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JP2008013766A - アミノ官能性シロキサンの製造方法 - Google Patents

アミノ官能性シロキサンの製造方法 Download PDF

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JP2008013766A
JP2008013766A JP2007175904A JP2007175904A JP2008013766A JP 2008013766 A JP2008013766 A JP 2008013766A JP 2007175904 A JP2007175904 A JP 2007175904A JP 2007175904 A JP2007175904 A JP 2007175904A JP 2008013766 A JP2008013766 A JP 2008013766A
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レーネルト ローベルト
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Stefan Altmann
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Abstract

【課題】従来技術の欠点を解決したアミノ官能性シロキサンの製造方法。
【解決手段】一般式(SiO4/2(RSiO3/2(R SiO2/2(R SiO1/2[O1/2H] (II)で示されるオルガノシロキサンを、一般式
【化1】
Figure 2008013766

で示される環状シラザンとブレーンステッド酸の存在で反応させ、ここで、基及び添え字は、請求項1に記載の意味を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、環状シラザンを使用して、アミノ官能性シロキサンを、触媒を用いて製造する方法に関する。
アミノアルキルポリシロキサンもしくはアミノアルキルシリコーン樹脂は、ポリイミド及びポリエーテルイミドの製造を含め、多くの使用分野において有用である。しかしながら、より大きな規模でのこれらの化合物の商業的使用は、相対的に費用集約的な製造方法によって妨げられる。
オクタメチルシクロテトラシロキサンとビスアミノプロピルテトラメチルジシロキサンとの、塩基触媒を用いる平衡化は、例えば米国特許(US-A)第5,512,650号明細書に記載されるように、知られている。この反応は、出発物質として費用集約的なビスアミノプロピルテトラメチルジシロキサンが使用されるという欠点を有する。そのうえ、平衡化反応の際に一部は10時間を上回る長い反応時間となる。
国際公開(WO-A1)第2005087842号パンフレットには、アミノ官能性オルガノシロキサンの連続的製造が記載されている。この方法の欠点は、費用のかかる連続処理装置、例えば押出機の使用の必要性である。
米国特許(US-A)第5,512,650号明細書 国際公開(WO-A1)第2005087842号パンフレット 欧州特許(EP-B1)第1 195 379号明細書
本発明の課題は、上記の従来技術の欠点を解決することにあった。
本発明の対象は、一般式
(SiO4/2(RSiO3/2(R SiO2/2(R SiO1/2[O1/2SiR −R−NH[O1/2H] (I)
で示されるアミノ官能性オルガノシロキサンの製造方法であって、
一般式
(SiO4/2(RSiO3/2(R SiO2/2(R SiO1/2[O1/2H] (II)
で示されるオルガノシロキサンを、一般式
Figure 2008013766
で示される環状シラザンと、
ブレーンステッド酸の存在で
反応させるものであって、ここで、
Rは、同じか又は異なっていてよく、かつSi−C及びC−N結合しており、非置換又はシアノもしくはハロゲンで置換された二価のC3〜C15−炭化水素基を表し、前記炭化水素基中、互いに隣接していない1つ又はそれ以上のメチレン単位は、基−O−、−CO−、−COO−、−OCO−又は−OCOO−、−S−又は−NR−により置換されていてよく、かつ前記炭化水素基中、互いに隣接していない1つ又はそれ以上のメチン単位は、基−N=、−N=N−又は−P=により置換されていてよく、その際、環のケイ素原子と窒素原子との間に、少なくとも3個及び最大6個の原子が配置されており、
は、同じか又は異なっていてよく、かつ水素原子を表すか、又は非置換又は−CNもしくはハロゲンで置換されたC1〜C10−炭化水素基を表し、
1は、同じか又は異なっていてよく、かつ水素原子を表すか、又は非置換又は−CN、−NCO、−NR 、−COOH、−COOR、−ハロゲン、−アクリル、−エポキシ、−SH、−OHもしくは−CONR で置換され、Si−C−結合している一価のC1〜C20−炭化水素基を表すか、又は非置換又は−CN、−NCO、−NR 、−COOH、−COOR、−ハロゲン、−アクリル、−エポキシ、−SH、−OHもしくは−CONR で置換され、Si−OC−結合している一価のC1〜C20−炭化水素オキシ基を表し、前記基中、互いに隣接していないその都度1つ又はそれ以上のメチレン単位は基−O−、−CO−、−COO−、−OCO−又は−OCOO−、−S−又は−NR−により置換されていてよく、かつ前記基中、互いに隣接していない1つ又はそれ以上のメチン単位は基−N=、−N=N−又は−P=により置換されていてよく、
sは少なくとも1の値を有し、
rは少なくとも1の値を有し、
s+tはrの値を有し、かつ
k+m+p+qは少なくとも2の値を有する。
一般式(III)の使用される環状シラザンは、公知の方法により単純にかつ高収率で製造されることができる。これについては、例えば、欧州特許(EP-B1)第1 195 379号明細書を指摘することができる。
一般式(III)の環状シラザンにおいて、Rは飽和又は不飽和の脂肪族、芳香族、直鎖状又は分枝鎖状であってよい。Rは、好ましくは、ハロゲン原子、特にフッ素及び塩素で置換されていてよい非分枝鎖状C3〜C6−アルキレン基である。好ましくは、環のケイ素原子と窒素原子との間に3個の原子が配置されている。
1〜C20−炭化水素基及びC1〜C20−炭化水素オキシ基R1は、飽和又は不飽和の脂肪族、芳香族、直鎖状又は分枝鎖状であってよい。
特に好ましくは、R1は、1〜6個の炭素原子を有する直鎖状又は分枝鎖状の炭化水素基、特にメチル基、エチル基、フェニル基、ビニル基及びトリフルオロプロピル基、極めて特に好ましくはメチル基である。
好ましくは、Rがプロピレン基を表し、かつR1がメチル基、エチル基、フェニル基、ビニル基又はトリフルオロプロピル基を表す一般式(I)の化合物が製造される。
式(I)の本発明により製造されるアミノ官能性オルガノシロキサンは、線状、環状又は分枝鎖状であってよい。k、m、p、q、s及びtの総和は、好ましくは2〜20000、特に8〜1000の数である。
式(I)の分枝鎖状オルガノシロキサンの好ましい一変法は、オルガノシロキサン樹脂である。この樹脂は、式(I)において示されているように複数の単位からなっていてよく、その際、含まれている単位の相対的なモル割合は、添え字k、m、p、q、s及びtにより示される。その場合にk+m>0でなければならない。
好ましくは、そのような樹脂の製造のために、k、m、p、q及びrの総和を基準として、単位rが0.1〜20%含まれており、かつk+m>0である式(II)のオルガノシロキサン樹脂が使用される。式(II)の化合物と式(III)のシラザンとの反応の際に、シラノール基はアミノプロピルシロキシ基により置換される。
好ましくは、式(II)の化合物と式(III)のシラザンとの本発明による反応の際に、k、m、p、q、s及びtの総和を基準として、5mol%<k+m<90mol%であり、かつ好ましくはt=0である式(I)の樹脂が得られる。特に好ましい場合に、基Rはプロピレン基であり、かつR1はメチル基である。
定義されたアミン含量のみを有する樹脂を、本発明による方法により製造しようとする場合には、式(II)の樹脂と環状シラザンとの化学量論比が、所望のアミン含量が達成されるように選択される。残りのSi−OH基は、場合により生成物中に残留していてよい。
式(I)のアミノ官能性オルガノシロキサンのための好ましいさらなる変法は、式(IV)
[H][HN−R−SiR O(SiR O)SiR −R−NH (IV)
で示される線状オルガノシロキサンであり、前記オルガノシロキサンは、本発明によれば、一般式
HO(R SiO) SiOH (V)
で示されるオルガノシロキサンと一般式(III)の環状シラザンとから、ブレーンステッド酸の存在で製造され、ここで
uは0又は1であり、
v=1−uであり、かつ
nは平均重合度を示し、かつ1〜20000の数である。
好ましくはuは0の値を有する。
nは、好ましくは1〜10000、特に8〜2000の値を有する。
式(IV)のこうして製造された線状オルガノシロキサンは本質的に、3つの異なる大きさにより特徴付けられることができる:
・ 粘度(もしくは分子量)、
・ アミン含量及び
・ 末端基のアミノ官能性の度合い、すなわちHN−R−SiR −基による(V)中のシラノール末端基の置換の程度。
これらの大きさによって、しかしながら、式(IV)の線状オルガノシロキサンの場合に2つのみが互いに独立して変動されることができ、すなわち、規定される粘度及び官能性の場合に、アミン含量は規定されている。規定されるアミン含量及び粘度の場合に、官能性は規定されており、かつ規定されるアミン含量及び官能性の場合に粘度は規定されている。
一般式(IV)の本発明により製造される化合物はさらに、これらの化合物がu>0である場合には、場合により触媒による促進を伴う、それ自体と又は一般式(V)の化合物とのいずれかで縮合することができる縮合可能なシラノール末端基を有するという利点を有する。その場合に、そしてまた、より高い分子量を有する一般式(IV)の化合物が得られる。特に好ましい場合に、nは、縮合前に15〜50及び縮合後に50〜2000の数を表す。
式(I)のアミノ官能性オルガノシロキサンの本発明による製造方法の場合に、式(III)の使用されるシラザンの量は、式(II)もしくは(V)の化合物中の官能化すべきシラノール基の量に依存している。しかしながら、OH基の完全な官能化を達成しようとする場合には、シラザンは少なくとも等モル量で添加されるべきである。
等モル量の使用の場合に、過剰のシラザンの除去は行われなくてよい。このためには、好ましくは、シラノールを末端基とする出発物質中のSiOH基含量は、少なくとも等モル量のシラザンを添加することができるように、例えば滴定により又はNMR分光法により決定される。
本発明による方法において環状シラザンが過剰量で使用される場合には、完全に反応されないシラザンは引き続いて留去されることができるか、又は加水分解され、かつついで、場合により、除去されることができるが、しかしながらこれは好ましくない。
本発明による方法において触媒として使用されるブレーンステッド酸の例は、塩化水素、塩化アンモニウム、酸性イオン交換体樹脂、ギ酸アンモニウム、ギ酸アルキルアンモニウムである。触媒として、式(II)もしくは(V)の化合物中に存在しているシラノール基及び/又は痕跡で存在している水との反応において、その場で塩化水素が十分な量で遊離しうるクロロシランが同様に適している。
好ましくは、本発明により使用される触媒は、塩化水素、塩化アンモニウム及び酸性イオン交換体樹脂であり、その際、塩化水素及び塩化アンモニウムが特に好ましく、特に塩化アンモニウムである。
本発明による方法において、ブレーンステッド酸は、反応混合物の全質量をその都度基準として、好ましくは5〜1000ppm、特に好ましくは10〜500ppm、特に50〜300ppmの量で使用される。
好ましくは、本発明による方法は、好ましくは0℃〜100℃の温度で、特に好ましくは10℃〜100℃で、特に40℃〜100℃で、実施される。
本発明による方法は、好ましくは、周囲雰囲気の圧力、すなわち900〜1100hPaで実施される;しかしまた − 所望の場合には − 減圧下に又は超過圧下に操作されることができる。
本発明による方法は、好ましくは大気湿分の遮断下に実施される。
本発明による方法の場合に、全ての成分は互いに任意に混合されることができる。
本発明による方法は、不連続に又は連続的に実施されることができる。前記方法は、例えば成分の混合が連続的に、かつ完全な反応が不連続に行われる場合に、部分連続的に実施されることもできる。
本発明による方法は、その場合に、溶剤を含めて、又はしかしまた溶剤を使用せずに適した反応器中で実施されることができる。
溶剤の使用の場合に、不活性な、特に非プロトン性の溶剤、例えば脂肪族炭化水素、例えばヘプタン又はデカン、及び芳香族炭化水素、例えばトルエン又はキシレンが好ましい。同様に、エーテル、例えばTHF、ジエチルエーテル又はMTBEが使用されることができる。溶剤が使用される場合には、好ましくは、反応混合物の十分な均質化を保証するために十分であるべき量が重要である。0.1MPaで180℃までの沸点もしくは沸騰範囲を有する溶剤又は溶剤混合物が好ましい。
本発明による方法の場合に式(III)のシラザンが式(II)のオルガノシロキサンに不足量で添加される場合には、残りの未反応のSi−OH基は、式(I)のアミノ官能性オルガノシロキサン中に残留していてよいか、又は次式(VI)の他のシラザンと反応されることができる:
Figure 2008013766
ここで、R1は同じか又は異なっていてよく、かつR1について前記された意味を有する。
こうして、式
(SiO4/2(RSiO3/2(R SiO2/2(R SiO1/2[O1/2SiR −R−NH[O1/2H](O1/2SiR (VII)
で示されるアミノ官能性オルガノシロキサンが得られ、ここでR、R、k、m、p、q及びsはこれらについて前記された意味を有し、tは0又はそれ以上であり、wは0より大きく、かつ総和s+t+w=rであり、かつrは前記の一般式(II)中で定義されている。
式(VI)のシラザンは、式(III)の環状シラザンと同時に又は一般式(III)のシラザンの反応後に、使用されることができる。
前記の一般式(IV)の線状オルガノシロキサンが、一般式(III)のシラザン並びに一般式(VI)のシラザンと反応される場合には、一般式
[R Si][HN−R−SiR O(SiR O)SiR −R−NH (VIII)
で示される化合物が得られ、ここでR1、R及びnは、上記の通り定義されており、u及びvはその都度0又は1であり、ここでu+v=1である。
しかしこの第二の停止は、場合により行われなくてもよいが、しかしながら高められた温度での材料の安定性に関して明らかな利点を提供する、それというのも、Si−OH基はより高い温度で縮合する傾向があり、かつこうして、得られる溶液の粘度を高めるからである。
本発明による方法において使用される成分は、その都度、そのような成分の1種類並びにそれぞれの成分の少なくとも2種類からなる混合物であってよい。
本発明により製造されるシロキサンは、これまでもアミノ官能性シロキサンが使用されてきている全ての目的に使用されることができる。
本発明による方法は、実施が容易であるという利点を有する。
本発明による方法は、本発明により製造される生成物が、使用される触媒を分離せずに直接さらに加工されることができという利点を有する。
本発明による方法は、アミノ官能性シロキサンが極めて選択的にかつ高い収率で製造されることができるという利点を有する。
次の例において、部及び百分率の全ての記載は、他に記載されない限り、質量を基準とする。他に記載されない限り、次の例は、周囲雰囲気の圧力で、すなわち約1000hPaで、及び室温、すなわち約20℃もしくは付加的な加熱又は冷却をせずに室温で反応物を一緒に混合する際に生じる温度で、実施される。例に挙げられた全ての粘度の記載は、25℃の温度を基準とするものである。アミン価はDIN 53176に従い決定される。
比較例1
12500ppmのシラノール含量及び1400ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン1000gを、N−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン102.5gと反応させた。H−NMR及び29Si−NMRは、3時間後に依然としてSi−OH基300ppmがアミノプロピル単位へ変換されておらず、かつ残りのN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロ−ペンタンが依然として存在していたことを示した。引き続いて、残されているシラザンを反応させるために、さらに水2mlを反応溶液に添加し、短く20mbarの圧力で60℃で蒸留した。アミン価は48.8である。
例1
12500ppmのシラノール含量及び1400ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン1000gを、N−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン102.5g及び塩化アンモニウム100ppmと反応させた。H−NMR及び29Si−NMR測定は、3時間後に全てのSi−OH基がアミノプロピル単位へ変換されており、かつ残りのN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタンが存在していなかったことを示した。アミン価は49.8である。
比較例2
15100ppmのシラノール含量及び1400ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン5.003gを、N−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン0.5899g(1.77%モル不足量)と混合し、80℃で温度調節した。試料約30μlを時々取り出し、CDCl中に溶解させ、H−NMRを用いて分析する。結果は、第1表から得ることができる。400分後に、依然としてSi−OH基685ppmがアミノプロピル単位へ変換されておらず、かつ残りのN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタンが依然として存在していた。
Figure 2008013766
例2
15100ppmのシラノール含量及び1400ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン5.0046gを、N−((3−アミノ−プロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン0.5852g(2.55%モル不足量)及び塩化アンモニウム100ppmと混合し、80℃で温度調節した。試料約30μlを時々取り出し、CDCl中に溶解させ、H−NMRを用いて分析する。結果は、第2表から得ることができる。約140分後に、依然としてSi−OH基1050ppmがアミノプロピル単位へ変換されていないが、しかし残りのN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタンは殆ど存在していなかった。
Figure 2008013766
比較例3
13300ppmのシラノール含量及び392ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン40gを、N−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン3.8gと混合し、80℃で温度調節した。42時間後に、NIR(Bruker-Optik社のNIRモジュールを備えたFT−IR分光計IFS 66)を用いてシラノールはもはや検出できなかった。
例3
N−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン100gに、ジクロロジメチルシラン50mg(MeSiCl)を混合する。それから2日後、13300ppmのシラノール含量及び392ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン40gを、N−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン/−MeSiCl−混合物3.8gと混合し、80℃で温度調節した。25時間後に、NIR(Bruker-Optik社のNIRモジュールを備えたFT−IR分光計IFS 66)を用いてシラノールはもはや検出できなかった。
比較例4
12000ppmのシラノール含量及び250ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン950kgを、80℃でN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン80.1kgと反応させた。H−NMR及び29Si−NMRは、4時間後に残存Si−OH基約400ppmが依然として存在しており、かつ残りのN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン約3mol%が存在していたことを示した。
例4
12000ppmのシラノール含量及び250ppmの含水量を有するビスヒドロキシを末端基とするポリジメチルシロキサン950kg(比較例4からのと同じバッチ)を、80℃でN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタン80.1kg及び塩化アンモニウム100gと反応させた。H−NMR及び29Si−NMRは、4時間後に残存Si−OH基約20ppmがわずかにのみ存在しており、かつ残りのN−((3−アミノプロピル)−ジメチルシリル)−2,2−ジメチル−1−アザ−2−シラシクロペンタンが存在していなかったことを示した。

Claims (6)

  1. 一般式
    (SiO4/2(RSiO3/2(R SiO2/2(R SiO1/2[O1/2SiR −R−NH[O1/2H] (I)
    で示されるアミノ官能性オルガノシロキサンを製造する方法であって、
    一般式
    (SiO4/2(RSiO3/2(R SiO2/2(R SiO1/2[O1/2H] (II)
    で示されるオルガノシロキサンを、一般式
    Figure 2008013766
    で示される環状シラザンと
    ブレーンステッド酸の存在で
    反応させ、ここで、
    Rは、同じか又は異なっていてよく、かつSi−C及びC−N結合しており、非置換又はシアノもしくはハロゲンで置換された二価のC3〜C15−炭化水素基を表し、前記炭化水素基中、互いに隣接していない1つ又はそれ以上のメチレン単位は、基−O−、−CO−、−COO−、−OCO−又は−OCOO−、−S−又は−NR−により置換されていてよく、かつ前記炭化水素基中、互いに隣接していない1つ又はそれ以上のメチン単位は基−N=、−N=N−又は−P=により置換されていてよく、その際、環のケイ素原子と窒素原子との間に、少なくとも3個及び最大6個の原子が配置されており、
    は、同じか又は異なっていてよく、かつ水素原子を表すか、又は非置換又は−CNもしくはハロゲンで置換されたC〜C10−炭化水素基を表し、
    1は、同じか又は異なっていてよく、かつ水素原子を表すか、又は非置換又は−CN、−NCO、−NR 2、−COOH、−COOR、−ハロゲン、−アクリル、−エポキシ、−SH、−OHもしくは−CONR で置換され、Si−C−結合している一価のC1〜C20−炭化水素基を表すか、又は非置換又は−CN、−NCO、−NR 、−COOH、−COOR、−ハロゲン、−アクリル、−エポキシ、−SH、−OHもしくは−CONR で置換され、Si−OC−結合している一価のC1〜C20−炭化水素オキシ基を表し、前記基中、互いに隣接していないその都度1つ又はそれ以上のメチレン単位は基−O−、−CO−、−COO−、−OCO−又は−OCOO−、−S−又は−NR−により置換されていてよく、かつ前記基中、互いに隣接していない1つ又はそれ以上のメチン単位は基−N=、−N=N−又は−P=により置換されていてよく、
    sは、少なくとも1の値を有し、
    rは、少なくとも1の値を有し、
    s+tは、rの値を有し、かつ
    k+m+p+qは、少なくとも2の値を有する、
    アミノ官能性オルガノシロキサンの製造方法。
  2. 基Rが、非置換又はハロゲン原子で置換された非分枝鎖状C3〜C6−アルキレン基である、請求項1記載の方法。
  3. 基R1が、メチル基、エチル基、フェニル基、ビニル基又はトリフルオロプロピル基を表す、請求項1又は2記載の方法。
  4. ブレーンステッド酸を、反応混合物の全質量を基準として、5〜1000ppmの量で、使用する、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. ブレーンステッド酸が塩化アンモニウムである、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 方法を0℃〜100℃で実施する、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
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