PL219094B1

PL219094B1 - Sposób otrzymywania kopolimerów fluorosilikonowych

Info

Publication number: PL219094B1
Application number: PL388932A
Authority: PL
Inventors: Hieronim Maciejewski; Bogdan Marciniec; Izabela Dąbek; Joanna Karasiewicz
Original assignee: Univ Im Adama Mickiewicza W Poznaniu
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2015-03-31
Also published as: PL388932A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania kopolimerów fluorosilikonowych o dowolnej topologii i o ogólnym wzorze 1,

w którym • x = 0-100 i y = 1-50, z = 0-50, n = 1-12, m = 1-4, • R¹, R², R³ i R⁴ są równe lub różne i oznaczają grupę alkilową zawierającą C = 1-12, fenylową, • V oznacza grupę alkilową zawierającą C = 1-12 lub fenylową, • Z oznacza dwuwartościową grupę:

Fluorosiloksany, ze względu na swoje specyficzne właściwości, miedzy innymi, bardzo małe napięcie powierzchniowe, chemiczną obojętność i termiczną stabilność, niski współczynnik załamania światła i niski współczynnik tarcia, są cennym surowcem w wielu dziedzinach przemysłu. Przykładowo są stosowane do wytwarzania elastomerów odpornych na działanie rozpuszczalników organicznych w przemyśle motoryzacyjnym, jako czynniki antypieniące do rozpuszczalników organicznych, modyfikatory tarcia w smarach, pokrycia włókien optycznych oraz modyfikatory powierzchni.

Dotychczas stosowano trzy metody otrzymywania fluorosilikonów: hydrolityczną kondensację fluorokarbofunkcyjnych dichloroalkilosilanów, polimeryzację z otwarciem pierścienia cyklicznych siloksanów zawierających fluoroalkilowe podstawniki oraz hydrosililowanie fluorowanych olefin poli(wodorometylo, dimetylo)siloksanami. Metody te są opisane w literaturze (R.G. Jones, J. Chojnowski, W. Ando, Silicon-Containing Polymers, Kluwer, Dordrecht, 2000). E-Polymers, 3(2008) 1).

W patencie brytyjskim GB2443626 oraz w publikacji L. Zhang-xiong'a opisano syntezę fluorosilikonów w procesie hydrolitycznej kondensacji difluoroalkilodichlorosilanów. Przykładowo kondensację (trifluoroetyloksy)propylometylo-dichlorosilanu prowadzono w środowisku octanu etylu w obecności tlenku cynku, pełniącego rolę czynnika wiążącego wydzielający się w procesie chlor, w temp. 5°C, uzyskując głównie mieszaninę cyklosiloksanów, którą wydestylowano z mieszaniny poreakcyjnej. W reakcji tej powstają niewielkie ilości fluorosilikonów o różnej długości łańcucha. W następnym etapie przeprowadza się polimeryzację z otwarciem pierścienia uzyskanych cyklosiloksanów w obecności kwasu trifluorometylosulfonowego jako katalizatora. Powyższa metoda, pomimo, że wieloetapowa i długotrwała nie zapewnia otrzymywania selektywnie jednego produktu, gdyż zarówno w pierwszym etapie reakcji kondensacji jak i drugim polimeryzacji tworzy się mieszanina, odpowiednich cyklicznych i liniowych fluorosilikonów o różnej długości łańcucha.

Kobayashi Macromoleculers, 23, (1990) 4929, ujawnił sposób otrzymywania fluorosiloksanów poprzez polimeryzację z otwarciem pierścienia cyklicznych siloksanów 1,3,5-tris(trifluoropropylo)-1,3,5-trimetylocyklotrisiloksanu, natomiast Furukawa J. Appl. Polym. Sci., 82 (2001), 3333 z otwarPL 219 094 B1 ciem pierścienia 1,3,5-tris(nonafluoroheksylo)-1,3,5- przy użyciu kwasu trifluorometylosulfonowego jako katalizatora w temperaturze 60-100°C w czasie 12-24 godzin. Sposoby te nie są selektywne gdyż otrzymuje się mieszaninę polisiloksanów o różnej długości łańcucha i o niejednolitej masie cząsteczkowej. Trzecią grupę sposobów syntezy stanowią metody otrzymywania fluorosiloksanów na drodze hydrosililowania fluorowanych olefin poliwodorosiloksanami.

Y. Furukawa J. Polym. Sci., A.. Polym. Chem., 41 (2003), 2704 opisuje syntezę fluorosilikonów, poprzez hydrosililowanie olefin a mianowicie heptadekafluoroundecenu za pomocą poli(wodorometylo, dimetylo)siloksanów o różnej zawartości grup Si-H, w obecności kwasu heksachloroplatynowego jako katalizatora, w temperaturze 100°C. Na skalę przemysłową fluorowane olefiny otrzymuje się z jodku fluoroalkilowego, jako prekursora, co powoduje, że olefina zawiera pewne ilości jonów jodkowych, które niekorzystnie wpływają na przebieg procesu hydrosililowania, powodując zatrucia katalizatora. Katalizator w większości rozwiązań jest rozpuszczany w olefinie i do takiej mieszaniny dozowany jest wodorosiloksan dlatego jeśli zawarte w eterze jony jodkowe spowodują zatrucie katalizatora to reakcja nie zajdzie, a otrzymana mieszanina drogich surowców jest niezdatna do ponownego użytku.

Patent amerykański US 5639845 ujawnia addycję poliwodorosiloksanu do fluorowanych alkenów w obecności katalizatora platynowego (kat. Karstedta) w środowisku bis(trifluorometylo)benzenu jako rozpuszczalnika. Reakcja prowadzona była w temperaturze 110°C, w czasie od 19-24 h. Jak zwrócono uwagę w opisie fluorowane olefiny zawierające grupę winylową -CH=CH2 reagują znacznie gorzej niż olefiny zawierające grupę allilową -CH2CH=CH2, dlatego obecność tej drugiej jest wskazana. Ponadto zastosowany rozpuszczalnik musiał być usuwany po reakcji co komplikowało cały proces i wprowadzało dodatkowy etap.

Celem wynalazku było opracowanie taniej i efektywnej metody syntezy fluorosilikonów.

Sposób według wynalazku otrzymywania fluorosilikonów dowolnej topologii i o ogólnym wzorze 1,

w którym • x = 0-100 i y = 1-50, z = 0-50, n = 1-12, m = 1-4, • R¹, R², R³ i R⁴ są równe lub różne i oznaczają grupę alkilową zawierającą C = 1-12, fenylową • V oznacza grupę alkilową zawierającą C = 1-12 lub fenylową, • Z oznacza dwuwartościową grupę:

polega na reakcji nukleofilowego otwarcia pierścienia oksiranowego w odpowiedn ich epoksyfunkcyjnych ko-polisiloksanach o dowolnej topologii i wzorze ogólnym 2,

PL 219 094 B1

gdzie R¹, R², R³, R⁴ i V oraz x, y i z mają powyższe znaczenie a Q jest ugrupowaniem glicydyloksypropylowym o wzorze 3 lub 1-etyleno-3,4-epoksycykloheksylowym o wzorze 4, lub

(4) za pomocą fluorowanych alkoholi o wzorze ogólnym 5,

HO(CH2)m(CF2)nCF2H (5) w którym n i m ma wyżej podane znaczenie w środowisku kwaśnym o pH od 1 do 4,5. Do zakwaszania stosuje dowolne kwasy nieorganiczne lub organiczne umożliwiające uzyskanie żądanego pH. Najkorzystniejsze jest stosowanie kwasu ortofosforowego.

Proces prowadzony jest jednoetapowo, w układzie otwartym, pod ciśnieniem atmosferycznym. Do reaktora wprowadza się odpowiedni epoksyfunkcyjny siloksan i odpowiedni fluorowany alkohol w ilościach odpowiadających stosunkowi 0,1-1 mola alkoholu fluorowanego na każdy mol ugrupowań epoksydowych zawartych w epoksyfunkcyjnym siloksanie i miesza. Do mieszaniny reagentów wprowadza się kwas, do uzyskania pH roztworu w zakresie 1-4,5 korzystnie 2-4. Następnie uzyskaną mieszaninę ogrzewa się w zakresie temperatur od 80-130°C, do chwili zakończenia reakcji co na ogół trwa od 1 do 4 h.

Równomolowe ilości reagentów zapewniają całkowite przereagowanie wszystkich ugrupowań epoksydowych, natomiast dodatek mniejszej ilości alkoholu fluorowanego umożliwia otrzymanie polisiloksanu z grupami mieszanymi (fluorokarbofunkcyjnymi i epoksyfunkcyjnymi). Poprzez odpowiedni dobór stosunku reagentów można sterować zawartością grup epoksydowych i fluorokarbofunkcyjnych w łańcuchu polisiloksanowym, w zależności od kierunku w którym mają być one zastosowane. Obecność grup epoksydowych, obok fluorokarbofunkcyjnych, umożliwia, dalsze przetwarzanie w kierunku otrzymywania materiałów hybrydowych lub sieciowanie metodami chemicznymi lub fotochemicznymi.

Sposób według wynalazku polega na otwarciu pierścienia oksiranowego w epoksyfunkcyjnych siloksanach za pomocą fluorowanych alkoholi w środowisku kwaśnym. W dotychczasowych metodach syntezy zasadniczym surowcem były fluorowane olefiny, które są trudno dostępne i drogie, ponadto często zawierały zanieczyszczenia które powodowały zatrucia katalizatorów procesów hydrosililowania. W sposobie według wynalazku stosowane są fluorowane alkohole, znacznie tańsze i bardziej dostępne a ewentualne zanieczyszczenia nie mają żadnego wpływu na przebieg procesu. Otwarcie pierścienia oksiranowego jest katalizowane kwasami, które w przeciwieństwie do związków metali przejściowych stosowanych w procesach hydrosililowania nie ulegają zatruciom, a przede wszystkim są znacznie tańsze. W metodzie według wynalazku można stosować różne kwasy organiczne i nieorganiczne, które umożliwią uzyskanie odczynu pH = 1-4,5. W tym zakresie pH, otwarcie pierścienia oksiranowego zachodzi łatwo i z dużą wydajnością. Spośród dostępnych kwasów najkorzystniejszy jest kwas ortofosforowy, który jest niedrogi a zarazem zapewnia właściwy odczyn pH. Stosowane, w sposobie według wynalazku, epoksyfunkcyjne (poli)siloksany można łatwo otrzymywać z dużą wydajnością metodą opisaną w patencie PL-198290 lub w zgłoszeniu patentowym P-380737, a wiele z nich jest produkowanych na skalę przemysłową.

PL 219 094 B1

Sposób według wynalazku przedstawiono w poniższych przykładach, które nie ograniczają zakresu stosowania wynalazku.

P r z y k ł a d I.

Do kolby, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne i chłodnicę zwrotną wlano 15 g (45 mmoli) 3-(glicydyloksypropylo)-1,1,1,3,5,5,5-heptametylotrisiloksanu i 10,4 g (45 mmoli) alkoholu oktafluoropentylowego. Następnie dodano 35 μί kwasu ortofosforowego H₃PO₄. Zawartość kolby podgrzano do 80°C i mieszając utrzymywano w tej temperaturze przez 2 godziny. Przebieg reakcji kontrolowano chromatograficznie. Po tym czasie zaobserwowano zanik obu substratów i wytworzenie jednego produktu. Otrzymano 23,1 g klarownego, o barwie jasnożółtej 3-[3-{3-oktafluoropentoksy-2-hydroksypropoksy}propylo]heptametylotrisiloksanu z wydajnością 99%. Analiza NMR potwierdziła otrzymanie właściwego produktu.

¹H NMR (C6D6, 298K, 300MHz) δ (ppm): 0,05 (3H, -SiCH3); 0,14 (18H, -Si(CHa)3); 0,56 (2H, -SiCH2-); 1,69 (2H, -CH2-); 3,25 (2H, -CHCH2O-); 3,48 (1H, -OH); 3,54 (2H, -CH2CF2); 3,68 (1H, -CH-); 4,81 (4H, -CH2O); 5,44 (1H, -CF2H) ¹³C NMR (C6D6, 298K, 75,5MHz) δ (ppm): -0,21 (-OSiCH3O-); 1,96 (-OSi(CH3)); 13,91 (-SiCH2-);

23,65 (-CH2-); 70,05 (-CH-); 71,02 (-OCH2-); 72,30 (-CH2O-); 74,28 (-CH2O-); 105,18, 108,55, 111,91 (-CF2-); 119,49 (-CF2H) ²⁹Si NMR (C6D6, 298K, 59,6MHz) δ (ppm): -21,92 (-OSiCH3O-); 7,36 (Si(CH3)3).

P r z y k ł a d II.

Syntezę przeprowadzono tak samo jak w przykładzie I, z tą różnicą, że zamiast 3-(glicydyloksypropylo)-1,1,1,3,5,5,5-heptametylotrisiloksanu zastosowano 15,5 g (45 mmoli) 3-{(3,4-epoksycykloheksylo)etylo}-)-1,1,1,3,5,5,5-heptametylotrisiloksanu. Otrzymano 23,9 g klarownego i żółtego produktu, 3-{2-(3-hydroksy-4-oktafluoropentoksy-cykloheksylo)etylo}-heptametylotrisiloksanu z wydajnością 98%. Analiza NMR potwierdziła otrzymanie właściwego produktu.

¹H NMR (C6D6, 298K, 300MHz) δ (ppm): 0,02 (3H, -SiCH3); 0,05 (18H, -Si(CH3)3); 0,56 (2H, -SiCH2-); 0,75-1,85 (18H, cyklo-heksylo), 3,23 (2H, -CHO-); 3,72 (1H, -OH); 3,54 (2H -CH2CF2); 4,85 (4H, -CH2O); 5,34 (1H, -CF2H).

P r z y k ł a d III.

Syntezę przeprowadzono tak samo jak w przykładzie I, z tą różnicą, ze zamiast alkoholu oktafluoropentylowego zastosowano 5,9 g (45 mmoli) alkoholu tetrafluoropropylowego. Reakcję prowadzono w temperaturze 80°C, przez 1 godzinę. Otrzymano 19,6 g 3-[3-{3-tetrafluoropropoksy-2-hydroksypropoksy}propylo]heptametylotrisiloksanu co stanowi 94% wydajności teoretycznej.

P r z y k ł a d IV

Syntezę przeprowadzono tak samo jak w przykładzie I, z tą różnicą, ze zamiast alkoholu oktafluoropentylowego zastosowano 14,9 g (45 mmoli) alkoholu dodekafluoroheptylowego. Reakcję prowadzono w temperaturze 120°C, przez 4 godziny. Otrzymano 26,9 g 3-[3-{3-dodekafluoroheptyloksy2-hydroksypropoksy}propylo]heptametylotrisiloksanu co stanowi 90% wydajności teoretycznej.

P r z y k ł a d V

Do kolby, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne i chłodnicę zwrotną wlano 8,2 g (1 mmol) poli{(glicydyloksypropylo)metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 2 gdzie x = 50 a y = 25, i 5,8 g (25 mmoli) alkoholu oktafluoropentylowego. Następnie dodano 35 μl kwasu ortofosforowego

H3PO4. Zawartość kolby podgrzano do 120°C i mieszając utrzymywano w tej temperaturze przez godziny. Przebieg reakcji kontrolowano za pomocą analizy FT-IR porównując ubytek pasma przy -1

980 cm^-1, pochodzącego od grupy epoksydowej. Otrzymano 13,9 g z wydajnością 99% poli([3-{3-oktafluoropentyloksy-2-hydroksypropoksy}propylo]metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 1 gdzie x = 50 a y = 25, klarownego, jasnożółtego produktu o dużej lepkości. Analiza FT-IR

-1 -1 i NMR potwierdziła otrzymanie właściwego produktu. FT-IR: 1011 cm^-1 (Si-O-Si), 1259 cm^-1 (Si-CH3), 2961 cm^-1 (CH2CH2CH2), 3446 cm^-1 (-OH), zanik pasma od grup epoksydowych, przy 912 cm^-1.

¹H NMR (CD3OD, 298K, 300MHz) δ (ppm): 0,06 (m, -OSi(CH3)-), 0,56 (m, -SiCH2-), 1,56 (m, -SiCH2CH2-), 3,23-3,33 (m, -CH2O-), 3,47 (m, -CH2OCH2-), 3,89 (m, CH(OH)), 5,9-6,3 (tt, CF2H); zanik sygnałów od grup epoksydowych przy 2,58-2,75 ppm.

P r z y k ł a d VI.

Syntezę przeprowadzono tak samo jak w przykładzie V, z tą różnicą, że zamiast poli{(glicydyloksypropylo)metylo, dimetylo)siloksanu zastosowano 8,5 g (1 mmol) poli({(3,4-epoksy-cykloheksylo)etyl}metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 2 gdzie x = 50 a y = 25. Otrzyma6

PL 219 094 B1 no 12,9 g poli(-{2-(3-hydroksy-4-oktafluoropentoksy-cykloheksylo)etylo}metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 1 gdzie x = 50 a y = 25, co stanowi 91% wydajności.

P r z y k ł a d VII.

Syntezę przeprowadzono tak samo jak w przykładzie V, z tą różnicą, że zamiast poli{(glicydyloksypropylo)metylo, dimetylo)siloksanu zastosowano 11,3 g (1 mmol) poli{(glicydyloksypropylo)metylo, fenylometylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 2 gdzie x = 50 a y = 25. Otrzymano 15,1 g poli([3-{3-oktafluoropentyloksy-2-hydroksypropoksy}propylo]-metylo, fenylometylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 1 gdzie x = 50 a y = 25, co stanowi 88% wydajności teoretycznej.

P r z y k ł a d VIII.

Do kolby, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne i chłodnicę zwrotną wprowadzono 14,7 g (1 mmol) poli{(glicydyloksypropylo)metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 2 gdzie x = 100 a y = 50, i 11,6 g (50 mmoli) alkoholu oktafluoropentylowego. Następnie dodano 70 μΐ kwasu ortofosforowego H3PO4. Zawartość kolby podgrzano do 140°C i mieszając utrzymywano w tej temperaturze przez 4 godziny. Przebieg reakcji kontrolowano za pomocą analizy FT-IR porównując ubytek pasma przy 912 cm^-1, pochodzącego od grupy epoksydowej. Otrzymano 22,3 g z wydajnością 85% klarownego, poli([3-{3-oktafluoropentyloksy-2-hydroksypropoksy}-propylo]metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 1 gdzie x = 100 a y = 50, o bardzo dużej lepkości. Analiza NMR potwierdziła otrzymanie właściwego produktu.

¹H NMR (CD3OD, 298K, 300MHz) δ (ppm): 0,05 (m, -OSi(CHs)-), 0,48 (m, -SiCH2-), 1,54 (m, -SiCH2CH2-), 3,41 (m, -CH2O-), 3,56 (m, -CH2OCH2-), 4,02 (m, CH(OH)), 5,9-6,3 (tt, CF2H); zanik sygnałów od grup epoksydowych przy 2,58, 2,76 i 2,62 ppm.

P r z y k ł a d IX.

Do kolby, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne i chłodnicę zwrotną wprowadzono 9,5 g (1 mmol) poli({(3,4-epoksycykloheksylo)etyl}metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 2 gdzie x = 82 a y = 18, i 4,9 g (18 mmoli) alkoholu oktafluoropentylowego. Następnie dodano 35 μl kwasu ortofosforowego H3PO4. Zawartość kolby podgrzano do 130°C i mieszając utrzymywano w tej temperaturze przez 4 godziny. Przebieg reakcji kontrolowano za pomocą analizy FT-IR obserwując ubytek pasma od grupy epoksydowej przy 930 cm^-1. Otrzymano 13,7 g z wydajnością 95% klarownego, poli([3-{3-oktafluoropentyloksy-2-hydroksypropoksy}propylo]metylo, dimetylo)siloksanu, odpowiadającego wzorowi 1 gdzie x = 82 a y = 18, o bardzo dużej lepkości.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania kopolimerów fluorosilikonowych o dowolnej topologii i o ogólnym wzorze 1, w którym • x = 0-100 i y = 1-50, z = 0-50, n = 1-12, m = 1-4, • R¹, R², R³ i R⁴ są równe lub różne i oznaczają grupę alkilową zawierającą C = 1-12, fenylową, • V oznacza grupę alkilową zawierającą C = 1-12 lub fenylową,

PL 219 094 B1 • Z oznacza dwuwartościową grupę:

znamienny tym, że polega na reakcji nukleofilowego otwarcia pierścienia oksiranowego w odpowiednich epoksyfunkcyjnych ko-polisiloksanach o dowolnej topologii i wzorze ogólnym 2, gdzie R¹, R², R³, R⁴ i V oraz x, y i z mają powyższe znaczenie, a Q jest ugrupowaniem glicydyloksypropylowym o wzorze 3 lub 1-etyleno-3,4-epoksycykloheksylowym o wzorze 4, (3) lub (4) za pomocą fluorowanych alkoholi o wzorze ogólnym 5,

HO(CH2)m(CF2)nCF2H (5) w którym n i m ma wyżej podane znaczenie w środowisku kwaśnym o pH od 1 do 4,5.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcję prowadzi się przy pH od 2 do 4.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że do zakwaszania stosuje się kwasy nieorganiczne lub organiczne.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że do zakwaszania stosuje kwas ortofosforowy.
5. Sposób według zastrz. 1 lub 2 lub 3 lub 4, znamienny tym, że reakcję prowadzi się w temperaturze od 80-130°C.