KR20040015303A - 황 함유 유기규소 화합물의 제조방법 - Google Patents
황 함유 유기규소 화합물의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m의 유기규소 화합물(여기서, R은 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소이고, Alk는 탄소수 1 내지 18의 2가 탄화수소이고, m은 0 내지 2의 정수이고, n은 1 내지 8의 수이다)의 제조방법에 관한 것이다. 당해 방법은
(A) 황, 상 전이 촉매, 화학식 M2Sn또는 MHS의 설파이드 화합물(여기서, H는 수소이고, M은 암모늄 또는 알칼리 금속이고, n은 1 내지 8의 수이다) 및 물을 반응시켜 중간체 반응 생성물을 수득하고,
(B) 당해 중간체 반응 생성물을 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물(여기서, X는 Cl, Br 또는 I이고, m은 0 내지 2의 정수이다)과 반응시킴을 포함한다. 본 발명은 상 전이 촉매를 수성상에 가한 후 수성상을 당해 반응을 위해 실란 화합물과 혼합함을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 상 전이 촉매 기술에 의한 황 함유 유기규소 화합물의 제조방법에 관한 것이다. 당해 방법은 상 전이 촉매를 당해 공정의 수성상 성분과 반응시켜 중간체 반응 생성물을 제조하고, 이를 실란 화합물과 반응시킴을 포함한다.
황 함유 유기규소 화합물은 각종 산업 분야에서 반응성 커플링제로서 유용하다. 특히 황 함유 유기규소 화합물은 실리카를 함유하는 가황 고무계 타이어의 제조시에 필수 성분으로 되어 왔다. 황 함유 유기규소 화합물은 실리카를 함유하는 가황 고무 물성을 개선시켜 내마모성, 내회전성 및 습윤 스키드(skid) 성능이 개선된 자동차 타이어를 제조한다. 황 함유 유기규소 화합물은 실리카를 함유한 가황 고무에 직접 첨가될 수 있거나, 대안으로 실리카를 예비처리한 후 가황 고무 조성물에 첨가하는 데 사용될 수 있다.
황 함유 유기규소 화합물을 제조하기 위해 수많은 방법이 당해 분야에 공지되어 있다. 예를 들면, 프렌치(French) 등의 미국 특허 제5,399,739호에는, 알칼리 금속 알콜레이트를 황화수소와 반응시켜 알칼리 금속 하이드로설파이드를 수득하고, 이를 후속적으로 알칼리 금속과 반응시켜 알칼리 금속 설파이드를 제조함으로써 황 함유 유기규소를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 생성된 알칼리 금속 설파이드는 황과 반응시켜 알칼리 금속 폴리설파이드를 제조하고, 이를 최종적으로 화학식 X-R2-Si(R1)3의 실란 화합물(여기서, X는 염소 또는 브롬이다)과 반응시켜 황 함유 유기규소를 제조한다.
미국 특허 제5,466,848호, 미국 특허 제5,596,116호 및 미국 특허 제5,489,701호에는 실란 폴리설파이드의 제조방법이 기재되어 있다. '848 특허의 방법은 먼저 황화수소를 나트륨 에톡실레이트와 반응시켜 황화나트륨을 제조함을 기본으로 한다. 이어서, 황화나트륨을 황과 반응시켜 테트라설파이드를 수득하고, 이를 후속적으로 클로로프로필트리에톡시실란과 반응시켜 3,3'-비스(트리에톡시실릴프로필) 테트라설파이드를 제조한다. '116 특허에는 황화수소를 사용하지 않고 알콜 중의 금속 알콕사이드를 황 원소와 반응시키거나, 할로하이드로카빌알콕시실란(예: 클로로프로필트리에톡시실란)을 사용하여 나트륨 금속을 황 원소 및 알콜과 반응시켜 폴리설파이드를 제조하는 방법이 기재되어 있다. '701 특허에는 황화수소 가스를 활성 금속 알콕사이드 용액과 접촉시키고, 후속적으로 반응 생성물을 할로하이드로카빌알콕시실란(예: 클로로프로필트리에톡시실란)과 반응시킴으로써 실란 폴리설파이드를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
미국 특허 제5,892,085호에는 고순도 유기규소 디설판의 제조방법이 기재되어 있다. 미국 특허 제5,859,275호에는 비스(실릴오가닐) 폴리설판의 제조방법이 기재되어 있다. '085 및 '275 특허는 모두 할로알콕시실란을 폴리설파이드와 직접 반응시킴을 포함하는 무수 방법을 기재한다.
미국 특허 제6,066,752호에는 황, 알칼리 금속 및 할로겐알콕시실란을 용매의 부재하에 또는 비양성자성 용매의 존재하에 반응시킴으로써 황 함유 유기규소 화합물을 제조하는 방법이 기재되어 있다.
가장 최근에, 미국 특허 제6,140,524에는 n이 2.2≤n≤2.8의 범위에 속하는 분포를 갖는 화학식 (RO)3SiC3H6SnC3H6Si(RO)3의 단쇄 폴리설파이드 실란 혼합물을 제조하는 방법이 기재되어 있다. '524 특허의 방법은 금속 폴리설파이드, 통상 Na2Sn을 알콜 용매 속에서 화학식 (RO)3SiC3H6X의 할로게노프로필트리알콕시실란(여기서, X는 할로겐이다)과 반응시킨다.
황 함유 유기규소의 또 다른 제조방법은 상 전이 촉매 기술의 사용에 근거하여 당해 분야에 공지되어 있다. 상 전이 촉매 기술은 황 함유 유기규소 화합물의 제조를 위한, 위에서 언급한 선행 기술 공정과 관련된 다수의 실질적인 문제를 극복한다. 이러한 다수의 문제점은 용매 사용과 관련된다. 특히, 에틸 알콜을 사용하면 낮은 섬광점으로 인해 문제가 될 수 있다. 추가로, 이는 공업적인 규모면에서 위에서 언급한 선행 기술 공정 대부분에서 필수적인 무수 조건을 수득하고 유지하기가 어렵다.
황 함유 유기규소 화합물의 제조를 위한 상 전이 촉매 기술은, 예를 들면, 미국 특허 제5,405,985호, 제5,663,396호, 제5,468,893호 및 제5,583,245호에 기재되어 있다. 이들 특허가 상 전이 촉매를 사용하여 황 함유 유기규소 화합물의 제조를 위한 신규한 공정을 기재하고 있으나, 이는 여전히 공업적인 규모면에서 상전이 기술의 사용으로 인해 많은 실질적인 문제점이 존재한다. 예를 들면, 공업적인 규모면에서 수행될 수 있는 효과적이고도 안전한 반응을 제공할 수 있도록 황 함유 유기규소의 제조시에 상 전이 촉매의 반응성을 조절할 것이 필요하다. 또한, 최종 생성물의 안정성, 외관 및 순도를 개선시킬 것이 필요하다. 특히, 선행 기술의 상 전이 촉매 공정은 다량의 미반응된 황 종류를 함유하는 최종 생성물 조성물을 수득한다. 이러한 미반응된 황 종류는 시간이 지남에 따라 저장 생성물 중에서 침전될 수 있으며, 이는 생성물인 설파이드 분포의 변화를 야기한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상 전이 촉매 기술에 근거하여 황 함유 유기규소 화합물의 개선된 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상 전이 촉매 기술에 근거한 황 함유 유기규소 화합물의 제조방법을 제공함으로써 안정성, 순도 및 외관이 보다 우수한 최종 생성물 조성물을 수득하는 것이다.
발명의 요약
본 발명은 상 전이 촉매 기술에 의한 황 함유 유기규소 화합물의 제조방법을 제공한다. 당해 방법은 상 전이 촉매를 당해 공정의 수성상 촉매와 반응시켜 중간체 반응 생성물을 제조하고, 이를 실란 화합물과 반응시킴을 포함한다.
본 발명의 개선된 점은 상 전이 촉매를 수성상에 가한 후 수성상을 당해 반응을 위해 실란 화합물과 혼합함을 특징으로 한다는 점이다. 본 발명의 개선된 점은 공업적인 규모면에서 조절되고 조작 가능하며 순도 및 외관이 우수한 최종 생성물 조성물을 제조하는 공정을 수득한다는 점이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은
(A) 황, 상 전이 촉매, 화학식 M2Sn또는 MHS의 설파이드 화합물(여기서, H는 수소이고, M은 암모늄 또는 알칼리 금속이고, n은 1 내지 8의 수이다) 및 물을 반응시켜 중간체 반응 생성물을 수득하고,
(B) 당해 중간체 반응 생성물을 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물(여기서, X는 Cl, Br 또는 I이고, m은 0 내지 2의 정수이다)과 반응시킴을 포함하는, 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m의 유기규소 화합물(여기서, R은 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소이고, Alk는 탄소수 1 내지 18의 2가 탄화수소이고, m 및 n은 위에서 정의한 바와 같다)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조될 수 있는 황 함유 유기규소 화합물의 예는 본원에 참고로 인용되어 있는 미국 특허 제5,405,985호, 제5,663,396호, 제5,468,893호 및 제5,583,245호에 기재되어 있다. 본 발명에 따라 제조되는 바람직한 황 함유 유기규소 화합물은 3,3'-비스(트리알콕시실릴프로필) 폴리설파이드이다. 가장 바람직한 화합물은 3,3'-비스(트리에톡시실릴프로필) 디설파이드 및 3,3'-비스(트리에톡시실릴프로필) 테트라설파이드.
본 발명의 공정의 제1 단계는 황, 상 전이 촉매, 화학식 M2Sn또는 MHS의 설파이드 화합물(여기서, H는 수소이고, M은 암모늄 또는 알칼리 금속이고, n은 위에서 정의한 바와 같다) 및 물을 반응시켜 중간체 반응 생성물을 형성함을 포함한다. 본 발명의 반응에서 사용되는 황은 황 원소이다. 종류 및 형태는 중요하지 않으며, 통상 공지되고 사용되는 것을 포함할 수 있다. 적합한 황 생성물의 예는 미국 위스콘신주 밀워키 알드리치로부터 구입한 100메시의 정제된 황 분말이다.
화학식 M2Sn또는 MHS의 설파이드 화합물은 또한 본 발명의 제1 단계에서 수성상에 첨가될 수 있다. M은 알칼리 금속 또는 암모늄 그룹을 나타내고, H는 수소를 나타낸다. 대표적인 알칼리 금속은 칼륨, 나트륨, 루비듐 또는 세슘이다. 바람직하게는, M은 나트륨이다. 일반적으로, 화학식 MHS의 화합물은 생성된 생성물 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m에서 n의 평균값이 2인 것이 바람직한 경우에 우선적으로 사용된다. 화학식 MHS의 화합물의 적합한 예는 NaHS, KHS 및 NH4HS를 포함하지만, 이로써 제한되지는 않는다. 설파이드 화합물이 화학식 MHS의 화합물인 경우, 화학식 NaHS가 바람직하다. 화학식 NaHS의 화합물의 적합한 예는 미국 펜실베이니아주 피츠버그에 소재하는 PPG로부터의 NaHS 플레이크(NaHS 71.5 내지 74.5% 함유) 및 NaHS 액(NaHS 45 내지 60% 함유)을 포함하지만, 이로써 제한되지는 않는다. 화학식 M2Sn의 화합물은 생성된 생성물 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m에서 n의 평균값이 4인 것이 바람직한 경우에 우선적으로 사용된다. 화학식 M2Sn의 화합물의 적합한 예는 Na2S, K2S, Cs2S, (NH4)2S, Na2S2, Na2S3, Na2S4,Na2S6, K2S2, K2S3, K2S4, K2S6및 (NH4)2S2를 포함하지만, 이로써 제한되지는 않는다. 바람직하게는, 황 화합물은 Na2S이다. 특히 바람직한 황 화합물은 미국 펜실베이니아주 피츠버그에 소재하는 PPG로부터의 황화나트륨 플레이크(Na2S 60 내지 63% 함유)이다.
본 발명의 공정에서 사용되는 황 및 설파이드 화합물의 양은 변할 수 있으나, 바람직하게는 S/M2Sn또는 S/MHS의 몰 비가 0.3 대 5이다. 황/설파이드 화합물의 몰 비는 최종 생성물 분포에 영향을 미치도록 사용될 수 있으며, 이는 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m에서 n의 평균값이다. n의 평균값이 생성물 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m에서 4인 것이 바람직한 경우, 황/설파이드 화합물의 바람직한 몰 비는 2.7 대 3.2이다. n의 평균값이 생성물 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m에서 2인 것이 바람직한 경우, 황/설파이드 화합물의 바람직한 몰 비는 0.3 대 0.6이다.
본 발명에서 수행되는 상 전이 촉매는 4급 오늄 양이온이다. 본 발명에서 상 전이 촉매로서 사용될 수 있는 4급 오늄 양이온의 예는 본원에 참고로 인용되어 있는 미국 특허 제5,405,985호에 기재되어 있다. 바람직하게는, 4급 오늄 양이온은 테트라부틸 암모늄 브로마이드 또는 테트라부틸 암모늄 클로라이드이다. 가장 바람직한 4급 오늄염은 테트라부틸 암모늄 브로마이드이다. 특히 바람직한 4급 오늄염은 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치 케미칼(Aldrich Chemical)로부터의 테트라부틸 암모늄 브로마이드(99%)이다.
당해 공정에서 사용되는 상 전이 촉매의 양은 변할 수 있다. 바람직하게는, 상 전이 촉매의 양은, 사용되는 실란 화합물의 양을 기준으로 하여, 0.1 내지 10중량%, 가장 바람직하게는 0.5 내지 2중량%이다.
상 전이 촉매, 황 및 설파이드 화합물은 물 속에서 혼합되고, 반응하여 중간체 반응 생성물을 수득한다. 중간체 반응 생성물을 제조하는 데 사용되는 물의 양은 변할 수 있으나, 바람직하게는 당해 공정에서 사용되는 실란 화합물의 양을 기준으로 한다. 물은 직접 첨가될 수 있거나, 간접적으로 약간의 물이 이미 기타 출발 물질 속에 소량으로 존재할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 존재하는 몰의 총량을 계산하는 것이 바람직하며, 즉 직접 또는 간접적으로 첨가되는 물의 총량을 계수하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 중간체 반응 생성물을 제조하는 데 사용되는 물의 총량은, 사용되는 실란 화합물의 1 내지 100중량%이며, 2.5 내지 70중량%가 보다 바람직하다. 가장 바람직하게는, 사용되는 실란 화합물의 양을 기준으로 하여, 중간체 반응 생성물에 대해 사용되는 물이 20 내지 40중량%의 범위이다.
제1 단계의 반응은 황, 설파이드 화합물, 상 전이 촉매를 반응 용기 속에서 물과 함께 혼합함을 포함한다. 제1 단계의 반응은 다양한 온도에서 수행될 수 있으나, 일반적으로 40 내지 100℃의 범위이다. 바람직하게는, 반응은 65 내지 95℃의 온도에서 수행된다. 일반적으로, 제1 단계는 다양한 압력하에 수행될 수 있으나, 바람직하게는 제1 단계 반응은 대기압에서 수행된다. 제1 단계의 반응이 일어나는 데 필요한 시간은 중요하지 않으나, 일반적으로 5 내지 30분의 범위이다.
본 발명의 공정의 제2 단계는 중간체 반응 생성물을 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 그룹(여기서, R은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 탄화수소 그룹으로부터 선택된다)과 반응시킴을 포함한다. 따라서, R의 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 이소부틸, 사이클로헥실 또는 페닐이다. 바람직하게는, R은 메틸 또는 에틸 그룹이다. 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X에서, m은 정수이고, 0 내지 2의 값을 가질 수 있다. 바람직하게는, m은 0이다. Alk는 탄소수 1 내지 18의 2가 탄화수소 그룹이다. Alk는 예를 들면, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 또는 이소부틸렌이다. 바람직하게는 Alk는 탄소수 2 내지 4의 2가 탄화수소 그룹이고, 가장 바람직하게는 Alk는 프로필렌 그룹이다. X는 염소, 브롬 및 요오드로부터 선택된 할로겐 원자이다. 바람직하게는, X는 염소이다. 본 발명에서 사용될 수 있는 실란 화합물의 예는 클로로프로필 트리에톡시 실란, 클로로프로필 트리메톡시 실란, 클로로에틸 트리에톡시 실란, 클로로부틸 트리에톡시 실란, 클로로이소부틸메틸 디에톡시 실란, 클로로이소부틸메틸 디메톡시 실란, 클로로프로필디메틸 에톡시 실란을 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 실란 화합물은 클로로프로필 트리에톡시 실란(CPTES)이다.
화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물은 위에서 언급한 중간체 반응 생성물과 직접 반응할 수 있거나, 대안으로 실란 화합물은 유기 용매 속에 분산될 수 있다. 유기 용매의 대표적인 예로는 톨루엔, 크실렌, 벤젠, 헵탄, 옥탄, 데칸, 클로로벤젠 등이다. 유기 용매가 사용되는 경우, 바람직한 유기 용매는 톨루엔이다.
본 발명의 공정을 수행하는 경우, 바람직하게는 실란 화합물이 위에서 언급한 중간체 반응 생성물과 직접 반응한다.
본 발명의 공정에서 사용되는 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물의 양은 변할 수 있다. 적합한 물 비의 예로는 사용되는 설파이드 화합물의 양을 기준으로 하여, 1/10 내지 10/1을 포함한다. n의 평균값이 생성물 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m에서 4인 것이 바람직한 경우, 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물은 일반적으로 화학식 M2Sn의 설파이드 화합물의 몰 초과시 2.0 대 2.10으로 사용되며, 2.01 대 2.06이 가장 바람직하다. n의 평균값은 생성물 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m에서 2인 것이 바람직한 경우, 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물은 바람직하게는 화학식 MHS의 설파이드 화합물의 몰 초과시 1.8 대 2.1로 사용되며, 1.9 대 2.0이 가장 바람직하다.
본 발명의 제2 단계를 수행하는 경우, 바람직하게는, 실란 화합물은 일정한 반응 온도를 유지할 수 있도록 일정한 속도로 중간체 반응 생성물에 첨가된다. 본 발명의 제2 단계의 반응은 각종 온도에서 수행될 수 있으나, 일반적으로 40 내지 100℃에서 수행된다. 바람직하게는, 반응은 65 내지 95℃에서 수행된다. 일반적으로, 제2 단계는 각종 압력에수 수행될 수 있으나, 바람직하게는 제2 단계는 대기압에서 수행된다. 제2 단계의 반응이 일어나는 데 필요한 시간은 중요하지 않으나, 일반적으로 5분 내지 6시간의 범위이다.
본 발명의 방법은 유기규소 화합물, 즉 폴리설파이드 및 실란 화합물을 함유하는 수성상의 상 전이 촉매 반응을 통해 황 원자를 평균 2내지 6개 함유하는 디알킬 폴리설파이드를 제조한다. 본 발명의 통상의 반응은 다음 수학식 1에 따라 예시된다.
통상의 실시에서, 황의 화학량론적 양의 Na2S를 물에 가하고, 65℃로 가열한 다음, 이를 고체가 모두 분산될 때까지 혼합한다. 상 전이 촉매의 수용액을 가한다. 유기규소 화합물을 발열 반응을 조절하는 속도로 수용액에 가하고, 40 내지 110℃의 온도를 유지한다. 바람직하게는, 반응 온도를 60 내지 95℃로 유지한다. 반응 경과는 유기규소 출발 물질의 소비에 의해 모니터링될 수 있다. Na2S가 출발 물질로서 사용되는 경우, 염, 예를 들면, 염화나트륨의 침전은 또한 반응의 경과를 나타낸다. 촉매의 양 및 반응 온도는 완료에 필요한 반응 시간에 영향을 미친다. 반응 종료시, 추가의 물을 가하여 임의의 침전된 염을 일부 또는 전부 용해시킨다.
다음의 예는 본 발명을 예시하기 위해 제공된다. 이러한 예는 본원의 청구범위의 범주를 제한하는 것으로 해석되지는 않는다.
실시예
실시예 1
다음의 일반적인 과정은 표 I에 기재한 시험 1 내지 6을 수행하는 데 사용된다. 콘덴서, 질소 일소 및 자기 교반기가 구비되어 있는 100ml들이 3구 환저 플라스크를 물 6.25g과 (표 I에 기재한 바와 같이) Na2S, 황의 양을 변화시키면서 충전시킨다. 내용물을 질소하에 교반하면서 70℃로 가열한다. Na2S 및 황을 용해시킨 후, 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치로부터 구입한 촉매(표 I)인 변하는 양의 테트라부틸암모늄 브로마이드를 가하고, 10분 동안 혼합시킨다. 이어서, 클로로프로필트리에톡시실란(CPTES) 25g 및 톨루엔(가스 크로마토그라피 분석용으로 참고용 표준으로 사용됨) 1.25g의 용액을 반응 온도를 70 내지 80℃로 유지하는 속도로 적가한다. 반응을 가스 크로마토그라피법으로 모니터링하고, CPTES가 모두 소비되거나 추가의 농도 변화가 관찰되지 않을 때까지 수행한다. 반응을 완결한 후, 반응 혼합물을 25℃로 냉각시킨 다음, 물 14g을 반응 혼합물에 가하여 침전된 염화나트륨을 용해시킨다. 반응 혼합물을 상 분리한다. 생성된 유기상을 황산나트륨으로 처리하고, 여과한다. 생성된 여액을 냉각시키고, -13℃의 온도에서 저장한 다음, 후속적으로 다시 여과한다.
각종 황 함유 유기규소 화합물의 분포를 고압 크로마토그라피(HPLC)에 의해 분석한다. HPLC 분석을 위한 통상의 시험 조건은 다음과 같다: 반응 샘플 8 내지 9방울을 사이클로헥산 8.5g 속에 희석시키고, 이를 0.2㎛의 PTFE 막(예: 와트만(Whatman)R의 PURADISCTM25TF)을 통해 바이알 속으로 여과하고, 10㎕의 여액 샘플을 오토샘플러를 통해 HPLC 시스템[예: 휴렛-팩커드(Hewlett-Packard) 1050]속으로 주입한다. 샘플을 이동상으로서 96% 아세토니트릴 및 4% 테트라하이드로푸란(용적/용적%)의 혼합물을 사용하여 리치로소프(Lichrosorp) RP19 컬럼[예: 알테크 어소시에이트., 인크(Altech Asso., Inc); 250mm x 4.6mm, 10㎛]에서 분별증류한다. 분획은 적절한 여기 파장으로서 254nm를 사용하여 UV-흡수 검출기를 통해 조사한다. 모든 단일 설파이드 종의 상이한 UV-감도는 쇄 및 황 원소에 모든 황 원자와 하이퍼크로미(hyperchromy)를 반영하는, 경험상 평가한, 다음에 기재한 특별한 반응 인자*(RF)를 통해 각각의 피크 면적의 분할에 의해 평가한다.
*에이취.-디. 루진스랜드(H.-D. Luginsland)[문헌: "Reactivity of the Sulfur Functions of the Disulfane Silane TESPD and the Tetrasulfane Silane TESPT"; Rubber Division, American Chemical Society; Chicago, IL, April 13-16, 1999]에 의해 보고된 바와 같음.
생성물은 화학식 (EtO)3Si-CH2CH2CH2-Sn-CH2CH2CH2-Si(OEt)3의 화합물과 일치한다. 위의 화학식에서 Sn의 값으로 나타낸 바와 같이, 당해 조성물에서 각각의 분리된 유기규소 황 종의 비율은 표 II에 기재한다.
시험 1 내지 6으로부터의 결과는 나트륨 및 설파이드를 기준으로 한 황화나트륨 및 CPTES의 각종 화학량론적 비율을 사용한 효과, 즉 촉매 농도, 반응 온도및 S/S-2의 몰 비의 효과를 나타낸다.
a)CPTES의 양을 기준으로 함; b) 냉각 사이클까지 CPTES 추가의 출발로부터의 적합한 시험 시간; c) Na2S 플레이크는 Na2S 56.20중량% 및 NaSH 5.20중량% 함유; d) Na2S 플레이크가 Na2S 59.75중량% 및 NaSH 0.26중량% 함유; e) 반응은 가스 크로마토그람에서 에탄올의 피크 값이 높기 때문에 분완전하게 중단됨; f) 염수로 세척함; g) 1.0 노말의 HCl 용액으로 세척함.
실시예 2
다음의 일반적인 과정은 표 III에서 요약한 바와 같이 시험 7 내지 15를 수행하는 데 사용된다. 콘덴서, 내부 온도계, 하나의 방지판, 질소 일소 및 교반기가 구비되어 있는 1l 또는 1.5l들이 3구 반응기를 물 112.5g과 (표 III에 기재한 바와 같이) Na2S, 황의 양을 변화시키면서 충전시킨다. 내용물을 300rpm의 일정한 교반 속도에서 혼합하고, 질소하에 70℃로 가열한다. Na2S 및 황을 용해시킨 후, 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치로부터 구입한 촉매인 변하는 양의 테트라부틸암모늄 브로마이드를 가하고, 10분 동안 혼합시킨다. 이어서, CPTES(표 III에 기재한 바와 같음)를 반응 온도를 유지하는 속도로 적가한다. 반응을 가스크로마토그라피법으로 모니터링하고, CPTES가 모두 소비되거나 추가의 농도 변화가 관찰되지 않을 때까지 수행한다. 반응을 완결한 후, 반응 혼합물을 25℃로 냉각시킨 다음, 물 137.5g을 반응 혼합물에 가하여 침전된 염화나트륨을 용해시킨다. 반응 혼합물을 상 분리한다. 생성된 유기상을 여과하고, 황산나트륨으로 처리한 다음, 다시 여과한다. 생성된 여액을 냉각시키고, -13℃의 온도에서 저장한 다음, 후속적으로 다시 여과한다.
이러한 시험으로부터의 최종 유기 생성물을 HPLC에 의해 각종 폴리설파이드 유기규소 화합물에 대해 분석한다. 생성물은 화학식 (EtO)3Si-CH2CH2CH2-Sn-CH2CH2CH2-Si(OEt)3의 화합물과 일치한다. 위의 화학식에서 Sn의 값으로 나타낸 바와 같이, 당해 조성물에서 각각의 분리된 유기규소 황 종의 비율은 표 IV에 기재한다.
a) CPTES 첨가의 출발로부터 냉각 사이클까지의 대략의 시험 시간
실시예 3
자기 교반기, 하나의 방지판, 콘덴서, 적가 깔때기 및 온도계가 구비되어 있는 1l들이 반응기를 79℃에서 플레이크된 황화이나트륨(Na2S 59.75%, NaHS 0.26%) 121.50g, 황 원소 89.82g 및 물 112.50g으로 충전시킨다. 혼합물을 염이 모두 용해될 때까지 격렬하게 교반한다. 이어서, 25% 촉매 수용액(물 21.6g 중의 테트라부틸 암모늄 브로마이드 7.20g) 28.8g을 가한다. 이어서, 클로로프로필트리에톡시실란 463.50g을 85분내에 적가하고, 반응 온도를 약 83℃로 승온시킨다. 발열량이 감소된 후, 혼합물을 80℃의 온도 수준에서 교반하고, 반응 경과는 클로로프로필트리에톡시실란이 2¼ 시간 후 안정한 수준에 도달할 때까지 가스 크로마토그라피 분석에 의한다. 혼합물을 15℃로 냉각시키고, 물 137.50g을 가하여 형성된 염을 용해시킨다. 수성상을 분리시킨다(431.50g). 잔류하는 유기상을 또한 배출시키고, 부흐너 깔때기(Buchner funnel)로 여과한다. 필터 잔사는 녹색 및 흑색 입자 4.33g으로 구성되며, 투명한 적색 계열의 갈색 여액 504.83g을 수집한다. 생성물을 총 511.92g(이론치의 99.0%) 수집한다. 고압 액체 크로마토그라피 분석은 평균 황 등급이 3.86임을 나타낸다. 정량 가스 크로마토그라피 분석은 2.35%의 미반응된 클로로프로필트리에톡시실란을 나타낸다.
실시예 4(비교예)
자기 교반기, 하나의 방지판, 콘덴서, 적가 깔때기 및 온도계가 구비되어 있는 1l들이 반응기를 75℃에서 플레이크된 황화이나트륨(Na2S 59.75%, NaHS 0.26%) 121.50g, 황 원소 89.82g 및 물 112.50g으로 충전시킨다. 혼합물을 염이 모두 용해될 때까지 격렬하게 교반한다. 이어서, 클로로프로필트리에톡시실란 463.50g을 수용액에 가한다. 이어서, 25% 촉매 수용액(물 21.6g 중의 테트라부틸 암모늄 브로마이드 7.20g) 28.8g을 조금씩 가하고, 혼합물을 교반한 다음, 반응 혼합물을 7분내에 103℃로 조절 불가능하게 증가시켜 물을 환류시킨다. 가열 서큘레이터(circulator)를 얼음을 가하여 냉각시키고, 이러한 작용에 의해 반응 온도를 추가로 8 내지 10분내에 80℃로 저하시킬 수 있다. 발열량이 감소된 후, 혼합물을 78℃의 온도에서 교반하고, 반응 경과는 클로로프로필트리에톡시실란이 2½ 시간만에 안정한 수준에 도달할 때까지 가스 크로마토그라피 분석에 의한다. 혼합물을 15℃로 냉각시키고, 물 135.00g을 가하여 형성된 염을 용해시킨다. 수성상을 분리시킨다(433.07g). 잔류하는 유기상을 또한 배출시키고, 부흐너 깔때기로 여과한다. 필터 잔사는 녹색 및 흑색 입자 7.14g으로 구성되며, 투명한 엷은 오렌지색 액체를 501.33g 수집한다. 고압 액체 크로마토그라피 분석은 평균 황 등급이 3.86임을 나타낸다. 정량 가스 크로마토그라피 분석은 1.46%의 미반응된 클로로프로필트리에톡시실란을 나타낸다.
실시예 4 대 실시예 3으로부터의 결과는 상 전이 촉매의 첨가 순서가 중요함을 입증한다. 실시예 3에서와 같이 수성상에 첨가하는 경우, 발열반응이 조절될 수 있으며, 당해 공정이 공업적인 규모면에서 수행될 수 있다.
Claims (20)
- (A) 황, 상 전이 촉매, 화학식 M2Sn또는 MHS의 설파이드 화합물(여기서, H는 수소이고, M은 암모늄 또는 알칼리 금속이고, n은 1 내지 8의 수이다) 및 물을 반응시켜 중간체 반응 생성물을 수득하고,(B) 당해 중간체 반응 생성물을 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물(여기서, X는 Cl, Br 또는 I이고, m은 0 내지 2의 정수이다)과 반응시킴을 포함하는, 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-Sn-Alk-SiRm(OR)3-m의 유기규소 화합물(여기서, R은 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소이고, Alk는 탄소수 1 내지 18의 2가 탄화수소이고, m 및 n은 위에서 정의한 바와 같다)의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 실란 화합물에 대한 상 전이 촉매의 중량%가 0.1 내지 10%인 방법.
- 제2항에 있어서, 실란 화합물에 대한 상 전이 촉매의 중량%가 0.5 내지 3%인 방법.
- 제1항에 있어서, 설파이드 화합물에 대한 화학식 (RO)3-mRmSi-Alk-X의 실란 화합물이 2.0 내지 2.1 몰 초과인 방법.
- 제1항에 있어서, 설파이드 화합물에 대한 황의 몰 비가 0.3 내지 5인 방법.
- 제1항에 있어서, 설파이드 화합물에 대한 황의 몰 비가 2.7 내지 3.2인 방법.
- 제1항에 있어서, 실란 화합물에 대한 중간체 반응 생성물 중의 물의 중량%가 2.5 내지 70%인 방법.
- 제1항에 있어서, 실란 화합물에 대한 중간체 반응 생성물 중의 물의 중량%가 20 내지 40%인 방법.
- 제1항에 있어서, 실란 화합물이 클로로프로필 트리에톡시 실란, 클로로프로필 트리메톡시 실란, 클로로에틸 트리에톡시 실란, 클로로부틸 트리에톡시 실란, 클로로이소부틸메틸 디에톡시 실란, 클로로이소부틸메틸 디메톡시 실란 및 클로로프로필디메틸 에톡시 실란으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
- 제9항에 있어서, 실란 화합물이 클로로프로필 트리에톡시 실란인 방법.
- 제1항에 있어서, 설파이드 화합물이 Na2S, K2S, Cs2S, (NH4)2S, Na2S2, Na2S3, Na2S4, Na2S6, K2S2, K2S3, K2S4, K2S6및 (NH4)2S2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
- 제11항에 있어서, 설파이드 화합물이 Na2S인 방법.
- 제1항에 있어서, 설파이드 화합물이 NaHS, KHS 및 NH4HS로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
- 제1항에 있어서, 설파이드 화합물이 NaHS인 방법.
- 제1항에 있어서, 상 전이 촉매가 4급 오늄염인 방법.
- 제15항에 있어서, 상 전이 촉매가 테트라부틸 암모늄 브로마이드인 방법.
- 제1항에 있어서, 실란 화합물이 톨루엔, 크실렌, 벤젠, 헵탄, 옥탄, 데칸 및 클로로벤젠으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 유기 용매에 분산되는 방법.
- 제17항에 있어서, 유기 용매가 톨루엔인 방법.
- 제1항에 있어서, 중간체 반응 생성물과 실란 화합물과의 반응이 40 내지 110℃의 온도 범위에서 수행되는 방법.
- 제19항에 있어서, 중간체 반응 생성물과 실란 화합물과의 반응이 60 내지 95℃의 온도 범위에서 수행되는 방법.
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