CN104817581B - 一种含硅二元酚及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种如式(1)所示结构的含硅二元酚及其制备方法,
Description
技术领域
本发明涉及有机硅材料单体含硅二元酚及其制备方法。
背景技术
由于含硅材料优异的耐热性、柔韧性和阻燃性等性能,通过含硅二元酚、二元酸、二元胺等含硅单体,在聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂等材料中引入硅元素,从而得到化学改性的新型高分子材料,一直是有机硅工业和高分子材料工业的重要发展方向。
二元酚如对苯二酚、4,4’-联苯二酚、双酚A、双酚F等,广泛用于制备芳香族聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂等材料。但这些二元酚大多存在韧性不足、阻燃性差等缺陷,因此将硅材料通过共混、共聚、接枝等手段引入芳香族聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂等材料中,是一种较为理想的选择。其中将含硅单体通过共聚引入这些材料是最为有效的改性方法之一。
目前常用的含硅二元酚主要有以下几类:第一类两个含酚的苯环直接与一个硅原子相连,如二甲基二(4-羟基苯基)硅烷(结构式(A))(Guenthner等,Macromolecules,2012,45, 211-220)和二乙基二(3-甲基-4-羟基苯基)硅烷(结构式(B))(Kajita等,Bioorganicand Medicinal Chemistry,2014,22, 2244-2252);第二类两个含酚的苯环分别与二硅氧烷的两个硅原子相连,如1,3-二(4-羟基苯基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷(结构式(C))(Moehs等,Journal of Organometallic Chemistry,1969,20,57-63);第三类两个含酚的苯环分别经一个氧原子与同一个硅原子相连,如二甲基二(3,5-二叔丁基-4-羟基苯氧基)硅烷(结构式(D))(Zaweski,美国专利US 3491137)。其中前两类结构的化合物需要使用有机锂、有机镁或有机钠等金属有机试剂合成,反应条件要求苛刻,羟基可能需要保护并增加脱保护步骤;第三类结构的化合物以对苯二酚类似物与二氯硅烷选择性反应制备,但存在易发生聚合副反应、产品氧硅氧键连接水解稳定性欠佳等不足。
因此,现有含硅二元酚存在性能欠佳,和/或合成方法操作繁琐、条件苛刻、成本高、三废严重等,不易实现规模化生产。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种新的具有下述通式(1)结构特征的含硅二元酚,该类化合物应用于芳香族聚酯、聚碳酸酯、环氧树脂等材料中,与现有含硅二元酚相比,它们具有更好的理化性能。
本发明提供了一种如式(1)所示结构的含硅二元酚,
其中,R为氢或甲基或甲氧基,R和羟基互在3、4位,R1为甲基时,R2为甲基或苯基或3,3,3-三氟丙基,R1为苯基时,R2为苯基或3,3,3-三氟丙基。
更进一步地,上述含硅二元酚,其特征为:含硅二元酚的结构如式(2)所示
,
其中羟基在3位或4位,R1为甲基时,R2为甲基或苯基,R1为苯基时,R2为苯基。
更进一步地,上述的含硅二元酚,其特征为:含硅二元酚的结构如式(3)所示
,
分子量为362。
本发明提供的上述含硅二元酚,两个含酚苯环分别经两个碳原子与同一个硅原子相连,兼具良好的柔韧性、阻燃性和耐热性。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述通式(1)结构特征的含硅二元酚的制备方法,可以克服现有合成工艺中反应条件苛刻、操作繁琐、成本高、三废严重等缺点。
本发明的上述目的通过以下方案得以实现:一种制备如权利要求1所述的含硅二元酚的方法,其特征为:如式(4)所示结构的乙烯基苯酚,
在钌催化剂的作用下,与如式(5)所示结构的二取代二乙烯基硅烷,
经烯烃的复分解反应制得如式(6)所示结构的中间体二取代二(羟基苯乙烯基)硅烷,
所得如式(6)所示结构的中间体在镍或钯或铂催化下加氢得到相应的如式(1) 所示结构的产物二取代二(羟基苯乙基)硅烷,
即本发明的含硅二元酚,上述式(4)、(5)、(6)和(1)中的R、R1和R2所指与权利要求1中的所指相同,R和羟基互在3、4位。
本发明制备方法的反应式如下式所示,其中R为氢或甲基或甲氧基,R和羟基互在3、4位,其中R1为甲基时,R2为甲基或苯基或3,3,3-三氟丙基,R1为苯基时,R2为苯基或3,3,3-三氟丙基。
本发明提供的含硅二元酚的制备方法,烯烃复分解反应所用的钌催化剂优选钌催化剂Cat-1或钌催化剂Cat-2或钌催化剂Cat-3。这些催化剂的结构如下式所示,其中Cy为环己基,Mes为2,4,6-三甲基苯基。
本发明提供的含硅二元酚的制备方法,如式(6)所示结构的中间体,经镍或钯或铂催化的转移氢化得到相应的如式(1)所示结构的产物二取代二(羟基苯乙基)硅烷,所用的供氢体优选甲酸钠或甲酸铵或水合肼。
在所述方法中,反应所需的如式(4)所示结构的乙烯基苯酚类原料,其中R为氢或甲基或甲氧基,R和羟基互在3、4位,以乙烯与溴代芳烃的Heck偶联(如Kormos等,Journalof Organic Chemistry,2008,73, 3854-3858)制得,或直接商业购得。如式(5)所示结构的二取代二乙烯基硅烷,其中R1为甲基时,R2为甲基或苯基或3,3,3-三氟丙基,R1为苯基时,R2为苯基或3,3,3-三氟丙基,及三种钌催化剂均有工业化产品可供购买。
本发明提供的上述合成方法,具有原料易得、操作简单、条件温和、制备衍生物方便、收率高、成本低、绿色环保等特点,是较为理想的制备含硅二元酚的方法,具有较高的工业生产价值。
具体实施方式
以下实施例所用原料、催化剂、溶剂等均为工业级产品,未经进一步纯化。含量测定使用高效液相色谱(HPLC)归一化法。元素分析和质谱(MS)结构表征分别使用元素分析仪和质谱仪。
第一步反应:二取代二乙烯基硅烷与4-乙烯基苯酚及其衍生物、3-乙烯基苯酚及其衍生物的催化烯烃复分解反应
实施例1 甲基苯基二(4-羟基苯乙烯基)硅烷的合成
氮气保护下,将甲基苯基二乙烯基硅烷17.4g(0.10mol)、4-乙烯基苯酚30.0g(0.25mol)的80mL二氯甲烷溶液加热至40℃15min,加入3.2g钌催化剂Cat-1,继续保温反应8h,蒸去溶剂,残留物以乙酸乙酯重结晶,得到类白色固体产物甲基苯基二(4-羟基苯乙烯基)硅烷33.1g,收率92.5%,含量97.7%。MS(m/z):359 [M+H]+。
实施例2 二甲基二(3-羟基-4-甲氧基苯乙烯基)硅烷的合成
氮气保护下,将二甲基二乙烯基硅烷11.2g(0.10mol)、2-甲氧基-5-乙烯基苯酚34.5g(0.23mol)的80mL二氯甲烷溶液加热至30℃10min,加入2.8g钌催化剂Cat-2,室温搅拌反应12h,蒸去溶剂,残留物以乙酸丁酯重结晶,得到类白色固体产物二甲基二(3-羟基-4-甲氧基苯乙烯基)硅烷32.7g,收率91.8%,含量98.2%。MS(m/z):357 [M+H]+。
实施例3 二苯基二(3-甲基-4-羟基苯乙烯基)硅烷的合成
氮气保护下,将二苯基二乙烯基硅烷23.6g(0.10mol)、2-甲基-4-乙烯基苯酚34.8g(0.26mol)的80mL二氯甲烷溶液加热至40℃10min,加入2.5g钌催化剂Cat-3,继续保温反应14h,蒸去溶剂,残留物以乳酸乙酯重结晶,得到类白色固体产物二苯基二(3-甲基-4-羟基苯乙烯基)硅烷42.0g,收率93.7%,含量98.4%。MS(m/z):449 [M+H]+。
实施例4 甲基(3,3,3-三氟丙基)二(3-羟基苯乙烯基)硅烷的合成
氮气保护下,将甲基(3,3,3-三氟丙基)二乙烯基硅烷19.4g(0.10mol)、3-乙烯基苯酚28.8g(0.24mol)的90mL二氯甲烷溶液加热至35℃15min,加入3.5g钌催化剂Cat-1,继续保温反应14h,蒸去溶剂,残留物以乙酸异丙酯重结晶,得到类白色固体产物甲基(3,3,3-三氟丙基)二(3-羟基苯乙烯基)硅烷34.3g,收率90.7%,含量97.6%。MS(m/z):379 [M+H]+。
实施例5 苯基(3,3,3-三氟丙基)二(4-羟基-3-甲氧基苯乙烯基)硅烷的合成
氮气保护下,将苯基(3,3,3-三氟丙基)二乙烯基硅烷25.6g(0.10mol)、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚36.0g(0.24mol)的80mL二氯甲烷溶液加热至40℃15min,加入3.0g钌催化剂Cat-2,继续保温反应16h,蒸去溶剂,残留物以碳酸二甲酯重结晶,得到类白色固体产物苯基(3,3,3-三氟丙基)二(4-羟基-3-甲氧基苯乙烯基)硅烷46.1g,收率92.2%,含量97.9%。MS(m/z):501 [M+H]+。
实施例6 二甲基二(4-甲基-3-羟基苯乙烯基)硅烷的合成
氮气保护下,将二甲基二乙烯基硅烷11.2g(0.10mol)、2-甲基-5-乙烯基苯酚33.5g(0.25mol)的80mL二氯甲烷溶液加热至30℃15min,加入2.4g钌催化剂Cat-3,继续保温反应16h,蒸去溶剂,残留物以碳酸二乙酯重结晶,得到类白色固体产物二甲基二(4-甲基-3-羟基苯乙烯基)硅烷30.6g,收率94.4%,含量98.0%。MS(m/z):325 [M+H]+。
第二步反应:二取代二(羟基苯乙烯基)硅烷及其衍生物的催化加氢和催化转移氢化反应
实施例7 甲基苯基二(4-羟基苯乙基)硅烷的合成
实施例1所得产物28.6g和120mL乙醇的溶液中加入5%钯/炭催化剂1.2g,以氮气置换空气,再以氢气置换氮气并充至8公斤压力,搅拌回流反应至氢气压力不再下降,冷却,滤去催化剂,减压蒸除溶剂,残留物以乙酸丁酯/异丙醇重结晶,得到类白色固体产物甲基苯基二(4-羟基苯乙基)硅烷27.7g,收率95.8%,含量98.2%。元素分析实测值(计算值)/%:C76.37(76.24),H 7.38(7.18)。MS(m/z):363 [M+H]+。
实施例8 二甲基二(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)硅烷的合成
实施例2所得产物28.5g和120mL异丙醇的溶液中加入10%钯/炭催化剂1.0g,加热至回流,缓慢滴加80%水合肼20.8g(0.33mol),滴完继续回流反应6h,冷却,滤去催化剂,减压蒸除溶剂,残留物以乙酸乙酯重结晶,得到类白色固体产物二甲基二(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)硅烷27.8g,收率96.4%,含量97.8%。元素分析实测值(计算值)/%:C 66.85(66.67),H 7.93(7.78)。MS(m/z):361 [M+H]+。
实施例9 二苯基二(3-甲基-4-羟基苯乙基)硅烷的合成
实施例3所得产物35.8g和120mL甲醇的溶液中加入铂黑催化剂1.0g,加热至回流,滴加30%甲酸钠溶液90.8g(0.40mol),滴完继续回流反应10h,冷却,滤去催化剂,减压蒸除溶剂,残留物以乙酸乙酯重结晶,得到类白色固体产物二苯基二(3-甲基-4-羟基苯乙基)硅烷34.0g,收率94.1%,含量97.7%。元素分析实测值(计算值)/%:C 79.82(79.65),H 7.18(7.08)。MS(m/z):453 [M+H]+。
实施例10 甲基(3,3,3-三氟丙基)二(3-羟基苯乙基)硅烷的合成
实施例4所得产物30.2g和120mL异丙醇的溶液中加入铂黑催化剂1.2g,以氮气置换空气,再以氢气置换氮气并充至15公斤压力,搅拌回流反应至氢气压力不再下降,冷却,滤去催化剂,减压蒸除溶剂,残留物以乙酸丁酯重结晶,得到类白色固体产物甲基(3,3,3-三氟丙基)二(3-羟基苯乙基)硅烷28.7g,收率94.0%,含量98.1%。元素分析实测值(计算值)/%:C 63.04(62.83),H 6.71(6.54)。MS(m/z):383 [M+H]+。
实施例11 苯基(3,3,3-三氟丙基)二(4-羟基-3-甲氧基苯乙基)硅烷的合成
实施例5所得产物40.0g和110mL乙醇的溶液中加入雷尼镍催化剂1.8g,加热至回流,缓慢滴加80%水合肼24.0g(0.38mol),滴完继续回流反应10h,冷却,滤去催化剂,减压蒸除溶剂,残留物以乙酸丁酯重结晶,得到类白色固体产物苯基(3,3,3-三氟丙基)二(4-羟基-3-甲氧基苯乙基)硅烷38.8g,收率96.2%,含量97.9%。元素分析实测值(计算值)/%:C64.44(64.29),H 6.25(6.15)。MS(m/z):505 [M+H]+。
实施例12 二甲基二(4-甲基-3-羟基苯乙基)硅烷的合成
实施例6所得产物25.9g和100mL甲醇的溶液中加入雷尼镍催化剂2.0g,加热至回流,滴加38%甲酸铵溶液66.3g(0.40mol),滴完继续回流反应8h,冷却,滤去催化剂,减压蒸除溶剂,残留物以乙酸异丙酯重结晶,得到类白色固体产物二甲基二(4-甲基-3-羟基苯乙基)硅烷24.6g,收率93.8%,含量97.4%。元素分析实测值(计算值)/%:C 73.39(73.17),H8.68(8.54)。MS(m/z):329 [M+H]+。
本发明含硅二元酚所制环氧树脂的性能,以及与双酚A型环氧树脂和结构式(A)和(C)含硅二元酚所制环氧树脂性能的比较
本发明所合成的含硅二元酚按照已知方法制成双环氧甘油醚,加入固化剂、促进剂等进行固化,再经模塑制得含硅环氧树脂固化物,然后分别按照国标方法测定了这些材料的冲击强度、弯曲强度、极限氧指数、热分解温度及质量保留率50%时的热失重分解温度,数据如表1所示。
表1中冲击强度和弯曲强度的数据表明,本发明含硅二元酚制备的环氧树脂大大优于不含硅的双酚A型环氧树脂,明显优于结构式(A)或结构式(C)所示含硅二元酚制备的环氧树脂,本发明含硅环氧树脂具有优良的韧性。极限氧指数的数据表明,本发明含硅二元酚制备的环氧树脂均为难燃材料,其阻燃性明显优于双酚A型环氧树脂,与结构式(A)或结构式(C)所示含硅二元酚制备的环氧树脂处于同等水平。初始热分解温度和质量保留率50%时的热失重分解温度数据表明,本发明含硅二元酚制备的环氧树脂的热稳定性明显高于双酚A型环氧树脂,与结构式(A)或结构式(C)所示含硅二元酚制备的环氧树脂处于同等或略高水平。因此,本发明的含硅二元酚兼具良好的韧性、阻燃性和耐热性。
本行业的技术人员应该理解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是为了说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些都落入本发明要求保护的范围内。
Claims (6)
1.一种如式(1)所示结构的含硅二元酚,
其中,R为氢或甲基或甲氧基,R和羟基互在3、4位,R1为甲基时,R2为甲基或苯基或3,3,3-三氟丙基,R1为苯基时,R2为苯基或3,3,3-三氟丙基。
2.如权利要求1所述的含硅二元酚,其特征为:含硅二元酚的结构如式(2)所示
,
其中羟基在3位或4位,R1为甲基时,R2为甲基或苯基,R1为苯基时,R2为苯基。
3.如权利要求2所述的含硅二元酚,其特征为:含硅二元酚的结构如式(3)所示
。
4.一种制备如权利要求1所述的含硅二元酚的方法,其特征为:如式(4)所示结构的乙烯基苯酚,
在钌催化剂的作用下,与如式(5)所示结构的二取代二乙烯基硅烷,
经烯烃的复分解反应制得如式(6)所示结构的中间体二取代二(羟基苯乙烯基)硅烷,
所得如式(6)所示结构的中间体在镍或钯或铂催化下加氢得到相应的如式(1) 所示结构的产物二取代二(羟基苯乙基)硅烷,
即权利要求1所述的含硅二元酚,上述式(4)、(5)、(6)和(1)中的R、R1和R2所指与权利要求1中的所指相同,R和羟基互在3、4位。
5.如权利要求4所述的含硅二元酚的制备方法,其特征为:烯烃复分解反应所用的钌催化剂为钌催化剂Cat-1、钌催化剂Cat-2或钌催化剂Cat-3,其结构式如下所示:
其中Cy为环己基,Ph为苯基,Mes为2,4,6-三甲基苯基。
6.如权利要求4所述的含硅二元酚的制备方法,其特征为:如式(6)所示结构的中间体经镍或钯或铂催化的转移氢化得到相应的如式(1)所示结构的产物二取代二(羟基苯乙基)硅烷,所用的供氢体为甲酸钠、甲酸铵或水合肼。
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