Brevet FR2217375A1 — publié le 19740906

na présente invention concerne un procédé de préparation de composés réponcant à la formule générale dans laquelle : a peut aller de 0,5 à 1,5 ; R est un atome dthy- drogène ou de chlore, ou un reste alkyle ou aryle, éventuellement substitué. Ce procédé utilise l'hydrolyse de silanes de formule générale R-SiCl, l'agent d'hydrolyse étant un alcool tertiaire. Dans la formule ci-dessus, R peut être par exemple un reste méthyle, éthyle, propyle, butyle ou phényle. Ces restes akyle ou aryle peuvent éventuellement être inertes, ctest-à-dire substitués par des radicaux ne contenant pas d'atomes d'hydrogène acides. 11 hydrolyse des hologèno-silanes par les alcools tertiaires, en particulier l'alcool tertio-butylique, est connue depuis longtemps, et est par exemple décrite dans l'ouvrage "Chemie und Technologie der Silicone de W. MOLL, 20 Editions 1968, page 173. Il se forme comme sous-produit de la réaction le chlorure de tertio-akyle, par exemple de tertio-butyle. On connait par le document ae publication du brevet allemand 1 807 410 un procédé de préparation d'halogéno-siloxanes de formule générale formule dans laquelle R est, soit un atome d'hydrogène, soit un reste aryle ou aryle, et de préférence un reste méthyle ou phényle, X est un atome de chlore ou de brome, a' étant égalàOoul, b à 1, 2 ou 3, et avec a' + b = 2 ou 3, de préférence 3.Ce procédé est caractérisé en ce que l'on fait tomber goutte à goutte, une température de 400 au plus, environ b molécules d'un alcool aliphatique tertiaire, dans un mélange formé par une molécule de silane de fornule Pa'-SiX4-a' et par 2b à 5b molécules d'une silane de formule (CH2)3 SiX, avec introduction simultanée éventuelle de l'hydracide HX dans le mélange. Le mélange des sllanes contient une forte proportion de si les dc orule (CH3)3 Six, ainsi qu'un silane monofonctionnel. On évite ainsi essentiellement que les silanes de formule ha'-SiX4-a' se trouvant lors de l'hydrolyse dans le mélange des silanes, ne forment des produits d'hydrolyse géliformes. L'hydrolyse des chloro-silanes supérieurs, en particulier des tri- et tétrachloro-silanes ou de mélanges contenant ces si lanes, est spécialement délicate. Là encore, c'est la formation de sous-produits gélifnrmes qui est à craindre. Or, on a maintenant découvert, de façon inattendue, que les tri-halogéno-silanes peuvent être hydrolysés en chloropolysloxanes définis liquides ou fusibles par des alcools tertiaires, dans des conditions de réaction définies, sans que la formation de gels soit à craindre. Le-procddé suivant l'invention est caractérisé en ce que l'on fait tomber goutte à goutte l'alcool tertiaire, à une température comprise entre 100 et 1500, éventuellement avec addition d'un solvant inerte, dans le silane, en utilisant par mole de silane moins de 0,9 mole, et de préférence de 0,50 à 0,125 mole d'alcool tertiaire, le silane non converti étant chassé par distillation en même temps que le chlorure de tertio-akyle formé et le solvant éventuel. On utilise de préférence comme alcool tertiaire un alcool contenant dans sa molécule de 4 à 8 atomes de carbone, et en particulier l'alcool tertio-butylique. Le procédé de l'invention peut se traduire par le schéma réactionnel suivant avec, dans cette équation c compris entre 1,1 et 8 R' étant un reste tertio-alkyle de 4 à 8 atomes de carbone a compris entre 0,5 et 1,1 R étant un atome d'hydrogène ou de chlore, ou un reste alkyle ou aryle éventuellement substitué. Cette réaction forme les nouveaux composés de formule générale : et d'un pois moléculaire moyen de 600 à 2000, R et a ayant les significations indiquées précédemment. Cette formule exprime la composition moyenne du produit de la réaction. La teneur en chacun des composants individuels dépend des paramètres réactionnels, en particulier de la température et du rapport molaire entre le silane et l'alcool tertiaire. Par hydrolyse à la température ordinaire, on obtient principalement des siloxanes dans lesquels a comporte une valeur inférieure à 1, et le plus souvent comprise entre 0,5 et 0,9. Ces siloxanes correspondent à la formule dans laquelle d est supérieur à e et à f , avec d , e et f différents de zéro. Ces siloxanes ne sont pas en équilibre en ce qui concerne leur distribution en polymères. L'addition d'une petite quantité d'un catalyseur acide d'équilibrage, comme 11 acide sulfurique, amène une gélification immédiate. A la différence de l'hydrolyse à la température ordinaire, si l'on opère au reflux, ou-si le point d'ébullition du silane est supérieur à 1000 en opérant entre 800 et 1500, on obtient en l'absence de solvants inerte des siloxanes dans lesquels la valeur de a est très voisine de 1. La structure de ces composés a été révélée par la spectroscopie R$bT (de résonance magnétique nucléaire). Ces siloxanes répondent à la formule : dans laquelle E et h sont différents de zéro, avec Il s'agit ici de siloxanes cycliques, dans lesquels le rap port-Cl : Si , c'est-à-dire le paramètre a est naturellement voisin de l'unité. Le rapport molaire entre le silane et l'alcool tertiaire influe sur la composition du produit de la réaction. En général, a diminue lorsque la quantité re-lative d'alcool tertiaire augmente. Au dessus d'un rapport molaire donné, on passe dans une zone pour laquelle il y a formation de gels. Ce rapport limite est compris par exemple entre 0,50 et 0,66 mole d'alcool tertio-butylique par mole de silane pour l'hydrolyse du méthyl-trichlorosilane à la température de reflux. Toutefois la limite de ce rapport peut êe relevée par utilisation d'un solvant inerte comme le tétrachlorure de carbone, suffisamment pour que ce procédé puisse être mis en oeuvre jusqu'aux limites revendiquées. Les solvant considérés c-omme inertes sont ceux qui ne réagissent pas avec le chîcrosilane et ne constituent pas des "bases de Lewis" comme par exemple l'éther ou les amines tertiaires. Si les produits d'hydrolyse du méthyl-trichlorosilane sont liquides, ceux du phényl-trichlorosilane sont solides.Ces derniers sont toutefois solubles dans les solvants inertes, et se liquéfient à haute température, par exemple à 2000, mais ne forment pas de gels. De façon inattendue dans l'hy*glyse de l'hydrogèno-trichlorosilane, l'hydrogène lié au silicium, se conserve, bien que sensible à l'hydrolyse. Dans de nombreux cas, comme dans l'hydrolyse à reflux du tétrachlorure de silicium, le rendement en chloro-siloxanes non volatils est relativement faible si- l'on effectue une distillation simple. Aussi, 1 l'utilisation d'une colonne de distillation est-elle conseillée dans ces cas. Les composés suivant l'invention dans lesquels R est un radical méthyle ou un radical alkyle à longue channe de 12 à 18 atomes de carbone, sont de remarquables agents hydrophobes, en particulier pour des surfaces formées par des silicates. Les atomes du chlore réagissent alors avec les groupes -OH liés à la surface, ou avec l'eau fixée par adsorption. Cette propriété permet d'utiliser lesdits composés pour la protection des matériaux de construction. Ils sont également utilisables pour rendre hydrophobes des matériaux comme le cuir, les texiles, etc. Une autre application de ces composés est leur mise en oeuvre dans la préparation de durcisseurs pour caourchoucs de silicone durcissant à la température ordinaire sous l'effet de l'hu- midité atmosphérique, les atomes de chlore des composés suivant l'invention étant remplacés par des groupes acétoxy-, alkylaminoamido- ou oxime. Les composés de l'invention forment, lors de leur condensation par hydrolyse, des sili-sesqui-oxanes fortement réticulés et cassants. Mais si l'on fait entrer ces composés dans des p > lymè- res mixtes, ceux-ci forment, dans la condensation par hydrolyse, des polymeres plus ou soins élastiques, et résistants aux chocs. Un intérêt particulier est présenté par les polymères mixtes contenant comme prépolymères des constituants organiques peu ou pas réticulés, par exemple des polyesters linéaires d'acides dicarboxyliques aliphatiques ou hydro-aromatiques porteurs de groupes terminaux -C-OH, qui réagissent sur les groupes -SiCl des composes de l'invention avec formation d'enchainements -Si-O-C- . Bien entendu, une faible partie seulement des groupes -SiCl participe à cette réaction, le reste étant réticulé dans la condensation par hydrolyse postérieure. On peut utiliser, à la place des prépolymères organiques, des composés organo-siliciques comme par exemple un dihydro -&alpha;,# polydiméthyl-siloxane. Le procédé de l'invention, ainsi que les propriétés des nouveaux composés, vont être développés dans les exemples qui suivent: EXEMPLE 1 On introduit dans un ballon à trois cols 598 g (4 moles) de méthyl-trichlorosilane. On y fait tomber goutte à goutte, en 3 heures et à la température ordinaire, en agitant, 74,1 g (1 mole) d'alcool tertio-butylique. On agite encore 2 heures à la température ordinaire, puis une heure à reflux. Par distillation simple, on chasse les constituants volatils en chauffant le ballon dans un bain à 2100, sous la pression normale.Le résidu, d'un poids de 70,3 g, présente une composition qui, d'après sa teneur en chlore, correspond à la formule nalyse élémentaire est en bon accord 16 avec laquelle l'a Théorie Trouvé Si 32,7 ss 32,2 % C 14,0 % 13,8 % H 3,5 Q 5 D/o Le rendement en produit hydrolysé, déduit de l'alcool t. butylique consommé comme agent d'hydrolyse, est de 95 ?/a. La visco sit du produit est de 192 cP à 200. La cryoscopie donne un poids moléculaire de 1200. Dans la région infra-rouge du spectre, on a une bande intense en 1026 cm-1. Cette bande correspond à une variation de la valence du groupe -Si -O -Si - d'un siloxane cyclique tendu.On n'observe pas dans le spectre infra~rouge de bandes correspondant à une teneur appréciable en groupes (CH3)3-C-O-Si- Dans le spectre RMN obtenu avec l'appareil Varian A 100, on note 3 signaux en 9,74 T, 9,46 Tet 9,17 # (le signal pour le tétra mdthyl-silane est en 10 ).- Ces signaux présentent des rapports de surface 113 : 56 : 50. Ils correspondent aux trois groupements Dans le cadre de la formule D on a les rapports d: e: f = 113 36 : 50. Ceci correspond a une valeur de a (rapport Cl :Si) de 0,683, en bon accord avec la teneur en chlore trouvée à l'analyse, qui est de 0,68. EXEMPLE 2 En opérant comme à l'Exemple 1, mais en employant 1196 grammes (8 moles) de méthyl-trichlorosilane pour 74,1 g (1 mole) d'alcool t. butylique, on obtient un produit correspondant à la composition On obtient 52,9 g de produit, soit 78,2 % du rendement théorique par rapport à l'alcool t. butylique consommé. La viscosité est de 165 cP, et la cryoscopie donne un poids moléculaire de 1300. Le spectre IR présente, là encore une bande intense en 1026 cm 19 correspondant à une variation de la valence du groupe -Si-O-Si d'un siloxane cyclique tendu. Dans le spectre RMN obtenu avec l'appareil Varian A 100, on note 3 signaux en 9,74 #, 9,45 rt et 9,19Q # . Ces signaux présentent des rapports de surface 106 : 53 : 45.Dans le cadre de la formule D, on a les rapports d : e : f = 106 : 53 : 45. Ceci correspond à une valeur de a (rapport Cl : Si) de 0,701, en bon accord avec la valeur de 0,71 dOduite de la teneur en chlore. EXLE 3 En opérant comme à l'Exemple 1, on fait réagir, d'une part 846,4 g (4 moles), d'autre part 423,2 g (2 moles) de phényl-tri- chlorosilane, avec 74,1 g (1 mole) d'alcool t.butylique. On chasse les constituants volatils sous une pression de 18 mm de mercure, le ballon étant plongé dans un bain à 2100. On obtient, dans le premier cas 134,8 g, et dans le second cas 120,5 g d'un produit solide à la température ordinaire mais liquide à 210 , et soluble dans le toluène. Les compositions déterminées par l'analyse correspondent respectivement aux formules Les rendements par rapport à l'alcool t.butylique consommé sont de 93,2 et 99 70 de la théorie. EXEKPIE 4 En opérant comme à l'exemple 1, mais en utilisant 448,5 g (3 moles) de méthyl-trichlorosilane pour 74,1 g (i mole) d'alcool t.butylique, on obtient un résidu gélatineux. Mais en ajoutant avant l'hydrolyse 748 g de tétrachlorure de carbone, on obtient un siloxane de formule La viscosité du produit est de 280 cP. La cryoscopie indique un poids moléculaire de 650. EXEMPLE 5 On introduit dans un ballon à trois cols 598 g (4 moles) de méthyl-trichlorosilane et on chauffe jusqu'à début de reflux. On fait tomber goutte à goutte, en 3 heures et en agitant, 74,1 g (1 mole) d'alcool t.-butylique. Le mélange réactionnel recommence à bouillir à reflux. On maintient le reflux pendant 3 heures puis on chasse par distillation simple, le ballon étant plongé dans un bain à 2100, sous la pression normale, les produits volatils. Le résidu, azurs poids de 91 g correspond, d'après sa teneur en chlore, à la formule ce qui correspond à un rendement de 96,3 % par rapport à l'alcool t.butylique consommé. La viscosité est de 36,0 cP. Les résultats de l'analyse élémentaire sont en bon accord avec cette formule Théorie Trouvé Si 29,7 0 29,3 toC' C 12,7 % 12,8 % H 3,2 % 3,2 % Le spectre IR ne présente pas de bande en 1026 cm -1 indiquant la variation de la valence du groupe -Si-O-Si, correspondant à un siloxane cyclique tendu. Il n'y a de mEme pas de bandes in diluant la présence des groupes (CH)3 -C-O-Si.Le spectre RMN obtenu avec l'appareil Varian A 100, donne 3 signaux en 9,64 # 9,42 #, et 9,19 # (le signal correspondant au tétraméthylsilane est en 10#). Ils présentent des rapports de surface 3 : 1 : 3, et correspondent au trois groupements: CH3SiO1,5, Le produit correspond ainsi à la formule : avec n = 1,406. Le produit est distillé dans une colonne avec évaporateur en couche mince, sous une pression d'un mm de mercure. On recueille les fractions ci-après Température de % de Valeur du paramètre a Poids la surface de distillat (rapport Cl: Si) dans moléculaire l'évaporateur le distillat 100 16,8 0,99 610 150 15,2 1,00 680 2000 : 17,6 : 1,00 : 970 2500 12,6 0,99 : 1164 3000 : 11,6 : 1,00 - : 1300 Le résidu représente 26,2 %. La valeur de a dans le résidu est de 0,87. Le poids moléculaire est de 4464. EXEMPLE 6 En opérant comme à l'Exemple 5, on hydrolyse divers silanes par l'alcool t.butylique, en opérant, soit au reflux, soit à 1000. Les résultats sont résumés dans le tableau qui suit. Silane de Moles de Si- Conditions Compositions Viscosité Rendement par départ lane par mole d'hydrolyse du produit à 20 rapport à Remarques de Poids mol. (CH3)3-C-OH (CH3)3C-OH CH3 # 34,9 cP CH3SiCl3 8 A reflux Cl1,01-Si-O0,995 920 100 % CH3 # 38,6 cP CH3SiCl3 2 A reflux Cl0,99-Si-O1,005 940 98 % CH3 # CH3SiCl3 1,5 A reflux Cl0,87-Si-O1,065 Gel CH3 On a ajouté 434 g # 225 cP de CCl4 par mo CH3SiCl3 1,1 A reflux Cl0,6-Si-O1,2 763 87,7 % le d'alcool t.butylique C6H5 Distillé sous # Solide à 18 mm de mercure C6H5SiCl3 4 100 C Cl0,99-Si-O1,005 température 96,7 % et à une tempé ordinaire rature de 210 H Hydrogène trouvé # 11,7cP = 1,20 HSiCl3 4 A reflux Cl1,1-Si-O0,95 790 96,5 % Hydrogène théo rique = 1,21 % Cl Distillé dans # 14,7 cP une SiCl4 4 A reflux Cl0,99-Si-O1,005 température 99,8 % colonne REVENDICATIONS 1. Procédé cte préparation de composés répondant à la formule générale: dans laquelle a peut aller de 0,5 à 1,1, et R est un atome dthy- droône o de chlore, ou Uri reste alkyle ou aryle, eventuellement substitué, par hydrolyse de silanes de formule générale R-SiCl3, l'agent d'hydrolyse étant un alcool tertiaire, caractérisé en ce de l'on introduit au préalable le silane et l'on fait tomber l'alcool tertiaire goutte à goutte à la température de reflux du silane, OU si le point d'ébullition du silane est supérieur à CO C, à une tempèrature comprise entre 80 et 150 C, en utilisant de 0,50 à 0,125 mole d'alcool tertiaire par mole de silane, le silane non converti étant éliminé nar distillation en même temps sue le chlorure de tertio-alkyle formé comme sous-produit. 2. procédé suivant la revendication 1+ caractérisé en ce que l'alcool tertiaire est un alcool contenant dans sa molécule à 8 atomes de carbone. 3. Nouveaux composés liquides ou fusibles répondant à la formule générale caractérisés nr un poids moléculaire moyen compris entre 66 et 2000, dans lesqueles R a la signification indiquée à la revendication 1 et a une valeur comprise entre 0,5 et 0,9. 4. Nouvelles siloxanes cycliques, liquides ou fusibles répondant à la formule générale: - 1,5 g d'un soins moléculaire moyen de 600 à 2000 et dans lesquelles R a la signification indiquée à la revendication 1, g étant plus grand que h, et g et h étant supérieurs à zéro. d'un poids moléculaire moyen de 600 à 2000 et dans lesquelles R a la signification indiquée à la revendication 1, g étant plus grand que h , et g et h étant supérieurs à zéro,