JP6502944B2 - シロキサン合成用触媒 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年８月３０日に出願された米国仮出願第６１／８７２，０６６号、表題「シロキサン合成用触媒」の優先権および利益を主張し、その開示は参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
本技術は、グアニジン含有化合物を触媒として使用して、シロキサンを形成する方法に関する。グアニジン含有化合物は縮合環系の一部としてグアニジン官能基を含み、開環重合反応に使用し得る。
環状シロキサンは、しばしば、ポリシロキサンを形成する出発モノマーとして使用される。一般に、ポリシロキサンは、環状シロキサンの開環重合および適切な末端封鎖単位によって形成され得る。その反応は触媒の存在下に実行される。
環状シロキサン重合用には様々な触媒が知られている。例としては、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属アルコキシドまたはアルカリ金属水酸化物とアルコールの錯体、アルカリ金属シラノラート、およびホスホニトリルハライド（時には酸性ホスファゼンと称される）がある。そのような重合は、バルク中、溶媒（無極性または極性有機溶媒など）中または乳剤中で実行し得る。ホスファゼン塩基およびカルベンは、シロキサンの開環重合に適する触媒として記載されている。末端ブロック剤が、ポリマーの分子量を調節するためにおよび／または官能性を付加するために使用され得る。重合は、触媒と反応して不活性にする中和剤を使用することにより終了され得る。ほとんどの場合、触媒残渣は高分子生成物中に残り、望ましくは濾過などによって除去される。
固体型触媒は、開環重合によってポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）流体およびＰＤＭＳ機能性流体を合成するための触媒として用いられ得る。固体型触媒は高い触媒活性を示すが、固体廃棄物を生じる。固体廃棄物は通常焼却される。さらに、固体廃棄物は、生成物のかなりの画分を含み、全収率を下げ、製造費を上げ得る。
本技術は、ポリシロキサンを形成する組成物、方法、およびプロセスを提供する。
一態様において、本技術は、環状シロキサンを二環式グアニジン化合物と接触させることを含む、環状シロキサンを開環重合するプロセスを提供する。開環反応において有用なグアニジン含有化合物は、縮合環の一部としてグアニジン官能基を含む縮合環構造を含む。
一実施形態において、グアニジン含有化合物は、以下の式：
Figure 0006502944
 ［式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8およびＲ9は、水素、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖または分岐鎖アルキル、６〜１２個の炭素原子を有する芳香族基から独立して選ばれるか、または、Ｒ2〜Ｒ9のうち１つ以上が除去されて連続する炭素原子間で二重結合に置き換えられ得、ｔおよびｕは独立して１〜５である］のものである。
一実施形態において、二環式グアニジン化合物としては以下の式：
Figure 0006502944
Figure 0006502944
の化合物、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる。
一実施形態において、二環式グアニジン化合物は、以下の式：
Figure 0006502944
 のものである。
一実施形態において、二環式グアニジンは、環状シロキサンの合計重量に対して約０．０５重量％〜約５重量％の量で存在する。
一実施形態において、二環式グアニジンは、環状シロキサンの合計重量に対して約０．１重量％〜約０．４重量％の量で存在する。
一実施形態において、環状シロキサンは、式（Ｒ10Ｒ11ＳｉＯ）n［式中、Ｒ10およびＲ11は、水素または８個までの炭素原子を有する置換されていてよいアルキル、アルケニル、アリール、アルカリールもしくはアラルキル基から独立して選ばれ、ｎは、３〜１２の値を有する整数を示す］のものである。
一実施形態において、環状シロキサンは、オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）、ヘキサメチルシクロトリシロキサン（Ｄ３）、オクタフェニルシクロテトラシロキサン、テトラメチルシクロテトラシロキサン、テトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチル−１，１−ジフェニルシクロテトラシロキサン、デカメチルペンタシクロシロキサン、シクロペンタ（メチルビニル）シロキサン、シクロテトラ（フェニルメチル）シロキサン、シクロペンタメチルヒドロシロキサンまたはその２種以上の組み合わせから選ばれる。
一実施形態において、本プロセスは、２種以上の環状シロキサンまたはシラノール末端ポリ（ジメチルシロキサン）を含み、ここで、少なくとも２種の環状シロキサンは互いに異なる環の大きさを有する。
一実施形態において、本反応は、末端ブロッカー材料を含む。
一実施形態において、末端ブロッカー材料は、ヘキサメチルジシロキサン；オクタメチルトリシロキサン；デカメチルテトラシロキサン；ドデカメチルペンタシロキサン；テトラデカメチルヘキサシロキサン；ヘキサデカメチルヘプタシロキサン、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる。
一実施形態において、本プロセスはさらに触媒を失活させることを含む。
一実施形態において、触媒を失活させることは、生成物を水で処理することと；二酸化炭素を生成物中に泡立たせることと；触媒を中和する材料で生成物を処理することと、またはその２種以上の組み合わせを含む。
一実施形態において、本プロセスは、反応混合物を濾過することをさらに含む。
本技術のこれらの態様および他の態様は、以下の記載を参照してさらに説明される。
発明の詳細な説明
開環重合
本技術は、一態様において、環状シロキサンを開環重合するプロセスを提供する。本プロセスは、環状シロキサンをグアニジン含有化合物と接触させることを含む。縮合環系の一部にグアニジン官能基を有するグアニジン含有化合物は、環状シロキサンの開環重合を触媒するのに適し得る。本反応は適切な溶媒中で実行し得る。本反応はまた、触媒の触媒活性が低下しない程度の水の存在下で実行し得る。
本明細書で使用する場合、縮合環系の一部としてグアニジン官能基を含むグアニジン含有化合物も、二環式グアニジン化合物と称することができる。
グアニジン含有材料は、式（１）：
Figure 0006502944
 ［式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8およびＲ9は、水素、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖または分岐鎖アルキル、６〜１２個の炭素原子を有する芳香族基から独立して選ばれるか、または、Ｒ2〜Ｒ9のうち１つ以上が除去されて連続する炭素原子間で二重結合に置き換えられ得、ｔおよびｕは独立して１〜５である］の化合物から選ばれ得る。適切なアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、オクチル、イソプロピル、イソブチルなどが挙げられるが、これらに限定されない。適切な芳香族基としては、フェニル、ベンジル、ナフチルなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
一実施形態では、二環式グアニジン化合物は式（２）〜（９）：
Figure 0006502944
Figure 0006502944
の化合物、または２種以上の組み合わせから選ばれ得る。
縮合環系の一部としてグアニジン官能基を有する１つ以上の異なったグアニジン含有化合物は、開環重合プロセスにおいて触媒材料として使用され得る。
重合はバルク中または溶媒の存在下で実行し得る。適切な溶媒としては、アルコール系溶剤であり得る。二環式グアニジン触媒をアルコール溶媒、例えばメタノールまたはエタノールに希釈し得る。二環式グアニジン触媒が初めにヘキサンなどの溶媒中にある場合、ヘキサンは真空下で蒸発によって除去され得、また触媒はシリコーン流体中に分散して安定な透明溶液を与える。本反応は、触媒の失活または劣化を引き起こさない濃度の水を含み得る。
重合反応は、周囲温度でまたは加熱下に実行し得る。
重合にかかる時間は、選ばれた系中の触媒の活性および所望のポリマー生成物に依存し得る。二環式グアニジン触媒は、緩和がない場合、例えばＤ４などの環状シロシロキサンを高分子量ポリシロキサンガムに、数時間以内に変換するほど十分に活性であり得る。
重合のための出発材料は、環状シロキサン（環式シロキサンとしても知られる）である。環状シロキサンは一般式（Ｒ10Ｒ11ＳｉＯ）ｎ［式中Ｒ10およびＲ11は、８個までの炭素原子を有するアルキル、アルケニル、アリール、アルカリールまたはアラルキル基から独立して選ばれ、非置換、置換いずれでもよく、ｎは、３〜１２の値を有する整数を示す］を有する。Ｒ10およびＲ11は、例えば、フッ素または塩素などのハロゲンで置換されていてよい。アルキル基は、例えば、メチル、エチル、ｎ−プロピル、トリフルオロプロピル、ｎ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、およびｔｅｒｔ−ブチルであってよい。アルケニル基は、例えば、ビニル、アリル、プロペニル、およびブテニルであってよい。アリールおよびアラルキル基は、例えば、フェニル、トリル、およびベンゾイルであってよい。一実施形態において、全てのＲ10およびＲ11基の少なくとも８０％がメチルまたはフェニル基であり；全てのＲ10およびＲ11基の少なくとも８５％がメチルまたはフェニル基であり；全てのＲ10およびＲ11基の９０％がメチルまたはフェニル基であり；全てのＲ10およびＲ11基の９５％がメチルまたはフェニル基である。一実施形態において、Ｒ10およびＲ11基は実質的に全てメチルまたはフェニル基であり、別の実施形態において、全てのＲ10およびＲ11基はメチルまたはフェニル基である。本明細書および特許請求の範囲中のどこか他のところのように、ここでも、数値を組み合わせて新規かつ未開示の範囲を形成し得る。
Ｒ10およびＲ11がメチルである場合、化合物はＤｎと称され；例えばｎが４である場合、化合物はＤ４と呼ばれる。ｎの値は３〜６、または４〜５であってよい。適切な環状シロキサンの例としては、オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）、ヘキサメチルシクロトリシロキサン（Ｄ３）、オクタフェニルシクロテトラシロキサン、テトラメチルシクロテトラシロキサン、テトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチル−１，１−ジフェニルシクロテトラシロキサン、デカメチルペンタシクロシロキサン、シクロペンタ（メチルビニル）シロキサンおよびシクロテトラ（フェニルメチル）シロキサンが挙げられるが、これらに限定されない。特に適切な市販材料の１つは、オクタメチルシクロテトラシロキサンおよびデカメチルシクロペンタシロキサンの混合物である。
一実施形態において、反応混合物は２種以上の環状シロキサンを含む。一実施形態において、反応混合物は、異なる環の大きさの少なくとも２種の環状シロキサンの混合物を含む。一実施形態において、環状シロキサンの少なくとも１つは、ビニル、アミンなどから選ばれる１つ以上の官能基を含む。
反応混合物は、一般に、触媒の添加前に、いずれの溶解したＣＯ2を除去するために不活性ガス、好ましくは窒素でパージされる。極めて高速の反応であるので、反応混合物は触媒の均質分散を保証するために激しく混合される。混合が不十分であると、触媒が反応に加えられたとき、結果的にゴムのビーズ中に封入され得、次に、触媒は、ゴム粒子から拡散するのに時間がかかり、反応がより遅くなり得る。
二環式グアニジン触媒は、出発環状シロキサン材料の重量に対して約０．０５重量パーセント〜約５重量パーセント；０．１重量パーセント〜約４重量パーセント；０．２５重量パーセント〜約３重量パーセント；０．４重量パーセント〜約２重量パーセント；さらに約０．５重量パーセント〜約１重量パーセントの量で存在し得る。本明細書および特許請求の範囲中のどこか他のところのように、ここでも、数値を組み合わせて新規かつ未開示の範囲を形成し得る。一実施形態において、二環式グアニジン触媒は、環状シロキサン材料の重量に対して約０．１重量パーセント〜約０．４重量パーセントの量で存在する。
本プロセスは、末端ブロッカー材料を添加することをさらに含み得る。末端ブロッカー材料は一般に限定されず、特定の目的または最終使用のために要望に応じて選ぶことができる。一実施形態において、末端ブロッカー材料は、ヘキサメチルジシロキサン；オクタメチルトリシロキサン；デカメチルテトラシロキサン；ドデカメチルペンタシロキサン；テトラデカメチルヘキサシロキサン；ヘキサデカメチルヘプタシロキサン、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる。
追加的に、本プロセスは、触媒を失活させることをさらに含み得る。触媒を失活させることは、反応系から触媒を除去することを含み得る。触媒はまた、反応系を水で処理し、系中に二酸化炭素を泡立たせ、および／または二環式グアニジン化合物を中和する作用物質で処理することにより失活され得る。上記失活操作の１つ以上が、触媒を失活させるために用いられ得る。触媒を中和する適切な酸としては、鉱酸およびイオン交換樹脂を挙げることができるが、これらに限定されない。本触媒は、反応媒体中に分散した固体粒子の濾過を必要とする他の固体型触媒に対して利点をもたらし得る。
失活に続いて、反応系は、要望または必要に応じて処理されて系中に存在するいずれの着色を除去し得る。そのような処理としては、セライト床に通すなどの試料の濾過、チャーコールでの処理などを含み得る。
上記したシロキサン合成用触媒は、以下の実施例を参照してさらに理解され得る。
環状シロキサンの開環重合
環状シロキサンの開環重合は、オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）、アルコール末端ポリ（ジメチルシロキサン）およびヘキサメチルジシロキサンの混合物を用いて、触媒としてトリアザビシクロ［４，４，０］デカ−５−エン（ＴＢＤとも呼ばれる）を用いて行った。触媒は０．１重量％〜１．４重量％の範囲の装填率で準備した。反応は全て窒素雰囲気下で行った。触媒を固体または水／メタノール溶液として添加した。比較例には、不均一触媒および塩基型触媒を使用した。結果を表１に示す。
実施例１
オクタメチルシクロテトラシロキサン（１００グラム、０．３３５モル）およびヘキサメチルジシロキサン（０．８２グラム、５．３ｍｍｏｌ）を、水冷凝縮器を取り付けた丸底フラスコに入れた。触媒であるトリアザビシロ［４，４，０］デカ−５−エン（０．４グラム）を添加した。反応混合物を１００℃に維持した油浴中で保持した。試料を定期的に取り、反応進行度をモニターするために試料の揮発分含有率を記録した。１４％の揮発分含有率を反応の４時間後に測定した。
実施例２
オクタメチルシクロテトラシロキサン（１００グラム、０．３３５モル）およびヘキサメチルジシロキサン（０．８２グラム、５．３ｍｍｏｌ）を、水冷凝縮器を取り付けた丸底フラスコに入れた。触媒であるトリアザビシロ［４，４，０］デカ−５−エン（０．１グラム）を添加した。反応混合物を１００℃に維持した油浴中で保持した。２．５時間後、反応温度を１２０℃に上げ、反応混合物をその温度で２４時間保持した。試料を定期的に取り、反応進行度をモニターするために試料の揮発分含有率を記録した。２８．１％の揮発分含有率を反応の２４時間後に測定した。
実施例３
オクタメチルシクロテトラシロキサン（１００グラム、０．３３５モル）およびヘキサメチルジシロキサン（０．８２グラム、５．３ｍｍｏｌ）を、水冷凝縮器を取り付けた丸底フラスコに入れた。触媒であるトリアザビシロ［４，４，０］デカ−５−エン（１ｍｌの水に０．４ｇ）を添加した。反応混合物を１００℃に維持した油浴中で保持した。試料を定期的に取り、反応進行度をモニターするために試料の揮発分含有率を記録した。１５．５％の揮発分含有率を反応の８時間後に測定した。
実施例４
オクタメチルシクロテトラシロキサン（１００グラム、０．３３５モル）およびヘキサメチルジシロキサン（０．８２グラム、５．３ｍｍｏｌ）を、水冷凝縮器を取り付けた丸底フラスコに入れた。触媒であるトリアザビシロ［４，４，０］デカ−５−エン（２ｍｌのメタノールに０．４グラム）を添加した。反応混合物を１００℃に維持した油浴中で保持した。試料を定期的に取り、反応進行度をモニターするために試料の揮発分含有率を記録した。１７．５％の揮発分含有率を反応の２４時間後に測定した。
実施例５
オクタメチルシクロテトラシロキサン（２０グラム、０．０６７モル）、シラノール末端ポリ（ジメチルシロキサン）（８０グラム）、およびヘキサメチルジシロキサン（０．８２グラム、５．３ｍｍｏｌ）を、水冷凝縮器を取り付けた丸底フラスコに入れる。触媒であるトリアザビシロ［４，４，０］デカ−５−エン（０．４グラム）を添加した。反応混合物を１００℃に維持した油浴中で保持した。試料を定期的に取り、反応進行度をモニターするために試料の揮発分含有率を記録した。２０．１％の揮発分含有率を反応の２時間後に測定した。
比較例１
オクタメチルシクロテトラシロキサン（１００グラム、０．３３５モル）およびヘキサメチルジシロキサン（０．８２グラム、５．３ｍｍｏｌ）を、水冷凝縮器を取り付けた丸底フラスコに入れた。広く使用されている酸型触媒（０．４重量％）を用いて反応を行った。反応混合物を１００℃に維持した油浴中で保持した。試料を定期的に取り、反応進行度をモニターするために試料の揮発分含有率を記録した。１０．２％の揮発分含有率を反応の４時間後に測定した。
比較例２
オクタメチルシクロテトラシロキサン（１００グラム、０．３３５モル）およびヘキサメチルジシロキサン（０．８２グラム、５．３ｍｍｏｌ）を、水冷凝縮器を取り付けた丸底フラスコに入れた。広く使用されている塩基型触媒（０．４重量％）を用いて反応を行った。反応混合物を１００℃に維持した油浴中で保持した。試料を定期的に取り、反応進行度をモニターするために試料の揮発分含有率を記録した。１８．６％の揮発分含有率を反応の５時間後に測定した。
Figure 0006502944
本技術の実施形態を上に記載したが、本明細書を読んで理解すれば他者は改変および変更を思い付き得る。以下の特許請求の範囲は、改変および変更が特許請求の範囲またはその均等物の範囲内に含まれる限りそれらをすべて含むように意図される。

Claims (15)

  1. 環状シロキサンを二環式グアニジン化合物と接触させることを含む、環状シロキサンを開環重合するプロセス（但し、開始剤を用いる場合を除く）。
  2. 二環式グアニジンが以下の式：
    Figure 0006502944
     ［式中、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8およびＲ9は、水素、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖または分岐鎖アルキル、６〜１２個の炭素原子を有する芳香族基から独立して選ばれるか、または、Ｒ2〜Ｒ9のうち１つ以上が除去されて連続する炭素原子間で二重結合に置き換えられ得、ｔおよびｕは独立して１〜５である］のものである、請求項１に記載のプロセス。
  3. 二環式グアニジン化合物が以下の式：
    Figure 0006502944
    Figure 0006502944
    の化合物、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項２に記載のプロセス。
  4. 以下の式：
    Figure 0006502944
     の二環式グアニジン化合物を含む、請求項１に記載のプロセス。
  5. 二環式グアニジンが、環状シロキサンの合計重量に対して０．０５重量パーセント〜５重量パーセントの量で存在する、請求項１〜４のいずれかに記載のプロセス。
  6. 二環式グアニジンが、環状シロキサンの合計重量に対して０．１重量パーセント〜０．４重量パーセントの量で存在する、請求項１〜４のいずれかに記載のプロセス。
  7. 環状シロキサンが、式（Ｒ10Ｒ11ＳｉＯ）n［式中、Ｒ10およびＲ11は、水素または８個までの炭素原子を有する置換されていてもよいアルキル、アルケニル、アリール、アルカリールもしくはアラルキル基から独立して選ばれ、ｎは、３〜１２の値を有する整数を示す］のものである、請求項１〜６のいずれかに記載のプロセス。
  8. 環状シロキサンが、オクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）、ヘキサメチルシクロトリシロキサン（Ｄ３）、オクタフェニルシクロテトラシロキサン、テトラメチルシクロテトラシロキサン、テトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチル−１，１−ジフェニルシクロテトラシロキサン、デカメチルペンタシクロシロキサン、シクロペンタ（メチルビニル）シロキサン、シクロテトラ（フェニルメチル）シロキサン、シクロペンタメチルヒドロシロキサンまたはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
  9. 前記環状シロキサンが、互いに異なる環の大きさを有する２種以上の環状シロキサンである、請求項１〜８のいずれかに記載のプロセス。
  10. シラノール末端ポリ（ジメチルシロキサン）をさらに含む、請求項１〜９のいずれかに記載のプロセス。
  11. 反応が末端ブロッカー材料を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載のプロセス。
  12. 末端ブロッカー材料が、ヘキサメチルジシロキサン；オクタメチルトリシロキサン；デカメチルテトラシロキサン；ドデカメチルペンタシロキサン；テトラデカメチルヘキサシロキサン；ヘキサデカメチルヘプタシロキサン、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項１１に記載のプロセス。
  13. 触媒を失活させることをさらに含む、請求項１〜１２のいずれかに記載のプロセス。
  14. 触媒を失活させることが、生成物を水で処理することと；生成物中に二酸化炭素を泡立たせることと；触媒を中和する材料で生成物を処理することと、またはその２種以上の組み合わせを含む、請求項１３に記載のプロセス。
  15. 反応混合物を濾過することをさらに含む、請求項１３または１４に記載のプロセス。
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