DD282692A5

DD282692A5 - Verfahren zur herstellung von siliciummodifizierten monosalzen von alpha, omega-dicarbonsaeure-monoalkenylestern

Info

Publication number: DD282692A5
Application number: DD31967288A
Authority: DD
Inventors: Lothar Engelbrecht; Georg Sonnek; Horst Hamann
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1990-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von siliciummodifizierten Monosalzen von a, v-Dicarbonsaeuremonoalkenylestern. Das Ziel, diese Verbindungen auf einfache, oekonomisch vorteilhafte Weise mit hoher Ausbeute und Reinheit herzustellen, wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz alkylsubstituierte Alkinole mit H-Silanen, H-Siloxanen bzw. H-Polysiloxanen im aequimolaren Verhaeltnis von Dreifachbindungen und SiH-Gruppen in einem organischen aprotischen polaren Loesungsmittel in Gegenwart eines Katalysators bei Temperaturen zwischen 20 und 130C umgesetzt werden und dann ohne Isolierung das gebildete Zwischenprodukt unter Zusatz eines Veresterungskatalysators mit einem kurzkettigen Dicarbonsaeureanhydrid zur Reaktion gebracht wird.{a, w-Dicarbonsaeure-monoalkenylestermonosalz, siliciummodifiziert; Alkindiol, alkylsubstituiert; H-Silan; H-Siloxan; H-Polysiloxan; Dicarbonsaeureanhydrid, kurzkettig}

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Herstellung von siliciummodifizierten Monosalzen von öt ,V -üicarbonsäure-monoalkenylostern

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von siliciummodifizierten Honosalzen von CL, Äf-Dicarbonsäuremonoalkenylestern, die als Tenside, in Tensidabmischungen oder als Zwischenprodukte in der organischen Synthesechemie Anwendung finden können.-

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In den US-Patenten Ub-PS 3 780 080 bzw. US-PS 3 808 248 wird die Darstellung von Siloxanylmaleaten/-fumaraten durch Reaktion des cis-/trans-l,2-Bis-(carbalkenoxy)ethylene mit H-Silanen-, H-Halogen-/H-Alkoxysilanen bzw. H-Siloxanen bei Temperaturen zwischen 25 und 75 G in Gegenwart eines Platinkatalysators beschrieben. Nachteile dieses Verfahrens bestehen in relativ langen Reaktionszeiten (bis zu 15 Stunden mit verstärkter Gefahr zur Nebenproduktbildung durch Si-Vernetzung) und einer mehrstufigen und komplizierten Prozeßführung (verminderter Druck bei gleichzeitig erhöhter Temperatur).

In der Patentschrift SU-PS 630 256 wird die Darstellung siliciummodifizierter gesättigter Carbonsäureester durch Hydrosilylierung von ungesättigten Carbonsäureestern in Gegenwart eines Platinkatalysators beschrieben. Nachteile dieses Verfahrens sind die hohen Reaktionstemperaturen (100 bis 250 C) und die geringen Ausbeuten (20 bis 35 ^)₀

In den Patentschriften SU-PS 404 827, SU-PS 561 721 wird die Umsetzung von 1,3-Bis-(hydroxyalkyl)-disiloxanen mit ungesättigten Carbonsäureanhydriden zu entsprechenden Esterverbindungen mit anschließender Funktionalisierung der Doppelbindung beschrieben. Nachteile dieser Verfahren sind die Anwendung von Druck, das Arbeiten in wäßrigem Medium (Hydrolyse, Schaumbildung) und zusätzliche Reaktionsschritte (z.B. Äquilibrierung) .

In der Patentschrift DU-VVP 255 346 wird ein v/erfahren zur Darstellung von Siloxanylalkendiyl-bis-carboxylaten beschrieben, das auf der Umsetzung der entsprechenden Siloxanylalkendiole mit Dicarbonsäuren bzw. deren Anhydriden basiert. Nachteile dieses Verfahrens sind die lange Reaktionsdauer bei erhöhter Temperatur (90 bis 130 ⁰C) mit der verstärkten Gefahr der Nebenproduktbildung durch Si-Vernetzung. Nach östündlger Veresterungsdauer wird innerhalb von 2 Stunden neutralisiert. Veresterung und Neutralisation werden in unterschiedlichen Lösungsmitteln durchgeführt, was zusätzliche Aufarbeitungsstufen erforderlich macht. Ein gravierender Nachteil des Verfahrens ist das Verbleiben der verwendeten Veresterungskatalysatoren (^₂' P-Toluensulfonsäure) in den Reaktionsprodukten, Besonders bei der Verwendung von p-Toluensulfonsäure besteht dadurch die Gefahr eines allmählichen Abbaus des Siloxangerüstes durch nachträgliche Reäquilibrierung. Nachteilig wirkt sich auf den allgemeinen apparativen Aufwand auch das Arbeiten unter Schutzgas aus.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, siliciummodifiziorte Monosalze von cd,W-üicarbonsäure-monoalkenylester auf einfache, ökonomisch vorteilhafte Weise mit hoher Ausbeute und Reinheit herzustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorfahren zu entwickeln, das mit möglichst wenigen Reaktionsstufen unter Vermeidung von Nebenproduktbildung und ohne aufwendige Reinigungsoperationen im Eintopfverfahren zu siliciummodifizierten l'ionosalzen von öl,U)-Dicarbonsäure-monoalkenylestern führt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im ersten Reaktionsschritt Alkinole der allgemeinen Formel II,

R¹C SS. CGR²R³OH II

in der

R =H, Alkylrest mit 1 bis 10 C-Atomen oder Methylolreet, R² =H, Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen, R =11, Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen oder 3-Hydroxypropinylrest ist,

mit H-Silanen, H-Siloxanen bzw. H-Polysiloxanen der allgemeinen Formel III,

X ——· H III

in der

X = Organosilyl-Rest mit niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Aryl-Gruppen, geradkettiger, verzweigtkettigor und/oder cyclischer Ürganosiloxanyl-Rest mit 1 bis 20 Si-Atomen und niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Aryl-Gruppen, geradkettiger oder verzweigtkettiger Organopolysiloxanyl-Reste mit 20 bis 700 Si-Atomen und niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Aryl-Gruppen ist,

im äquimolaren Verhältnis von Dreifachbindung und Sill-Gruppen in einem organischen, aprotischen, polaren Lösungsmittel in Gegenwart eines Katalysators bei Temperaturen zwischen 20 und 130 ⁰C zu einem Zwischenprodukt der allgemeinen Formel IV,

¹C .*» CCR²R³OH IV

12 3 in der R", R , R und X die oben genannte Bedeutung haben, umgesetzt werden.

Im zweiten Reaktionsschritt werden die siliciummodifizierten Zwischenprodukte der allgemeinen Formel IV ohne vorherige Isolierung aus den Reaktionsmischungen der vorangegangenen Hydro3ilylierung mit einem kurzkettigen gesättigten oder ungesättigten üicaibonsäureanhydrid unter Zusatz von 3 bis riolanteilen in ^o eines Veresterungskatalysators, unter Normaldruck und bei der Siedetemperatur des verwendeten Lösungsmittels innerhalb von weniger als 3 Stunden zu Carbonsäureverbindungen

der allgemeinen Formel V,

ICCR²R³OG-Z-COH V

H OO

R¹C CCI

in der

Z = -CH₂CH₂-, -CH==CH-, -CH(OH)CH₂-,

12 3 ist und U₁R, k und X die oben genannten Bedeutungen haben, umgesetzt.

Aus den Reaktionslösungen der Carbonsäuro-Verbindungen der allgemeinen Formel V entstehen ohne vorherige Aufarbeitung durch Zugabe eines primären, sekundären oder tertiären Amins bzw. einer wäßrigen Alkali- oder Erdalkalicarbonatlösung oder einer Tetraalkylammoniumhydroxidlösung bei Temperaturen zwischen 0 bis 50 ⁰C die gewünschten entsprechenden Monosalze.

Im ersten Reaktionsschritt ist der vorherige Schutz der Alkinol-Ol-I-Gruppen nicht notwendig, da durch die erfindungsgemäße Verwendung von Lösungsmitteln die sonst üblichen Nebenreaktionen ausgeschlossen werden können. Vorzugsweise erfolgt die Umsetzung bei der Siedetemperatur der Lösungsmittel. Geeignete Lösungsmittel im Sinne der Erfindung sind aprotische, polare Lösungsmittel, wie Dioxan, aber auch protische, polare Verbindungen, deren protische Gruppe abgeschirmt ist, beispielsweise tertiäre Alkohole. Es können auch Gemische der oben genannten Lösungsmittel verwendet werden. Erfindungsgemäß wird die Addition durch UV-Strahlung oder in Gegenwart eines organischen Poroxids oder einer Übergangsmetallverbindung, vorzugsweise Hexachloroplatinsäure in Anteilen von 0,0001 bis 0,00001 mol Pt/mol üreifachbindung, katalysiert.

Als Veresterungskatalysatoren im zweiten Reaktionsschritt finden tertiäre Amine, vorzugsweise Triethylamin, Verwendung. Tert. Amine sind auch deshalb als Veresterungskatalysatoren besonders vorteilhaft, weil sie in der nachfolgenden Neutralisation als Reaktant mit eingehen können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Veresterungskatalyeatoren (z.B. p-Toluensulfonsäure,

Halogen· ο..) katalysieren die erfindungsgemäßen Veresterungskatalycatoren keine Folgereaktionen (z.B. Siloxan-Äquilibrierung·.). Die in den siliciummodifizierten Zwischenprodukten der allgemeinen Formel IV enthaltene Anzahl OH-Gruppen kann durch Wahl des Holverhältnisses Oicarbonsäureanhydrid/OH-Gruppen teilweise oder vollständig verestert werden.

Die Übertragung des erfindungsgemäßen Verfahrene auf die Verwendung analoger Alkinol-Verbindungen mit Polyetherresten, Amino- oder Mercapto-Gruppen ist aufgrund der Erfahrungen durchführbar.

Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

- Eintopfverfahren: 3 Reaktionsschritte werden in Folge in einem Reaktionsgefäß ohne zwischenzeitliche Aufarbeitung durchgeführt

- Arbeiten ohne OH-Schutzgruppen

- Arbeiten ohne Schutzgas

- kurze Reaktionszeiten

- Verfahren gut kontrollierbar

- Nichtauf treten von Nebenprodukten wie bei vergleichbaren Ver fahren

- Reaktionstemperatur durch Lösungsmitteleinsatz regulierbar.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

In 50 ml abs. Dioxan werden 7 g Butindiol (BiD) 18,1 g 1,1,1,3,5,5,5-Heptamethyltrisiloxan (M₂D¹"¹) und 0,015 ml M/10 H_?PtGl_fi/i-PrOH-Lösung unter Feuchtigkeitsausschluß 2 Stunden am Rückfluß gekocht. Nach Abkühlung der Reaktionslösung werden 16 g Maleinsäureanhydrid (MSA) zugesetzt. Nach /2stündigem Rückflußkochen werden 0,6 ml Triethylamin (TEA) zugesetzt und weitere 2 Stunden am Rückfluß gekocht. Mach Abkühlung der Reaktionslösung auf ca. 40 bis 50 ⁰C werden 11,5 g Kaliumcarbonat, gelöst in 10 ml Wasser, portionsweise zugegeben. Zur Vervollständigung der Reaktion beläßt man die Reaktionslösung eine halbe Stunde unter gelegentlichem Umschwenken bei 40 bis 50 C im Wasserbad, bevor man am Rotationsverdampfer die flüchtigen

Bestandteile im Wasserstrahlpumpenvakuum bis zu einer Badtemperatur von 80 °C abzieht, Eg bleiben 46,9 g eines amorphkristallinen, gelben Produktes zurück.

Die Struktur ist:

H-NMR-Spektrum:

0,28 - 0,34 ppm = Protonen im Siloxanrest

4,31 - 4,36 ppm = -CH O"

6,22 - 6.44 ppm = =C==CH-/-CH==CH-

Si-NMR-Spektrum:

7.54 ppm = (cH₃)₃ ^äi0-^tinh6iter>

-35.32 ppm = CI-USiO-Einheiten

Beispiel 2

Der Versuch wird wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt.

Einsatzmengen: BiD; 7 g

üioxan: 50 ml

M₂D^H: 13,1 g

M/10 H₂PtCl₆-LSg.: 0,015 ml

MSA: 8 g

	HO -^	TEA:	j	O,	6 ml
^K2	(He₃SiO)₁MeSi/	CO₃:		5,	7 g
	H₂O:	6	,ill
Reaktionsproduktmenge	♦	34,	9 g
Struktur:
/^H

.ok Ό

ίο

Beispiel 3

Die Versuchsdurchführung erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.

Einsatzmengen: BiD: 7 g

Dioxan: 50 ml

M₂D^H: 18,1 g

M/10 H₂PtCl₆-LSg.: 0,015 ml MSA: 8 g

TEA: 11,5 ml (11 ml + 0,5 ml) H₂O: 6 ml

Struktur:

Beispiele 4-17

In 50 rnl abs. Dioxan werden 7 g Biü, 0,015 ml H_oPtGl_r/i-Pr0H-Lösung und eine bestimmte Menge eines H-Siloxans (genaue Angaben ir Tabelle 1) 2 Stunden am RückfIi ^ gekocht. Nach Abkühlung werden 8 g MSA zugesetzt. Nach einer halben Stunde Rückflußkochen werden 0,6 ml TEA hinzugefügt und weitere 2 Stunden am Rückfluß gekocht. Die Reaktionslösung wird bei Raumtemperatur mit 5,7 g Kaliumcarbonat in 6 ml Wasser bzw. 11,5 ml TEA neutralisiert. Zur Vervollständigung der Neutralisation wird dao Reaktionsgemisch unter gelegentlichem Umschwenken eine halbe Stunde bei 40 bis 50 ⁰C gehalten. Nach Entfernung der leichtflüchtigen Bestandteile Jm Wasserstrahlpumpenvakuum (80 C/15 mm) bleiben gelb-braune, harzartige (Triethylamin-Salze) bzw. gelbe, amorph~kristalline (K-Salze) zurück.

Durchschnittliche Zusammensetzung:

( =-ft.i) i Siloxanreste unterschiedlicher Kettonlänge und üequenz M: K₁ HNEt₃

Die synthetisierten tlonosalze der Maleinsäuremono(3-siloxanyl-4~hydroxy-but-2-enyl)ester wurden NMR-spektroskopisch charakterisiert.

Si-NMR-öpektrum:

7.5 ppm (kleine Peaks) = Me,SiO~E:inheiten

- 22.00 bis - 22.82 ppm

- 35.34 bis - 39.16 ppm

^LH-NMK-Spektrum:

0.27 - 0.35 ppm 4.25 - 4.56 ppm

6.15 - 6.49 ppm

= -MepSiO-Einheiten = -Me ΰίΟ-Einheiten

Protonen im Siloxanrest -CH₂O-

= =C==CH-/-CH==CH-

_B -CH₂O-

Tab. 1: Zusammenstellung der Siloxankennwerte und Neutralisetionsmittel der Bespiele 4 bis für die Herstellung*Vlonosalzon der Maleinsäuremono(3-siloxanyl-4-hydro.xy-but-2~envl) ester

Beisp. Kennwerte der eingesetzten H-Siloxane Neutr.-mit. ^{| M} //°\7 ^siH Ö<J Einsatzm. /q/

4	17100	0.421	19.5	A
5	17100	0.421	19.5	B
6	8310	0.422	19.5	A
7	4510	0.407	20.2	A
8	4510	0.407	20.2	B
9	17000	0.665	12.3	B
IO	9400	0.630	13.0	B
11	5390	0.592	13.8	E
12	2270	0.585	14.0	B
13	2270	0.585	14.0	A
14	1100	0.683	12.0	A
15	1100	0.683	12.0	B
16	1500	1.086	7.5	A
17	1500	.1.086	7.5	B
A =--	K₂CO₅

B = Triethylamin

28 2

Beispiel 18

Oie Versuchsdurchführung erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.

Einsatzmengen: Biü: 1 g

üioxan:

M/100 H₂PtCl₆-LSg. : Bernsteinsäureanhydrid :

3 ml

10 ml 0,015 rnl 2,32 g

1.6 g/2 ml

Nach Entfernung der leichtflüchtigen Bestandteile im Wasserstrahlpumpenvakuum (bis 80 C/15 mm) bleiben 6,1 g eines wachsartigon gelben Produktes zurück.

Struktur:

(He₃SiO)₁HeS'.

Beispiel 19

Die Versuchsdu'r chführung erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben

Einsatzmengen: M„ü	2,9 ml
Propargylalkohol	1,88 g
üioxan	10 ml
11/100 H₂PtCl₆-LSg. .	0,015 ml
! la lein säureanhydrid	2,6 g
l<₂C0₃/H₂0	1,9 g/ 3 ml
TEA	0,2 ml

Nach Entfernung der leichtflüchtigen Bestandteile im Wasserst rahlpumpenvakuum (bis 80 C/15 mm) bleiben 12,1 g eines wachsartigen gelben Produktes zurück.

Struktur:

y-v

•ο οκ

(Me₃SIO)₁HeSi

Die synthetisierten Monosolze der Dicarbonsäure(mono-siloxanylalkenyl)ester zeichnen sich durch gute bis sehr gute Tensideigenschafton aus. In Tabelle 2 sind einige grenzflächencheniische Kennwerte wäßriger Lösungen der Verbindungen aufgelistet.

Tab. 2: Grenzflächenchemische Kenndaten der synthetisierten Verbindungen aus den Beispielen 1-19

Heßkonz. Oberfl .-spann c (ybei c

max. max. max.

GrBnzfl .-spann . itendwinkel y bei c $

max. max. a.Paraff.

/jsN/ni_7

Zg rd/

1	10.0	24.0	3.0	37,9
2	10.0	23.5	5.5	11.8
3	10.0	25.0	5.3	55.8
4	10.0	23.3	9.8	67.1
5	1.2	32.5	6.5	53.3
6	10.0	28.5	10.7	61.1
7	2.2	29.0	9.2	58.5
8	0.2	20.6	9.2	58.5
9	10.0	26.0	5.5	51.0
10	10.0	27.5	7.5	53.0
11	10.0	26.0	7.0	50.7
12	10.0	23.2	6.4	51.8
13	10.0	23.4	6.3	23.8
14	10.0	23.5	2.6	33.9
15	10.0	24.0	3.1	49.6
16	10.0	25.0	5.0	40.2
17	10.0	24.9	5.1	42.6
13	10.0	21.5	4.0	13.7
19	10.0	26.1	4.7	10.9

(5 Wasser/Luft ^a ⁷¹·^{3 mN}> ^Wasser/Heptan = ⁴⁵ «^{8 mN}

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von siliciummodifizierten Monosalzen von dt ,(J -üicarbonsäure-mono(alkenyl)estern der allgemeinen Formel Ϊ,

X
J¹C 4"'CCR²R³OC-Z-COH

H Ö Ö

in der

R = H, Alkylrest mit 1 bis IO C-Atomen oder Hethylolrest, R = H, Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen,

R = H, Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen oder 3-Hydroxypropinylrest,

X = Organosilyl-Reste mit niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Aryl-Gruppon; geradkettige, verzweigtkettige und/oder cyclische Organosiloxanyl-Roste mit 1-20 Si-Atomen und niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Aryl-Gruppen; geradkettige und/oder verzweigtkettige Organopolysiloxanyl-Reste mit 20 - 700 Si-Atomen und niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Aryl-Gruppen,

Z = -CH₂CH₂-, -CH= = CH-_f -CH(OH)CH₂- und

M = Alkali-, Erdalkali-, Ammoniumionen, prim., sek. und tert. Amine und quart. Ammoniumionen bedeuten,

gekennzeichnet dadurch, daß Alkinole der allgemeinen Formel II,

R¹CSTCCR²R³Oi-I II

12 3 mit oben genannter Bedeutung für R , R und R mit H-üilanen, Il-Siloxanen bzw. H-Polysiloxonen der allgemeinen Formel II,

χ η III

in der X = Organosilylrest mit niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Arylgruppen, geradkettiger, verzweigter und/oder cyclischer Organosiloxanylrest mit 1 bis 20 Si-Atomen und niede en Alkyln Alkoxy- und/oder Arylgruppen, geradkettiger

oder verzweigtkettiger Organopolysiloxanylrest mit 20 bis 700 Si-Atomen und niederen Alkyl-, Alkoxy- und/oder Arylgruppen ist, im äquimolaren Verhältnis von Dreifachbindung und SiH-Gruppen in einem organischen aprotischen polaren Lösungsmittel in Gegenwart eines Katalysators bei Temperaturen zwischen 20 und 130 ⁰C zu Zwischenverbindungen der allgemeinen Formel IV,

R¹ClJ^C

CCR²R³OH IV

und anschließend mit gesättigten oder unf isättigten Dicarbonsäureanhydriden in Gegenwart einej Verejterungskatalysators im gleichen Lösungsmittel und Temperaturbereich zu Verbindungen der allgemeinen Formel V₁

RC φ CCR R OC-Z-COH V

H 0 0

umgesetzt und schließlich mit prim«, sek. oder tert. Aminen, wäßrigen Alkali- oder Erdalkalicarbonatlösungen oder Tetraalkylammoniumhydroxydlösungen bei Temperaturen zwischen 20 und 50 ⁰C neutralisiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß

als organisches aprotisches polares Lösungsmittel vorzugsweise Dioxan verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch I₁ gekennzeichnet dadurch, daß der erste Reaktionsschritt durch UV—Strahlung, ein organisches Peroxid oder eine Übergangsmetallverbindung katalysiert wird.
4,. Vorfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Übergangsmetallverbindung vorzugsweise Hexachloroplatinsäure in Anteilen von 0,0001 bis 0,00001 mol/mol üreifachbindung eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die eingesetzten Organosilan-, Organosiloxan- bzw. Organopolysiloxan-Verbindungen 1 bis 80 SiH-Gruppen aufweisen .
6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Veresterungskatalysatoren tert. Amine in Anteilen von 1 bis 10 Molanteilen in %, vorzugsweise Triethylamin in Anteilen von 3 bis 6 Molanteilen in %, verwendet werden.