СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДСОДЕРЖАЩИХ СИЛАНОВ
METHOD FOR PREPARING UREA-CONTAINING SILANES

Настоящее изобретение относится к способу получения карбамидсодержащих силанов.
Из CAS 1184961-62-3, 442527-46-0 и 498553-03-0 известны соединения формул
Помимо этого из US 2003/0191270 А1 известны силаны формулы
Из JP 2002201312 А известны модификаторы каучука формулы
Из J. Mat. Chem. 2009, 19, сс. 4746-4752, известны далее золотые наночастицы, присутствующие в функционализированных SH-группами скелетных структурах из мезопористых кремниевых кислот, и получение карбамидсодержащих силанов. При получении силанов этим известным способом используют органические растворители.
2
2
4
Недостаток известного способа получения силанов состоит в том, что он представляет собой сложный и трудоемкий процесс, проводимый во много стадий и предусматривающий использование органического растворителя (нейтрализация в HO, экстракция в CHCl-фазе, сушка сульфатом магния (MgSO), удаление растворителя, замена растворителя на тетрагидрофуран (ТГФ), реакция в ТГФ, удаление растворителя, осаждение/промывка в пентане).
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ, который в отличие от известных из уровня техники способов позволял бы избежать использования органического растворителя и состоял бы из меньшего количества стадий.
Объектом изобретения является в соответствии с этим способ получения карбамидсодержащих силанов общей формулы I
1
1
10
2
10
4
10
6
20
1
10
2
20
7
20
1
30
1
20
1
10
1
7
2
3
где R имеют одинаковые или разные значения и представляют собой C-Cалкоксигруппы, предпочтительно метокси- или этоксигруппу, циклическую C-Cдиалкоксигруппу, фенокигруппу, C-Cциклоалкоксигруппы, C-Cарильные группы, предпочтительно фенил, C-Cалкильную группу, предпочтительно метил или этил, C-Cалкенильную группу, C-Cаралкильную группу или галоген, предпочтительно Cl, a R имеют одинаковые или разные значения и представляют собой разветвленную либо неразветвленную, насыщенную либо ненасыщенную, алифатическую, ароматическую либо смешанно алифатическую/ароматическую двухвалентную углеводородную группу с C-C, предпочтительно с C-C, более предпочтительно с C-C, особенно предпочтительно с C-C, наиболее предпочтительно с C и C, которая необязательно замещена F-, Cl-, Br-, I-, -CN или HS-, отличающийся тем, что диамин общей формулы II
подвергают в воде взаимодействию с изоцианатсиланом общей формулы III
1
где R и R имеют указанные выше значения.
Для реакции можно при необходимости использовать дополнительный органический растворитель.
Взаимодействие можно проводить без дополнительного органического растворителя.
Карбамидсодержащие силаны могут представлять собой смеси карбамидсодержащих силанов общей формулы I.
Получаемый предлагаемым в изобретении способом продукт может содержать олигомеры, которые образуются в результате гидролиза и конденсации алкоксисилановых функциональных групп карбамидсодержащих силанов общей формулы I.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
2
3
3
2
3
2
2
5
2
2
3
3
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В предпочтительном варианте R может обозначать -CH-, -CHCH-, -CHCHCH-, -CHCHCHCH-, -CH(CH)-, -CHCH(CH)-, -CH(CH)CH-, -C(CH)-, -CH(CH)-, -CHCHCH(CH)-, -CH(CH)CHCH-, -CHCH(CH)CH-, -CHCHCHCHCH-, -CHCHCHCHCHCH-, -CHCHCHCHCHCHCH-, -CHCHCHCHCHCHCHCH-,
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-CHCHCHCHCHCHCHCHCH-,
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-CHCHCHCHCHCHCHCHCHCH-,
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH-,
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH-,
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH-,
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
-CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH-
2
2
2
6
4
2
-CH, соответственно -СН-СН-СН-СН-.
3
2
2
2
Карбамидсодержащие силаны общей формулы I в предпочтительном варианте могут представлять собой ((EtO)Si-CH-NH-CO-NH-CH-S),
3
2
2
2
2
3
2
2
2
2
((EtO)Si-CHCH-NH-CO-NH-CH-S), ((EtO)Si-CH-NH-CO-NH-CHCH-S),
3
2
2
2
2
2
((EtO)Si-CHCH-NH-CO-NH-CHCH-S),
3
2
2
2
2
2
((EtO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CH-S),
3
2
2
2
2
2
2
((EtO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CHCH-S),
3
2
2
2
2
2
((EtO)Si-CH-NH-CO-NH-CHCHCH-S),
3
2
2
2
2
2
2
((EtO)Si-CHCH-NH-CO-NH-CHCHCH-S),
3
2
2
2
2
2
2
2
((EtO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CHCHCH-S),
3
2
2
2
3
2
2
2
2
((MeO)Si-CH-NH-CO-NH-CH-S), ((MeO)Si-CHCH-NH-CO-NH-CH-S),
3
2
2
2
2
((MeO)Si-CH-NH-CO-NH-CHCH-S),
3
2
2
2
2
2
((MeO)Si-CHCH-NH-CO-NH-CHCH-S),
3
2
2
2
2
2
((MeO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CH-S),
3
2
2
2
2
2
2
((MeO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CHCH-S),
3
2
2
2
2
2
((MeO)Si-CH-NH-CO-NH-CHCHCH-S),
3
2
2
2
2
2
2
2
((MeO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CHCHCH-S) или
3
2
2
2
2
2
2
2
((MeO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CHCHCH-S).
Особенно предпочтительно соединение формулы
3
2
2
2
2
2
2
((EtO)Si-CHCHCH-NH-CO-NH-CHCH-S).
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Диамины общей формулы II в предпочтительном варианте могут представлять собой HN-CH-S-S-CH-NH, HN-CHCH-S-S-CH-NH, HN-CHCH-S-S-CHCH-NH, HN-CH-S-S-CHCHCH-NH,
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
HN-CHCH-S-S-CHCHCH-NH или HN-CHCHCH-S-S-CHCHCH-NH.
2
5
3
2
2
5
3
2
2
2
5
3
2
2
2
3
3
2
3
3
2
2
3
3
2
2
2
Изоцианатсиланы общей формулы III в предпочтительном варианте могут представлять собой (CHO)Si-CH-NCO, (CHO)Si-CHCH-NCO, (CHO)Si-CHCHCH-NCO, (CHO)Si-CH-NCO, (CHO)Si-CHCH-NCO или (CHO)Si-CHCHCH-NCO.
Карбамидсодержащий силан общей формулы I можно получать предлагаемым в изобретении способом с выходом более 50%, предпочтительно более 60%, особенно предпочтительно более 70%, наиболее предпочтительно более 80%.
6
3
6
3
1
Растворимый в ДМСО-d или CDCl компонент в полученном предлагаемым в изобретении способом продукте определяют путем добавления внутреннего стандарта, такого, например, как трифенилфосфиноксид (ТФФО), в ДМСО-d или CDCl и путем анализа известным H-ЯМР-методом.
В сравнении с применяемыми диаминами общей формулы II количество воды может составлять более 1 мас. %, предпочтительно более 10 мас. %, особенно предпочтительно более 50 мас. %, наиболее предпочтительно более 100 мас. %.
Реакцию можно проводить в условиях, исключающих доступ воздуха.
Реакцию можно проводить в атмосфере защитного газа, например аргона или азота, предпочтительно в атмосфере азота.
Предлагаемый в изобретении способ можно осуществлять при нормальном давлении, повышенном давлении или пониженном давлении. В предпочтительном варианте предлагаемый в изобретении способ можно осуществлять при нормальном давлении.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа при повышенном давлении оно может составлять от 1,1 до 100 бар, предпочтительно от 1,5 до 50 бар, особенно предпочтительно от 2 до 20 бар, наиболее предпочтительно от 2 до 10 бар.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа при пониженном давлении оно может составлять от 1 до 1000 мбар, предпочтительно от 1 до 500 мбар, особенно предпочтительно от 1 до 250 мбар, наиболее предпочтительно от 5 до 100 мбар.
Предлагаемый в изобретении способ можно осуществлять при температуре в пределах от 0 до +100°C, предпочтительно от 5 до 60°C, особенно предпочтительно от 5 до 30°C.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа можно дозировать диамины общей формулы II к изоцианатсиланам общей формулы III.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа в предпочтительном варианте можно дозировать изоцианатсиланы общей формулы III к диаминам общей формулы II.
Диамины общей формулы II можно перед их взаимодействием с изоцианатсиланами общей формулы III получать из гидрогалогенидных солей диаминов общей формулы IV
добавлением основания, предпочтительно NaOH или KOH, при этом Hal представляет собой F, Cl, Br или I, предпочтительно Cl. Основание можно при этом добавлять до тех пор, пока величина pH не установится на значение в пределах 7 до 14.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа диамины общей формулы II и изоцианатсиланы общей формулы III можно использовать в молярном соотношении между ними от 1:1,70 до 1:2,20, предпочтительно от 1:1,75 до 1:2,10, особенно предпочтительно от 1:1,80 до 1:2,00.
Остаточное содержание диаминов общей формулы II в продукте, полученном предлагаемым в изобретении способом, может составлять менее 25 мол. %, предпочтительно менее 10 мол. %, особенно предпочтительно менее 5 мол. %, наиболее предпочтительно менее 3 мол. %.
13
2
2
2
Выраженное в мол. % относительное содержание диаминов общей формулы II в продукте, полученном предлагаемым в изобретении способом, определяют с использованием C-ЯМР-метода путем интегрирования сигналов от C-атомов группы -CH-NH в диаминах общей формулы II по отношению к C-атомам группы Si-CH- в карбамидсодержащих силанах общей формулы I.
2
2
2
2
2
2
2
2
В целях определения такого относительного содержания для вещества формулы II HN-CH-CH-S-S-CH-CH-NH используют, например, интеграл сигналов от C-атомов группы -CH-NH.
Остаточное содержание изоцианатсиланов общей формулы III в продукте, полученном предлагаемым в изобретении способом, может составлять менее 10 мол. %, предпочтительно менее 5 мол. %, особенно предпочтительно менее 1 мол. %, наиболее предпочтительно менее 0,1 мол. %.
13
2
Выраженное в мол. % относительное содержание изоцианатсиланов общей формулы III в продукте, полученном предлагаемым в изобретении способом, в интервале значений более 1 мол. % определяют с использованием C-ЯМР-метода путем интегрирования сигналов от C-атомов группы -NCO в изоцианатсиланах общей формулы III по отношению к С-атомам группы Si-CH- в карбамидсодержащих силанах общей формулы I.
3
2
2
2
В целях определения такого относительного содержания в интервале значений более 1 мол.% для вещества формулы III (EtO)Si-CH-CH-CH-NCO используют, например, интеграл сигналов от C-атомов группы -NCO (δ=122,22 м.д.).
2
4
2
4
-1
-1
Выраженное в мол. % относительное содержание изоцианатсиланов общей формулы III в продукте, полученном предлагаемым в изобретении способом, в интервале значений менее 1 мол. % определяют известным методом количественной инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием. Для калибровки при анализе этим методом используют калибровочные растворы пригодной для этого концентрации (например, в CCl). Для проведения измерений навеску пробы массой около 1 г помещают в 25-миллилитровую склянку с закатанным краем и добавляют 25 г CCl. Пробу в течение 1-2 ч встряхивают в машине для встряхивания. Затем нижнюю жидкую фазу осторожно дозируют в 20-миллиметровую кювету для инфракрасной спектроскопии и анализируют инфракрасной спектроскопией с фурье-преобразованием (4000-1200 см, разрешение 2 см). В тех же условиях для вычитания регистрируют спектр растворителя.
3
2
2
2
-1
В целях определения такого относительного содержания в интервале значений менее 1 мол. % для вещества формулы III (EtO)Si-CH-CH-CH-NCO используют, например, длину волны валентного колебания группы -NCO при 2270 см.
Остаточное содержание гидрогалогенидной соли диаминов общей формулы IV в продукте, полученном предлагаемым в изобретении способом, может составлять менее 25 мол. %, предпочтительно менее 10 мол. %, особенно предпочтительно менее 5 мол. %, наиболее предпочтительно менее 3 мол. %.
13
2
2
2
Выраженное в мол. % относительное содержание гидрогалогенидных солей диаминов общей формулы IV в продукте, полученном предлагаемым в изобретении способом, определяют с использованием C-ЯМР-метода путем интегрирования сигналов от C-атомов группы -CH-NH⋅HCl в гидрогалогенидных солях диаминов общей формулы IV по отношению к C-атомам группы Si-CH- в карбамидсодержащих силанах общей формулы I.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В целях определения такого относительного содержания для вещества формулы IV HCl⋅HN-CH-CH-S-S-CH-CH-NH⋅HCl используют, например, интеграл сигналов от С-атомов группы S-CH-CH-NH⋅HCl (δ=37,82 м.д.) или группы S-CH-CH-NH⋅HCl (δ=33,79 м.д.).
Продукт реакции можно затем отфильтровывать и промывать водой и/или органическим растворителем, предпочтительно алканом, особенно предпочтительно пентаном, гексаном или гептаном. В предпочтительном варианте продукт реакции можно промывать водой, а затем алканом, особенно предпочтительно гексаном.
После фильтрации продукт можно сушить. Сушку можно проводить при температуре в пределах от 20 до 100°C, предпочтительно от 25 до 50°C. Сушку можно проводить под пониженным давлением в пределах от 1 до 500 мбар.
В одном из вариантов предлагаемый в изобретении способ получения карбамидсодержащих силанов общей формулы I
1
где R и R имеют указанные выше значения, может отличаться тем, что гидрогалогенидную соль диамина общей формулы IV
растворяют в воде и подвергают взаимодействию с основанием, после чего добавляют изоцианатсилан общей формулы III
выпавший в осадок продукт отфильтровывают, промывают водой и гексаном и сушат.
Карбамидсодержащие силаны общей формулы I можно использовать в качестве усилителей (промоторов) адгезии между неорганическими материалами, например стеклянными шариками, стеклянной крошкой, стеклянными поверхностями, стекловолокнами или оксидными наполнителями, предпочтительно кремниевыми кислотами, такими как осажденные кремниевые кислоты или пирогенные кремниевые кислоты, и органическими полимерами, например термореактопластами, термопластами или эластомерами, соответственно в качестве сшивающих агентов и модификаторов оксидных поверхностей.
Карбамидсодержащие силаны общей формулы I можно далее использовать в качестве аппретов в наполненных резиновых смесях, например в резиновых смесях для изготовления протекторов шин, резинотехнических изделий или обувных подошв.
Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в возможности получения карбамидсодержащих силанов общей формулы I в одну стадию синтеза без использования органического растворителя.
Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в протекании превращения за сравнительно короткое время.
Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в возможности отказаться от сложной и трудоемкой очистки, соответственно переработки получаемых продуктов.
Примеры
3
2
3
2
2
2
Пример 1: Получение [(EtO)Si-(CH)-NH-C(=O)-NH-(CH)-S-] в воде (с промывкой гексаном)
2
2
2
3
2
3
2
2
2
В продутую азотом (N) 2-литровую четырехгорлую колбу с двойной рубашкой, оснащенную мешалкой KPG, обратным холодильником, внутренним термометром и капельной воронкой, помещают дигидрохлорид цистамина (108,39 г, 0,47 моля, 1,00 экв.) и растворяют в полностью обессоленной воде (940 мл). Далее с помощью капельной воронки при температуре в пределах от 17 до 20°C дозируют 50%-ный раствор KOH (92,31 г, 0,82 моля, 1,75 экв.) и перемешивают в течение 15 мин. Затем дозируют 3-изоцианатопропил-триэтоксисилан (221,05 г, 0,85 моля, 1,8 экв.) таким образом, чтобы внутренняя температура не превышала 30°C. После этого перемешивают в течение часа при 23°C. Белую суспензию фильтруют под давлением, промывают 200 мл полностью обессоленной воды и сушат в течение 2 ч сухим N. Фильтровальный осадок промывают тремя порциями гексана (по 150 мл) и вновь сушат сухим N в течение 1 ч. Таким путем в качестве продукта получают [(EtO)Si-(CH)-NH-C(=O)-NH-(CH)-S-] в виде мелкого белого порошка (254,78 г, 92,8% от теории).
1
3
H-ЯМР (δ в м.д., 500 МГц, CDCl): 0,64 (4Н, t), 1,22 (18Н, t), 1,61 (4Н, m), 2,78 (4Н, m), 3,15 (4Н, m), 3,52 (4Н, m), 3,81 (12Н, q), 5,2-6,5 (4Н, шир.).
13
3
С-ЯМР (δ в м.д., 125 МГц, CDCl): 7,7 (2С), 18,3 (6С), 23,8 (2С), 38,8 (2С), 38,9 (2С), 42,8 (2С), 58,3 (6С), 159,0 (2С).
29
3
Si-ЯМР (δ в м.д., 100 МГц, CDCl): -45,7 (97,4% силана), -53,5 (2,6% М-структур).
3
Содержание растворимых в CDCl компонентов с использованием ТФФО в качестве внутреннего стандарта: 94,4%.
Водосодержание (согласно DIN 51777): 0,4%.
Температура начала плавления: 106-110°C.
Остаточное содержание изоцианата: 0,04%.
3
2
3
2
2
2
Пример 2: Получение [(EtO)Si-(CH)-NH-C(=O)-NH-(CH)-S-] в воде (без промывки гексаном)
2
2
2
3
2
3
2
2
2
В продутую азотом (N) 1-литровую четырехгорлую колбу с двойной рубашкой, оснащенную мешалкой KPG, обратным холодильником, внутренним термометром и капельной воронкой, помещают дигидрохлорид цистамина (108,39 г, 0,47 моля, 1,00 экв.) и растворяют в полностью обессоленной воде (382 мл). Далее с помощью капельной воронки при температуре в пределах от 15 до 23°C дозируют 50%-ный раствор KOH (92,31 г, 0,82 моля, 1,75 экв.) и перемешивают в течение 30 мин. Затем дозируют 3-изоцианатопропил-триэтоксисилан (221,05 г, 0,85 моля, 1,8 экв.) таким образом, чтобы внутренняя температура не превышала 30°C. После этого перемешивают в течение часа при 24°C. Белую суспензию фильтруют под давлением, промывают тремя порциями полностью обессоленной воды (в общей сложности 340 мл) и сушат в течение 2 ч сухим N. Фильтровальный осадок сушат на роторном испарителе в токе N в течение 7 ч при температуре 35°C и давлении 166 мбар, в течение 10 ч при температуре 35°C и давлении 150 мбар и в течение 9 ч при температуре 35°C и давлении 100 мбар. Таким путем в качестве продукта получают [(EtO)Si-(CH)-NH-C(=O)-NH-(CH)-S-] в виде мелкого белого порошка (246,38 г, 90,7% от теории).
1
6
H-ЯМР (δ в м.д., 500 МГц, ДМСО-d): 0,52 (4Н, t), 1,14 (18Н, t), 1,42 (4Н, m), 2,74 (4Н, m), 2,96 (4Н, m), 3,29 (4Н, m), 3,74 (12Н, q), 6,05 (4Н, m).
13
6
С-ЯМР (δ в м.д., 125 МГц, ДМСО-d): 7,3 (2С), 18,2 (6С), 23,5 (2С), 38,5 (2С), 39,6 (2С), 42,0 (2С), 57,7 (6С), 157,9 (2С).
29
6
Si-ЯМР (δ в м.д., 100 МГц, ДМСО-d): -45,3 (100% силана).
6
Содержание растворимых в ДМСО-d компонентов с использованием ТФФО в качестве внутреннего стандарта: 86,0%.
Водосодержание (согласно DIN 51777): 0,7%.
Температура начала плавления: 97°C.
Остаточное содержание изоцианата: 0,08%.
3
2
3
2
2
2
Пример 3 (сравнительный): Получение [(EtO)Si-(CH)-NH-C(=O)-NH-(CH)-S-] в органических растворителях (дихлорметане и ТГФ)
2
4
2
3
2
3
2
2
2
В сухую и продутую азотом (N) трехгорлую колбу, оснащенную мешалкой, обратным холодильником, внутренним термометром и капельной воронкой, помещают дигидрохлорид цистамина (22,52 г, 0,10 моля, 1,00 экв.) и растворяют в дихлорметане (100 мл). Далее с помощью капельной воронки дозируют 50%-ный раствор KOH (11,5 мл, 0,20 моля, 2,00 экв.). Образовавшуюся суспензию добавлением 50 мл полностью обессоленной воды переводят в раствор, дополнительно добавляют 6,5 мл 50%-ного раствора KOH и перемешивают в течение 2 ч. Обе фазы разделяют и водную фазу экстрагируют дихлорметаном (3 раза по 50 мл). Объединенные органические фазы сушат над MgSO, фильтруют и на роторном испарителе удаляют растворитель. Полученное светло-желтое вязкотекучее масло (цистамин, 12,07 г) растворяют в ТГФ (100 мл), с помощью капельной воронки дозируют 3-изоцианатопропилтриэтоксисилан (49,47 г, 0,20 моля, 2,00 экв.) и оставляют перемешиваться на ночь при 23°C. По завершении реакции удаляют растворитель на роторном испарителе. Образовавшееся белое твердое вещество растворяют в свежем ТГФ (84 мл) и осаждают при добавлении н-пентана (521 мл) при 8°C. Суспензию фильтруют под давлением, фильтровальный осадок промывают н-пентаном (3 раза по 100 мл) и сушат сухим N. Таким путем в качестве продукта получают [(EtO)Si-(CH)-NH-C(=O)-NH-(CH)-S-] в виде мелкого белого порошка (50,42 г, 77,9% от теории).
29
6
Si-ЯМР (δ в м.д., 100 МГц, ДМСО-d): -40,5 (91,2% силана), -48,2 (8,9% М-структур).