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DE10060776A1 - Katalysatorsystem auf Basis von Silasesequioxan-Metallkomplexe aufweisenden Polymerverbindungen - Google Patents

Katalysatorsystem auf Basis von Silasesequioxan-Metallkomplexe aufweisenden Polymerverbindungen

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DE10060776A1
DE10060776A1 DE2000160776 DE10060776A DE10060776A1 DE 10060776 A1 DE10060776 A1 DE 10060776A1 DE 2000160776 DE2000160776 DE 2000160776 DE 10060776 A DE10060776 A DE 10060776A DE 10060776 A1 DE10060776 A1 DE 10060776A1
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DE
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Patent type
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Withdrawn
Application number
DE2000160776
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Adolf Kuehnle
Mark Duda
Carsten Jost
Rutger Anthony Van Santen
Hendrikus Cornelis L Abbenhuis
Maria Dan Skowronska-Ptasinska
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Creavis Gesellschaft fur Technologie und Innovation mbH
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Creavis Gesellschaft fur Technologie und Innovation mbH
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    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G77/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G77/04Polysiloxanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
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    • C08G77/045Polysiloxanes containing less than 25 silicon atoms

Abstract

Die Erfindung betrifft neue oligomere Silasesquioxane der Formel R¶6¶Si¶6¶O¶9¶ (R = Alkyl, Cycloalkyl (c-C¶3¶H¶5¶, c-C¶4¶H¶7¶, c-C¶5¶H¶9¶, c-C¶7¶H¶13¶, c-C¶8¶H¶15¶, c-C¶9¶H¶17¶, c-C¶10¶H¶19¶), Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I sowie ein Verfahren zur Herstellung von oligomeren Silasesquioxanen der Formel R¶6¶Si¶6¶O¶9¶ (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I sowie deren Verwendung zur Synthese von nicht vollständig kondensierten Silasesquioxanen, von Katalysatoren und deren Ausgangsverbindungen sowie von Polymeren.

Description

Die Erfindung betrifft oligomere Silasesquioxane der Formel R6Si6O9(R = Alkyl, Cycloalkyl (c- C3H5, c-C4H7, c-C5H9, c-C7H13, c-C8H15, c-C9H17, c-C10H19), Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I sowie ein Verfahren zur Herstellung von oligomeren Silasesquioxanen der Formel R6Si6O9 (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I sowie deren Verwendung zur Synthese von nicht vollständig kondensierten Silasesquioxanen, von Katalysatoren und deren Ausgangsverbindungen sowie von Polymeren.

Oligomere Silasesquioxane können als Ausgangsstoffe für die Synthese von Polymeren mit einem breiten Anwendungsfeld verwendet werden. Diese Polymeren können beispielsweise in Form von Coatingmaterialien oder als Füllstoffe ihre Verwendung finden. Die Polysilasesquioxane weisen, da sie organische und anorganische Bestandteile enthalten, eine gegenüber rein organischen Verbindungen verbesserte Temperaturstabilität auf.

Lichtenhan et al. beschreiben in US 5,484,867 die Verwendung von oligomeren Silasesquioxanen mit einer reaktiven Eck-Gruppe sowie in US 5,412,053 die Verwendung von difunktionalen oligomeren Silasesquioxanen zur Synthese von Polysilasesquioxanen. Da in der oligomeren Silasesquioxaneinheit die Grundstruktur des Polymers schon vorgebildet ist, können mit diesen Verfahren viele Nachteile der direkten Polymerisation aus den Silan-Monomeren, wie z. B. die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten, vermieden werden. Neuerdings gewinnen metallhaltige oligomere Silasesquioxane hinsichtlich ihrer möglichen Verwendung als Katalysatoren immer mehr an Bedeutung (Chem. Eur. J. 2000, 6, 25-32).

Die Synthese von oligomeren Silasesquioxanen erfolgt in der Regel durch hydrolytische Kondensation trifunktioneller RSiY3-Precursor, wobei R für einen Kohlenwasserstoffrest steht und Y eine hydrolisierbare Gruppe wie z. B. Chlorid, Alkoxid oder Siloxid darstellt (J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 1741-1748; Organometallics 1991, 10, 2526-2528). Üblicherweise werden dabei Gemische von vollständig und unvollständig kondensierten oligomeren Silasesquioxanen erhalten. Ein wichtiges, vollständig kondensiertes, oligomeres Silasesquioxan stellt die Verbindung R6Si6O9 (I) dar.

Diese Verbindung der Struktur I ist bisher nur mit dem Rest R = Cyclohexyl in isolierbarer Ausbeute hergestellt worden. Dabei ist die Synthese der Verbindung mit der Struktur I, welche häufig auch durch ihre Summenformel (c-C6H11SiO1,5)6 beschrieben wird, gekennzeichnet durch eine nicht befriedigende Ausbeute von 7% bei einer außerordentlich langen Reaktionszeit von über einem Jahr (J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 1741-1748). Verbindungen der Struktur I mit anderen Kohlenwasserstoffresten R sind in isolierter Form nicht bekannt.

Die Verbindung der Struktur I mit R = c-C6H11 kann durch eine Reaktion erhalten werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Monomer-Konzentration von 0,2 mol/l verwendet wird, die allgemein üblich ist für die Synthese von oligomeren Silasesquioxanen und die bislang zur Vermeidung der direkten Polykondensation zu Polysilasesquioxanen nicht überschritten wurde (Top. Curr. Chem. 1982, 102, 199-236).

Verbindungen der Struktur I mit R = c-C6H11 sind unter anderem deshalb von großer Bedeutung, da sie basenkatalysiert mit R1Si(OMe)3 (R1 = vinyl) zu funktionalisierten, unvollständig kondensierten Silasesquioxanen der Struktur II wie z. B. R6R1Si7O9(OH)3 mit R = c-C6H11 und R1 = vinyl umgesetzt werden können (Chem. Commun. 1999, 2153-2154, Polym. Mater. Sci. Eng. 2000, 82, 301-302).

Bis jetzt sind aber nur wenige Silasesquioxane, die sich durch ihre Kohlenwasserstoffreste R bzw. R1 unterscheiden, auf diesem Wege herstellbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand deshalb darin, bislang nicht zugängliche oligomere Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 und der Struktur I mit Resten R ≠ Cyclohexyl, sowie ein effizientes Verfahren zur Herstellung oligomerer Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I bereitzustellen.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass bislang nicht zugängliche Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 und der Struktur I nicht nur mit verschiedensten Resten R = Alkyl, Cycloalkyl (c-C3H5, c-C4H7, c-C5H9, c-C7H13, c-C8H15, c-C9H17, c-C10H19), Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl dargestellt werden können, sondern dass die Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I auch mit einer im Vergleich zum bisher bekannten Verfahren zur Darstellung von (Cyclohexyl)6Si6O9 (J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 1741-1748; Organometallics 1991, 10, 2526-2528) deutlich erhöhten Ausbeute innerhalb einer stark verkürzten Reaktionszeit zu synthetisieren sind, wenn die Konzentration des Monomeren größer als 0,2 mol/l ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher oligomere Silasesquioxane gemäß Anspruch 1 der Formel R6Si6O9 mit R = Alkyl, Cycloalkyl ungleich Cyclohexyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 6 zur Herstellung von oligomeren Silasesquioxanen der Formel R6Si6O9 mit R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl und/oder Heteroaryl und der Struktur I durch Kondensation von Monomeren der Formel RSiX3 wobei X eine hydrolisierbare Gruppe oder eine zu einer Kondensationsreaktion befähigte Gruppe sein kann, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kondensation in Lösung mit einer Konzentration an Monomeren von größer 0,2 mol/l durchgeführt wird.

Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung von oligomeren Silasesquioxanen gemäß der Ansprüche 1 bis 5 oder von oligomeren Silasesquioxanen, hergestellt nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 16, zur Synthese von Katalysatoren, deren Ausgangsverbindungen sowie Polymeren.

Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung von oligomeren Silasesquioxanen gemäß der Ansprüche 1 bis 5 oder von oligomeren Silasesquioxanen, hergestellt nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 16, für die Hydrolyse zu nicht vollständig kondensierten Silasesqioxanen.

Die vorliegende Erfindung stellt bisher unbekannte oligomere Silasesquioxane bereit, die als wichtige Ausgangsstoffe für weitere Derivatisierungen zu funktionalisierten, unvollständig kondensierten Silasesquioxanen und verschiedensten Folgeprodukten davon dienen können. Bislang waren Verbindungen der Struktur I lediglich für R = Cyclohexyl bekannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass nach kurzen Reaktionszeiten und in guten Ausbeuten Silasesquioxane der Summenformel R6Si6O9 mit R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl und/oder Heteroaryl mit der Struktur I synthetisiert werden können. Diese Verbindungen können für die Darstellung von nicht vollständig kondensierten Silasesquioxanen, von Katalysatoren und deren Ausgangsverbindungen sowie von Polymeren eingesetzt werden.

Bislang galt die Annahme, dass Monomer-Konzentrationen größer als 0.2 mol/l die Polykondensation zu Polysilasesquioxanen begünstigen und deshalb neben oligomeren Silasesquioxanen größere Mengen an Polysilasesquioxanen als Nebenprodukte anfallen. Die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten, höheren Konzentrationen führen nicht zur bevorzugten Bildung der literaturbekannten unvollständig kondensierten Silasesquioxane (Organometallics 1991, 10, 2526-2528), sondern im Gegensatz dazu werden die vollständig kondensierten hexameren Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 und der Struktur I nach kurzer Reaktionsdauer in guter Ausbeute erhalten. Diese haben den Vorteil, dass sie einen erleichterten Zugang zu unvollständig kondensierten Silasesquioxanen, zu Katalysatoren und deren Ausgangsverbindungen sowie zu Polymeren eröffnen.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sind deshalb oligomere Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 mit R = Alkyl, Cycloalkyl ungleich Cyclohexyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, und/oder Heteroaryl und der Struktur I.

Vorzugsweise weisen diese oligomeren Silasesquioxane als Rest R zumindest eine Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, i-Butyl-, Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cycloheptyl-, Cyclooctanyl-, Cyclononanyl-, Cyclodecanyl-, Vinyl-, Propenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butenyl-, Cyclopropenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclobutenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclopentenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclohexenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cycloheptenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclooctenyl-, Ethin-, Propin-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butin-, Benzyl- und/oder Pyridylgruppe auf. Diese Reste R können sowohl substituiert oder unsubstituiert vorliegen. Substituierte Reste R weisen z. B. an Stelle eines Wasserstoffatoms ein Halogenatom, wie z. B. Chlor oder Brom auf.

Ganz besonders bevorzugt weist das oligomere Silasesquioxan als Rest R zumindest eine Cyclopentyl- und/oder eine Cycloheptyl-Gruppe auf. Die Reste R in den oligomeren Silasesquioxanen können gleich oder unterschiedlich sein. Die Summenformel lautet im Falle unterschiedlicher Reste Ra, Rb, . . . bis Rf korrekterweise Ra mRb nRc oRd pRe qRf sSi6O9 mit m, n, o, p, q und s gleich einer ganzen Zahl kleiner oder gleich 6 oder 0 und der Bedingung, dass m + n + o + p + q + s = 6. Im Falle gleicher Reste R, also der Bedingung Ra = Rb = Rc = Rd = Re = Rf reduziert sich die Summenformel wieder zu R6Si6O9. Besonders bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen oligomeren Silasesquioxane als Rest R jeweils die gleiche Gruppe auf.

Die erfindungsgemäßen oligomeren Silasesquioxane, aber auch andere, schon bekannte Silasesquioxane können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Dieses erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von oligomeren Silasesquioxanen der Formel R6Si6O9 mit R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl und/oder Heteroaryl und der Struktur I durch Kondensation von Monomeren der Formel RSiX3, wobei X eine hydrolisierbare Gruppe oder eine zu einer Kondensationsreaktion befähigte Gruppe sein kann, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation in Lösung mit einer Konzentration an Monomeren von größer 0,2 mol/l durchgeführt wird. Vorzugsweise beträgt die Konzentration der Monomeren in der Lösung größer 0,4 mol/l und ganz besonders bevorzugt von 0,5 mol/l bis 2,5 mol/l.

Die Kondensationsreaktion kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise durchgeführt werden.

Vorzugsweise werden als Monomere Verbindungen des Typs RSiX3 solche eingesetzt, die als Gruppen X zumindest eine Gruppe, ausgewählt aus -OH, -ONa, -OK, -OR', -OCOR', -OSiR'3, -Cl, -Br, -I und/oder -NR'2, wobei R' einen organischen Rest oder Wasserstoff bedeutet, aufweisen. Es können als Monomere solche Verbindungen eingesetzt werden, die als Gruppen X jeweils die gleichen Gruppen aufweisen, wie z. B. (Methyl)SiCl3 oder (Cyclohexyl)Si(OH)3, aber auch solche, die als Gruppen X unterschiedliche Gruppen aufweisen, wie z. B. (Methyl)SiCl2(OH) oder (Cyclohexyl)Si(OR')2Cl. Vorzugsweise werden als Monomere Verbindungen des Typs RSiX3 eingesetzt werden, bei denen alle drei Gruppen X gleich sind.

Als Monomer wird zumindest eine Verbindung des Typs RSiX3 eingesetzt, die als Rest R zumindest eine Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, i-Butyl-, Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cycloheptyl-, Cyclooctanyl-, Cyclononanyl-, Cyclodecanyl-, Vinyl-, Propenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butenyl-, Cyclopropenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclobutenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclopentenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclohexenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cycloheptenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclooctenyl-, Ethin-, Propin-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butin-, Benzyl- oder Pyridylgruppe aufweist.

Es kann auch vorteilhaft sein, in der Lösung zwei oder mehr unterschiedliche Monomere einzusetzen, z. B. RSiCl3 und RSi(OH)3. Vorzugsweise wird die Kondensation in einer Lösung durchgeführt, die nur eine Sorte Monomere aufweist.

Bevorzugt wird die hydrolytische Kondensation ohne Katalysator durchgeführt. Zur Steuerung bzw. Beschleunigung der Reaktion kann aber die Verwendung von Katalysatoren vorteilhaft sein. Das erfindungsgemäße Verfahren der Kondensation kann deshalb in Abwesenheit eines Katalysators oder in Gegenwart von zumindest einem aciden oder einem basischen Katalysator durchgeführt werden. Als basischer Katalysator wird vorzugsweise eine organische oder anorganische Base eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt wird als basischer Katalysator zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus KOH, NaOH, (C2H5)4NOH, C6H5CH2(CH3)3NOH, (CH3)4NOH und (C2H5)3N oder eine Mischung dieser Verbindungen eingesetzt. Als acider Katalysator wird vorzugsweise eine organische oder anorganische acide Verbindung eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt wird als acider Katalysator zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus Salzsäure (HCl), ZnCl2, AlCl3, HClO4, Essigsäure (CH3COOH), Salpetersäure (HNO3) und Schwefelsäure (H2SO4) oder eine Mischung dieser Verbindungen eingesetzt.

Die Kondensation wird in Lösung durchgeführt. Als Lösemittel kann sowohl ein polares Solvent als auch ein unpolares Solvent verwendet werden. Besonders bevorzugt wird die Kondensation in einer Lösung, die als Lösemittel zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus Alkoholen, Ketonen, Aldehyden, Ethern, Säuren, Estern, Anhydriden, Alkanen, Aromaten oder Nitrilen oder Mischungen aus einer oder mehrerer dieser Verbindungen aufweist, durchgeführt. Besonders bevorzugt werden Alkohole, Ether, Aceton, Acetonitril, Benzol oder Toluol als Lösemittel eingesetzt. Selbstverständlich können auch Mischungen von Lösemittel verwendet werden.

Je nachdem, welche Art von Monomeren eingesetzt wird, kann es notwendig sein, dass Wasser während der Kondensation vorhanden ist. Dies ist davon abhängig, ob die Monomeren Hydroxylgruppen aufweisen oder nicht. Handelt es sich bei den Monomeren z. B. um Verbindungen der Formel RSi(OH)3, so kann die Kondensation auch ohne Zusatz von Wasser erfolgen. Handelt es sich bei den Monomeren z. B. um Verbindungen der Formel RSiCl3, so ist Wasser als Reaktionspartner notwendig, damit die Kondensation ablaufen kann (über die intermediär gebildeten Silanole). Vorzugsweise wird die Kondensation deshalb in Gegenwart von Wasser gestartet. Vorzugsweise wird dem Reaktionsgemisch vor Beginn der Kondensation Wasser, vorzugsweise von 0,1 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt von 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die das Monomer aufweisende Lösung, zugesetzt. Je nach Wassergehalt im Lösemittel können aber auch die vorhandenen Spuren an Wasser im Lösemittel genutzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Kondensation kann bei einer Temperatur von -20°C bis 300°C, bevorzugt von 0°C bis 200°C, durchgeführt werden. Es kann vorteilhaft sein, die Temperatur während der Reaktion zu ändern. So kann es insbesondere vorteilhaft sein, die Temperatur zum Ende der Reaktion hin abzusenken, um das Produkt möglichst vollständig zu isolieren. Die Durchführung der Kondensationsreaktion an sich ist dem Fachmann bekannt.

Die Reaktion kann bei Normaldruck, Unterdruck oder Überdruck durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die Reaktion bzw. Kondensation bei Normaldruck durchgeführt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer Reaktionsblase mit aufgesetztem Kühler eine Lösung zumindest eines Monomeren der Formel RSiX3 in zumindest einem Lösemittel vorgelegt. Diese Lösung wird unter Rückflusskühlung bis zum Sieden erhitzt und der siedenden Lösung wird unter kräftigem Rühren vorsichtig Wasser hinzugefügt. Die Lösung wird durch Abschalten der Wärmequelle langsam auf Raumtemperatur gebracht und für zumindest weitere 24 h, vorzugsweise zumindest 168 h gerührt.

Auf diese Weise wird ein Rohprodukt, welches zumindest ein oligomeres Silasesquioxan der Formel R6Si6O9 aufweist, erhalten, das aus der Lösung abfiltriert wird und zumindest einmal mit dem Lösemittel, welches in der Lösung schon vorhanden war, gewaschen wird. Es kann vorteilhaft sein, den abfiltrierten Filterrückstand zu mörsern, erneut in einer geringen Menge des Lösemittels zu dispergieren und anschließend wieder abzufiltrieren. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis der gewünschte Reinheitsgrad des Filterrückstandes erreicht ist.

Zur weiteren Reinigung des Rückstandes, insbesondere zur Abtrennung von nicht vollständig kondensierten Silasesquioxanen von den vollständig kondensierten Silasesquioxanen der Formel R6Si6O9, kann es vorteilhaft sein, den Filterrückstand zu trocknen und mit der drei- bis zehnfachen, vorzugsweise vier- bis siebenfachen Gewichtsmenge an Pyridin zu versetzen. Das vollständig kondensierte Silasesquioxan ist im Gegensatz zu den unvollständig kondensierten Silasesquioxanen in Pyridin nahezu unlöslich und kann abfiltriert werden. Auch dieser Vorgang kann je nach gewünschter Reinheit mehrfach wiederholt werden.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das vollständig kondensierte Silasesquioxan nach dem Reinigen mittels Pyridin noch einmal umkristallisiert wird. Vorzugsweise erfolgt das Umkristallisieren aus Chloroform.

Die erfindungsgemäßen oligomeren Silasesquioxane oder die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten oligomeren Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I können in Verfahren für die Herstellung von nicht vollständig kondensierten Silasesquioxanen verwendet werden. Beispiele für nicht vollständig kondensierte Silasesquioxane sind z. B. Verbindungen des Typs R7Si7O9(OH)3 und R6Si6O7(OH)4. Bei diesen Verfahren können die oligomeren Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I z. B. mit Bu4NOH und/oder einer Verbindung der Formel R1Si(OR2)3 wobei R1 eine Alkylgruppe, die zumindest eine ungesättigte C-C- Doppelbindung aufweist, bedeutet und R2 eine Alkylgruppe, vorzugsweise eine Methylgruppe bedeutet, umgesetzt werden.

Diese nicht vollständig kondensierten Silasesquioxane können als Ausgangsverbindungen in Verfahren für die Herstellung von Polymeren, z. B. durch hydrolytische Polykondensation, oder als Ausgangsverbindungen für die Herstellung von Katalysatoren, z. B. durch Reaktion der nicht vollständig kondensierten Silasesquioxane mit Metallverbindungen zu metallmodifizierten Silasesquioxanen (Metallasilasesquioxanen) dienen. Eine nachträgliche Modifizierung bzw. Substitution der Reste R ist selbstverständlich auch möglich.

Besonders bevorzugt werden die nicht vollständig kondensierten Silasesquioxane mit Metallen modifiziert. Bevorzugt werden Silasesquioxane mit Metallverbindungen der Nebengruppen inklusive der Lanthanoide und Actinoide und der 3. und 4. Hauptgruppe modifiziert. Bei diesen Verfahren werden die nicht vollständig modifizierten Silasesquioxane z. B. mit Metallalkoxiden, wie z. B. Ti(OBut)4, umgesetzt. Beispiele für metallmodifizierte Silasesquioxane, die auf diese Weise erhalten werden können, sind z. B. die Titanasilasesquioxane (C5H9)6(CH2CH)Si7O12Ti(OBut) bzw. (C7H13)6(CH2CH)Si7O12Ti(OBut).

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne ihren Schutzumfang einzuschränken:

Beispiel 1 Herstellung eines oligomeren Silasesquioxans der Formel (C6H11)6Si6O9

Zu einer Lösung von 100 g (460 mmol) C6H11SiCl3 in 400 ml Aceton wurden unter Rühren vorsichtig 100 ml H2O gegeben, wobei während der Zugabe die Lösung sieden sollte. Das Reaktionsgemisch wurde bei Raumtemperatur 168 h weitergerührt. Das Rohprodukt wurde abfiltriert und mit Aceton gewaschen. Der Filterrückstand wurde gemörsert und unter Rühren in 70 ml Aceton dispergiert. Nach 1 Stunde wurde der Feststoff durch Filtration isoliert und bei 40°C für 12 Stunden getrocknet. Das Produktgemisch wurde mit der fünffachen Gewichtsmenge an Pyridin versetzt und die Suspension 30 Minuten gerührt. Nach Filtration und Waschen mit Pyridin erfolgte die Umkristallisation aus Chloroform. Man erhielt 15.4 g (19.0 mmol) (C6H11)6Si6O9. Dies entsprach einer Ausbeute von 24.9%.

Beispiel 2 Herstellung eines oligomeren Silasesquioxans der Formel (C5H9)6Si6O9

Zu einer Lösung von 93 g (457 mmol) C5H9SiCl3 in 400 ml Aceton werden unter Rühren vorsichtig 100 ml H2O gegeben, wobei während der Zugabe die Lösung sieden sollte. Das Reaktionsgemisch wird bei Raumtemperatur 168 h weitergerührt. Das Rohprodukt wird abfiltriert und mit Aceton gewaschen. Der Filterrückstand wird gemörsert und unter Rühren in 70 ml Aceton dispergiert. Nach 1 Stunde wird der Feststoff durch Filtration isoliert und bei 40°C für 12 Stunden getrocknet. Das Produktgemisch wird mit der fünffachen Gewichtsmenge an Pyridin versetzt und die Suspension 30 Minuten gerührt. Nach Filtration und Waschen mit Pyridin erfolgt die Umkristallisation aus Chloroform. Man erhält 11.6 g (16.0 mmol) (C5H9)6Si6O9. Dies entspricht einer Ausbeute von 21.0%.

Beispiel 3 Herstellung eines oligomeren Silasesquioxans der Formel (C7H13)6Si6O9

Zu einer Lösung von 106 g (458 mmol) C7H13SiCl3 in 400 ml Aceton werden unter Rühren vorsichtig 100 ml H2O gegeben, wobei während der Zugabe die Lösung sieden sollte. Das Reaktionsgemisch wird bei Raumtemperatur 168 h weitergerührt. Das Rohprodukt wird abfiltriert und mit Aceton gewaschen. Der Filterrückstand wird gemörsert und unter Rühren in 70 ml Aceton dispergiert. Nach 1 Stunde wird der Feststoff durch Filtration isoliert und bei 40 °C für 12 Stunden getrocknet. Das Produktgemisch wird mit der fünffachen Gewichtsmenge an Pyridin versetzt und die Suspension für 30 Minuten gerührt. Nach Filtration und Waschen mit Pyridin erfolgt die Umkristallisation aus Chloroform. Man erhält 13.0 g (14.5 mmol) (C7H13)6Si6O9. Dies entspricht einer Ausbeute von 19.0%.

Beispiel 4 Herstellung nicht vollständig kondensierter Silasesquioxane unter Verwendung einer Verbindung der Formel R6Si6O9

Eine Lösung von 1.99 g (2.74 mmol) (C5H9)6Si6O9 in 10 ml THF wird mit 1.85 ml (2.77 mmol) einer wässrigen Bu4NOH versetzt und 1 Stunde bei 25°C gerührt. Anschließend erfolgt die Neutralisation mit 2 M Salzsäure. Das Lösemittel wird entfernt, der Rückstand in Diethylether gelöst und die Lösung über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach dem Einengen des Lösemittels wird (C5H9)6Si6O7(OH)4 quantitativer Ausbeute erhalten.

Beispiel 5 Herstellung nicht vollständig kondensierter Silasesquioxane unter Verwendung einer Verbindung der Formel R6Si6O9

1.85 ml (2.77 mmol) einer wässrigen Lösung von Bu4NOH werden zu einer Lösung von 1.99 g (2.74 mmol) (C5H9)6Si6O9 und 0,42 ml (Vinyl)Si(OMe)3 in 10 ml THF gegeben. Die Lösung wird 12 h gerührt, das Lösemittel entfernt, der Rückstand in Diethylether gelöst und die Lösung über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach dem Einengen des Lösemittels wird (C5H9)6(CH2CH)Si7O9(OH)3 in quantitativer Ausbeute erhalten.

Beispiel 6 Herstellung nicht vollständig kondensierter Silasesquioxane unter Verwendung einer Verbindung der Formel R6Si6O9

Eine Lösung von 2.45 g (2.74 mmol) (C7H13)6Si6O9 in 10 ml THF wird mit 1.85 ml (2.77 mmol) einer wässrigen Bu4NOH versetzt und 1 Stunde bei 25°C gerührt. Anschließend erfolgt die Neutralisation mit 2 M Salzsäure. Das Lösemittel wird entfernt, der Rückstand in Diethylether gelöst und die Lösung über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach dem Einengen des Lösemittels wird (C7H13)6Si6O7(OH)4 in quantitativer Ausbeute erhalten.

Beispiel 7 Herstellung nicht vollständig kondensierter Silasesquioxane unter Verwendung einer Verbindung der Formel R6Si6O9

1.85 ml (2.77 mmol) einer wässrigen Lösung von Bu4NOH werden zu einer Lösung von 2.45 g (2.74 mmol) (C7H13)6Si6O9 und 0.42 ml (Vinyl)Si(OMe)3 in 10 ml THF gegeben. Die Lösung wird 12 h gerührt, das Lösemittel entfernt, der Rückstand in Diethylether gelöst und die Lösung über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach dem Einengen des Lösemittels wird (C7H13)6(CH2CH)Si7O9(OH)3 in quantitativer Ausbeute erhalten.

Beispiel 8 Herstellung von mit Titan modifizierten Silasesquioxanen unter Verwendung nicht vollständig kondensierter Silasesquioxane

Zu einer Lösung aus 2.3 g (2.76 mmol) (C5H9)6(CH2CH)Si7O9(OH)3 in 100 ml Toluol wird 1 g (2.94 mmol) Ti(OBut)4 gegeben und das Reaktionsgemisch 30 Minuten gerührt. Der Feststoff wird anschließend abfiltriert, in Toluol gelöst und mit Acetonitril wieder ausgefällt. Dabei werden 1.58 g (1.66 mmol) (C5H9)6(CH2CH)Si7O12Ti(OBut) als weißer Feststoff erhalten (60% Ausbeute).

Beispiel 9 Verfahren zur Herstellung von mit Titan modifizierten Silasesquioxanen unter Einsatz nicht vollständig kondensierter Silasesquioxane

Zu einer Lösung aus 2.7 g (2.70 mmol) (C7H13)6(CH2CH)Si7O9(OH)3 in 100 ml Toluol wird 1 g (2.94 mmol) Ti(OBut)4 gegeben und das Reaktionsgemisch 30 Minuten gerührt. Der Feststoff wird anschließend abfiltriert, in Toluol gelöst und mit Acetonitril wieder ausgefällt. Dabei werden 1.66 g (1.49 mmol) (C7H13)6(CH2CH)Si7O12Ti(OBut) als weißer Feststoff erhalten (55% Ausbeute).

Claims (18)

1. Oligomere Silasesquioxane der Formel R6Si6O9 mit R = Alkyl, Cycloalkyl ungleich Cyclohexyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, und/oder Heteroaryl und der Struktur I
2. Oligomere Silasesquioxane gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Rest R zumindest eine Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, i-Butyl-, Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cycloheptyl-, Cyclooctanyl-, Cyclononanyl-, Cyclodecanyl-, Vinyl-, Propenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butenyl-, Cyclopropenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclobutenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclopentenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclohexenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cycloheptenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclooctenyl-, Ethin-, Propin-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butin-, Benzyl- und/oder Pyridylgruppe aufweisen.
3. Oligomere Silasesquioxane gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reste R substituiert oder unsubstituiert vorliegen.
4. Oligomere Silasesquioxane gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Rest R zumindest eine Cyclopentyl-, und/oder eine Cycloheptyl-Gruppe aufweisen.
5. Oligomere Silasesquioxane gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Rest R jeweils die gleiche Gruppe aufweisen.
6. Verfahren zur Herstellung von oligomeren Silasesquioxanen der Formel R6Si6O9 mit R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl und/oder Heteroaryl und der Struktur I durch Kondensation von Monomeren der Formel RSiX3 wobei X eine hydrolisierbare Gruppe oder eine zu einer Kondensationsreaktion befähigte Gruppe sein kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation in Lösung mit einer Konzentration an Monomeren von größer 0,2 mol/l durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Monomeren in der Lösung größer 0,4 mol/l beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Monomeren 0,5 mol/l bis 2,5 mol/l beträgt.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Monomere Verbindungen des Typs RSiX3 eingesetzt werden, die als Gruppen X zumindest eine Gruppe, ausgewählt aus -OH, -ONa, -OK, -OR', -OCOR', -OSiR'3, -Cl, -Br, -I und/oder -NR'2, wobei R' einen organischen Rest oder Wasserstoff bedeutet, aufweisen.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Monomere Verbindungen des Typs RSiX3 eingesetzt werden, bei denen alle drei Gruppen X gleich sind.
11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Monomere zumindest eine Verbindung des Typs RSiX3 eingesetzt wird, die als Rest R zumindest eine Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, i-Butyl-, Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cycloheptyl-, Cyclooctanyl-, Cyclononanyl-, Cyclodecanyl-, Vinyl-, Propenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butenyl-, Cyclopropenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclobutenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclopentenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclohexenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cycloheptenyl-, ein- oder mehrfach ungesättigte Cyclooctenyl-, Ethin-, Propin-, ein- oder mehrfach ungesättigte Butin-, Benzyl- oder Pyridylgruppe aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation ohne Katalysator oder in Gegenwart von zumindest einem aciden oder zumindest einem basischen Katalysator durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als basischer Katalysator KOH, NaOH, (C2H5)4NOH, C6H5CH2(CH3)3NOH, (CH3)4NOH und/oder (C2H5)3N eingesetzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als acider Katalysator Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, ZnCl2, AlCl3, HClO4 und/oder Essigsäure eingesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation in einer Lösung, die als Lösemittel zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus Alkoholen, Ketonen, Aldehyden, Ethern, Säuren, Estern, Anhydriden, Alkanen, Aromaten oder Nitrilen oder Mischungen aus einer oder mehrerer dieser Verbindungen aufweist, durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation bei einer Temperatur von -20°C bis 300°C durchgeführt wird.
17. Verwendung der oligomeren Silasesquioxane gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 oder eines gemäß zumindest einem der Ansprüche 6 bis 16 hergestellten oligomeren Silasesquioxans der Formel R6Si6O9 (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I für die Synthese von nicht vollständig kondensierten Silasesquioxanen, von Katalysatoren und deren Ausgangsverbindungen sowie von Polymeren.
18. Verwendung der oligomeren Silasesquioxane gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 oder eines gemäß zumindest einem der Ansprüche 6 bis 16 hergestellten oligomeren Silasesquioxans der Formel R6Si6O9 (R = Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Alkinyl, Cycloalkinyl, Aryl, Heteroaryl) und der Struktur I für die Hydrolyse zu nicht vollständig kondensierten Silasesquioxanen und weitere Derivatisierung dieser unvollständig kondensierten Silasesquioxane zu funktionalisierten Silasesquioxanen, zu Katalysatoren, zu Katalysatorvorstufen sowie zu Polymeren.
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