CN107108666B - 异氰酸酯官能有机硅烷的生产 - Google Patents

异氰酸酯官能有机硅烷的生产 Download PDF

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Abstract

本发明涉及从通式(5)的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)开始制备通式(4)OCN‑R2‑SiR3 (3‑x)(OR4)x(4)的异氰酸酯基有机硅烷(IS)的方法，其中引入氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)，该氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)通过在包含碱性官能的碱性催化剂(K)的存在下，使至少一种通式(6)NH2‑R2‑SiR3 (3‑x)(OR4)x(6)的氨基有机硅烷(AS)与至少一种通式(7)的碳酸二烷基酯(DAC)进行反应而制备，其中在制备所述异氰酸酯基有机硅烷(IS)之前，用酸(S)完全地或部分地中和所述碱性催化剂(K)，所述酸(S)的质子迁移阶段具有至多4.0的pKa值，其中R1、R2、R3、R4、R5和x具有如在权利要求1中描述的含义。

Description

异氰酸酯官能有机硅烷的生产
技术领域
本发明涉及制备异氰酸酯官能有机硅烷的方法。
背景技术
现有技术中已知制备异氰酸酯官能有机硅烷，例如式(1)的3-异氰酸酯基(isocyanato)丙基硅烷的多种方法。合适的方法尤其描述在EP 0 649 850 B1、EP 0 870769 B1或EP 2 097 426 B1中。
在所有这些方法中，所述异氰酸酯官能有机硅烷通过从相应的氨基甲酸酯基(carbamato)烷基硅烷，例如式(2)的3-氨基甲酸酯基丙基硅烷中热解消除醇而制备。
进而所述氨基甲酸酯基烷基硅烷通常由氨基烷基硅烷，例如式(3)的3-氨基丙基硅烷制备。
此处，在强碱性催化剂的存在下，优选使用醇钠或醇钾，使所述氨基烷基硅烷与碳酸二烷基酯进行反应，消除醇，从而给出相应的氨基甲酸酯基烷基硅烷。这样的方法例如描述在EP 0583581、US6,673,954或EP 1937697中。
在所述反应完成后，通常将所述碱性催化剂中和，可选地使用如在EP 0583581B1或US6,673,954 B1中建议的有机酸，或者根据EP1937697B1的教导，使用卤化铵、氯硅烷或有机卤素化合物。优选通过过滤移除在所述中和过程中形成的盐。
然而，如将在现有技术中发现的，这些方法具有的严重缺点是，通过上述方法制备的氨基甲酸酯基烷基硅烷不适合于或者仅有限地适合于，在没有通过蒸馏进行单独纯化的情况下，进一步通过如上所述的热消除醇进行处理从而形成异氰酸酯基烷基硅烷。
同时，氨基甲酸酯基烷基硅烷非常难以蒸馏，这是因为首先它们具有非常低的挥发性，和其次它们仅是中等热稳定的。蒸馏因此仅可能通过技术复杂的蒸馏，在极好的真空下，通过薄膜或短程蒸发器(short-path evaporator)进行。因此希望能够省掉通过蒸馏单独纯化该产物。
如果然后将在没有通过蒸馏单独纯化的情况下通过对应于现有技术的方法制备的氨基甲酸酯基硅烷用于制备异氰酸酯基硅烷，则低挥发性，有时甚至是固体的副产物的形成增加。这可首先相应地降低希望的异氰酸酯官能硅烷的产率，和其次还例如通过在所述相应的反应器中形成沉积物而干扰所述制备方法。
然而特别地，以此方式制备的异氰酸酯官能硅烷具有相对低的储存稳定性，其经常仅为数天或至多几周的量级。
因此不再具有这些缺点的方法是理想的。
发明内容
本发明提供从通式(5)的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)制备通式(4)的异氰酸酯基有机硅烷(IS)的方法
其中使用氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)，该氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)是通过在具有碱性官能(function)的碱性催化剂(K)的存在下，使至少一种通式(6)的氨基有机硅烷(AS)与至少一种通式(7)的碳酸二烷基酯(DAC)反应而制备，
其中在制备所述异氰酸酯基有机硅烷(IS)之前，用酸(S)完全地或部分地中和所述碱性催化剂(K)，所述酸(S)的全部质子迁移(protolysis)阶段具有不大于4.0的pKa(pKs)值，
其中
R1、R3、R4和R5可以是相同或不同的，并且各自是单价的、未取代的或取代的烃基团，
R2是二价的、未取代的或取代的烃基团，和
x是1、2或3。
作为酸强度的量度，pKa值对于本领域技术人员是已知的；合适的定义可见于"Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie"，Hans-Rudolf Christen，第9版，1988，第10.3章中。
如果所述酸(S)是仅具有一个酸质子的酸，则所述酸(S)仅具有一个质子迁移阶段，其因此必须具有不超过4.0的pKa值。
如果所述酸(S)是具有多于一个酸质子的酸，根据其全部所述质子迁移阶段都具有不超过4.0的pKa值的上述表达方式要被解释为意思是未去质子的酸(S)和通过单独的或可选地多重的去质子衍生自所述未去质子的酸(S)的所有酸二者都必须具有不超过4.0的pKa值。
所述酸(S)对于全部质子迁移阶段，优选具有不超过3.5，特别优选不超过3.0，特别是不超过2.5的pKa值。在两个前面的段落中已经表述的内容也类似地适用于此处指出的较小pKa值。
在完全或部分中和中，以在所述催化剂(K)中每1摩尔的碱性分数存在0.5至100摩尔，优选0.8至10摩尔，特别优选0.9至5摩尔，特别是0.99至2摩尔酸性氢的量添加所述酸(S)。
优选的酸(S)相应地是强无机酸。特别优选含有卤素的酸和含有卤素和氧的酸，例如具有直接的卤素-氧键的卤素-氢酸，特别是氯化氢和氢氯酸，含有硫的酸，特别是硫酸和甲苯磺酸，亚硝酸和硝酸。优选使用浓酸，即具有<70重量％水含量的酸，特别优选具有<10重量％，特别是<5重量％水含量的酸。
在制备所述异氰酸酯基有机硅烷(IS)之前，除了根据本发明的具有低pKa值的酸(S)外，优选不将另外的具有较大pKa值的酸添加到氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)和催化剂(K)的混合物中。
基团R1的实例是烷基基团，例如甲基，乙基，正丙基，异丙基，1-正丁基，2-正丁基，异丁基，叔丁基，正戊基，异戊基，新戊基，叔戊基基团；己基基团，例如正己基基团；庚基基团，例如正庚基基团；辛基基团，例如正辛基基团、异辛基基团和2,2,4-三甲基戊基基团；壬基基团，例如正壬基基团；癸基基团，例如正癸基基团；十二烷基基团，例如正十二烷基基团；十八烷基基团，例如正十八烷基基团；环烷基基团，例如环戊基、环己基、环庚基基团和甲基环己基基团；烯基基团，例如乙烯基、1-丙烯基和2-丙烯基基团；芳基基团，例如苯基、萘基、蒽基和菲基基团；烷芳基基团，例如邻-、间-、对-甲苯基基团；二甲苯基基团和乙基苯基基团；和芳烷基基团，例如苄基基团、α-和β-苯基乙基基团。
取代的基团R1的实例是卤代烷基基团，例如3,3,3-三氟-正丙基基团、2,2,2,2',2',2'-六氟异丙基基团和七氟异丙基基团，和卤代芳基基团，例如邻-、间-、对-氯苯基基团。
所述基团R1优选是未取代的或卤素取代的具有1至6个碳原子的单价烃基团，特别优选具有1或4个碳原子的烷基基团，特别是乙基或甲基基团。
基团R5的实例是针对R1指出的基团。基团R5优选是未取代的或卤素取代的具有1至6个碳原子的单价烃基团，特别优选具有1或4个碳原子的烷基基团，特别是乙基或甲基基团。
R1和R5特别优选是相同的，特别优选R1和R5二者各自是乙基基团或者各自是甲基基团。
基团R4的实例彼此独立地是针对R1指出的基团。
基团R4各自优选是未取代的或卤素取代的具有1至6个碳原子的单价烃基团，特别优选具有1至4个碳原子的烷基基团，特别是乙基或甲基基团。
所有基团R4、R1和基团R5特别优选是相同的，特别优选所有这些基团要么各自是乙基基团，要么各自是甲基基团。
基团R3的实例是针对R1指出的基团。基团R3优选是未取代的或卤素取代的具有1至6个碳原子的单价烃基团，特别优选具有1或4个碳原子的烷基基团，特别是甲基基团。
基团R2的实例是具有1至20个碳原子的二价亚烷基基团，例如亚甲基、亚乙基、亚正丙基、亚丁基、亚戊基、亚己基、亚庚基、亚辛基、亚壬基或亚正癸基基团。所提及的基团还可以具有另外的烷基取代基，例如甲基、乙基或丙基取代基。卤素取代基，例如氯或溴取代基也是可能的。另外，基团R2也可以是二价环状基团，例如亚环戊基、亚环己基或苯基基团。这些也可以具有上述烷基或卤素取代基。
基团R2优选是具有1至6个碳原子的亚烷基基团，特别优选亚丁基、2-甲基亚丙基、亚丙基和亚甲基基团，特别是亚丙基和亚甲基基团。
变量x优选具有2或3的值。
本发明基于的第一个令人惊奇的发现是，根据本发明用强酸(S)中和的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)和催化剂(K)的混合物可甚至在没有通过蒸馏进行纯化的情况下用于制备异氰酸酯基有机硅烷(IS)。通常，移除催化剂(K)和酸(S)的中和产物甚至不是必要的。热解消除醇不仅显著更加毫无问题地进行，而且与使用根据本发明不使用的更弱的酸进行中和时相比具有显著更好的产率。这也适用于其中在热解消除醇之前通过过滤移除催化剂(K)和根据本发明不使用的更弱的酸的中和产物的那些情况。
甚至更令人惊奇的是本发明所基于的第二个发现。因此，通过本发明的方法，即，使用根据本发明使用的强酸(S)，所制备的异氰酸酯基有机硅烷(IS)显示出引人注目改进的储存稳定性。
在碱性催化剂(K)的存在下由氨基有机硅烷(AS)和碳酸二烷基酯(DAC)制备氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)优选在0至120℃范围内的温度下，特别优选在35至90℃的温度范围中进行。
优选首先将所述组分在40至70℃，优选45至65℃的较低温度下合并，并进行搅拌另外0.5至3小时，之后将所述温度上升至70至130℃的值，优选在70至100℃的范围中，以完成所述反应。在该温度下，搅拌优选进行另外0.5至3小时。通式(5)的氨基甲酸酯基硅烷(CS)的优选实例是N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯、N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-乙基氨基甲酸酯、N-(3-甲基二甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯、N-(3-甲基二乙氧基甲硅烷基丙基)-O-乙基氨基甲酸酯、N-(三甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯、N-(三乙氧基甲硅烷基甲基)-O-乙基氨基甲酸酯、N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯和N-(甲基二乙氧基甲硅烷基甲基)-O-乙基氨基甲酸酯，特别是N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯、N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-O-乙基氨基甲酸酯、N-(三甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯、N-(三乙氧基甲硅烷基甲基)-O-乙基氨基甲酸酯和N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯。
这些优选的氨基甲酸酯基硅烷(CS)优选由通式(6)的氨基硅烷(AS)和通式(7)的碳酸二烷基酯(DAC)制备，它们精确地具有与所获得的氨基甲酸酯基硅烷(CS)相同的基团R1至R4和相同的变量x。在所述碳酸二烷基酯(DAC)中的基团R5优选具有与所述基团R1相同的含义。
在根据本发明的反应中，所述氨基硅烷(AS)和所述碳酸二烷基酯(DAC)优选以1.0:0.9至1.0:3.0的比例，特别优选以1.0:1.0至1.0:2.0的比例，特别是以1.0:1.0至1.0:1.5的比例使用。为了首先实现所述氨基硅烷组分(AS)的非常完全的转化以及其次获得非常好的时空产率，即，为了使用非常少过量的碳酸二烷基酯(DAC)，1:1.1至1:1.5的氨基硅烷(AS)与碳酸二烷基酯(DAC)的比例代表了特别优选的最佳情况。
所述相应的氨基硅烷(AS)和所述碳酸二烷基酯(DAC)二者都可从许多不同供应商商购获得。
作为催化剂(K)，优选使用金属醇盐，特别是碱金属或碱土金属醇盐。特别优选的催化剂是甲醇钠、乙醇钠、甲醇钾、乙醇钾、甲醇钙或乙醇钙。在本发明的一个特别优选的实施方案中，使用如下醇盐，其烷基基团对应于式(3)中的基团R4。尤其当所有基团R1、R4和R5相同时，这是有利的。
此处，所述催化剂可纯粹地(neat)使用或者以溶液的形式，特别是醇溶液的形式使用。在醇溶液的情况下，所述醇和所述醇盐的烷基基团优选是相同的。典型地包括在相应的醇中所述金属醇盐的10-33％强度溶液的合适的催化剂溶液是可商购的并且由于它们的容易计量性而是特别优选使用的。
所述催化剂(K)的含量优选不超过1.0重量％，特别优选不超过0.5重量％，特别是不超过0.2重量％，在每种情况下都基于总反应混合物的重量。
除了所述组分氨基硅烷(AS)、碳酸二烷基酯(DAC)和催化剂(K)外，所述反应混合物优选还含有另外的材料，例如溶剂，其量为不超过50重量％，特别优选不超过30重量％，特别是不超过15重量％，在每种情况下都基于总反应混合物。在特别优选的方法变体中，除了所述反应物和所述催化剂(K)以及所述催化剂(K)溶解在其中的任何溶剂外，所述反应混合物不含有另外的组分，特别是不含另外的溶剂。
用根据本发明使用的酸(S)中和所述催化剂(K)既可在室温下实施也可在升高的温度下实施。在特别优选的方法中，在没有将所述反应物明显加热或冷却，即超过20℃的情况下，所述中和在所述反应结束后即刻实施。在工业方法中，这具有的优点是不需要另外的用于加热和冷却过程的时间。可然后立即开始通过蒸馏进行的低沸物(low boiler)(见下文)的随后移除，而没有明显的加热或冷却步骤，即温度变化超过20℃。
所述催化剂(K)和所述酸(S)的通常固体的中和产物可选地通过过滤步骤移除。然而，在本发明的一个特别优选的实施方案中，省略了这个额外的处理步骤，即所述催化剂(K)和所述酸(S)的固体中和产物在20℃下是固体，并且不将其从通式(7)的碳酸二烷基酯(DAC)中分离出。
在所述氨基甲酸酯基有机硅烷的制备中释放的醇以及可选地使用的过量碳酸二烷基酯(DAC)优选通过蒸馏移除。这可以在所述反应之后即刻通过将待被移除的低沸物直接从所述反应混合物中蒸馏除去而进行，或者在单独的蒸馏步骤中，例如使用薄膜或降膜蒸发器而进行。所述蒸馏还可以在被中和的但尚未移除的催化剂(K)的存在下进行。
然而，优选仅将所述低沸点组分通过蒸馏从根据本发明待用于制备所述异氰酸酯基硅烷的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)中移除。另一方面，不将所述氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)自身蒸馏。
根据本发明待使用的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)的制备既可以分批实施又可以连续实施。这既适合于实际反应又适用于所描述的后处理(work-up)步骤。同样可想象的是，仅对于单独处理步骤连续实施，例如对于所述反应连续实施，而对于所述后处理分批实施。相反地，所述反应当然还可以分批实施，而随后的后处理步骤，特别是通过蒸馏进行的所述低沸物的移除，可以连续地进行。
根据本发明制备的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)优选具有>90％，特别优选>95％，特别是>97％的纯度。
通过从所述氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)中热解消除醇随后合成所述异氰酸酯基有机硅烷(IS)可以不同的方式实施。优选将所述氨基甲酸酯基有机硅烷加热至优选>200℃，特别优选>250℃，可选地甚至>280℃的高温，其中发生从所述氨基甲酸酯官能中消除醇分子和形成所述异氰酸酯基有机硅烷(IS)。
此处，所述解离可自然地相对简单地在烧瓶或容器中实施，其中通过蒸馏移除更多挥发性反应产物。然而，如在EP0649850B1、EP0870769B1、EP1692146B1或EP2097426B1中描述的更复杂的方法通常是更有效的。
特别优选如在EP2097426B1中描述的方法，其中在催化剂(K')的存在下，在>100毫巴，优选>500毫巴的压力下，在薄膜或短程蒸发器中连续实施所述氨基甲酸酯基有机硅烷的解离。这种方法具有的优点是，所述反应产物特别快地被蒸发，并且因此可仅在小的程度上经历不希望的进一步反应。另外，所述快速蒸发导致所述反应平衡在产物方向上连续偏移。
优选在所述反应开始之前将所述催化剂(K')混合到所述氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)中。所述催化剂(K')特别优选是液体或者可溶于所述氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)中。优选的催化剂(K')是在聚氨酯化学中用于催化异氰酸酯和醇的缩合反应的所有化合物。此处可提及的是例如通常使用的有机锡化合物，例如二月桂酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、二乙酰丙酮酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡或二辛酸二丁基锡等。同样可使用二价锡催化剂，例如二乙酸锡或二月桂酸锡。另外，还可以使用有机铋和/或锌化合物，例如由Borcherts销售的多种催化剂，例如Borchi-Kat 22、Borchi-Kat 24或Borchi-Kat 0244，有机钛化合物，例如钛酸酯(盐)，例如异丙醇钛(IV)或乙酰丙酮酸钛(IV)，有机铁化合物，例如乙酰丙酮酸铁(III)，乙酰丙酮酸铁(II)或其它金属化合物，例如乙酰丙酮酸锆(IV)、乙酰丙酮酸钴(III)或乙酰丙酮酸锰。
当然，还可以使用多种催化剂(K')的组合。优选使用的催化剂是非挥发性的或具有低的挥发性，特别是上述金属复合物(metal complex)，特别优选锡(IV)、锡(II)和铁(III)复合物。所述催化剂(K')优选以1-10000ppm的浓度使用，特别优选10-5000ppm或100-2000ppm的浓度。
在本发明的一个优选实施方案中，在所述蒸发过程中，将惰性气体流股，例如氩气、氢气或氮气流股通过这种蒸发单元。优选在引入到所述蒸发单元之前将其加热，特别是在工业方法中。此处，所述热载体气体流股辅助所述反应混合物的加热和蒸发。作为气体，氮气是优选的。
然后优选将蒸发的反应产物分凝(fractionally condense)，其中优选以气体形式分离出所消除的醇，并且所述异氰酸酯基有机硅烷(IS)和任何部分蒸发的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)被一起冷凝或可选地依次分开冷凝。所述醇的移除防止了所形成的异氰酸酯基有机硅烷(IS)的逆反应(back-reaction)。所述醇的移除优选发生在冷凝器或简单分离柱中，在其中所述醇以气体形式离开，并且硅烷(IS)和(CS)被一起冷凝出来。
随后优选通过蒸馏纯化所述异氰酸酯基有机硅烷(IS)，所述蒸馏可以连续实施和分批实施，其中前者是优选的。此处分离出的氨基甲酸酯基有机硅烷(CS)优选被再循环到所述热解制备过程中。
本发明的方法具有的优点是，所获得的异氰酸酯基有机硅烷(IS)具有改进的储存稳定性。
本发明的方法具有的优点是其给出非常好的产率，并且因此是廉价的。
本发明的方法具有的优点是其仅在小的程度上产生可能由于例如形成沉积物导致例如在所述生产方法中的故障的副产物。
本发明的方法具有的优点是其是非常简单的并且是稳健的(robust)。
在上述式中的所有符号各自彼此独立地具有它们的含义。在所有式中，所述硅原子是四价的。
具体实施方式
在如下实施例中，所指出的所有的量和百分比，除非另外说明，都是按重量计的，所有的压力是0.10MPa(绝对压力)，和所有的温度是20℃。
根据本发明的实施例1a
制备N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯的方法
将1825.2g(10.18mol)氨基丙基三甲氧基硅烷和12.6g按重量计30％强度的在甲醇中的甲醇钠的溶液(对应于3.8g纯甲醇钠)的混合物放置在配备有滴液漏斗、李比希冷凝器(Liebig condenser)、精密玻璃搅拌器和温度计的4升四颈烧瓶中，并加热至55℃。在此温度下，将1100.4g(12.22mol)的碳酸二甲酯在60分钟内引入。为了保持所述温度，温和的冷却是必要的。
随后将所述混合物在55℃下搅拌另外1小时，然后加热至80℃。将该温度保持另外2小时。
最后，添加3.9g硫酸(98％强度)。此处仅发生所述反应混合物的非常轻微的混浊(clouding)。将从所述反应混合物取出的液滴放置在预先湿润的pH纸上。所述反应混合物显示出6至7的pH。
通过蒸馏从被中和的反应混合物中移除低沸物。为此目的，将压力逐步降低到1毫巴，同时使在底部处的温度首先保持在80℃，并将其最终再次提高至110℃。一旦没有更多的馏出物移出(go over)，则结束(conclude)所述蒸馏。通过GC和/或1H-NMR分析所述馏出物显示所述馏出物几乎完全(即达到超过99％的程度)由释放的甲醇和过量使用的碳酸二甲酯组成。
获得纯度为98.5％的浅黄色产物。基于所用的氨基硅烷，所述产率几乎是定量的(>99％)。过滤以分离出所形成的硫酸钠不是必要的。
根据本发明的实施例2a
根据本发明的制备N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯的方法
重复实施例1a的过程。然而，替代所述硫酸，添加7.63g浓的，即按重量计37％强度的氢氯酸以进行中和。如在实施例1a中那样，当添加所述酸时，此处也发生所述反应混合物的轻微混浊。
此处同样，过滤以分离出所形成的氯化钠不是必要的。产物纯度是97.3％。
非根据本发明的比较实施例1a
非根据本发明的制备N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯的方法
重复实施例1a的过程。然而，替代所述硫酸，添加4.66g乙酸以进行中和。与实施例1a不同，当添加所述酸时，形成可容易过滤的沉淀物。产物纯度是98.3％。
在实施实施例1a中描述的所有工作步骤之后，将批料(batch)分成两个相同大小的半份(halves)。在第半份的情况下，通过另外的过滤步骤移除沉淀的乙酸钠。将另外半份保持为未过滤。
非根据本发明的比较实施例2a
非根据本发明的制备N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯的方法
重复实施例1a的过程。然而，替代所述硫酸，添加4.55g柠檬酸以进行中和。与实施例1a类似，当添加所述酸时，此处仅发生所述反应混合物的轻微混浊。
通过借助于传统纸过滤器的过滤进行的固体移除是不可能的。产物纯度是98.1％。
非根据本发明的比较实施例3a
非根据本发明的制备N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯的方法
重复实施例1a的过程。然而，替代所述硫酸，添加3.79g纯磷酸以进行中和。如在实施例1a中那样，当添加所述酸时，此处仅发生所述反应混合物的轻微混浊。
通过借助于传统纸过滤器的过滤进行的固体移除是不可能的。产物纯度是97.9％。
实施例1b
用于制备3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷的根据本发明的方法
在具有25cm长度、8cm内径和300℃壁温的薄膜蒸发器中实施所述氨基甲酸酯基有机硅烷解离成异氰酸酯基有机硅烷和醇。
将300g在实施例1a中制备的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯与0.21g二月桂酸二辛基锡混合。在110ml/h的速度下，在所述薄膜蒸发器的上端实施所述引入。使65l/h的氮气流股从所述底部向上通过，即逆着所述反应混合物的移动方向。在这些条件下，在所述底部处的流出(outflow)仅为进料加入的硅烷的量的约10％。
将所蒸发的产物混合物与氮气流股一起通过借助于真空夹套隔绝的10cm长Vigreux柱，其中液体的柱回流(runback)被传送回到所述薄膜蒸发器中。在所述Vigreux柱的顶部处的温度为158-164℃。借助于在54℃的温度下的传统玻璃冷凝器将所述硅烷从这种气体料流股中选择性冷凝。然后在第二冷凝步骤中，在将氮气流股通过冷阱进入到整个设备(plant)位于其中的实验室通风橱的抽气系统(air extraction)中之前，将甲醇在0℃的温度下冷凝出来。
获得231g冷凝的硅烷混合物。借助于1H-NMR和气相色谱法分析该无色液体。其含有83.1％的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷、16.4％的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯和0.1％的甲醇。
在随后的分馏(fractional distillation)中，获得172g纯度为98.9％的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷。
根据本发明的实施例2b
用于制备3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷的根据本发明的方法
重复实施例1b的过程。然而，替代在实施例1a中制备的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用在实施例2a中制备的产物。所有其它的反应参数保持不变。
获得225g冷凝的硅烷混合物。通过气相色谱法分析该无色液体。其含有83.4％的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷、16.2％的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯和0.2％的甲醇。
比较实施例1b
用于制备3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷的非根据本发明的方法
重复实施例1b的过程。然而，替代在实施例1a中制备的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用在比较实施例1a中制备的未过滤的产物。所有其它的反应参数保持不变。
在开始引入所述硅烷/催化剂混合物后，所述异氰酸酯基硅烷的制备必须被停止约40分钟，因为所述薄膜反应器由于固体沉积物变得堵塞。仅获得少量的硅烷冷凝物，并且其没有被进一步分析。
比较实施例1c
用于制备3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷的非根据本发明的方法
重复实施例1b的过程。然而，替代在实施例1a中制备的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用在比较实施例1a中制备的并随后过滤的产物。所有其它的反应参数保持不变。
在所述底部处的输出明显增加，并且仅获得180g冷凝的硅烷混合物。通过气相色谱法分析该无色液体。其含有82.8％的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷、16.2％的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯和0.1％的甲醇。
在随后的分馏中，获得纯度为98.7％的133g 3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷。
比较实施例2b
用于制备3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷的非根据本发明的方法
重复实施例1b的过程。然而，替代在实施例1a中制备的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用在比较实施例2a中制备的产物。所有其它的反应参数保持不变。
在开始引入所述硅烷/催化剂混合物后，所述异氰酸酯基硅烷的制备必须被停止约30分钟，因为所述薄膜反应器由于固体沉积物变得堵塞。仅获得少量的硅烷冷凝物，并且其没有被进一步分析。
比较实施例3b
用于制备3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷的非根据本发明的方法
重复实施例1b的过程。然而，替代在实施例1a中制备的N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用在比较实施例3a中制备的产物。所有其它的反应参数保持不变。
在开始引入所述硅烷/催化剂混合物后，所述异氰酸酯基硅烷的制备必须被停止约2小时，因为所述薄膜反应器由于固体沉积物变得堵塞。获得约100g硅烷冷凝物，并且这些冷凝物没有被进一步分析。
实施例1c
对通过本发明的方法制备的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷进行的稳定性测试
将100g在实施例1b中制备的并通过蒸馏纯化的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷在保护性气体下储存在玻璃烧瓶中3个月。在这段时间期间，所述样品没有显示出光学变化。
在所述储存结束后，再次借助于GC测定纯度。其从98.9％降低到96.5％。
比较实施例1d
对通过非根据本发明的方法制备的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷进行的稳定性测试
将100g在比较实施例1c中制备的并通过蒸馏纯化的3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷在保护性气体下储存在玻璃烧瓶中3个月。在这段时间期间，所述样品显示出显著的混浊。
在所述储存结束后，再次通过GC测定纯度。其从98.7％降低到86.5％。
根据本发明的实施例3a
制备N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯的方法
将360.3g(3.97mol)碳酸二甲酯和2.99g按重量计30％强度(strength)的在甲醇中的甲醇钠的溶液(对应于0.90g纯甲醇钠)的混合物放置在配备有滴液漏斗、李比希冷凝器、精密玻璃搅拌器和温度计的2升四颈烧瓶中，并加热至55℃。在此温度下，将386.0g(2.83mol)氨基甲基甲基二甲氧基硅烷在60分钟内引入。为了保持所述温度，温和的冷却是必要的。
随后将所述混合物在40℃下搅拌另外1小时，然后加热至80℃。将该温度保持另外1小时。
最后，添加1.30g硫酸(98％强度)。此处仅发生所述反应混合物的非常轻微的混浊。将从所述反应混合物取出的液滴放置在预先湿润的pH纸上。所述反应混合物显示出6至7的pH。
通过蒸馏从被中和的反应混合物中移除低沸物。为此目的，将压力逐步降低到1毫巴，同时将在底部处的温度首先保持在80℃，并将其最终再次提高至110℃。一旦没有更多的馏出物移出，则结束所述蒸馏。借助于GC和/或1H-NMR分析所述馏出物显示出所述馏出物几乎完全(即达到超过99％的程度)由释放的甲醇、过量使用的碳酸二甲酯和少量的甲基三甲氧基硅烷组成。
获得纯度为96.8％的浅黄色产物。基于所用的氨基硅烷，所述产率是高的(>95％)。过滤以分离出形成的硫酸钠不是必要的。
比较实施例4a
非根据本发明的制备N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯的方法
重复实施例3a的过程。然而，替代所述硫酸，添加1.47g乙酸用于中和。与实施例3a不同，当添加所述酸时，形成可容易过滤的沉淀物。产物纯度是97.1％。
在实施实施例3a中描述的所有工作步骤之后，借助于另外的过滤步骤移除沉淀的乙酸钠。
实施例3b
用于制备α-异氰酸酯基甲基甲基二甲氧基硅烷的根据本发明的方法
重复实施例1b的过程。然而，替代在实施例1a中制备的N-(3-三甲氧基甲硅烷基6丙基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用在实施例3a中制备的N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯。所有其它的反应参数保持不变。
获得218g冷凝的硅烷混合物。通过气相色谱法分析该无色液体。其含有60.4％的α-异氰酸酯基甲基甲基二甲氧基硅烷、39.2％的N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯和0.2％的甲醇。
比较实施例4b
用于制备α-异氰酸酯基甲基甲基二甲氧基硅烷的非根据本发明的方法
重复实施例3b的过程。然而，替代在实施例3a中制备的N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用在比较实施例4a中制备产物。所有其它的反应参数保持不变。
在开始引入所述硅烷/催化剂混合物后，所述异氰酸酯基硅烷的制备必须被停止约60分钟，因为所述薄膜反应器由于固体沉积物变得堵塞。仅获得少量的硅烷冷凝物，并且其没有被进一步分析。
比较实施例4c
用于制备α-异氰酸酯基甲基甲基二甲氧基硅烷的非根据本发明的方法
重复实施例3b的过程。然而，替代在实施例3a中制备的N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯，使用可商购的N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯(其可以名称XL 65得自Wacker Chemie AG,Munich,德国)。这种可商购的氨基甲酸酯是在其合成后通过包括复杂设备的薄膜蒸馏纯化的N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯的产品等级，其中包括所有痕量的盐的所有高沸点杂质已经被移除。
获得220g冷凝的硅烷混合物。通过气相色谱法分析该无色液体。其含有58.9％的α-异氰酸酯基甲基甲基二甲氧基硅烷、40.3％的N-(甲基二甲氧基甲硅烷基甲基)-O-甲基氨基甲酸酯和0.2％的甲醇。

Claims (6)

1.一种制备通式(4)的异氰酸酯基有机硅烷的方法
OCN-R2-SiR3 (3-x)(OR4)x (4)，
其中通过在具有碱性官能的碱性催化剂的存在下，使至少一种通式(6)的氨基有机硅烷与至少一种通式(7)的碳酸二烷基酯进行反应而制备通式(5)的氨基甲酸酯基有机硅烷，所述碱性催化剂是金属醇盐，
其中在制备所述异氰酸酯基有机硅烷之前，用酸完全地或部分地中和所述碱性催化剂，所述酸的全部质子迁移阶段都具有不大于4.0的pKa值，其中所述酸为硫酸，然后由通式(5)的氨基甲酸酯基有机硅烷制备通式(4)的异氰酸酯基有机硅烷；
其中
R1、R3、R4和R5可以是相同或不同的，并且各自是单价的、未取代的或取代的烃基团，
R2是二价的、未取代的或取代的烃基团，以及
x是1、2或3。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在完全地或部分地中和中，以在所述碱性催化剂中每1摩尔的碱性官能存在0.9至5摩尔的酸性氢的量添加所述酸。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中R1是具有1或4个碳原子的烷基基团。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中R5是具有1或4个碳原子的烷基基团。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中全部基团R4、R1和R5都是相同的。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述碱性催化剂和所述酸的中和产物在20℃下是固体，并且不将其从通式(7)的碳酸二烷基酯中分离出。
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