СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛИЦИДИЛОКСИАЛКИЛТРИАЛКОКСИСИЛАНОВ
METHOD OF PRODUCING GLYCIDYLOXYALKYL TRIALKOXYSILANES

Изобретение относится к способу получения глицидилоксиалкилалкоксисиланов путем гидросилилирования простого олефинглицидного эфира в присутствии катализатора.
Силаны с функциональными эпокси-группами представляют важные промежуточные или целевые продукты в химии органических силанов. Их применяют в качестве усилителей адгезии в слоистых материалах, например в производстве лаков и стеклянных волокон, в литейной технике и в производстве клеящих веществ. Кроме того, указанные соединения играют важную роль также как покрытия оптических стекол.
Глицидилоксиалкилалкоксисиланы получают, например, путем взаимодействия несущего атом водорода триалкоксисилана с простым аллилглицидиловым эфиром в присутствии катализатора гидросилилирования, которое можно описать следующим уравнением реакции:
2
2
2
2
3
2
2
3
6
3,
CH(O)CHCHOCHCH=CH+HSi(OR)→CH(O)CHCHOCHSi(OR)
2
2
2
3
3
причем R означает алкил, как, например, метил, этил или пропил. Для R=метил в литературе описано получение 3-глицидилоксипропилтриметоксисилана, а для R=этил описано получение 3-глицидилоксипропилтриэтоксисилана. В качестве побочных продуктов при этом образуются изомеры, CH(O)CHCHOCHCH(Si(OR))CH и соответствующий восьмичленный гетероцикл, а также глицидилокситриалкоксисилан, пропилтриалкоксисилан, простой пропенилглицидиловый эфир и тетраалкоксисилан, и, далее, высококипящие компоненты. В частности соединения, трудно удаляемые путем перегонки, изомерный глицидилалкоксипропилтриалкоксисилан и восьмичленный гетероцикл требуют высоких затрат на разделение в дистиляционной колонне и длинных сроков перегонки. Образование простых пропенилглицидиловых эфиров и тетраалкоксисилана представляет значительную потерю селективности.
2
6
Реакции гидросилилирования H-силанов с соединениями, включающими двойную углерод-углеродную связь, осуществляют или периодически, или непрерывно, причем в таких реакциях обычно используют благородный металл как катализатор. Получение 3-глицидилоксипропилтриалкоксисиланов обычно осуществляется с использованием гомогенного катализатора, а именно катализатора Спайера, представляющего HPtCl, или катализатора Карстедта, представляющего комплекс дивинилтетраметилдисилоксана и платины (см. EP 0277023, EP 0288286, JP 128763 и DE 2159991), но его можно также осуществлять в присутствии благородных металлов в качестве гетерогенного катализатора (см. патент ЕР 0548974 или патент США 4736049).
В случае, если гидросилилирование простого аллилглицидилового эфира осуществляют с использованием триметоксисилана в присутствии гомогенного платинового катализатора, то можно наблюдать, что значительная доля используемого простого аллилглицидилового эфира изомеризуется и тем самым больше не участвует в гидросилилировании. Это, как правило, приводит к значительным потерям селективности.
Дальнейший недостаток известных гомогенных катализаторов заключается в образовании коллоидной платины, которая также повышает образование побочных продуктов. Образование коллоидной платины наблюдается, в частности, при применении гомогенных катализаторов типа Карстедта. Наряду со сниженной избирательностью относительно целевого продукта происходит изомеризация используемого олефина, который после изомеризации больше не участвует в гидросилилировании.
В патенте EP 0 985 675 описано применение кислоты в качестве промотора гидросилилирования олефина для получения алкилсиланов.
В патенте SU 415268 описано получение аминоалкилсиланов путем гидросилилирования аллиламина, причем данная реакция осуществляется в присутствии катализатора с добавлением кислоты в качестве промотора.
Общеизвестно, что, как правило, оксирановое кольцо открывается под воздействием кислоты и в таком состоянии является чрезвычайно реакционноспособным. При этом дециклизация оксирана осуществляется и за счет кислотного катализа, и с помощью любых других нуклеофильных соединений (см. S.Hauptmann, "Organische Chemie", 1-е издание, 1985, издательство VEB Verlag für Grundstoffindustrie, г.Лейпциг, стр.558 и cл.).
В основу настоящего изобретения положена задача предоставить новый, улучшенный способ получения глицидилоксиалкилалкоксисиланов. В частности, задача заключается в уменьшении перечисленных выше недостатков и связанного с ними экономического ущерба.
Согласно изобретению задача решается с помощью признаков, приведенных в формуле изобретения.
Неожиданно было найдено, что гомогенные платиновые катализаторы, в частности гексахлорплатиновая кислота и катализатор Карстедта, в присутствии кислого промотора, в частности моно- или дикарбоновой кислоты, не вызывают ни раскрытия эпоксидного кольца простого аллилглицидилового эфира, ни глицидилоксиалкилалкоксисилана. Так, например, гомогенный катализатор согласно предпочтительному варианту изобретения можно использовать, в частности, в сочетании с промотором и пригодным растворителем или разбавителем или их смесью, причем особенно предпочтительно в качестве растворителя или разбавителя служит целевой продукт. Кроме того, с помощью настоящего способа с использованием промотора можно выгодным образом повысить селективность. Предлагаемый способ позволяет уменьшить образование коллоидной платины и побочных продуктов. Удается заметно снизить, в частности, долю изомеризованного продукта, изомеризованного олефина и тетраалкоксисилана. Данный эффект имеется при осуществлении предлагаемого способа, в частности, в случае применения катализаторов Спайера или Карстедта в указанной комбинации с промотором. В частности, предпочтительно повышения селективности относительно продукта и торможения образования изомеров и побочных продуктов достигают благодаря использованию избытка олефина по сравнению с гидрогентриалкоксисиланом. Таким образом, с помощью настоящего изобретения можно достигать селективности относительно целевого продукта выше 87% при одновременной почти полной конверсии (выше 98%) триалкоксисилана.
Далее было найдено, что, несмотря на адиабатическую реакцию и на связанные с этим высокие температуры, промотор проявляет повышающее селективность действие в ходе реакции, и при этом, несмотря на высокие температуры, особенно выгодно, что оксирановое кольцо сохраняется, несмотря на кислотную активность промотора.
Далее, неожиданно было найдено, что содержание воды в промоторе в общем отрицательно не влияет на селективность. Адиабатический режим реактора выгодным образом сокращает время реакции и снижает долю побочных продуктов.
Таким образом, объектом изобретения является способ получения глицидилоксиалкилалкоксисиланов общей формулы (I)
,
2
2
2-
в которой группы R и R' независимо друг от друга означают линейный или разветвленный алкил с 1-4 атомами углерода, предпочтительно метил, этил или пропил, n означает число 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или 8, m означает 0, 1, 2 или 3, a R'' означает группу HC(O)CH- или HC(O)CHCH,
путем взаимодействия
(i) функционализированного алкена общей формулы (II)
,
2
2
2
в которой R'' означает группу HC(O)CH- или HC(O)CHCH-, а n означает число 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или 8,
(ii) no меньшей мере, с одним гидрогеналкоксисиланом общей формулы (III)
в которой группы R и R' независимо друг от друга означают линейный или разветвленный алкил с 1-4 атомами углерода, а m означает 0, 1, 2 или 3,
в присутствии
(iii) по меньшей мере, одного гомогенного катализатора,
(iv) по меньшей мере, одного растворителя и/или, по меньшей мере, одного разбавителя, и
(v) по меньшей мере, одного промотора.
В рамках предлагаемого способа в качестве олефинового компонента (i) используют предпочтительно простой аллилглицидиловый эфир.
В качестве гидрогеналкоксисилана (ii) в рамках предлагаемого способа используют предпочтительно триметоксисилан или триэтоксисилан.
При этом выгодно использовать компоненты (i) олефин и (ii) гидрогеналкоксисилан, в молярном соотношении 1,8-1,0:1,0, предпочтительно 1,3-1,1:1,0.
Кроме того, в рамках предлагаемого способа гидросилилирование осуществляют в присутствии (iii) по меньшей мере, одного гомогенного катализатора, выбранного из катализаторов Спайера или Карстедта.
Для специалиста катализатор Спайера, который можно использовать для осуществления предлагаемого способа, представляет, как правило, гексахлорплатиновую кислоту, или растворенную в изопропаноле гексахлорплатиновую кислоту. Однако для данной катализаторной системы специалисту известны и другие растворители, например ацетон или метанол, или смеси растворителей.
Катализаторы Карстедта представляют растворимые катализаторы на основе содержащего платину (0) комплекса, описанные, например, в патенте США 3,775,452, в заявке DE 1941411, или в публикации В. Marciniec, "Comprehensive Handbook of Hydrosilylation", издательство Pergamon Press, Нью-Йорк, 1992 г. В предлагаемом способе используют, в частности, комплекс платины (0) и дивинилтетраметилдисилоксана, который имеется, как правило, как концентрат в растворенном в агенте комплексообразования виде. Кроме того, комплексный катализатор или соответственно концентрат комплекса платины (0) и дивинилтетраметилдисилоксана в дивинилтетраметилдисилоксане в качестве катализаторной системы выгодно использовать в растворенном ксилоле и/или целевом продукте настоящего способа виде, то есть предпочтительно 3-глицидилоксипропилтриметоксисилане или 3-глицидилоксипропилтриэтоксисилане. Далее к получаемому таким образом катализаторному составу предпочтительно добавляют промотор (v).
Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа катализатор (iii) применяют предпочтительно в разбавленном, по меньшей мере, в одном растворителе, в частности дивинилтетраметилдисилоксане, и/или, по меньшей мере, в одном разбавителе, предпочтительно в продукте гидросилилирования, то есть в целевом продукте, в частности в 3-глицидилоксипропилтриметоксисилане или 3-глицидилоксипропилтриэтоксисилане, виде. При этом используемый растворитель или разбавитель может одновременно служить в качестве разбавителя реакционной смеси.
Предпочтительно катализатор (iii) (в пересчете на металл) используют в молярном соотношении относительно олефина (i), составляющем от 1:1000000 до 1:25000, предпочтительно от 1:500000 до 1:100000.
В рамках предлагаемого способа реакцию (гидросилилирование) осуществляют предпочтительно в среде, по меньшей мере, одного растворителя и/или, по меньшей мере, одного разбавителя (iv), выбранного из группы, включающей парафины, толуол, ксилол, органические образователи комплексов катализаторов, как, например, дивинилтетраметилдисилоксан, продукты гидросилилирования (целевой продукт), или смесь, по меньшей мере, двух из указанных веществ. Растворитель и/или разбавитель используют в массовом соотношении к катализатору (в пересчете на металл), составляющем предпочтительно 100000-10:1, особенно предпочтительно 10000-50:1, в частности 5000-100:1. Это делает возможной в основном равномерная подача отдельных компонентов и в исходной смеси, и далее по ходу реакции.
Далее, взаимодействие осуществляют предпочтительно в присутствии, по меньшей мере, одного кислого активатора (v) из ряда моно- и дикарбоновых кислот, предпочтительно монокислот, как, например, муравьиной кислоты, уксусной кислоты или пропионовой кислоты, а также других H-ацидных соединений, как, например, фенола или его производных. Содержание воды в промоторах может составлять от 0 до 3000 мас. частей на миллион.
При осуществлении предлагаемого способа катализатор (iii) и промотор (v) используют предпочтительно в молярном соотношении (катализатор в пересчете на металл), составляющем от 1:250 до 1:25000, предпочтительно от 1:1000 до 1:5000.
В рамках предлагаемого способа катализатор (iii) и промотор (v) используют предпочтительно вместе в разбавленном, по меньшей мере, в одном растворителе и/или, по меньшей мере, одном разбавителе (iv), предпочтительно в продукте гидросилилирования, виде. При этом предпочтительным является массовое соотношение растворителя и/или разбавителя к промотору, составляющее 1000-0,001:1, особенно предпочтительно 100-0,01:1, в частности 10-0,1:1.
Для осуществления предлагаемого способа компоненты (i), (ii), (iii), (iv) и (v) при температуре окружающей среды, предпочтительно при температуре от 0 до 40°C, подают предпочтительно в тангенциальный смеситель, причем компоненты размешивают и полученную смесь подают непосредственно в реактор. При этом компоненты (iii), (iv) и (v) можно подавать в виде предварительно полученной смеси или предварительно полученного раствора.
Особенно предпочтительно реактор представляет трубчатый реактор с адиабатическим режимом работы, реактор барботажного типа или реактор типа котла с мешалкой, в котором мешалка включена или выключена. Целесообразно реактор выполнен с возможностью обогрева и охлаждения с тем, чтобы его можно было предварительно обогревать для запуска процесса, а после начала экзотермической реакции или отключают обогрев, или устанавливают желаемую эксплуатационную температуру. Особенно предпочтительно реактор работает с автоматическим регулированием, причем реакционная смесь перемешивается с помощью поднимающихся газовых пузырьков, по образцу барботажной колонны, благодаря чему реакторную систему можно эксплуатировать с высокой степенью обратного перемешивания. Преимущество такой реакторной системы заключается в том, что не требуется дополнительного кондиционирования реактора для запуска реакции. Кроме того, при осуществлении предлагаемого способа можно отказаться от дополнительного реактора, установленного перед основным реактором, и от встроенных элементов в реакторе, например насадок.
Таким образом, для осуществления предлагаемого способа предпочтительно используют трубчатый реактор, реактор барботажного типа или реактор типа котла с мешалкой, в котором мешалка включена или выключена.
В качестве материала реактора пригодны, как правило, любые высококачественные стали, причем предпочтительно используют металлы типа Inconel, сплав типа Hastelloy С4, никель, глазурь на металле, то есть реакторы, снабженные глазурем, в частности, в реакционной зоне, или стекло, например термостойкое стекло или кварцевое стекло. В частности, для осуществления предлагаемого способа используют трубчатый реактор диаметром от 5 до 20 см, предпочтительно 10 см, и длиной от 100 до 400 см. При этом можно устанавливать несколько реакторов или параллельно, или последовательно.
-1
-1
Согласно изобретению взаимодействие в реакторе осуществляют предпочтительно при температуре от 40 до 200°С, особенно предпочтительно от 60 до 160°С, и при давлении от 0,5 до 20 бар абс., в частности при давлении окружающей среды, то есть 1 бар, и при объемной скорости от 3 до 30 [час], в частности от 5 до 10 [час]. Среднее время пребывания реакционной смеси в реакторе составляет предпочтительно от 1 до 20 минут, особенно предпочтительно от 3 до 9 минут, в частности от 5 до 8 минут.
Обычно получаемый таким образом продукт взаимодействия подвергают переработке. Для этой цели покидающий реактор продукт целесообразно собирают в промежуточном резервуаре, откуда его подают на перегонку. На стадии перегонки удаляют используемый в избытке олефин и возможно используемый растворитель, причем данные компоненты предпочтительно подают на повторное использование. Кроме того, получают целевой продукт, в частности 3-глицидилоксипропилтриметоксисилан или 3-глицидилоксипропилтриэтоксисилан.
Предлагаемый способ, в частности стадии смешивания и дозированной подачи исходных веществ, взаимодействия (гидросилилирования) и переработки, можно осуществлять периодически или непрерывно.
Обычно предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Как правило, на стадии смешивания оптимальным образом размешивают функционализированный алкен, гидрогеналкоксисилан, гомогенный катализатор в среде растворителя, разбавитель и промотор и их непрерывно загружают в реактор. Целесообразно исходные вещества (i)-(v) подают в тангенциальный смеситель, перемешивают, реакционную смесь подают в нагретую до температуры эксплуатации реакторную систему и подвергают реакции. Для этого катализатор или катализаторную систему можно смешивать с растворителем, разбавителем или смесью растворителя и разбавителя, а также с промотором, и подавать в реактор в виде смеси. Альтернативно катализатор можно смешивать с растворителем или разбавителем и полученную смесь можно подавать на стадию смешивания. При этом промотор можно подавать на стадию смешивания отдельно от смеси катализатора и растворителя или разбавителя. Или же промотор можно подавать в виде смеси с растворителем или разбавителем. После запуска реакции (гидросилилирования) в реакторе выгодным образом можно прекратить наружную подачу энергии и воспользоваться теплотой реакции для внутреннего нагрева реакционной смеси. Реактор эксплуатируют предпочтительно непрерывно с высокой степенью обратного перемешивания и при кратком времени пребывания реакционной смеси. Таким образом предлагаемый способ позволяет чрезвычайно выгодным образом достичь высокой степени конверсии триалкоксисилана, составляющей порядка 98-100%.
Полученную в результате взаимодействия (гидросилилирования) смесь продуктов можно затем подвергать переработке путем перегонки. Последнюю можно осуществлять при пониженном давлении, например, в системе колонн, в пленочном испарителе или в пленочном испарителе со встроенным конденсатором. Олефин, используемый в избытке и удаляемый на стадии переработки, а также отделяемые на данной стадии растворитель или разбавитель и промотор можно рециркулировать. Как правило, целевой продукт получается в кубе, и в рамке переработки его можно подвергать дополнительной тонкой перегонке.
В частности, благодаря сравнительно высокой селективности предлагаемый способ отличается значительно улучшенной экономичностью. Согласно изобретению повышения селективности достигают путем применения особо выбранных катализаторных систем в сочетании, по меньшей мере, с одним промотором и растворителем или разбавителем соответственно, благодаря чему выгодным образом снижается образование побочных продуктов, в частности изомеризованного олефина, изомеризованного целевого продукта и тетраалкоксисилана. Особенно выгодным является высокая селективность относительно целевого продукта при почти полной конверсии триалкоксисилана.
Изобретение иллюстрируется с помощью приведенного ниже примера, не ограничивающего объект изобретения.
Пример
Согласно данному примеру простой аллилглицидиловый эфир подвергают взаимодействию с триметоксисиланом с получением 3-глицидилоксипропилтриметоксисилана. Реакция осуществляется непрерывно за счет подачи сырья (простой аллилглицидиловый эфир: 9,6 кг/час, триметоксисилан: 8 кг/час) вместе с платиновым катализатором Карстедта в присутствии уксусной кислоты (0,05 мас.% в пересчете на общую массу реакционной смеси) в трубчатый реактор. Концентрация катализатора в пересчете на металлическую платину составляет 2 части на миллион. При этом платиновый катализатор Карстедта растворяют в 3-глицидилоксипропилтриметоксисилане. Температура реакции составляет примерно 160°C. Реакцию осуществляют с избытком простого аллилглицидилового эфира (молярное соотношение простого аллилглицидилового эфира: триметоксисилан=1,28:1). Полученная реакционная смесь имеет следующий состав:
ТМОС [%]
ДИН М [%]
АГЭ [%]
цис-изо-АГЭ [%]
транс-изо-АГЭ t%]
изо-ГЛИМО [%]
цикло-ГЛИМО [%]
ГЛИМО[%]
ВВ [%]
0,2
0,4
0,4
6,4
3
0,3
0,1
87,3
1,9
ТМОС
=триметоксисилан
ДИН М
=тетраметоксисилан
АГЭ
=простой аллилглицидиловый эфир
цис-изо-АГЭ
=простой цис-пропенилглицидиловый эфир
транс-изо-АГЭ
=простой транс-пропенилглицидиловый эфир
изо-ГЛИМО
=2-глицидилокси-1-метил-этилтриметоксисилан
цикло-ГЛИМО
=1-ди-метокси-сила-2,5-диокса-3-метокси-метил-
циклооктан
ГЛИМО
=3-глицидилоксипропилтриметоксисилан
ВВ
=высококипящие вещества
Состав смеси продуктов определяли с помощью газовой хроматографии.
В случае, если вышеописанную реакцию осуществляют без использования уксусной кислоты в качестве промотора, то получают реакционную смесь следующего состава:
ТМОС [%]
ДИН М [%]
АГЭ [%]
цис-изо-АГЭ[%]
транс-изо-АГЭ [%]
изо-ГЛИМО [%]
цикло-ГЛИМО[%]
ГЛИМО[%]
ВВ [%]
0,3
1,15
1,7
6,35
6,35
1,1
0,15
81
1,9
Преимущества применения гомогенного платинового катализатора в присутствии органической кислоты в сочетании с использованием целевого продукта в качестве растворителя или разбавителя заключаются в повышенной селективности относительно целевого продукта, в частности в уменьшении доли изо-продукта и цикло-продукта и в снижении изомеризации используемого олефинового соединения.
Кроме того, уменьшенное образование побочного продукта облегчает перегонку сырого продукта и улучшает качество, то есть требуются меньшие затраты на разделение и достигается снижение времени перегонки, если изо- и цикло-продукты имеются в меньшем количестве. Далее, таким образом можно также повысить качество целевого продукта, то есть 3-глицидилоксипропилтриметоксисилана.