DE1236505B - Verfahren zur Herstellung von Hydroxymethyl-siloxanen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Hydroxymethyl-siloxanenInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
C07f
C08g
Deutsche Kl.: 12 ο-26/03
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
F 46679 IV b/12ο
22. Juli 1965
16. März 1967
22. Juli 1965
16. März 1967
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Hydroxymethylsiloxanen mit mindestens einer Struktureinheit
der Formel
HO - CH2 - Si (CH3) — O 3 _ „,
worin m = 1 oder 2, und gegebenenfalls weiteren Struktureinheiten der Formel
worin η = 1, 2 oder 3 und jeder der Substituenten R ein Methyl- oder Phenylrest ist. Diese Siliciumverbindungen
sind wertvolle Zwischenprodukte zur Herstellung von Estern, Urethanen, Acetalen und PoIyäthersiloxanen
und zur Modifizierung von Kunststoffen wie Polyestern und Polyurethanen.
Hydroxymethylsiloxane solcher Art erhält man nach einem aus der deutschen Auslegeschrift 1213406
bekannten Herstellungsverfahren durch Hydrolyse von brommethylsubstituierten Organosiloxanen mittels
alkoholischer Alkalilauge bei Raumtemperatur. Diese Reaktion bleibt aber selbst nach mehreren
Tagen Dauer noch unvollständig; daneben tritt Spaltung der Si — O — Si- und besonders der gegenüber
nucleophilem Angriff empfindlichen Si — C-Bindung unter Methanolbildung und Siloxankondensation
ein. Infolgedessen weichen die Produkte von der für ihren Verwendungszweck angestrebten einheitlichen
und bestimmten Zusammensetzung ab.
Zur Herstellung von l,3-Di-(hydroxymethyl)-tetramethyldisiloxan und dessen Mischpolymerisaten mit
Methylpolysiloxanen ist aus der deutschen Patentschrift 879 839 ein Verfahren bekannt, in welchem
l,3-Di-(acetoxymethyl)-tetramethyldisiloxan mit in sehr großem Überschuß angewendetem Methanol und
unter geringer Zumischung von Salzsäure umgeestert und gegebenenfalls zugleich mischpolymerisiert wird.
Auch diese Reaktion läuft mit sehr wenig HCl und bei niederer Temperatur nicht vollständig ab; höhere
Temperatur führt zur Spaltung der Si — CH2-Bmdung,
höhere HCl-Konzentration zur Bildung von Si — CH2 — Cl neben dem ausschließlich angestrebten
Si — CH2 — OH, so daß dem Produkt in jedem Fall
ein beträchtlicher Teil der theoretischen Anzahl Hydroxylgruppen fehlt. Hier ergibt sich also in noch
größerem Maß der voranstehend erwähnte Nachteil. Auch der Ersatz der Salzsäure durch Schwefelsäure
bringt hier keine Abhilfe; es tritt Verätherung an den Hydroxymethylgruppen ein.
Wie nun gefunden wurde, läßt sich sowohl eine Veresterung der zunächst entstandenen = Si-CH2-OH-Verfahren
zur Herstellung von Hydroxymethylsiloxanen
Anmelder:
Farbenfabriken Bayer Aktiengesellschaft,
Leverkusen
Leverkusen
Als Erfinder benannt:
Dr. Walter Simmler, Odenthal-Schlinghofen;
Dr. Hans Niederprüm, Monheim;
Dr. Hans Sattlegger, Köln-Buchheim
Gruppen zu = Si — CH2 — Cl, wie bei Salzsäure,
als auch eine Verätherung dieser Gruppen miteinander wie bei Schwefelsäure, dadurch vermeiden, daß man
an Stelle der genannten Säuren p-Toluolsulfonsäure
als Katalysator anwendet. Demgemäß ist das beanspruchte Verfahren zur Herstellung der einleitend definierten
Hydroxymethylsiloxane dadurch gekennzeichnet, daß man Acyloxymethylsiliciumverbindungen
mit mindestens einer Struktureinheit der Formel
CH2-O —C —R'
worin R' für H oder CH3 und R" für
-OCH3, -OC2H5, -OC3H7,
— O —C —R' oder -O1
— O —C —R' oder -O1
steht, und im Fall R" = Oj gegebenenfalls weiteren
Struktureinheiten der Formel
RnSiO 4_„
im Gemisch mit 5 bis 20 Mol Methanol oder Äthanol je Mol R' und einer katalytischen Menge p-Toluolsulfonsäure
auf Temperaturen unterhalb 10O0C unter gleichzeitigem Abdestillieren des dabei entstehenden
Esters der Formel
R'C(O)OCH3 oder R7C(O)OC2H5
erhitzt und dabei gegebenenfalls die zur vollständigen Hydrolyse und Süoxankondensation stöchiometrisch
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erforderliche Menge Wasser während der Reaktion Umesterung angewendeten Alkohols so aufeinander
zufügt, worauf man die p-Toluolsulfonsäure mit einem abzustimmen, daß der sich daraus ergebende Ester
Überschuß alkoholischer Kalilauge neutralisiert, das nicht wesentlich oberhalb 800C siedet, die Temperatur
dabei ausgefallene Salz abfiltriert, das Filtrat unter des Reaktionsgemisches also unterhalb 100° C bleiben
Durchleiten von Kohlendioxyd bei 20 bis 30°C durch 5 kann. Am besten bewährt hat sich die Kombination
Absaugen von flüchtigen Anteilen befreit und das von R' = CH3 und Methanol,
hinterbliebene Endprodukt klarfiltriert. Um die Reaktion unter Siloxankondensation zu Im Vergleich zu Schwefelsäure hat die erfindungs- Ende zu führen, ist es nötig, dem Gemisch Wasser gemäß anzuwendende p-Toluolsulfonsäure die un- hinzuzufügen, soweit wie die Substituenten R" Alkerwartete Wirkung, daß sie die Umesterung der Acyl- ίο oxylreste sind, denen keine äquivalente Menge Sireste schon bei mäßig erhöhter Temperatur katalysiert, gebundener Acylreste, von denen jeder bei der Umdie Veretherung der = Si — CH2 — OH-Gruppen esterung 1I2 Mol H2O erzeugt, gegenübersteht. Am miteinander jedoch erst oberhalb 800C. Es ist daher Beispiel der Herstellung von l,3-Di-(hydroxymethyl)-für die gute Ausbeute und Reinheit der Produkte tetramethyldisiloxan (m = 2) mögen das folgende förderlich, die Wahl der Acylreste und des zu deren 15 Reaktionsgleichungen erläutern:
hinterbliebene Endprodukt klarfiltriert. Um die Reaktion unter Siloxankondensation zu Im Vergleich zu Schwefelsäure hat die erfindungs- Ende zu führen, ist es nötig, dem Gemisch Wasser gemäß anzuwendende p-Toluolsulfonsäure die un- hinzuzufügen, soweit wie die Substituenten R" Alkerwartete Wirkung, daß sie die Umesterung der Acyl- ίο oxylreste sind, denen keine äquivalente Menge Sireste schon bei mäßig erhöhter Temperatur katalysiert, gebundener Acylreste, von denen jeder bei der Umdie Veretherung der = Si — CH2 — OH-Gruppen esterung 1I2 Mol H2O erzeugt, gegenübersteht. Am miteinander jedoch erst oberhalb 800C. Es ist daher Beispiel der Herstellung von l,3-Di-(hydroxymethyl)-für die gute Ausbeute und Reinheit der Produkte tetramethyldisiloxan (m = 2) mögen das folgende förderlich, die Wahl der Acylreste und des zu deren 15 Reaktionsgleichungen erläutern:
a) R" = O, ;
R' —C(=O) —O —CH2-Si(CH3)a—O —Si(CH3)2 —CH2-O —C(==O) —R' + 2HOCH3
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 2 R' — C (= O) — OCH„
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 2 R' — C (= O) — OCH„
b) R" = — O — C(=O) — R';
2R'—-C(=O) — O — CH2- Si(CHg)2- O — C(=O) — R' + 4HOCH3
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 4 R' — C (= O) — OCH3 + H2O
c) R" = _ OC2H5 ;
2R' — C(=O) —O — CH2 — Si(CH3)2 — OC2H5 + 2HOCH3 + H2O
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH8 — OH + 2 R' — C (= O) — OCHS + 2 HOC8H,
d) R" = —O —C(=0) —R' und -OC2H5;
R' — C(= O) — O — CH2- Si(CH3)2 — O — C (= O) — R'
+ R' — C (= O) — O — CH2 — Si (CHa)2 — OC8H5 + 3 HOCH,
> HO — CH2 — Si (CH3) — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 2 R' — C (= O) — OCH3 + HOC8H8
Gleichung d) zeigt, wie man durch Verwendung und gegebenenfalls weitere Struktureinheiten der
eines Acyloxysilanderivats nach b) und eines Alkoxy- Formel
silanderivats nach c) im Gemisch eine Reaktion ge- 40
silanderivats nach c) im Gemisch eine Reaktion ge- 40
maß Gleichung b), bei der Wasser entsteht, und eine Rj1SiO4 _n
Reaktion gemäß Gleichung c), bei der Wasser benötigt ~ ä~~
wird, kombinieren kann, so daß ein Wasserzusatz
sich erübrigt. worin m, η und R die einleitend angegebene Bedeutung
Eine Reihe weiterer Variationsmöglichkeiten bietet 45 haben, a = 4 oder (m + 2) ist und R'" für CHj,
das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß man C2H5 oder C3H steht. Für die Hydrolyse der SiOR'"-eine
Mischhydrolyse und -kondensation analog den Gruppen enthaltenden Verbindungen ist dabei die
Gleichungen c) und d) auch mit solchen Silanen nach der jeweiligen Reaktionsgleichung des Gesamt-
und Silaxanen durchführen kann, die keine carbo- gemisches gegebenenfalls zu ergänzende Wassermenge,
funktionellen Substituenten enthalten, aber minde- 50 wie vorangehend bereits für R" = Alkoxyl bestens
eine Struktureinheit der Formel schrieben, hinzuzufügen. Auch in solchem Fall sind
weder Nebenreaktionen noch Reaktionsverzögerungen
Ra-B»Si(OH)OTO_4--a_ zu beobachten. Am Beispiel der Herstellung linearer
2 Mischkondensate seien einige der beschriebenen
oder der Formel 55 Kombinationsmöglichkeiten mit folgenden Reaktions-
Ra-jnSi(OR'")mO4_a gleichungen erläutert Cp bedeutet darin eine positive
2 ganze Zahl):
e) R" = -OC2H5, R = Phenyl;
2R' —C(=O) — O — CH2 — Si(CHs)2 — OC2H5 + (CeH5)2Si (OH)2 + 2HOCH3
> HO — CH2 — Si (CHs)2 — O — Si (QH5), — O — Si (CH3)2 — CH8OH
> HO — CH2 — Si (CHs)2 — O — Si (QH5), — O — Si (CH3)2 — CH8OH
+ 2R' —C (= O)-OCH3 + 2HOC8Hg
f) R" = — OC2H5, R - CH3;
2 R' — C («= O) — O — CH2 — Si (CH3)2 — OC2H5 + HO -[- Si (CH3)2 — O -]— H + 2 HOCH3
— CH2-[~Si(CH3)2 -O -In^- Si (CHS)2 — CH2- OH
— CH2-[~Si(CH3)2 -O -In^- Si (CHS)2 — CH2- OH
+ 2R' —C (= O)-OCH3 + 2HOC2H6
g) R" = —Ο —C(=O) —R', R = CH3, R'" = C2H5;;
2 R' — C (= O) — O — CH2 — Si (CH3)2 — O — C (= O) — R' + (CH3)2 Si (OC2Hg)2 + 4 HOCH3
> HO-CH2 [ Si(CH3)2—O ]2 Si(CH3)2—CH2-OH + 4R' —C(= O)-OCH3 + 2HOC2H5
> HO-CH2 [ Si(CH3)2—O ]2 Si(CH3)2—CH2-OH + 4R' —C(= O)-OCH3 + 2HOC2H5
h) R" = -OC2H5, R = CH8, R'" = C2H5;
2R' — C(=O) — O —CH2-Si (CH3)2—OC2H5 + P (CH3)2Si(OC2H5)2 + 2 HOCH3 + (1 +/>) H2O
> HO - CH2 -[- Si(CH3)2- O-]^p Si(CH3)2 — CH2 — OH
+ 2R' — C(= O)-CH3 + 2(1+/J)HOC2H5
i) R" = — O — C (= O) — R', R = CH3, R'" = C2H5;
2 R' — C (= O) — O — CH2 — Si (CH3) [— O — C (= O) — R']2 + P (CH3)2Si (OC2H5)2
+ 2 (CHs)3SiOC2H5 + 6 HOCH3 + (p + 1) H2O
> (CH3) Si-O (-[ Si (CH3) (CH2OH) - O \[ Si (CH3)2 - O -]--)· Si (CH3)3
+ 6 R' — C(= O) — OCH3 + 2 (1 + p) HOC2H5
Mittels solcher Verfahrensvarianten ist es nunmehr 25 gruppen herzustellen, was nach der bisher in Betracht
möglich, sowohl Organopolysiloxane mit seitenstän- kommenden Methode einer Äquilibrierungsreaktion
digen Hydroxymethylgruppen, die bisher nicht bekannt von l,3-Di-(hydroxymethyl)-tetramethyldisiloxan mit
waren, als auch Organopolysiloxane mit vorher- rein kohlenwasserstoffsubstituierten Siloxanen nicht
bestimmtem Gehalt an endständigen Hydroxymethyl- zuverlässig zu erzielen ist.
Beispiel 1
CH3 — C (= O) — O — CH2 — Si (CHg)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — O — C (= O) — CH3 + 2 HOCH3
CH3 — C (= O) — O — CH2 — Si (CHg)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — O — C (= O) — CH3 + 2 HOCH3
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 2 CH3 —■ C (= O) — OCH3
Man löst 139 g (0,5 Mol) l,3-Di-(acetoxymethyl)- verdampft aus dem Filtrat das restliche Lösungsmittel
tetramethyldisiloxan und 5,7 g p-Toluolsulfonsäure in durch einen Strom von Kohlendioxyd unter Erhitzen
32Og (10 Mol) Methanol und destilliert aus dieser 40 bis 900C und bis auf 3 Torr vermindertem Druck. Den
Lösung über eine Kolonne Essigsäuremethylester und Rückstand filtriert man klar und erhält als Filtrat mit
überschüssiges Methanol unter Erhitzen bis auf 900C praktisch vollständiger Ausbeute das 1,3-Di-hydroxy-(am
Kolonnenkopf 700C) ab. Den Rückstand mischt methyl)-tetramethyldisiloxan, das bei 200C eine Dichte
man mit einer Lösung von 2,3 g Kaliumhydroxyd in von 0,985 g/cm8 und eine Viskosität von 45 cP hat;
30 cm3 Methanol, filtriert das ausgefallene Salz ab und 45 17,0 Gewichtsprozent Hydroxylgehalt, n?S = 1,4385.
2CH3-C(=O) — O —CH2-Si(CHg)2- O —C(= O)-CH3 + 4HOCH3
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 4 CH3 — C (= O) — OCH3 + H2O
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 4 CH3 — C (= O) — OCH3 + H2O
Man löst 190 3 g (1 Mol) Dimethyl-(acetoxymethyl)-acetoxysilan und 5,7 g p-Toluolsulfonsäure in 320 g
(10 Mol) Methanol und verfährt mit dieser Lösung des weiteren, wie im Beispiel 1 beschrieben. Man erhält
schließlich ein gleiches Produkt wie dort; tv$ — 1,4388.
Beispiel 3
2 CH3 — C (= O) — O — CH2 — Si (CH3)2 — OC2H5 + 2 HOCH3
2 CH3 — C (= O) — O — CH2 — Si (CH3)2 — OC2H5 + 2 HOCH3
HO—CH2-Si(CH3)2—Ο—Si(CH3)2—CH2-OH + 2CH3-C (= O)-OCH3 + 2HOC2H5
Man löst 1 Mol Dimethyl-(acetoxymethyl)-äthoxy- Mit dem Destillationsrückstand verfährt man wie im
silan und 5,7 g p-Toluolsulfonsäure in 10 Mol Metha- 6g Beispiel 1 und erhält schließlich das l,3-Di-(hydroxy-
nol, destilliert, wie im Beispiel 1 beschrieben, und gibt methyl)-tetramethyldisiloxan in infrarotspektrosko-
zu der Lösung während der Destillation allmählich ein pischer Reinheit mit 17,1 Gewichtsprozent OH-Gehalt,
Gemisch von 10 cm3 Wasser und 100 cm3 Methanol. n%° = 1,4389.
7 8
CH3- C(= O) — O — CH2-Si(CHg)2-O — C(= 0) — CH3
+ CH3 — C (= O) — 0 — CH2 — Si (CH3)2 — OC2H6 + 3 HOCH3
> HO — CH2 — Si (CH3)2 — O — Si (CH3)2 — CH2 — OH + 3 CH3 — C (= O) — OCH3 + HOC2H5
Man löst 0,5 Mol Dimethyl-Cacetoxymethy^-acetoxy- und verfährt mit dieser Lösung des weiteren, wie im
silan, 0,5 Mol Dimethyl-(acetoxymethyl)-äthoxysilan Beispiel 1 beschrieben. Das Endprodukt enthält
und 5,7 g p-Toluolsulfonsäure in 10 Mol Methanol io 16,9 Gewichtsprozent OH; nf = 1,4392.
Beispiel 5
CH3 — C (= O) — O — CH2 — Si (CH3) [— O — C (= O) — CH3]2 + 10 (CH3)2Si (OC2H5)2 + 3 HOCH3
CH3 — C (= O) — O — CH2 — Si (CH3) [— O — C (= O) — CH3]2 + 10 (CH3)2Si (OC2H5)2 + 3 HOCH3
I Q TT Q
[(HOCH2) (CH3)SiO · 10 (CH3)2Si0] + 3 CH3 — C (= O) — OCH3 + 20 HOC2H8
Man löst 46,8 g (0,2 Mol) Methyl-(acetoxymethyl)-diacetoxysilan, 296 g (2 Mol) Dimethyldiäthoxysilan
und 2 g p-Toluolsulfonsäure in 300 cm3 Methanol, destilliert, wie im Beispiel 1 beschrieben, und gibt zu
der Lösung während der Destillation allmählich ein Gemisch von 32,4 g (1,8 Mol) Wasser und 100 cm3
Methanol. Mit dem Destillationsrückstand verfährt man wie im Beispiel 1 und erhält schließlich als zähes
Öl mit 1,7 Gewichtsprozent OH-Gehalt (berechnet: 2,0) ein im wesentlichen lineares, seitenständig
hydroxymethylsubstituiertes Methylpolysiloxan, zusammengesetzt aus Siloxaneinheiten der Formel
CH3
35
40
— Si — O —
HOCH2
und der zehnfachen Anzahl Dimethylsiloxaneinheiten.
und der zehnfachen Anzahl Dimethylsiloxaneinheiten.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung von Hydroxymethylsiloxanen mit mindestens einer Struktureinheit
der Formel
HO — CH2 — Si (CH3)m -O3-,,,
worin m — 1 oder 2, und gegebenenfalls weiteren Struktureinheiten der Formel
RnSiO^n
worin η = 1, 2 oder 3 und jeder der Substituenten R ein Methyl- oder Phenylrest ist, durch Umestern
der Acylreste von aeycloxymethylsubstituierten Organosiliciumverbindungen mit einem Überschuß
eines Alkohols in Gegenwart katalytischer Mengen einer Säure, dadurch gekennzeichnet,
daß man Acyloxymethylsiliciumverbindungen mit mindestens einer Struktureinheit der Formel
(CH3)mSiR£_m
CH2-O-C-R'
worin R' für H oder CH3 und R" für
-OCH3, -OC2H5, -OC3H7,
— O —C —R' oder -O1
— O —C —R' oder -O1
steht, und im Fall R" — O1 gegebenenfalls
weiteren Struktureinheiten der Formel
im Gemisch mit 5 bis 20 Mol Methanol oder Äthanol je Mol R' und einer katalytischen Menge
p-Toluolsulfonsäure auf Temperaturen unterhalb 100° C unter gleichzeitigem Abdestillieren des dabei
entstehenden Esters der Formel
R'C(O)OCH3 oder R'C (O) OC2H5
erhitzt und dabei gegebenenfalls die zur vollständigen Hydrolyse und Siloxankondensation
stöchiometrisch erforderliche Menge Wasser während der Reaktion zufügt, worauf man die p-Toluolsulfonsäure
mit einem Überschuß alkoholischer Kalilauge neutralisiert, das dabei ausgefallene Salz
abfiltriert, das Filtrat unter Durchleiten von Kohlendioxyd bei 20 bis 300C durch Absaugen von
flüchtigen Anteilen befreit und das !unterbliebene Endprodukt klarfiltriert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Fall, daß mindestens einer
der Reste R" die Formel -OCH3, -OC2H5,
— OC3H7 oder — O — C(= O) — R' hat, die Umsetzung
in Gegenwart von kondensationsfähigen Organosiliciumverbindungen mit mindestens einer
Struktureinheit der Formel
Rc_m Si (OH)1nO4-^
worin a — 4 oder (m + 2) ist, und gegebenenfalls
weiteren Struktureinheiten der Formel
durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Fall, daß mindestens einer
der Reste R" die Formel -OCH3, -OC2H6,
— OC3H7 oder — O — C(= O) — R' hat, die Um-
setzung in Gegenwart von hydrolysierbaren Organo- Struktureinheiten der Formel
siliciumverbindungen mit mindestens einer Struktur-
einheit der Formel R"
R0 _mSi (OR"')«0^4.^ 5 durchführt und dabei die zur vollständigen Hy
drolyse und Siloxankondensation stöchiometrisch
worin a — 4 oder (m + 2) ist und R'" für CH3, erforderliche Menge Wasser während der Reaktion
C2H6 oder C3H7 steht, und gegebenenfalls weiteren zufügt.
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