CN1911936B - 有机硅化合物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通式(I)的有机硅化合物的制备方法，其中通过在有机溶剂中使通式(II)的卤代烷氧基硅烷与干燥的通式(III)的多硫化物和/或干燥的通式IV的硫化物以及任选的硫的反应来制备所述通式(I)的有机硅化合物，其中通式(I)为(R1R2R3SiR4)2Sx；通式(II)为R1R2R3SiR4X；通式(III)为M2Sz；通式(IV)为M2S，从所得悬浮液中去除所述有机溶剂，使包含通式(I)的有机硅化合物和固体MX的混合物与包含至少一种缓冲剂的水混合，并且分离所得的相。
Description
本发明涉及有机硅化合物的制备方法。
已知甲硅烷基烷基聚硫烷(silylalkylpolysulphanes)基本上可以通过用通过各种方法制备的阴离子多硫化物在氯烷基硅烷上进行亲核取代来制备(德国专利DE-PS 2141159)。通过过滤或离心来完成.由有机硅化合物和在亲核反应中形成的固体(在目前情况中是盐)组成的混合物的后处理(working-up)。如果是从有机相中沉淀出来，则所生成的盐将是非常细微的。
此外，US 6,777,569公开了制备嵌段巯基硅烷的制备方法，其中含有巯基的有机硅化合物的金属盐在甲苯的存在下与酰基卤反应。为了实施对由有机硅化合物和在亲核反应中形成的盐所组成的混合物的后处理，在去离子水中完全溶解所述盐，随后进行相分离。甲苯的存在对所述相分离有着决定性的影响。除了有机硅化合物，所述有机相还包含甲苯，在相分离后必须通过蒸馏来去除该甲苯。
US 5,405,985、US 5,468,893、US 5,663,396、US 5,583,245和EP-A0694552公开了在水溶液中从硫化物和硫制备相应的多硫化物，并且使它们在甲苯和相转移催化剂的存在下在两相体系中与卤代烷基硅烷反应，得到聚硫烷(polysulphanes)。在该方法中，为了实施对由有机硅化合物和在亲核反应中形成的盐所组成的混合物的后处理，在去离子水中完全溶解所述盐，随后进行相分离。甲苯的存在对所述相分离有着决定性的影响。除了有机硅化合物，所述有机相还包含甲苯，在相分离后必须通过蒸馏来去除该甲苯。在该方法中，相转移催化剂或其降解产物残留在含硫的有机硅化合物中，并对双(甲硅烷基烷基)聚硫烷的使用性能产生至今尚无法解释的影响。
此外，US 6,448,426、US 6,384,255、US 6,384,256、WO 03/002573、WO 03/002576、WO 03/002577、WO 03/002578和WO 04/043969公开了在水溶液中从硫化物和硫或者硫化氢、碱金属氢氧化物和硫制备相应的多硫化物，并且使它们在相转移催化剂的存在下与卤代烷基硅烷在两相体系中反应，得到聚硫烷的方法。为了实施对由有机硅化合物和在亲核反应中形成的盐所组成的混合物的后处理，在去离子水中完全溶解所述盐，随后进行相分离。在该方法中，相转移催化剂或其降解产物残留在含硫的有机硅化合物中，并对双(甲硅烷基烷基)聚硫烷的使用性能产生至今尚无法解释的影响。
在无水条件下制备有机硅化合物的已知方法的缺点是难以去除所形成的细微的固体并且该去除处理也是昂贵的。
本发明的目的是提供可以以简单且尽可能经济的方式对由有机硅化合物和固体组成的混合物进行后处理。
通过在水溶液中从硫化物和硫获得的相应多硫化物，在例如甲苯的溶剂的存在下与卤代烷基硅烷，在两相体系中反应来获得聚硫烷的已知方法的另一个缺点是含硫的有机硅化合物必须要从溶剂中清除，例如通过真空蒸馏清除。另一个缺点是任选地在进一步使用前必须干燥所得溶剂。
本发明的另一个目的是提供可以制备含硫的有机硅化合物而不需要支持相分离的溶剂的方法。
通过在水溶液中从硫化物和硫获得的相应多硫化物在相转移催化剂的存在下与卤代烷基硅烷在两相体系中反应获得聚硫烷的已知方法的另一个缺点是含硫的有机硅化合物被相转移催化剂或其降解产物污染。
本发明的另一个目的是提供一种制备含硫有机硅化合物的方法，采用该方法制得的含硫有机硅化合物不含该方法所必要的相转移催化剂或其降解产物。
本发明涉及通式(I)的有机硅化合物的制备方法，其中通过在有机溶剂中使通式(II)的卤代烷氧基硅烷与干燥的通式(III)的多硫化物和/或干燥的通式IV的硫化物以及任选的硫的反应来制备所述通式(I)的有机硅化合物，其中：
通式(I)为(R1R2R3SiR4)2Sx，其中R1、R2、R3彼此相同或者不同，并且是支链或直链的烷基，优选其链长为1-8个碳原子；支链或直链的烷氧基，优选其链长为1-20个碳原子，特别优选其链长为1-4或者12-18个碳原子，非常特别地优选甲氧基或乙氧基；烷基醚基团；烷基聚酯基团；或芳基，优选是苯基、甲苯基或苄基。基团R1、R2、R3中至少之一是烷氧基。
R4是支链或直链、饱和或不饱和的脂肪族、芳香族或者混合的脂肪族/芳香族二价C1-C30-烃基，优选C1-C20-烃基，特别优选C1-C10-烃基，非常特别优选C1-C7-烃基，特别优选是C3-烃基。该烃基任选取代有F-、Cl-、Br-、I-、HS-、NH2-或NHR′，其中R′是支链或直链的一价烷基或烯基、芳基、芳烷基、烷基醚基、烷基聚酯基团。
x是＞1的数，优选2-8，特别优选2-6。
通式(II)为R1R2R3SiR4X，其中R1、R2、R3和R4具有通式(I)中的含义，并且X是卤素原子，优选是Cl、Br或I。
通式(III)为M2Sz。通式(IV)为M2S，其中M表示碱金属阳离子、铵阳离子或者1/2的碱土金属或锌阳离子，并且Z表示2-8的数，优选2-6的数。
所述方法的特征在于从所得悬浮液中去除有机溶剂，使包含通式(I)的有机硅化合物和固体MX的混合物与包含至少一种缓冲剂的水混合，并分离所得的相。
根据本发明的方法可以不使用催化剂，特别是不使用相转移催化剂。
通式(I)的有机硅化合物可以是具有不同硫链长度x的通式(I)的有机硅化合物的混合物。
通式(I)的有机硅化合物优选可以是双(三乙氧基甲硅烷基丙基)二硫烷、双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷、双(甲基二乙氧基甲硅烷基丙基)二硫烷、双(甲基二乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷、双(二甲基乙氧基甲硅烷基丙基)二硫烷或双(二甲基乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷。
可以将作为反应物的根据通式(II)的卤代烷氧基硅烷和根据通式(III)和/或通式(IV)的硫化物首先一起引入溶剂或溶剂混合物中，并发生反应，或者将两种反应物中的一种照原样或者作为溶液计量加入到第二种反应物中。第二种反应物同样可以物质本身或者溶液的形式存在。为了实施根据本发明的方法，先引入或者计量加入两种反应物中的哪一种并不关键。
在本发明的优选实施方式中，最初可以首先将作为反应物的根据通式(II)的卤代烷氧基硅烷和根据通式(III)和/或通式(IV)的硫化物引入有机溶剂或溶剂混合物中，然后发生反应。
有机溶剂可以是惰性有机溶剂。有机溶剂可以是醚，例如乙醚、二异丙醚、二丁醚、甲基叔丁醚、四氢呋喃、二氧六环、二甲氧基乙烷和二乙氧基乙烷；醇，例如甲醇、乙醇、丙醇和乙二醇；以及脂肪烃或芳香烃，例如丙烷、己烷、庚烷、石油醚、苯、甲苯和二甲苯。可以选择有机溶剂，从而避免在硅原子上发生不希望的酯交换。优选的有机溶剂可以是醇，在特别优选的实施方案中使用与烷氧基甲硅烷基中的烷氧基相应的醇。如果通式(I)中的R1、R2、R3中的一个是相应于乙氧基的基团，则乙醇可以特别优选地用作有机溶剂。
有机溶剂可以具有≤1重量％，优选≤0.5重量％，特别优选≤0.1重量％的含水量。
反应时间可以取决于反应温度。反应温度越高，根据通式(II)的卤代烷氧基硅烷和根据通式(III)和/或通式(IV)的硫化物完成反应所需的时间越短。反应时间可以在1至8个小时之间。
通式(III)的干的多硫化物可以具有≤10重量％，优选≤5重量％，特别优选≤2重量％的含水量，非常特别优选≤1重量％的含水量。
通式(IV)的干的硫化物可以具有≤10重量％，优选≤5重量％，特别优选≤2重量％的含水量，非常特别优选≤1重量％的含水量。
可以通过蒸馏从所得悬浮液中分离有机溶剂。
使缓冲溶液保持在有机硅化合物稳定性最优的pH范围内的缓冲剂的类型和浓度可以在大的范围内改变。所用的缓冲剂可以是有机和无机酸和碱及其盐，优选羧酸、磷酸、硫酸、C1-C6的有机-、单-或多羧酸的碱金属、碱土金属或铵盐。举例来说，使用的缓冲剂可以是NaHCO3、Na2CO3、碳酸铵、硼酸钠、磷酸一钠、磷酸二钠、磷酸三钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸三钾、硫酸氢钠、硫酸二钠、醋酸钠、乙酸钾、乙酸铵、乙酸钙、甲酸钠、硫化钠、硫氢化钠、氨、单乙胺、二乙胺、三乙胺、单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、吡啶和苯胺。也可以使用这些缓冲剂的组合或这些缓冲剂与其它缓冲剂，例如酸或碱的组合。
优选的缓冲剂可以是磷酸三钠(Na3PO4)、氢氧化铵(NH4OH)并且特别优选碳酸氢钠，碳酸氢钠建立7.5±0.5的pH，不会引起不利的环境影响并且具有较低的价格。
缓冲剂在水中的浓度可以为0.1-80重量％，优选0.1-20重量％，特别优选0.1-10重量％，非常特别优选0.1-5重量％。
在添加了包含缓冲剂的水的所得相中可能包含溶解或者晶形的固体，尤其是取决于水的量、温度和其它的条件。
如果要定量地溶解固体，则可以添加的包含缓冲剂的水的用量基于有机硅化合物为10-150重量％、优选50-71重量％。
如果要在通过添加少量包含缓冲剂的水将细微的结晶固体转化成粗的固体颗粒后过滤出固体，则可以添加的包含缓冲剂的水的用量基于有机硅化合物为0.1-30重量％、优选1-4重量％。所述固体可以是在通式(I)的有机硅化合物的制备中获得的盐MX，M和X具有上述含义。
可以在0-100℃，优选20-80℃，特别优选40-60℃的温度下添加包含缓冲剂的水。
固体完全溶解所需的时间可能与温度有关。温度越高，固体完全溶解所需的时间越短。可以在少于1小时，优选少于1/2小时，特别优选少于1/4小时的时间内完成包含缓冲剂的水的添加。
为了通过添加少量包含缓冲剂的水将细微的结晶固体转变成粗的固体颗粒，计量和添加持续期间的温度不是关键的。
在添加包含缓冲剂的水之后，可以在1/4小时至3小时内，在反应器或其它容器中形成的所得各相。
根据固体溶解与否，可以通过过滤、离心或沉降(在有未溶解固体的情况中)或将各相倾倒或排放入不同容器(在溶解固体的情况中)中的方法来分离添加包含缓冲剂的水后的所得各相。压力过滤器(pressure filter)可以用于所述过滤。
根据本发明的方法的优点是可以不用过滤器或离心来分离固体，由此使得有机硅化合物制备方法在技术上得到大大简化，并且生产成本大大降低，或者如果优选分离可以丢弃的固体形式的粗固体颗粒，那么在固体形貌改变后可以大大方便过滤或离心处理，并且大大缩短工艺步骤的持续时间。与使用相转移催化剂并因此制得被相转移催化剂或者相转移催化剂降解产物污染的有机硅化合物的已知方法相比，本发明方法的另一个优点是在有机硅化合物中不存在这类杂质。与举例来说使用例如甲苯的有机溶剂来改善相分离的已知方法相比，本发明的方法具有不需要有机溶剂来支持相分离，并且也无需例如对其进行干燥的后处理。
实施例
实施例1
2535克ClPTES(3-氯丙基三乙氧基硅烷)与870克NPS(多硫化钠，Na2Sz其中z平均为4，含水量为0.1重量％)在78℃下2165毫升乙醇中反应。通过在旋转蒸发仪上蒸馏从所得反应混合物中除去乙醇，最终底部温度为100℃，压力＜1毫巴。蒸馏结束后乙醇的浓度＜0.1重量％。为了溶解盐，在50℃下通过滴管计量总共1800克NaHCO3在去离子水中的缓冲溶液(2％)，加入3378克按照这种方式获得的双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷和NaCl的混合物(理论组成：2769克双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷和609克NaCl)中。在加入大约一半缓冲溶液后，将搅拌器设置为尽可能最低的速度。立即形成两相。所有的盐存在于水相中。由于低的搅拌速度，相分离持续到缓冲溶液的添加结束。在缓冲溶液的添加期间，NaCl的外观改变。在从NPS和ClPTES合成双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷过程中获得的细的晶形盐逐渐变成更粗的结晶。在计量添加结束时，当大部分NaCl已经溶解时，盐再次变成细的结晶。在盐溶解后，在水相中观察到絮凝。只要在水相中存在未溶解的盐，上层黄色溶液就是澄清的。没有检测到絮凝物。
从反应器中排出全部批料并且称重。用料量为5178克。产物重量为5135克。43克留在反应器中。
在排料期间，分离水相和有机相。水相的量是2255克(理论预期的是2409克)。有机相的量是2880克(理论预期的是2769克)。中间相加到有机相中。在分液漏斗中分离193克除了产物还有较大量的水的中间相。在100℃和＜1毫巴的压力下，在旋转蒸发仪上干燥有机相和中间相。
在有机相干燥后，获得2601克双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷(分离出25克水和29克NaCl)。
在干燥中间相后，获得另外108克双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷(分离出61克水和13.6克NaCl)。
总的算来，分离出2709克双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷；这相应于理论预期的2769克产物的97.8％。如果考虑在实验过程期间的损失和反应混合物组成的变化，可以认为是定量地获得了产物。
水相中的絮凝物逐渐沉降。上层黄色溶液变得澄清。
实施例2
700克ClPTES(3-氯丙基三乙氧基硅烷)与239克NPS(多硫化钠，Na2Sz，其中z平均为4，含水量为0.1重量％)在78℃下595毫升乙醇中反应。通过在旋转蒸发仪上蒸馏从所得反应混合物中除去乙醇，最终底部温度为100℃，压力＜1毫巴。蒸馏结束后乙醇的浓度＜0.1重量％。在50℃下通过滴管计量30毫升的缓冲溶液，加入928克按照这种方式获得的双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷和NaCl的混合物(理论组成：761克双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷和167克NaCl)中。细微的晶形盐逐渐变成粗的晶体，然后非常容易地过滤分离。所得滤液为黄色。与实施例1相比，因为缓冲溶液量不足以溶解盐，未形成两个液相(形成固相和液相)。
分离出220克潮湿的盐(NaCl)和716克双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷。
将盐溶解在400克缓冲溶液中。形成两相，有机相的外观往往相应于中间相。分离两相并且在旋转蒸发仪上干燥有机相。分离出29克产物(30克水和14.5克NaCl)。总共分离出745克Si69，这相应于理论上预期的761克产物的97.9％。
实施例3
2580克ClPTES(3-氯丙基三乙氧基硅烷)与304克NPS(多硫化钠，Na2Sz，其中z平均为4，含水量为0.1重量％)和298克NST(干硫化钠，Na2S，含水量＜0.1重量％)在78℃下2340毫升乙醇中反应。通过在旋转蒸发仪上蒸馏从所得反应混合物中除去乙醇，最终底部温度为100℃，压力＜1毫巴。蒸馏结束后乙醇的浓度＜0.1重量％。为了溶解盐，在50℃下通过滴管计量总共1840克的缓冲溶液(2％的NaHCO3在去离子水中)，加入3201克按照这种方式获得的双(三乙氧基甲硅烷基丙基)二硫烷和NaCl的混合物(理论组成：2602克双(三乙氧基甲硅烷基丙基)二硫烷和599克NaCl)中。在加入缓冲溶液期间，观察到盐开始逐渐形成大的聚集体。盐占据了1/3的水，未检测到水相。盐的聚集体变得如此大，以至于当关闭搅拌器时它们就立即沉淀下来。
在添加了全部量的缓冲溶液和相分离后，分离出下面物质：2371克水相(红棕色；与来自实施例1的混合物的后处理的水相相比具有更强的H2S气味)、119中间相(典型的外观)、2516克有机相。
预期有2439克水相(盐加上缓冲溶液的量)。水相的pH为8。COD(化学需氧量，根据DIN 38409第41部分测定)为44905毫克/千克，因此与来自双(三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫烷和NaCl的混合物的后处理(实施例1)的水相相比是非常高的。这种极高的COD是由于在双(三乙氧基甲硅烷基丙基)二硫烷的合成中使用的过量的Na2S，这些Na2S溶解在水相中。强的H2S气味也可以由此解释。
在对有机相进行后处理(在100℃和＜1毫巴的压力下在旋转蒸发仪上除去水并且过滤)后，获得2455克淡黄色产物，双(三乙氧基甲硅烷基丙基)二硫烷的典型颜色。分离出37克水和3.3克过滤残渣(盐)。
从中间相还获得37克产物。与所分离的119克中间相相比的差值是由水和盐引起的。总共分离出2492克Si266(相应于计算量的95.7％)。
Claims (1)
1.一种通式(I)的有机硅化合物的制备方法，其中通过在有机溶剂中使通式(II)的卤代烷氧基硅烷与干燥的通式(III)的多硫化物和/或干燥的通式(IV)的硫化物以及任选的硫的反应来制备所述通式(I)的有机硅化合物，其中：
通式(I)为(R1R2R3SiR4)2Sx，其中R1、R2、R3彼此相同或者不同并且是链长为1-8个碳原子的支链或直链的烷基、链长为1-20个碳原子的支链或直链的烷氧基或苯基、甲苯基或苄基，基团R1、R2、R3中至少之一是烷氧基；R4是支链或直链的、饱和或不饱和的脂肪族、芳香族或者混合的脂肪族/芳香族的二价C1-C30-烃基；X是＞1的数；
通式(II)为R1R2R3SiR4X，其中R1、R2、R3和R4具有通式(I)中的含义，并且X是卤素原子；
通式(III)为M2Sz；
通式(IV)为M2S，通式(III)和通式(IV)中M表示碱金属阳离子、铵阳离子或者1/2的碱土金属或锌阳离子，并且z表示从2-8的数；
所述方法的特征在于从所得悬浮液中去除所述有机溶剂，使包含通式(I)的有机硅化合物和固体MX的混合物与包含至少一种缓冲剂的水混合，并且分离所得的相。
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