CN106432729A - 一种含苯并环丁烯官能团的聚倍半硅氧烷及其制备方法 - Google Patents

一种含苯并环丁烯官能团的聚倍半硅氧烷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有机高分子材料领域，具体为含苯并环丁烯官能团的聚倍半硅氧烷及其制备方法。本发明的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其有机结构部分至少含有直连的苯并环丁烯官能团，骨架部分为倍半硅氧烷；其中苯并环丁烯官能团为下述中的一种或者多种：苯并环丁烯‑4‑基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、烯丙基、氨丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环；其中，至少含有苯并环丁烯‑4‑基。本发明的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷可由含苯并环丁烯有机硅前驱体通过水解缩合制备。该含苯并环丁烯的倍半硅氧烷可通过旋涂、后固化制备低介电耐高温的薄膜，或者制备聚合物复合材料，应用在电子封装、集成电路等领域。

Description

一种含苯并环丁烯官能团的聚倍半硅氧烷及其制备方法
技术领域
本发明属于有机高分子材料领域，具体涉及含苯并环丁烯官能团的聚倍半硅氧烷及其制备方法。
背景技术
苯并环丁烯树脂是一类性能优异的聚合物材料，其热性能、机械性能和节电性能都非常优异。具有代表性的是陶氏化学公司开发的Cyclotene系列苯并环丁烯树脂单体，其化学结构如下式所示：
这类单体双官能团的苯并环丁烯单体加热后可发生开环聚合，生成高交联、耐高温的低介电聚合物材料。
聚倍半硅氧烷是一类优异的有机无机杂化材料，其结构式可以表示为(RSiO3/2)n。聚倍半硅氧烷具有优异的热稳定性、耐热氧化性、良好的绝缘性等。其结构多样，可以呈无规、梯形、笼型、半笼型等。聚倍半硅氧烷通常以Si-O-Si为无机骨架，提供优异的耐热性；侧基为有机取代基，提供了聚倍半硅氧烷的在有机溶剂中的溶解性，从而使得聚倍半硅氧烷具有优异的可加工性和反应多样性，因而引起了人们广泛的关注。
在Colin O. HAYES等人（Journal of the Ceramic Society of Japan，2015，123[9] 800-804）将苯并环丁烯和笼型倍半硅氧烷结合起来，制备了含有苯并环丁烯的笼型倍半硅氧烷。但是其过程复杂，且使用了铂催化剂，不方便除去。
。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型结构的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷及其合成方法。
本发明提供的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其有机结构部分至少含有直连的苯并环丁烯官能团，骨架部分为倍半硅氧烷，其结构表示如下：
其中，n为整数，且大于等于6；R基团可以为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、羟基、烯丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环等。其中：至少含有苯并环丁烯-4-基。
本发明提供的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其结构可以是笼型的、梯形的，也可以是无规、半笼型等其他杂化形式。
本发明中，所述笼型的聚倍半硅氧烷，其结构表示如下：
其中，R基团可以为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、烯丙基、氨丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环等。其中：至少含有苯并环丁烯-4-基。
本发明中，所述的梯形聚倍半硅氧烷，其结构式如下：
其中，n为整数，且大于等于2；R基团可以为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、烯丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环等。其中：至少含有苯并环丁烯。R1为甲氧基、乙氧基、异丙氧基、羟基中的一种或者多种。
本发明提供的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，也可以是以下结构形式：
其中，R基团可以为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、羟基、烯丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环等。其中：至少含有苯并环丁烯-4-基。N为整数，且大于等于2。
本发明中，代表性的笼型的含苯并环丁烯聚倍半硅氧烷，可以是：八（苯并环丁烯-4-基）笼型倍半硅氧烷，其结构式如下：
本发明中，代表性的梯形的含苯并环丁烯聚倍半硅氧烷，其结构式如下：
或者是，。
其中，n大于等于2。另外，如梯形倍半硅氧烷同时含有苯并环丁烯-4-基和其他官能团时，其苯环和苯并环丁烯的序列为随意的。
本发明提供的上述含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷的制备方法，具体步骤如下：利用含苯并环丁烯的有机硅前躯体为原料，必要时同其他一种或者多种有机硅前躯体一起，在溶剂存在下，在酸或者碱催化下进行水解、缩合反应；其中，反应温度为-30℃到150℃，反应时间为1小时到48小时；或者同样在溶剂存在下，先在一定温度下加入酸催化剂反应一段时间，再加入碱催化加热一定温度反应，其中，第一段反应温度为-30℃到30℃，反应时间为0.5小时到5小时；第二段反应温度为30℃到150℃，反应时间为1小时到48小时；
上述反应均在普通大气条件下进行，或者在氮气、氩气等惰性气体保护下进行。
其中，所述含苯并环丁烯的有机硅前躯体，其结构形式如下：
结构式中，R1为甲氧基、乙氧基、异丙氧基、卤素原子中的一种或者多种。
所述含苯并环丁烯的有机硅前躯体的典结构有：苯并环丁烯-4-基三甲氧基硅烷，苯并环丁烯-4-基三乙氧基硅烷，苯并环丁烯-4-基三氯硅烷等。其结构式如下：
所述其他有机硅前躯体，其结构形式如下：
其中，R是甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、烯丙基、氨丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环中的一种。R1为甲氧基、乙氧基、异丙氧基、卤素原子中的一种或者多种。典型的结构有：苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、苯基三氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、烯丙基三乙氧基硅烷等等。
所述的溶剂是水、乙醇、异丙醇、丁醇、乙醚、二氧六环、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸丙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、苯、二甲苯、丙酮、丁酮、环己酮等溶剂中的一种或者多种。
所述的酸催化，采用的酸可以是乙酸、甲酸、盐酸、磷酸或硫酸等；所述的酸可以是高纯度的，也可以是水溶液。
所述的碱催化，采用的碱是下述中的一种或者几种：碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸铯、磷酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、吡啶、三乙胺、二乙胺、4-二甲胺基吡啶、咪唑、N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、2-甲基-咪唑、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵。所述的碱可以是醇溶液，也可以是水溶液。
反应结束后，可通过过滤沉淀、劣溶剂沉淀等方法分离、再经过洗涤得到粗产品。具体是，当合成的产品不溶于反应溶剂当中时，可采用过滤沉淀法进行分离，再经过洗涤得到粗产品；当合成的产品可溶于反应溶剂中时，可先旋转蒸发除去反应溶剂，浓缩液在搅拌下加入到不良溶剂中沉淀出来，再经过过滤、洗涤、干燥处理得到粗产品。当合成的产品可溶于反应溶剂中时，也可以先水洗至中性、再利用旋转蒸发等方法除去溶剂后得到粗产品。粗产品可用重结晶、柱色谱等方法提纯。粗产品也可直接应用。
上述得到的产品可应用于聚合物复合、杂化材料的制备。比如，将制备的含苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷和有机硅树脂采用溶剂法共混、加热交联反应，提高有机硅树脂的机械性能和耐热性。可采用溶剂法也可溶在良溶剂中，可通过旋涂、后固化制备低介电耐高温的薄膜。
具体实施方式
实施例1
三甲氧基（苯并环丁烯-4-基）硅烷BCBTMS的制备
将镁粉（0.912g）、10ml无水四氢呋喃加入到氮气保护的50ml三口瓶中加入到50ml三口瓶中，氮气保护。将4-溴苯并环丁烯（6.008g）、无水四氢呋喃（15ml）加入到恒压滴液漏斗中，混合均匀。50℃条件下，滴加数滴混合液到三口瓶中。引发后，继续滴加。加入完毕后，继续在50℃反应1小时，制备苯并环丁烯格氏试剂。
将6.026g四甲氧基硅烷，15ml无水四氢呋喃加入到装有搅拌子、氮气保护的三口瓶中，冷浴至-30℃。搅拌下，缓慢加入前面制备的苯并环丁烯格氏试剂，一小时滴加完毕。室温下继续搅拌2小时。反应结束后，过滤掉沉淀。滤液利用旋转蒸发仪旋干后，剩余物进行减压蒸馏提纯得到产品。1H-NMR（CDCl3，500MHz，ppm）：7.538~7.52(d,1H),7.361(s,1H),7.134~7.116(d,1H), 3.642(s,9H), 3.229(s,4H)）。
实施例2
八（苯并环丁烯-4-基）笼型倍半硅氧烷的制备
将10ml苯加入到氮气保护的三口瓶中。搅拌下加入2.205g三甲氧基（苯并环丁烯-4-基）硅烷、0.263g水以及0.246g苄基三甲基氢氧化铵40%甲醇溶液。80℃回流反应4小时。反应结束后，冷却至室温，过滤。沉淀分别用甲醇和正己烷洗涤后，干燥，即得到粗产品。粗产品用二氯甲烷/丙酮重结晶，得到纯品。分子量利用MALDI分析，MALDI：[M+Na]+: 1263; [M+K]+: 1279。
实施例3
梯形苯并环丁烯倍半硅氧烷BCBSSQ的制备
将10mL BCBTMS与50 ml甲苯的溶液中加入15ml盐酸（0.1M），反应温度保持在0℃，持续反应3小时。水洗至中性，加入3ml氢氧化钾甲醇溶液（0.01g/10ml），80℃反应24小时，水洗至中性，用无水硫酸钠干燥过夜。过滤，旋蒸除去有机溶剂，得到白色颗粒状BCB聚合物。
实施例4
梯形苯并环丁烯倍半硅氧烷BCBPhSSQ的制备
将5ml的PTMS和5ml的BCBTMS与50ml甲苯的溶液中加入15ml盐酸（0.1M），反应温度保持在0℃，反应3小时。水洗至中性，加入3ml氢氧化钾甲醇溶液（0.01g/10ml），80℃反应24小时，水洗至中性，用无水硫酸钠干燥过夜。过滤，旋蒸除去有机溶剂，得到白色粉末状BCB-PhSSQ聚合物。
实施例5
梯形苯并环丁烯倍半硅氧烷BCBSSQ固化薄膜的制备
将30mgBCBSSQ样品溶于0.5ml二甲苯，2400r/pm旋转1min，硅片表面得到均匀薄膜。加热到350℃固化一小时后，台阶仪测试测得膜厚为135.5nm。热失重分析（氮气氛围升温速率10℃/分）测得5%分解温度为564℃，远高于不含苯并环丁烯的PPSQ的热分解温度（测得5%分解温度为450℃）。
实施例6
梯形苯并环丁烯倍半硅氧烷BCBPhSSQ固化薄膜的制备
将60mgBCBPhSSQ样品溶于1ml二甲苯中，2000r/pm旋转1min，硅片表面得到均匀的薄膜。加热到350℃固化一小时后，台阶仪测试测得膜厚为142.1nm。热失重分析（氮气氛围升温速率10℃/分）测得5%分解温度为584℃。

Claims (10)

1.一种含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其特征在于，有机结构部分至少含有直连的苯并环丁烯官能团，骨架部分为倍半硅氧烷，其结构表示如下：
其中，n为整数，且大于等于6；R基团为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、羟基、烯丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环等；其中，至少含有苯并环丁烯-4-基。
2.根据权利要求1所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其特征在于，结构是笼型的、梯形的，或者是无规、半笼型其它杂化形式。
3.根据权利要求2所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其特征在于，所述笼型的聚倍半硅氧烷，其结构式如下：
其中，R基团为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、烯丙基、氨丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环；其中，至少含有苯并环丁烯-4-基；
所述梯形的聚倍半硅氧烷，其结构式如下：
其中，n为整数，且大于等于2；R基团为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、烯丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环，其中，至少含有苯并环丁烯；R1为甲氧基、乙氧基、异丙氧基、羟基中的一种或者多种。
4.根据权利要求2所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其特征在于，所述的其他杂化形式可以为以下结构形式：
其中，R基团为以下官能团中的一种或者多种：苯并环丁烯-4-基、甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、羟基、烯丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环，其中，至少含有苯并环丁烯-4-基；n为整数，且大于等于2。
5.根据权利要求3所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其特征在于，所述笼型的含苯并环丁烯聚倍半硅氧烷，为八（苯并环丁烯-4-基）笼型倍半硅氧烷，其结构式如下：
。
6.根据权利要求3所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，其特征在于，所述梯形的含苯并环丁烯聚倍半硅氧烷，其结构式如下：
或者为，；
其中，n为整数，且大于等于2；另外，如梯形倍半硅氧烷同时含有苯并环丁烯-4-基和其他官能团时，其苯环和苯并环丁烯的序列为随意的。
7.一种含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：以含苯并环丁烯的有机硅前躯体为原料，或以含苯并环丁烯的有机硅前躯体和其他一种或者多种有机硅前躯体一起为原料，在溶剂存在下，在酸或者碱催化下进行水解、缩合反应；其中，反应温度为-30℃到150℃，反应时间为1小时到48小时；或者同样在溶剂存在下，先加入酸催化剂反应一段时间，再加入碱催化加热反应；其中，第一段反应温度为-30℃到30℃，反应时间为0.5小时到5小时；第二段反应温度为30℃到150℃，反应时间为1小时到48小时；
上述反应在普通大气条件下进行，或者在惰性气体保护下进行；
其中，所述含苯并环丁烯的有机硅前躯体，其结构形式如下：
其中，R1为甲氧基、乙氧基、异丙氧基、羟基、卤素原子中的一种或者多种；
所述其他有机硅前躯体，其结构形式如下：
其中，R是甲基、乙烯基、氢原子、苯环、环戊基、烯丙基、氨丙基、含环氧或者氨基或者羟基的苯环中的一种；R1为甲氧基、乙氧基、异丙氧基、卤素原子中的一种或者多种；
所述的溶剂是水、乙醇、异丙醇、丁醇、乙醚、二氧六环、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸丙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、苯、二甲苯、丙酮、丁酮、环己酮等溶剂中的一种或者多种；
所述的酸催化，采用的酸是乙酸、甲酸、盐酸、磷酸或硫酸；
所述的碱催化，采用的碱是下述中的一种或者几种：碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸铯、磷酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、吡啶、三乙胺、二乙胺、4-二甲胺基吡啶、咪唑、N-甲基咪唑、N-乙基咪唑、2-甲基-咪唑、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵。
8.根据权利要求7所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷的制备方法，其特征在于，所述含苯并环丁烯的有机硅前躯体为：苯并环丁烯-4-基三甲氧基硅烷，苯并环丁烯-4-基三乙氧基硅烷，苯并环丁烯-4-基三氯硅烷，其结构式分别如下：
所述其他有机硅前躯体有：苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、苯基三氯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、烯丙基三乙氧基硅烷。
9.根据权利要求7所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷的制备方法，其特征在于，反应结束后，粗产品通过过滤沉淀或劣溶剂沉淀方法分离，或者经过洗涤、旋蒸等方法除去溶剂后得到。
10.如权利要求1-6之一所述的含有苯并环丁烯的聚倍半硅氧烷，用于制备聚合物复合材料，或者溶在良溶剂中，可通过旋涂、后固化制备低介电耐高温的薄膜。
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