CN102491991A - 含β-二羰基的有机硅偶联剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含β-二羰基的有机硅偶联剂,属于有机化学合成领域。该有机硅偶联剂由于具有β-二羰基官能团,其结构中的二羰基具有配位螯合作用,有利于产生共面作用力,增加粘接性,从而解决了氟橡胶、氟硅橡胶难以粘接的应用问题,用于制备特种硅油、硅树脂。其制备是先利用含β-二羰基的化合物与烯丙基氯在碳酸钾催化下,合成带β-二羰基的烯丙基化合物,然后再在铂金属配合物催化下与硅氧烷加成而得,其工艺、后处理简单,操作方便,收率高,成本低,易于工业化;烯丙基化β-二羰基化合物采用碳酸钾来催化,避免了传统的利用高毒性贵金属催化烯丙基醇的高温反应,降低了能耗,方便了操作,降低了成本。
Description
技术领域
本发明属涉及一种新型耐高温有机硅偶联剂,特别涉及一种含β-二羰基的有机硅偶联剂,本发明还涉及该有机硅偶联剂的制备方法。
背景技术
有机硅烷偶联剂是由硅氯仿(HSiCl3)和带有反应性基团的不饱和烯烃在铂氯酸催化下加成,再经醇解而得。其实质上是一类具有有机官能团的硅烷,在其分子中同时具有能和无机质材料(如玻璃、硅砂、金属等)化学结合的反应基团及与有机质材料(合成树脂等)化学结合的反应基团。硅烷偶联剂的应用大致可归纳为三个方面:
(一)用于玻璃纤维的表面处理:能改善玻璃纤维和树脂的粘合性能,大大提高玻璃纤维增强复合材料的强度、电气、抗水、抗气候等性能,即使在湿态时,它对复合材料机械性能的提高,效果也十分显著。目前,在玻璃纤维中使用硅烷偶联剂已相当普遍,用于这一方面的硅烷偶联剂约占其消耗总量的50%,其中用得较多的品种是乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等。
(二)用于无机填料填充塑料:可预先对填料进行表面处理,也可直接加入树脂中。能改善填料在树脂中的分散性及粘合力,改善工艺性能和提高填充塑料(包括橡胶)的机械、电学和耐气候等性能。
(三)用作密封剂、粘接剂和涂料的增粘剂:能提高它们的粘接强度、耐水、耐气候等性能。硅烷偶联剂往往可以解决某些材料长期以来无法粘接的难题。
目前,有机硅烷偶联剂的种类很多,国内主要有KH550,KH560,KH570,KH792,DL602,DL171等。但是,这些有机硅烷偶联剂大部分被长链烷氧基取代,活性降低,不易与填料相键合。另外它们的生产工艺长,污染严重,而且纯度低,产率亦较低,使得加工过程和结果均处于较低档次,使用范围受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题,提供一种含β-二羰基的有机硅偶联剂。
本发明的另一目的是提供一种含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法。
(一)含β-二羰基的有机硅偶联剂
本发明含β-二羰基的有机硅偶联剂,其结构式为:
R1 为-OC6H5 或-OCnH2n+1,其中,n=1~11的整数;
R2 为-OC6H 5或-OCmH2m+1 ,其中,m=1~11的整数;
R3 为Cl、-OCyH2y+1或-CxH2x+1,其中,y=1~3的整数,x=1~3的整数;
R4 为Cl、-OCyH2y+1或-CxH2x+1,其中,y=1~3的整数,x=1~3的整数;
R5 为Cl、-OCyH2y+1或-CxH2x+1,其中,y=1~3的整数,x=1~3的整数。
本发明的有机硅偶联剂由于具有β-二羰基官能团,其结构中的二羰基具有配位螯合作用,有利于产生共面作用力,增加粘接性,从而解决了性能十分优良的氟橡胶、氟硅橡胶难以粘接的应用问题,用于制备特种硅油、硅树脂。偶联剂的有机硅聚合物因主链由Si-O-Si 链节,侧链带有机基团,因而兼具有机和无机特性以及优良的耐高低温、耐辐照、耐腐蚀、耐氧化等独特性能;而且,甲氧基和乙氧基取代的硅烷比相应的长链烷氧基取代的硅烷具有更高的活性,进而可以快速的使它们本身与填料相键合,从而使复合材料具有更好的湿状态机械性和稳定的电气性能,该偶联剂性能独特、改性效果优良,还可作为液体硅橡胶、涂料、油墨、油漆中的促粘剂来使用。
(二)含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备
本发明含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,包括以下工艺步骤:
(1)β-二羰基的烯丙基化合物的制备
在极性有机溶剂中,以无水碳酸钾为催化剂,将含β-二羰基的化合物与烯丙基卤以1:1~1:5的摩尔比,于0~110℃搅拌反应0.25~24h,冷却至室温,除去多余的碳酸钾,用乙酸乙酯萃取,水洗,干燥,得到β-二羰基的烯丙基化合物。
所述含β-二羰基的化合物的结构式为:R1COCH2COR2;
R1 为-OC6H5 或-OCnH2n+1,其中,n=1~11的整数;
R2 为-OC6H 5或-OCmH2m+1 ,其中,m=1~11的整数。
常用的有:
EtOCOCH2COOEt,CH3COCH2COCH3,CH3COCH2COOEt,C6H5CH2COCH2COCH3,EtCOCH2COOEt,C3H7OCOCH2COC3H7, C4H9OCOCH2COC4H9,C5H11OCOCH2COC5H11。
所述烯丙基卤为烯丙基氯、烯丙基溴。
所述催化剂碳酸钾的用量为含β-二羰基的化合物摩尔量的5~1倍。
(2)β-二羰基的有机硅偶联剂的制备
在极性有机溶剂中,以金属铂的配合物作为催化剂,β-二羰基的烯丙基化合物与含氢硅氧烷以5:1~1:1的摩尔比,于0~110℃下反应0.25~24h,于60~120℃蒸馏,收集馏分,得到含β-二羰基的有机硅偶联剂。
所述含氢硅氧烷为C1-C3直链烷基、C1-C3支链烷基、烷氧基或卤素。常用的有:
。
所述催化剂金属铂的配合物为氢氯铂酸H2PtCl6·6H2O,铂-乙烯基硅烷络合物Pt2(Me2(CH=CH2)2Si2O)3,零价铂的磷配合物:(PPh3)2Pt(CH2=CH2)或Pt(Ph3PS)(Me2SO)Cl2,铂-异丙醇,铂-四氢呋喃。
所述催化剂金属铂的配合物的用量为含氢硅氧烷摩尔量的0.1~0.5%。
上述极性有机溶剂为四氢呋喃、乙腈、二甲亚砜、聚乙二醇。
其反应式如下:
本发明制备含β-二羰基的有机硅偶联剂的具有以下优点:
1、本发明有机硅偶联剂的合成通过两步完成,工艺、后处理简单,操作方便,收率高,成本低,易于工业化。
2、烯丙基化β-二羰基化合物采用碳酸钾来催化,避免了传统的利用高毒性贵金属催化烯丙基醇的高温反应,降低了能耗,方便了操作。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明有机硅偶联剂的制备作进一步说明。
实施例1、二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
(1)烯丙基丙二酸二乙酯的制备
将无水碳酸钾(8.58g,61mmol)、丙二酸二乙酯(7.68g,60mmol)、烯丙基氯(4.64g, 65mmol)依次加入到150 mL圆底烧瓶中,再加入极性有机溶剂乙腈70mL,控制温度在80℃,回流搅拌24小时,取出冷却至室温,加入水除去多余的碳酸钾,用乙酸乙酯萃取,有机相用水洗3次,无水硫酸钠干燥,真空旋转蒸发仪将溶剂旋干,得到黄色透明的液体即为产物(直接用于下步反应,无需再进一步提纯),产率95%。
所得产物烯丙基丙二酸二乙酯结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 5.71-5.70 (m, 1H), 5.00-4.98 (d, J =8.4 Hz, 2H), 4.12-4.10 (m, 4H), 3.19-3.17 (m, 1H), 2.71-2.70 (m, 2H), 1.30-1.29 (m, 6H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 170.0, 134.4, 116.4, 62.5, 52.9, 32.3, 14.1。
(2)二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
在50 mL圆底烧瓶中先将铂金属催化剂铂-乙烯基硅烷络合物Pt2(Me2(CH=CH2)2Si2O)3(4.74mg)稀释于30mL的脱硫甲苯中,然后将10mmol的二甲氧基甲基硅烷与10mmol的烯丙基丙二酸二乙酯混匀滴加到烧瓶中,控制温度在40℃,搅拌3~6小时,而后蒸馏,收集馏分得产物二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯,产率为86%。其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 4.12-4.11 (m, 4H), 3.56-3.55 (s, 6H), 3.15-3.13 (m, 1H), 2.03-2.02 (m, 2H), 1.38-1.36 (m, 2H), 1.35-1.34 (m, 2H), 1.30-1.28 (m, 6H), 0.15-0.14 (s, 3H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 170.0, 60.3, 59.6, 50.7, 31.2, 15.1, 13.6, 12.3, 5.7。
实施例2、2-(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酰丙酮的制备
(1)烯丙基乙酰丙酮的制备
将无水碳酸钾(8.58g,61mmol)、乙酰丙酮(6g,60mmol)、烯丙基氯(4.64g,65mmol)依次加入到150 mL圆底烧瓶中,再将极性有机溶剂70mL乙腈加入烧瓶中,控制温度在80℃,回流搅拌24小时,取出冷却至室温,加入水除去多余的碳酸钾,用乙酸乙酯萃取,有机相用水洗3次,无水硫酸钠干燥,真空旋转蒸发仪将溶剂旋干,得到黄色透明的液体即为产物烯丙基乙酰丙酮(直接用于下步反应,无需再进一步提纯),产率92%,其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 5.71-5.70 (m, 1H), 5.00-4.98 (d, J =8.4 Hz, 2H), 3.25-3.24 (m, 1H), 2.49-2.48 (m, 2H), 2.09-2.08 (s, 6H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 200.2, 134.4, 116.4, 70.1, 28.7, 27.5。
(2)2-(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酰丙酮的制备
在50 mL圆底烧瓶中先将铂金属催化剂Pt(Ph3PS)(Me2SO)Cl2(4.74mg)稀释于30mL的脱硫甲苯中,然后将30mmol的二甲氧基甲基硅烷与10mmol的烯丙基乙酰丙酮混匀滴加到烧瓶中,控制温度在80℃,搅拌3~6小时,而后蒸馏,收集馏分,得产物2-(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酰丙酮,产率为76%,其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 3.56-3.55 (s, 6H), 3.22-3.21 (m, 1H), 2.09-2.08 (s, 6H), 1.81-1.79 (m, 2H), 1.35-1.34 (m, 2H), 1.30-1.29 (m, 2H), 0.15-0.14 (s, 3H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 200.2, 68.6, 59.6, 29.5, 28.2, 14.8, 12.3, 5.8。
031] 实施例3、二乙基2 -(3-二乙氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
(1)烯丙基丙二酸二乙酯的制备:同实施例1。
(2)二乙基2 -(3-二乙氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
在50 mL圆底烧瓶中先将铂金属催化剂铂-乙烯基硅烷络合物Pt2(Me2(CH=CH2)2Si2O)3(4.74mg)稀释于30mL的脱硫甲苯中,然后将20mmol的二乙氧基甲基硅烷与10mmol的烯丙基丙二酸二乙酯混匀滴加到烧瓶中,控制温度在40℃,搅拌3~6小时,而后蒸馏,收集馏分,得产物二乙基2 -(3-二乙氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯。产率68%。其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 4.12-4.11 (m, 4H), 3.83-3.80 (m, 4H), 3.15-3.13 (m, 1H), 2.03-2.02 (m, 2H), 1.38-1.36 (m, 2H), 1.35-1.34 (m, 2H), 1.30-1.28 (m, 6H), 1.22-1.20 (m, 6H), 0.15-0.14 (s, 3H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 170.0, 62.8, 60.3, 50.7, 31.2, 18.4, 15.1, 13.6, 12.3, 5。
实施例4、二乙基2 -(3-二氯(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
(1)烯丙基丙二酸二乙酯的制备:同实施例1。
(2)二乙基2 -(3-二氯(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
在50 mL圆底烧瓶中先将铂金属催化剂铂-乙烯基硅烷络合物Pt2(Me2(CH=CH2)2Si2O)3(4.74mg)稀释于30mL的脱硫甲苯中,然后将50mmol的二氯甲基硅烷与10mmol的烯丙基丙二酸二乙酯混匀滴加到烧瓶中,控制温度在40℃,搅拌3~6小时,而后蒸馏,收集馏分,得产物二乙基2 -(3-二氯(甲基)硅)丙烷)乙酯。产率56%。其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 4.12-4.11 (m, 4H), 3.15-3.13 (m, 1H), 2.03-2.02 (m, 2H), 1.38-1.36 (m, 2H), 1.35-1.34 (m, 2H), 1.30-1.28 (m, 6H), 0.79-0.78 (s, 3H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 170.0, 60.3, 50.7, 31.2, 18.4, 15.1, 13.6, 4.8。
实施例5、二乙基2 -(3-三氯硅)丙烷)乙酯的制备
(1)烯丙基丙二酸二乙酯的制备:同实施例1。
(2)二乙基2 -(3-三氯硅)丙烷)乙酯的制备
在50 mL圆底烧瓶中先将铂金属催化剂铂-乙烯基硅烷络合物Pt2(Me2(CH=CH2)2Si2O)3(4.74mg)稀释于30mL的脱硫甲苯中,然后将10mmol的三氯硅烷与10mmol的烯丙基丙二酸二乙酯混匀滴加到烧瓶中,控制温度在40℃,搅拌3~6小时,而后蒸馏,收集馏分,得产物二乙基2 -(3-三氯硅)丙烷)乙酯。产率58%。其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 4.12-4.11 (m, 4H), 3.15-3.13 (m, 1H), 2.03-2.02 (m, 2H), 1.38-1.36 (m, 2H), 1.35-1.34 (m, 2H), 1.30-1.28 (m, 6H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 170.0, 60.3, 50.7, 31.2, 18.4, 15.1, 13.6。
实施例6、二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
(1)烯丙基丙二酸二乙酯的制备:同实施例1。
(2)二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
在50 mL圆底烧瓶中先将铂金属催化剂铂-异丙醇(4.74mg)稀释于30mL的脱硫甲苯中,然后将10mmol的二甲氧基甲基硅烷与10mmol烯丙基丙二酸二乙酯混匀滴加到烧瓶中,控制温度在40℃,搅拌3~6小时,而后蒸馏,收集馏分,得产物二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯,产率51%。其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 4.12-4.11 (m, 4H), 3.56-3.55 (s, 6H), 3.15-3.13 (m, 1H), 2.03-2.02 (m, 2H), 1.38-1.36 (m, 2H), 1.35-1.34 (m, 2H), 1.30-1.28 (m, 6H), 0.15-0.14 (s, 3H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 170.0, 60.3, 59.6, 50.7, 31.2, 15.1, 13.6, 12.3, 5.7。
实施例7、二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
(1)烯丙基丙二酸二乙酯的制备:同实施例1。
(2)二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯的制备
在50 mL圆底烧瓶中先将铂金属催化剂(PPh3)2Pt(CH2=CH2)(4.74mg)稀释于30mL的脱硫甲苯中,然后将10mmol的二甲氧基甲基硅烷与10mmol的烯丙基丙二酸二乙酯混匀滴加到烧瓶中,控制温度在40℃,搅拌3~6小时,而后蒸馏,收集馏分,得产物二乙基2 -(3-二甲氧基(甲基)硅)丙烷)乙酯,产率43%。其结构为:
核磁数据如下:
1H NMR (400 MHz, CDCl3): d = 4.12-4.11 (m, 4H), 3.56-3.55 (s, 6H), 3.15-3.13 (m, 1H), 2.03-2.02 (m, 2H), 1.38-1.36 (m, 2H), 1.35-1.34 (m, 2H), 1.30-1.28 (m, 6H), 0.15-0.14 (s, 3H)。
13C NMR (100 MHz, CDCl3): d = 170.0, 60.3, 59.6, 50.7, 31.2, 15.1, 13.6, 12.3, 5.7。
Claims (9)
2.如权利要求1 所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,包括以下两个工艺步骤:
(1)在极性有机溶剂中,以无水碳酸钾为催化剂,将含β-二羰基的化合物与烯丙基卤以1:1~1:5的摩尔比,于0~110℃搅拌反应0.25~24h,冷却至室温,除去多余的碳酸钾,用乙酸乙酯萃取,水洗,干燥,得到β-二羰基的烯丙基化合物;
(2)以金属铂的配合物作为催化剂,β-二羰基的烯丙基化合物与含氢硅氧烷以5:1~1:1的摩尔比,于0~110℃下反应0.25~24h,于60~120℃蒸馏,收集馏分,得到含β-二羰基的有机硅偶联剂。
3. 如权利要求2所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,其特征在于:所述含β-二羰基的化合物的结构式为:R1COCH2COR2;
R1 为-OC6H5 或 -OCnH2n+1,其中,n=1~11的整数;
R2 为-OC6H 5 或 -OCmH2m+1,其中,m=1~11的整数。
4.如权利要求2所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,其特征在于:所述烯丙基卤为:烯丙基氯或烯丙基溴。
5.如权利要求2所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,其特征在于:所述含氢硅氧烷为C1-C3直链烷基、C1-C3支链烷基、烷氧基或卤素。
6.如权利要求2所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,其特征在于:所述催化剂碳酸钾的用量为含β-二羰基的化合物摩尔量的5~1倍。
7.如权利要求2所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,其特征在于:所述催化剂金属铂的配合物为氢氯铂酸、铂-乙烯基硅烷络合物、零价铂的磷配合物、铂-异丙醇、铂-四氢呋喃。
8.如权利要求2所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,其特征在于:所述催化剂金属铂的配合物的用量为含氢硅氧烷摩尔量的0.1~0.5%。
9.如权利要求2所述含β-二羰基的有机硅偶联剂的制备方法,其特征在于:所述极性有机溶剂为四氢呋喃、乙腈、二甲亚砜、聚乙二醇。
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