JP4488219B2 - 環状オリゴシロキサンの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高分子量オルガノポリシロキサンより環状オリゴシロキサンを製造する方法に関する。
環状オリゴシロキサンは、シリコーンオイルや生ゴム等の高分子ポリシロキサンの原料として、Si−H結合を持つ場合には、オルガノハイドロジェンポリシロキサンの原料、有機官能基が結合した接着助剤の原料等に使用されている。
従来、環状オリゴシロキサンの製造方法については、一般的にジメチルジクロロシランのような2つの加水分解性基を有するシランを加水分解して取得することが知られている(特許文献1,2:特開昭54−74900号公報、特開昭60−90220号公報参照)。加水分解時に環状オリゴシロキサンを選択的に取得する場合には、加水分解時にアルコールを共存させる方法が一般的であるが、ポットイールドが悪い、排水中にアルコールが排出されるためBOD負荷が高い等の問題点がある。また、シラン加水分解物から目的の環状オリゴシロキサンを取得する場合には、精留する必要があり、製造工程が長い。
一方、高分子シロキサンに触媒を加え、不均化反応により環状オリゴシロキサンを取得する方法が知られている(特許文献3〜6:特許第358403号公報、特開2000−159783号公報、特開2000−159784号公報、特開2000−169488号公報参照)
これらの特許文献に記載の方法は、触媒として金属アルコキシドを用いるもので、より温和な条件下で環状オリゴシロキサンを取得する方法として有効であるが、環状オリゴシロキサンに加え、触媒である金属アルコキシドに由来する珪素−アルコキシド結合を有する分子の生成があるため、これを原料として使用した場合には、この分子が不純物として製品の特性に悪影響を与える。この珪素−アルコキシド結合を有する分子を環状オリゴシロキサンと分離する場合には、高性能な精留設備を必要とする。
また、特開平7−316167号公報(特許文献7)には、無水塩化アルミニウム触媒を用いて環状4量体シロキサンを用いることが提案されているが、無水塩化アルミニウムは、取り扱い性が著しく悪く、系内に塩酸が発生しやすいという問題があった。
特開昭54−74900号公報 特開昭60−90220号公報 特許第358403号公報 特開2000−159783号公報 特開2000−159784号公報 特開2000−169488号公報 特開平7−316167号公報
本発明は、上記従来の問題点を解決したもので、高分子量シロキサンより環状オリゴシロキサンを高純度、高収率で製造する方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、高分子量オルガノポリシロキサンを不均化反応させて環状オリゴシロキサンを取得する場合の触媒として下記一般式(4)
Figure 0004488219
[式中、Mはアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる金属であり、R4は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、又は下記式(5)
Figure 0004488219
(式中、R5は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、hは0〜100の整数である。)
pはアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる金属の原子価を示す。]
で示される触媒を使用することにより、環状オリゴシロキサンが高純度、高収率で得られることを知見し、本発明をなすに至った。
上記高分子量ポリシロキサンから式(4)で示される触媒を用いることにより、BOD負荷なしで、高純度、高収率で環状オリゴシロキサンを製造することができ、半導体や電気電子分野で問題となり得る珪素−アルコキシド結合を有する分子の生成を抑制することができる。
即ち、2つの加水分解性基を有するシランを加水分解し、目的の環状オリゴシロキサンを取得する場合には、精留を必要とし、目的の環状オリゴシロキサンを選択的に取得する場合には、加水分解時にアルコールを加える処方が一般的であるが、ポットイールドが低く、廃水のBOD負荷が高くなる原因となった。一方、高分子シロキサンから触媒として金属アルコキシドを用いた不均化反応により環状オリゴシロキサンを取得する場合には、珪素−アルコキシド結合を有する分子を生成し、この分子と目的の環状オリゴシロキサンとの分離が困難となり、また、この分子が混入した環状オリゴシロキサンを原料として使用した場合には、製品が必要とする特性が悪化する。これに対し、高分子量シロキサンに触媒を加えて環状オリゴシロキサンを取得する方法で、珪素−アルコキシド結合を有する分子の生成をなくすために種々検討を行った結果、本発明者は、式(4)で示される触媒にその優れた能力を見出し、珪素−アルコキシド結合を有する分子の生成をなくすことを可能したのである。
従って、本発明は、下記環状オリゴシロキサンの製造方法を提供する。
請求項1:
下記一般式(1)
Figure 0004488219
(式中、R1は同一又は異種の水素原子、水酸基、又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、nは2〜10,000の整数である。)
で示されるオルガノポリシロキサン及び/又は下記一般式(2)
Figure 0004488219
(式中、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、mは4〜15の整数である。)
で示されるオルガノポリシロキサンを触媒の存在下に反応させて、下記一般式(3)
Figure 0004488219
(式中、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、kは3〜8の整数であり、上記式(2)で表されるオルガノポリシロキサンを用いる場合は、k<mである。)
で示される環状オリゴシロキサンを製造する方法において、下記一般式(4)
Figure 0004488219
[式中、Mはアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる金属であり、R4は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、又は下記式(5)
Figure 0004488219
(式中、R5は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、hは0〜100の整数である。)
で示される基、pはアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる金属の原子価を示す。]
で示される触媒を用いることを特徴とする環状オリゴシロキサンの製造方法。
請求項2:
触媒の添加量が、原料のオルガノポリシロキサン100質量部に対して0.001〜10質量部であることを特徴とする請求項1記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
請求項3:
触媒が、下記一般式(4a)
Figure 0004488219
(式中、R4は上記の通りである。)
で示されるものであることを特徴とする請求項1又は2記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
請求項4:
一般式(3)の環状オリゴシロキサンが、下記一般式(3a)
Figure 0004488219
(式中、kは上記の通りである。)
で示されるものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
請求項5:
一般式(3)の環状オリゴシロキサンが、下記一般式(3b)
Figure 0004488219
(式中、kは上記の通りである。)
で示されるものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
本発明によれば、環状オリゴシロキサンを珪素−アルコキシド結合を有する分子等の不純物の生成なしに高純度で、かつ収率よく製造し得る。
本発明の環状オリゴシロキサンの製造方法は、下記一般式(1)
Figure 0004488219
(式中、R1は同一又は異種の水素原子、水酸基、又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、nは2〜10,000の整数である。)
で示されるオルガノポリシロキサン及び/又は下記一般式(2)
Figure 0004488219
(式中、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、mは4〜15の整数である。)
で示されるオルガノポリシロキサンを触媒の存在下に反応させるものである。
この場合、R1は同一又は異種の水素原子、水酸基、又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、一価炭化水素基としては、炭素数1〜12、特に1〜10のものが好ましく、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、t−ブチル基等のアルキル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基等のアラルキル基などや、これらの基の水素原子の1個又は2個以上をハロゲン原子等で置換した3,3,3−トリフルオロプロピル基等が挙げられる。これらの中で、水素原子、メチル基、フェニル基が好ましく、特にメチル基、水素原子が好ましい。後述するR3が水素原子の場合はメチル基、水素原子が特に好ましく、一価炭化水素基の場合はメチル基が特に好ましい。
2は置換又は非置換の一価炭化水素基であり,R1で例示した一価炭化水素基と同様のものが例示されるが、メチル基、フェニル基が好ましく、特にメチル基が好ましい。
3は、水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、一価炭化水素基としては、R1で例示した一価炭化水素基と同様のものが例示される。これらの中で、水素原子、メチル基、フェニル基が好ましく、特に水素原子、メチル基が好ましい。
nは2〜10,000、好ましくは10〜2,000、特に好ましくは20〜1,500の整数である。
上記式(2)において、mは4〜15、好ましくは4〜10の整数である。
本発明の環状オリゴシロキサンの製造方法は、原料として上記式(1)で表されるオルガノポリシロキサンを用いることが好ましいが、上記式(1)で表されるオルガノポリシロキサンを製造する過程において、上記式(2)で表されるオルガノポリシロキサンも生成することがあるため、分離せず、混合物として用いてもよい。その場合、上記式(1)で表されるオルガノポリシロキサンと上記式(2)で表されるオルガノポリシロキサンとの質量比は100:0〜20:80、特に100:0〜30:70の範囲とすることが好ましい。
本発明においては、上記式(1)及び/又は(2)の原料オルガノポリシロキサンを反応させる場合、下記一般式(4)で示される触媒を使用する。
Figure 0004488219
[式中、Mはアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる金属であり、R4は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、又は下記式(5)
Figure 0004488219
(式中、R5は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、R4と同様のものが例示され、メチル基、エチル基、プロピル基、フェニル基が好ましく、特にメチル基が好ましい。hは0〜100、好ましくは0〜50、特に好ましくは0〜20の整数である。)
で示される基、pは前記金属の原子価を示す。]
ここで、R4の一価炭化水素基としては、炭素数1〜12、特に1〜10のものが好ましく、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、t−ブチル基等のアルキル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基等のアラルキル基などや、これらの基の水素原子の1個又は2個以上をハロゲン原子等で置換した3,3,3−トリフルオロプロピル基等が挙げられ、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基が好ましく、特にメチル基が好ましい。
Mは上記の通りであるが、特にアルミニウムであることが好ましい。
上記式(4)で示される触媒として具体的には、下記のものが挙げられる。
Figure 0004488219
(hは上記と同じ。)
上記式(4)で示される触媒の製造方法は、特に限定されず、例えばZhdanov,A.A.,J. Polymer Sci.,30,513(1958)等の方法により製造することができる。
上記式(4)で示される触媒の添加量は、式(1)及び/又は(2)の原料のオルガノポリシロキサン100質量部に対して0.001〜10質量部であり、特に好ましくは0.01〜5質量部である。
本発明の反応において、反応条件は、R3が水素原子の場合は室温〜250℃、特に130〜200℃で反応させることが好ましく、R3が一価炭化水素基の場合は200〜350℃、特に240〜300℃で反応させることが好ましい。また、反応は常圧下でも減圧下でもよいが、500mmHg、特に10〜300mmHgの減圧下で行うことが好ましい。また、必要により反応後、蒸留してもよい。
本発明によれば、上記の不均化反応により、下記一般式(3)
Figure 0004488219
(式中、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、kは3〜8の整数、好ましくは4〜6であり、式(2)で表されるオルガノポリシロキサンを用いる場合は、k<mである。)
で示される環状オリゴシロキサンが得られるものである。この場合、環状オリゴシロキサンは、通常、重合度の異なる混合物として得られる。
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
<触媒の合成>
参考文献(Zhdanov,A.A.,J. Polymer Sci.,30,513(1958))に従い、下記式(i)で示される触媒を合成した。
Figure 0004488219
撹拌機、コンデンサーを取り付けた0.5Lの3つ口フラスコにソジウムトリメチルシラノレート(40g)を入れ、更にこれにベンゼン(160mL)を加え、溶解させた。室温にて1時間かけてベンゼン(70mL)に懸濁させた塩化アルミニウム(12.4g)を添加した(20〜40℃)。発熱反応終了後、ろ紙ろ過を行った。ろ液を1Lフラスコに入れ、これをオイルバスで加熱し、ベンゼンを常圧にて留去した。固形化したフラスコ内容物を減圧下で昇華、精製し、目的物質を得た。H−NMRにて構造の確認を行った。
[実施例1]
温度計、撹拌機、約1×1mmの円筒状のガラスを500mm充填させた充填塔、水冷コンデンサー、留出管、留出物レシーバーを設置した1Lの4つ口フラスコを減圧用ポンプに接続した。このフラスコに、
Figure 0004488219
で表されるトリメチルシリルポリメチルハイドロジェンシロキサン(500g)及び上記式(i)の触媒(0.5g)を加え、撹拌を開始した。フラスコ内を50mmHgの減圧度に保ち、フラスコをオイルバスを用いて170〜180℃に加熱した。2時間留出する留分(398g)を採取した。この留分は1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサンが主成分であった。残渣(40g)は透明液状物であった。
Figure 0004488219
k=4:54%
k=5:31%
k=6:6%
[実施例2]
温度計、撹拌機、約1×1mmの円筒状のガラスを500mm充填させた充填塔、水冷コンデンサー、留出管、留出物レシーバーを設置した1Lの4つ口フラスコを減圧用ポンプに接続した。このフラスコに、
Figure 0004488219
で表されるトリメチルシリルポリメチルハイドロジェンシロキサン(500g)及び上記式(i)の触媒(0.1g)を加え、撹拌を開始した。フラスコ内を100mmHgの減圧度に保ち、フラスコをオイルバスを用いて160〜170℃に加熱した。2時間留出する留分(356g)を採取した。この留分は1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサンが主成分であった。残渣(129g)は透明液状物であった。
Figure 0004488219
k=4:51%
k=5:32%
k=6:7%
[実施例3]
温度計、撹拌機、約1×1mmの円筒状のガラスを500mm充填させた充填塔、水冷コンデンサー、留出管、留出物レシーバーを設置した500mLの4つ口フラスコを減圧用ポンプに接続した。このフラスコに25℃における粘度が1万csである両末端がトリメチルシロキシ基で封鎖されたジメチルポリシロキサン(100g)及び上記式(i)の触媒(1.0g)を加え、撹拌を開始した。フラスコ内を50mmHgの減圧度に保ち、フラスコをマントルヒーターを用いて250〜260℃に加熱した。14時間留出する留分(45g)を採取した。残渣(31g)は透明液状物であった。
Figure 0004488219
k=3:5%
k=4:52%
k=5:30%
[比較例1]
温度計、撹拌機、約1×1mmの円筒状のガラスを500mm充填させた充填塔、水冷コンデンサー、留出管、留出物レシーバーを設置した1Lの4つ口フラスコを減圧用ポンプに接続した。このフラスコに、
Figure 0004488219
で表されるトリメチルシリル封鎖ポリメチルハイドロジェンシロキサン(500g)及びAl(OR)3(Rはイソプロピル基を示す)で示される触媒(0.1g)を加え、撹拌を開始した。フラスコ内を100mmHgの減圧度に保ち、フラスコをオイルバスを用いて160〜170℃に加熱した。2時間留出する留分(460g)を採取した。この留分は1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサンが主成分であった。
Figure 0004488219
k=3:7%
k=4:46%
k=5:28%
また、ガスクロマトグラフィーで測定したところ、触媒であるイソプロポキシド基が付加した下記式(a),(b)で示される副生物がそれぞれ約1.5%及び約0.5%生成していることがわかった。残渣(32g)は透明液状物であった。
Figure 0004488219
(式中、Rはイソプロピル基を示す。)
なお、実施例1〜3では、ガスクロマトグラフィーで測定した結果、Siに結合したアルコキシ基は検出されなかった。

Claims (5)

  1. 下記一般式(1)
    Figure 0004488219
    (式中、R1は同一又は異種の水素原子、水酸基、又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、nは2〜10,000の整数である。)
    で示されるオルガノポリシロキサン及び/又は下記一般式(2)
    Figure 0004488219
    (式中、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、mは4〜15の整数である。)
    で示されるオルガノポリシロキサンを触媒の存在下に反応させて、下記一般式(3)
    Figure 0004488219
    (式中、R2は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、R3は水素原子又は置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、kは3〜8の整数であり、上記式(2)で表されるオルガノポリシロキサンを用いる場合は、k<mである。)
    で示される環状オリゴシロキサンを製造する方法において、下記一般式(4)
    Figure 0004488219
    [式中、Mはアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる金属であり、R4は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基、又は下記式(5)
    Figure 0004488219
    (式中、R5は同一又は異種の置換もしくは非置換の一価炭化水素基であり、hは0〜100の整数である。)
    で示される基、pはアルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、スズ及び亜鉛から選ばれる金属の原子価を示す。]
    で示される触媒を用いることを特徴とする環状オリゴシロキサンの製造方法。
  2. 触媒の添加量が、原料のオルガノポリシロキサン100質量部に対して0.001〜10質量部であることを特徴とする請求項1記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
  3. 触媒が、下記一般式(4a)
    Figure 0004488219
    (式中、R4は上記の通りである。)
    で示されるものであることを特徴とする請求項1又は2記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
  4. 一般式(3)の環状オリゴシロキサンが、下記一般式(3a)
    Figure 0004488219
    (式中、kは上記の通りである。)
    で示されるものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
  5. 一般式(3)の環状オリゴシロキサンが、下記一般式(3b)
    Figure 0004488219
    (式中、kは上記の通りである。)
    で示されるものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の環状オリゴシロキサンの製造方法。
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