси 0.2 моль монофункционального (f=1), 0.3 моль дифункционального (f=2), 0.2 моль трифункционального (f=3), 0.2 моль тетрафункционального (f=4) алкоксисиланов определяют по уравнению (4) с учетом воды (0,0275 моль) в соляной кислоте. Реакционную массу нагревают до 80°C, после перемешивания в течение 2 часов отгоняют летучие продукты, постепенно повышая температуру до 125°C. Отгонку летучих продолжают на роторном испарителе при 20 мм рт.ст и температуре 125°C в течение 1 часа. Получили 94.23 г (выход 99.40%) полиметилтрифторпропилвинилгидроксисилоксан среднего состава [(CH₂CH)₃SiO_0.5]_0.2[CF₃CH₂CH₂(Me)SiO]_0.3[CF₃CH₂CH₂SiO_3/2]_0.2 [SiO₂]_0.2[O_0.5H]_0.2. Достижение заданной степени поликонденсации (n=0.909) подтвердили ПМР-спектроскопией (следовые количества CH ₃OSi - (3.571 м.д.) и CH ₃CH₂CH₂CH₂ OSi - (триплет 0.888-0.907-0.929 м.д.) и титрованием реактивом Фишера (9.49 вес.% SiOH-групп) продукта.

Способ получения поли(органо)(алкокси)(гидрокси)силоксанов с заданной степенью поликонденсации (n≤1) общей формулы[R^lR²R³SiO_1/2]_0-12[R⁴R⁵SiO]_0-60[R⁶SiO_3/2]_0-10[SiO₂]_0-8[O_1/2R⁷]_0-12,где R¹, R², R³, R⁴, R⁵ - Н, алкил C₁-C₈, винил, фенил; R⁶ - H, алкил C₁-C₈, винил, фенил, γ-глицидилоксипропил, метакрилоксипропил, γ-трифторпропил; R⁷-Н, алкил C₁-C₈, в котором алкокси(органо)силаны общей формулы R_mSi(OR⁷)_4-m, где R=R¹, R², R³, R⁴, R⁵, R⁶; m=0÷3 и R⁷ - Н, алкил C₁-C₈, и/или их смеси подвергают ацидогидролитической поликонденсации (АГПК) при температуре от 20 до 95°C в присутствии низшей карбоновой кислоты в качестве реагента, деминерализованной воды (0,1-0,5 моль) и/или водного спирта (0,06-0,6 моль - по спирту) и/или спирта (0,1-0,7) на 1 моль алкокси(органо)силана для активации и минеральной кислоты как катализатора процесса, взятой в количестве от 0,11 до 0,46 мас.%, с постепенным повышением температуры смеси до 145°C для достижения заданной степени поликонденсации (n) поли(органо)алкоксисилоксанов, получения полностью конденсированных полиорганосилоксанов и не более 125°C при синтезе полиорганогидроксисилоксанов, отгонки спиртов и их ацетатов, возвратом последних в охлажденную реакционную массу, последующей ее нейтрализацией (при необходимости), фильтрацией смеси и удалением летучих из целевого продукта, отличающийся тем, что мольное количество (x) карбоновой кислоты для синтеза поли(органо)алкоксисилоксана с определенным значением n<1 и полностью конденсированного полиорганосилоксана (n=1) из индивидуального алкокси(органо)силана и/или смеси мономеров с одинаковой функциональностью вычисляют по уравнению (1) x = n ⋅ f ⋅ y / 2,                                                    ( 1 ) где f - функциональность и y - мольное количество алкокси(органо)силана; для смеси разнофункциональных алкокси(органо)силанов по уравнению (2) x = n ⋅ Σ f i ⋅ y i / 2,                                                     ( 2 ) где f_i - функциональность и y_i - мольное количество отдельных алкокси(органо)силанов; при этом для синтеза полиорганогидроксисилоксана с заданным значением n<1 из индивидуального алкокси(органо)силана и/или смеси мономеров с одинаковой функциональностью мольное количество (x) карбоновой кислоты вычисляют по уравнению (3) x = f ⋅ y ( 2 − n ) / 2,                                                      ( 3 ) для смеси разнофункциональных алкокси(органо)силанов по уравнению (4) x = ( 2 − n ) ⋅ Σ f i ⋅ y i / 2.                                                       ( 4 ) ,а при использовании воды или водного спирта в качестве активатора реакции АГПК для всех полиорганосилоксанов загрузку карбоновой кислоты уменьшают на количество (моль) взятой воды или воды в спирте с учетом количества воды в составе минеральной кислоты.