DE3616577C2 - Neue Organosilanverbindungen - Google Patents

Neue Organosilanverbindungen

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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Organosilanverbindung und insbesondere eine Klasse neuer, bisher nicht bekannter Organosilanverbindungen, die Fluor enthalten. Die Organosilanverbindungen der Erfindung sind mit verschiedenen Sorten fluorhaltiger Gummimaterialien und Kunststoffen kompatibel und vermischbar. Sie dienen dabei als Vernetzer oder Klebehilfsstoff.
In der Organosilanchemie sind verschiedene Sorten von fluorhaltigen Organosilanverbindungen bekannt, so z. B. aus der US-PS 28 92 859 fluorhaltige Alkoxysilane mit 2,2,2-Trifluorethoxy- Gruppen. Diese Stoffe sind als Additive für Flammschutzmittel und Gleitmittel geeignet. Die außer der 2,2,2-Trifluorethoxy-Gruppe an das Siliciumatom gebundenen übrigen Reste sind ausschließlich aliphatische gesättigte Kohlenwasserstoffreste oder Alkylreste, z.B. Methyl-, Ethyl- und Isopropylreste.
Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, neue Organosilanverbindungen zu schaffen, die insbesondere als Vernetzer oder Klebehilfsstoffe für verschiedene Sorten von fluorhaltigen Gummimaterialien oder Kunststoffen geeignet sind.
Die neuen Organosilanverbindungen der Erfindung lassen sich als Verbindungsklasse durch folgende allgemeine Formel darstellen:
RSi(OCH2CF3)3. (1)
In obiger Formel ist R ein Wasserstoffatom, ein einwertiger ungesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoffrest mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, ein einwertiger Arylrest oder ein einwertiger organischer Rest mit 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, der mindestens ein durch eine Kohlenstoffsiliziumbrücke an das Siliziumatom gebundenes Heteroatom wie Sauerstoff, Halogen, Schwefel oder Stickstoff enthält.
Ein Beispiel für einen einwertigen, ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest im Sinne obiger Formel ist der Vinylrest und der Allylrest. Ein Beispiel für einen einwertigen Arylrest im Sinne von Formel (1) ist der Phenylrest und der Tolylrest. Als Beispiele für einen einwertigen organischen Rest mit einem Heteroatom, das über eine Kohlenstoffsiliziumbrücke an das Siliziumatom gebunden ist, können der 3-Glycidyloxypropyl-, 3-Methacryloxypropyl-, 3-Chorpropyl-, 3-Mercaptopropyl-, 3,3,3-Trifluorpropyl- und 2-Cyanoethylrest genannt werden.
Spezifische Beispiele von Organosilanverbindungen gemäß obiger Definition sind:
(A) Tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel HSi(OCH2CF3)3;
(B) Vinyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel CH2=CHSi(OCH2CF3)3;
(C) Phenyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel C6H5Si(OCH2CF3)3;
(D) 3-Glycidyloxypropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel
(E) 3-Methacryloxypropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel CH2=C(CH3)-CO-O(CH2)3Si(OCH2CF3)3;
(F) 3-Chlorpropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel Cl(CH2)3Si(OCH2CF3)3;
(G) 3-Mercaptopropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel HS(CH2)3Si(OCH2CF3)3;
(H) 3,3,3-Trifluorpropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel CF3CH2CH2Si(OCH2CF3)3; und
(I) 2-Cyanoethyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel NC-CH2CH2Si(OCH2CF3)3.
Die Organosilanverbindungen der Erfindung können beispielweise durch Umsetzung eines Trichlorsilans mit der Formel RSiCl3 und 2,2,2-Trifluorethylalkohol mit der Formel CF3CH2OH nach folgender Reaktionsgleichung hergestellt werden, wobei R die oben angegebene Bedeutung hat:
RSiCl3 + 3 CF3CH2OH→RSi(OCH2CF3)3 + 3 HCl.
Der 2,2,2-Trifluorethylalkohol sollte mindestens in einer Menge von 3,0 mol, vorzugsweise in einer Menge von 3,2 bis 4,0 mol pro Mol der Trichlorsilanverbindung angewendet werden. Die Reaktionstemperatur sollte mit der Art des Restes R abgestimmt werden. Wenn R beispielweise ein siliziumgebundenes Wasserstoffatom ist, sollte die Reaktionstemperatur im Bereich zwischen -15 und -10°C liegen; wenn R ein substituierter oder unsubstituierter Kohlenwasserstoffrest ist, sollte die Reaktionstemperatur im Bereich zwischen 10°C und Raumtemperatur liegen.
Die neuen Organosilanverbindungen sind in nahezu idealer Weise mischbar und kompatibel mit Fluorkohlenwasserstoffpolymerisaten, wie z.B. Gummimaterialien und Kunststoffen auf Kohlenwasserstoffbasis. Daher können die Stoffe als Klebehilfsmittel in Form von Additiven Fluorkohlenwasserstoffpolymerisaten zur Unterstützung beim Verkleben des Fluorkohlenwasserstoffpolymerisates mit anderen Materialien zugesetzt werden. Die Organosilanverbindungen können aber auch als geruchlose Vernetzungsmittel bei Raumtemperatur aushärtbaren Fluorsilicongummis zugesetzt werden. Sie können daher die bereits bekannten Acetoxysilanvernetzer für Fluorsilicongummis, die bei Raumtemperatur aushärtbar sind, ersetzen.
Die folgenden Beispiele sollen Darstellung und Charakterisierung der Organosilanverbindungen der Erfindung illustrieren.
Beispiel 1
200 g (1,47 mol) Trichlorsilan HSiCl3 werden in einem Rundkolben vorgelegt; bei -15°C werden 590 g (5,9 mol) 2,2,2-Trifluorethylalkohol im Laufe von 2 h zugetropft, wobei der durch die Reaktion gebildete gasförmige Chlorwasserstoff kontinuierlich mit einem Sauggebläse aus dem Reaktionsgemisch abgezogen wird. Nach Beendigung des Zutropfens des 2,2,2-Trifluorethylalkohols wird der noch im Reaktionsgemisch verbliebene Chlorwasserstoff so vollständig wie möglich durch Anlegen eines Vakuums entfernt und anschließend das Gemisch im Kolben einer Destillation unter Normaldruck unterworfen. Man erhält so 340 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 136°C.
Das Produkt wird einer Elementaranalyse, einer mit einem Massenspektrometer gekoppelten GC-Analyse, IR-Spektroskopie und NMR-Spektroskopie unterzogen. Man erhält damit die unten angegebenen Resultate, die belegen, daß es sich bei dem zu identifizierenden Stoff um Tris-(2,2,2-trifluorethoxy)- silan handelt. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 70,7% der Theorie bezogen auf als Ausgangsmaterial verwendete Trichlorsilan.
Elementaranalyse: C6H7O3F9Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 326 Ber.: 326
IR-Spektrum: 2,250 cm-1 (-Si-H)
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4, mit CHCl3 als innerer Standard)
4,53 (s, 1H, Si-H)
4,05 - 4,20 (q, 6H, SiOCH2CF3)
Beispiel 2
Zu einer Menge von 200 g (2,0 mol) 2,2,2-Trifluorethylalkohol werden in einem Rundkolben 80,8 g (0,5 mol) Vinyltrichlorsilan getropft, wobei der durch die Reaktion gebildete Chlorwasserstoff kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch durch Einleiten eines mäßigen Stickstoffstromes als Trägergas abgezogen wird. Nach Vervollständigung des Zutropfens der Silanverbindung wird das Reaktionsgemisch weiter 6 h bei 15°C zur Vervollständigung der Reaktion gerührt. Nach Austreiben des Chlorwasserstoffs wird trockener Harnstoff dem Reaktionsgemisch zur Neutralisierung verbliebener Spuren von Chlorwasserstoff zugesetzt. Dann wird filtriert, um das Gemisch von Harnstoff und dessen Hydrochlorid zu befreien; das Filtrat wird einer Destillation unter Normaldruck unterworfen, wobei 129 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 151°C erhalten werden.
Der so erhaltene Stoff wird einer Elementaranalyse und einer GC-Analyse mit MS-Kopplung unterzogen. Es werden IR-Spektren und NMR-Spektren aufgenommen. Aus den weiter unten angegebenen Resultaten der Analysen zeigt sich, daß der erhaltene Stoff Vinyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)- silan ist. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 73,3% der Theorie bezogen auf das als Ausgangsmaterial verwendete Vinyltrichlorsilan.
Elementaranalyse: C8H9O3F9Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 352 Ber.: 352
IR-Spektrum:
1,600 cm-1 (-CH=CH2)
1,800 cm-1 (CH=CH2)
1,300 cm-1 (-CH2-CF3)
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4, mit CHCl3 als innerer Standard)
5,68 - 6,44 (m, 3H, CH2=CHSi)
4,02 - 4,28 (q, 6H, SiOCH2CF3)
Beispiel 3
Das Herstellungsverfahren für Phenyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)- silan ist im wesentlichen das gleiche Verfahren, wie es in Beispiel 2 beschrieben ist, wobei 52,9 g (0,25 mol) Phenyl-trichlorsilan und 100 g (1,0 mol) 2,2,2-Trifluorethylalkohol als Reaktanten verwendet werden. Man erhält 92,6 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 100°C unter Normaldruck.
Das Produkt wird einer Elementaranalyse und einer mit einem Massenspektrum gekoppelten GC-Analyse unterworfen. Es werden IR-Spektren und NMR-Spektren aufgenommen. Die erhaltenen Resultate sind unten dargestellt; ihnen kann entnommen werden, daß die zu identifizierende Verbindung Phenyl- tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan ist. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 72,4% der Theorie bezogen auf das als Ausgangsmaterial verwendete Phenyl-trichlorsilan.
Elementaranalyse: C12H11O3F9Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 402 Ber.: 402
IR-Spektrum
1,595 cm-1 (C6H5-Si)
1,435 cm-1 (C6H5-Si)
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4 mit CHCl3 als innerer Standard)
7,56 - 7,92 (m, 5H, C6H5-Si-)
4,24 - 4,48 (q, 6H, SiOCH2CF3)
Beispiel 4
Eine Mischung aus 22,7 g (0,2 mol) Allylglycidylether, 50 g Toluol und 0,015 g einer Lösung von Chlorplatinsäure in Isopropanol, wobei die Lösung der Chlorplatinsäure etwa 2,0 Gew.-% Platin enthält, wird auf 80°C aufgeheizt. 50 g (0,015 mol) Tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan werden im Verlauf von etwa 2 h zugetropft. Nach Vervollständigung des Zutropfens des Silans wird das Reaktionsgemisch weitere 8 h auf 80 bis 90°C unter Rühren zur Vervollständigung der Reaktion erhitzt. Dann wird das Reaktionsgemisch einer Vakuumdestillation unterworfen, wobei 60 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 115°C bei 4 mbar erhalten werden.
Das Produkt wird einer Elementaranalyse und einer GC-MS- Analyse unterzogen. Außerdem werden NMR-Spektren aufgenommen. Die weiter unten angegebenen Resultate zeigen, daß es sich bei dem zu identifizierenden Stoff um 3-Glycidyloxypropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan handelt. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 88,9% der Theorie bezogen auf das als Ausgangsmaterial verwendete Tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan.
Elementaranalyse: C12H17O5F9Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 440 Ber.: 44026
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl₄ mit CHCl₃ als innerer Standard)
Beispiel 5
In Analogie zu Ausführungsbeispiel 2 werden 91 g (0,35 mol) 3-Methacryloxypropyl-trichlorsilan und 140 g (1,4 mol) 2,2,2-Trifluorethylalkohol umgesetzt. Das Reaktionsgemisch wird analog zu Ausführungsbeispiel 2 aufgearbeitet. Man erhält so 118 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 134°C bei 6,5 mbar.
Das so erhaltene Produkt wird einer Elementaranalyse und einer GC-MS-Analyse unterzogen. Es werden IR-Spektren und NMR-Spektren aufgenommen. Man erhält die weiter unten angegebenen Resultate, aus denen sich ergibt, daß der zu identifizierende Stoff 3-Methacryloxypropyl-tris-(2,2,2- trifluorethoxy)-silan ist. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 74,8% der Theorie bezogen auf das als Ausgangsmaterial verwendete 3-Methacryloxypropyl-trichlorsilan.
Elementaranalyse: C13H17O5F9Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 452 Ber.: 452
IR-Spektrum
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4 mit CHCl3 als innerer Standard)
5,50 (s, 1H, CH₂=C)
6,04 (S, 1H, CH₂=C)
Beispiel 6
162 g (0,75 mol) 3-Chlorpropyl-trichlorsilan und 300 g (3,0 mol) 2,2,2-Trifluorethylalkohol werden in der in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Weise umgesetzt und aufgearbeitet. Man erhält 217 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 123°C bei 39 mbar.
Das so erhaltene Produkt wird einer Elementaranalyse und einer GC-MS-Analyse unterzogen. Es werden NMR-Spektren aufgenommen. Die weiter unten aufgeführten Resultate zeigen, daß es sich bei der zu identifizierenden Verbindung um 3-Chlorpropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan handelt. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 71,3% der Theorie bezogen auf das als Ausgangsmaterial verwendete 3-Chlor- propyl-trichlorsilan.
Elementaranalyse: C9H12O3ClF9Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 403 Ber.: 403
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4, mit CHCl3 als innerer Standard)
Beispiel 7
In einem Rundkolben werden 90 g (0,22 mol) 3-Chlorpropyl- tris(2,2,2-trifluorethoxy)-silan und 19,9 g (0,26 mol) Thioharnstoff gegeben und das Reaktionsgemisch unter Rühren auf 80 bis 90°C 24 h erhitzt. Es bildet sich hierbei ein Thiuroniumsalz, in das gasförmiger Ammoniak 15 h lang eingeleitet wird. Das Reaktionsgemisch wird filtriert und das Filtrat unter vermindertem Druck destilliert. Man erhält 15 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 86°C bei 6,5 mbar.
Das erhaltene Produkt wird einer Elementaranalyse und einer GC-MS-Analyse unterzogen. Es werden IR-Spektren und NMR-Spektren aufgenommen. Die weiter unten angegebenen Resultate zeigen, daß es sich bei dem zu identifizierenden Stoff um 3-Mercaptopropyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)- silan handelt.
Elementaranalyse: C9H13O3F9SSi
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 400 Ber.: 400
IR-Spektrum
2,580 cm-1 (-SH)
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4, mit CHCl3 als innerer Standard)
Beispiel 8
151 g (0,65 mol) 3,3,3-Trifluorpropyl-trichlorsilan und 260 g (2,6 mol) 2,2,2-Trifluorethylalkohol werden in der in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Weise umgesetzt und aufgearbeitet. Man erhält so 198 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 107°C bei 65 mbar.
Das Produkt wird einer Elementaranalyse und einer GC-MS- Analyse unterzogen. Es werden NMR-Spektren aufgenommen. Die erhaltenen Resultate sind weiter unten dargestellt; ihnen kann entnommen werden, daß es sich bei der zu identifizierenden Verbindung um 3,3,3-Trifluorpropyl-tris- (2,2,2-trifluorethoxy)-silan handelt. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 70,5% der Theorie bezogen auf das als Ausgangsmaterial verwendete 3,3,3-Trifluorpropyl-trichlor- silan.
Elementaranalyse: C9H10O3F12Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 422 Ber.: 422
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4, mit CHCl3 als innerer Standard)
Beispiel 9
142 g (0,75 mol) 2-Cyanoethyl-trichlorsilan und 300 g (3,0 mol) 2,2,2-Trifluorethylalkohol werden in der in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Weise umgesetzt und aufgearbeitet. Man erhält so 202 g einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 98°C bei 4 mbar.
Das Produkt wird einer Elementaranalyse und einer GC-MS- Analyse unterzogen. Es werden IR-Spektren und NMR-Spektren aufgenommen. Die weiter unten dargestellten Resultate zeigen, daß es sich bei der zu identifizierenden Verbindung um 2-Cyanoethyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan handelt. Die oben angegebene Ausbeute entspricht 71,4% der Theorie bezogen auf das als Ausgangsmaterial verwendete 2-Cyanoethyl- trichlorsilan.
Elementaranalyse: C9H10O3NF9Si
GC-MS-Analyse(Molekulargewicht)
Gef.: 379 Ber.: 379
IR-Spektrum:
2,250 cm-1 (-(≡N)
NMR-Spektrum (δ-Werte, ppm, in CCl4, mit CHCl3 als innerer Standard)

Claims (11)

1. Organosilanverbindung entsprechend folgender allgemeiner Formel RSi(OCH2CF3)3,wobei R ein Wasserstoffatom, ein einwertiger ungesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoffrest mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, ein einwertiger Arylrest oder ein einwertiger organischer Rest mit 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, der zumindest ein durch eine Kohlenstoff-Siliziumbrücke mit dem Siliziumatom verbundenes Heteroatom enthält, ist.
2. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heteroatom Sauerstoff, Halogen, Schwefel oder Stickstoff ist.
3. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung Tris-(2,2,2-trifluorethoxy)- silan mit der Formel HSi(OCH2CF3)3 ist.
4. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung Vinyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)- silan mit der Formel CH2=CHSi(OCH2CF3)3 ist.
5. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung Phenyl-tris-(2,2,2-trifluorethoxy)- silan mit der Formel C6H5Si(OCH2CF3)3 ist.
6. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung 3-Glycidyloxypropyl- tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel ist.
7. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung-3-Methacryloxypropyl- tris-(2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel CH2=C(CH3)-CO-O(CH2)3Si(OCH2CF3)3 ist.
8. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung 3-Chlorpropyl-tris- (2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel Cl(CH2)3Si(OCH2CF3)3 ist.
9. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung 3-Mercaptopropyl-tris- (2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel HS(CH2)3Si(OCH2CF3)3 ist.
10. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung 3,3,3-Trifluorpropyl-tris- (2,2,2-trifluorethoxy)-silan mit der Formel CF3CH2CH2Si(OCH2CF3)3 ist.
11. Organosilanverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Organosilanverbindung 2-Cyanoethyl-tris-(2,2,2- trifluorethoxy)-silan mit der Formel NC-CH2CH2Si(OCH2CF3)3 ist.
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