DE3911917A1 - Verfahren zur herstellung von alkoxysilanen, die praktisch frei sind von halogenverbindungen, verwendung dieser alkoxysilane und hydraulische fluessigkeiten, die diese alkoxysilane enthalten - Google Patents

Verfahren zur herstellung von alkoxysilanen, die praktisch frei sind von halogenverbindungen, verwendung dieser alkoxysilane und hydraulische fluessigkeiten, die diese alkoxysilane enthalten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkoxysilanen, die praktisch frei sind von Halogenverbindungen. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung dieser Alkoxysilane und hydraulische Flüssigkeiten, die diese Alkoxysilane enthalten.
Alkoxysilane sind vorteilhafte Verbindungen (in der Regel farblose, relativ viskose Flüssigkeiten) für die Bereitung von hydraulischen Flüssigkeiten, insbesondere Bremsflüssigkeiten. Wegen ihrer guten Eigenschaften sind diese Flüssigkeiten auch in hydraulischen Kupplungssystemen, Lenksystemen und dergleichen einsetzbar.
Bei der Verwendung von Alkoxysilanen wird im allgemeinen von Alkylhalogensilanen, vorzugsweise Alkylchlorsilanen, ausgegangen. Dabei ergibt sich das Problem, daß die erhaltenen Alkoxysilane in der Regel mit Halogenverbindungen (Alkylchloriden, Aminhydrochloriden und dergleichen) mehr oder weniger verunreinigt sind, was sich insbesondere bei der oben erwähnten Verwendungsart der Alkoxysilane äußerst nachteilig auswirkt.
In der britischen Patentschrift 14 80 738 wird ein Verfahren zur Herstellung von Alkoxysilanen beschrieben, bei dem von Alkylchlorsilanen ausgegangen wird und das zu Alkoxysilanen mit einem nur geringen Gehalt an Chlorverbindungen führen soll. Im einzelnen werden Dialkyldichlorsilane oder Monoalkyltrichlorsilane mit einem Diol oder Polyol und einem Glykolmonoalkylether umgesetzt in Gegenwart von tertiären Basen, wie Pyridin, zur Aufnahme und Bindung des bei der Umsetzung entstehenden Chlorwasserstoffs (HCl). Die so erhaltenen Alkoxysilane lassen bezüglich des Gehaltes an Chlorverbindungen zu wünschen übrig. Nachteilig ist auch, daß die Basen in einer großen Menge, nämlich in mindestens stöchiometrischer Menge, eingesetzt werden sollten.
Gemäß einem neueren Verfahren zur Herstellung von Alkoxysilanen mit einem geringen Gehalt an Chlorverbindungen, das in der europäischen Patentanmeldung 02 82 846-A2 beschrieben ist, werden die aus der Umsetzung von Chlorsilanen mit Alkoholen erhaltenen Alkoxysilane zwecks Reinigung von Chlorverbindungen mit Metallalkoholaten umgesetzt. Zur Aufnahme des anwesenden Chlors ist also auch bei diesem Verfahren ein besonderes Hilfsmittel erforderlich, nämlich Metallalkoholat in stöchiometrischem Überschuß. Auch dieses Verfahren läßt noch zu wünschen übrig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Alkoxysilanen vorzuschlagen, bei dem Halogensilane eingesetzt werden können und das trotzdem reine Alkoxysilane liefert, das heißt Alkoxysilane, die praktisch frei sind von Halogenverbindungen. Das neue Verfahren soll ferner einfach durchführbar sein und zu hohen Ausbeuten führen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man
  • a) ein Dialkyldihalogensilan oder ein Trialkylmonohalogensilan der Formel 1 worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen ist, Hal für ein Halogen steht und X die Alkylgruppe R oder ein Halogen ist, mit Ammoniak zur Silazanverbindung umsetzt und vom Umsetzungsprodukt das ebenfalls gebildete Ammoniumchlorid abtrennt, und
  • b) das im Schritt a) erhaltene Silazan mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2 worin R¹ eine Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen ist, R² für H oder CH₃ steht und m eine Zahl von 1 bis 10 ist, oder mit einem Oxalkylenglykol der Formel 3 worin R³ für H oder CH₃ steht und n eine Zahl von 1 bis 10 ist, und mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2, unter Entfernung des entstehenden Ammoniaks umsetzt, bis kein Ammoniak mehr entsteht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also ein im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich anderer Weg gegangen. Es werden nicht Alkylhalogensilane selbst mit Alkoholen und/oder Monoethern zu den Alkoxysilanen umgesetzt, sondern es wird zunächst eine Silazanverbindung hergestellt durch Umsetzung eines Alkylhalogensilans mit Ammoniak und dann die Silazanverbindung in das entsprechende Alkoxysilan übergeführt.
Im Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Alkylhalogensilane Dialkyldihalogensilane oder Trialkylmonohalogensilane der genannten Formel 1 eingesetzt. Bevorzugte Alkylhalogensilane sind solche der Formel 1, wobei R eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, vorzugsweise Methyl oder Ethyl, Hal für Cl steht und X die Alkylgruppe R oder das Halogen Chlor ist. Besonders bevorzugte Alkylhalogensilane sind solche der Formel 1, wobei R eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, vorzugsweise Methyl oder Ethyl, Hal für Cl steht und auch X Cl ist, das sind Dialkyldichlorsilane mit zwei gleichen Alkylgruppen. Die in Rede stehenden Alkylhalogensilane sind bekannt und stellen farblose Flüssigkeiten dar.
Die Alkoholkomponente, mit der im Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens die im Schritt a) erhaltene Silazanverbindung umgesetzt wird, ist ein Oxalkylenglykolmonoether der genannten Formel 2. Bevorzugte Monoether sind solche der Formel 2, wobei R¹ eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe, vorzugsweise Methyl oder Ethyl, R² H oder CH₃ und m 1 bis 5 ist. Besonders bevorzugte Monoether sind solche der Formel 2, wobei R¹ eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe, vorzugsweise Methyl oder Ethyl, R² H und m 1 bis 5 ist (das sind Ethylenglykolmono-C₁ bis C₄-alkylether). Die Alkoholkomponente kann auch aus einem Oxalkylenglykol der genannten Formel 3 und einem der genannten Monoether bestehen. Bevorzugte Oxalkylenglykole sind solche der Formel 3, wobei R³ H oder CH₃ und n 1 bis 5 ist. Besonders bevorzugte Oxalkylenglykole sind solche der Formel 3, wobei R³ H und n 1 bis 5 ist (das sind Ethylenglykole). Die Alkoholkomponente ist vorzugsweise ein Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2.
Die genannten Alkylhalogensilane werden erfindungsgemäß zunächst mit Ammoniakgas zu den entsprechenden Silazanen umgesetzt und anschließend die Silazanverbindung mit den genannten Alkoholkomponenten zu den angestrebten Alkoxysilanen. Nachstehend wird die Umsetzung von Alkylhalogensilanen mit Ammoniak anhand von Reaktionsgleichungen näher erläutert, wobei als Alkylhalogensilane Dimethyldichlorsilan und Trimethylmonochlorsilan eingesetzt werden:
Die Umsetzungen der Silazanverbindungen (die als solche bekannt sind und farblose, relativ viskose Flüssigkeiten darstellen) mit Oxalkylenglykolmonoalkylethern sollen die folgenden Reaktionsgleichungen veranschaulichen, wobei als Monoether der Triethylenglykolmonomethylether eingesetzt ist:
Im Falle der Umsetzung der Silazanverbindungen mit einem Oxalkylenglykol und einem Oxalkylenglykolmonoalkylether zu den entsprechenden Alkoxysilanen wird vorzugsweise zuerst die Glykolverbindung eingesetzt und dann das erhaltene Reaktionsprodukt mit der Monoetherverbindung umgesetzt. Aus diesen Umsetzungen resultieren Alkoxysilane, in denen mehrere Siliziumatome mit Glykolbrücken verbunden sind; die nachstehende Formel soll dies näher veranschaulichen, wobei die Glykolverbindung Diethylenglykol und die Monoetherverbindung Diethylenglykolmonomethylether ist:
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also Alkoxysilane verschiedenster Art hergestellt werden. In der Regel handelt es sich um Alkoxysilane, wie sie gemäß den oben angegebenen Reaktionsgleichungen aus Tetramethyldisilazan und Hexamethyldisilazan einerseits und einem Oxalkylenglykolmonoalkylether andererseits resultieren. Solche Alkoxysilane entsprechen der folgenden allgemeinen Formel
(R) z -Si-(OR⁴)4-z
worin R die genannte Bedeutung hat, also eine Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen, vorzugsweise 1 bis 4 C-Atomen, insbesondere Methyl oder Ethyl ist, R⁴ den Bedeutungen von R¹ in Formel 2 entspricht, also eine Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen, vorzugsweise 1 bis 4 C-Atomen, insbesondere Methyl oder Ethyl ist und z die Zahl 2 oder 3 ist.
Die Umsetzung gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise unter Verwendung eines inerten Lösungsmittels durchgeführt. Geeignete Lösungsmittel sind n-Alkane mit 5 bis 10 C-Atomen, wie n-Hexan, n-Heptan und n-Octan, Petrolether, Di-(C₁ bis C₄-alkyl)-ether und Kerosin, wobei die genannten n-Alkane bevorzugt sind. Die Menge an Lösungsmittel kann innerhalb eines weiten Bereiches variieren. Es wird im allgemeinen in einer solchen Menge eingesetzt, daß eine 5 bis 20gew.-%ige Lösung des Alkylhalogensilans vorliegt. Die exotherm verlaufende Umsetzung wird bei einer Temperatur von vorzugsweise höchstens 50°C, insbesondere bei 15 bis 30°C, vorgenommen. Eine Temperatur über 50°C ist nicht zweckmäßig, weil im allgemeinen keine höhere Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird, und eine Temperatur von weniger als 15°C verlangt bereits einen relativ hohen Kühlaufwand. Die Reaktionskomponente Ammoniak (Ammoniakgas) wird vorzugsweise in einer Menge von 1,5 bis 2 mol pro Halogenatom im eingesetzten Alkylhalogensilan verwendet (1,5 mol ist die stöchiometrisch erforderliche Menge). Das Ammoniakgas wird kontinuierlich oder portionsweise mit dem umzusetzenden Alkylhalogensilan in Kontakt gebracht. Das Ende der Umsetzung ergibt sich zum Beispiel daraus, daß kein Ammoniak mehr verbraucht wird. Die Reaktionszeit beträgt im allgemeinen 1 bis 5 Stunden. Das im Schritt a) erhaltene Reaktionsprodukt besteht im wesentlichen aus den gebildeten Komponenten Silazanverbindung und Ammoniumchlorid, die im eingesetzten Lösungsmittel gelöst beziehungsweise dispergiert vorliegen. Aus dieser Mischung wird das Ammoniumchlorid abgetrennt, durch Filtrieren oder Zentrifugieren oder durch Zugabe von Wasser (worin sich das Ammoniumchlorid leicht und schnell löst) und Abtrennen der wäßrigen Phase von der organischen Phase. Die so gewonnene Silazanverbindung (gelöst im eingesetzten Lösungsmittel oder destillativ von Lösungsmittel befreit) stellt die Startkomponente für den erfindungsgemäßen Schritt b) dar.
Im Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die im Schritt a) erhaltene Silazanverbindung mit den angegebenen Reaktionskomponenten umgesetzt, wobei man das entstehende Ammoniakgas aus der Reaktion entweichen läßt. Das Entfernen des entstehenden Ammoniaks kann mit Hilfe eines Schleppgases, zum Beispiel mit einem Stickstoffstrom, verstärkt und beschleunigt werden. Das Ende der Umsetzung ist daran erkenntlich, daß kein Ammoniak mehr gebildet wird. Die Reaktionszeit beträgt im allgemeinen 1 bis 10 Stunden, die Umsetzung kann mit Hilfe eines Lösungsmittels oder ohne Lösungsmittel, das heißt in Substanz, durchgeführt werden. Die Umsetzung in Substanz ist bevorzugt. Will man die Umsetzung in Gegenwart eines Lösungsmittels durchführen, geht man am zweckmäßigsten von der obenerwähnten, im Schritt a) erhaltenen Lösung der Silazanverbindung aus. Die Umsetzung wird bei einer Temperatur von 20 bis 150°C, vorzugsweise 70 bis 110°C, durchgeführt. Im Falle der Umsetzung mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether werden vorzugsweise 2 bis 2,5 mol Monoetherverbindung pro Si-N-Si-Gruppe im Silazan eingesetzt (2 mol ist die stöchiometrisch erforderliche Menge). Im Falle der Umsetzung mit einer Glykol- und einer Monoetherverbindung werden vorzugsweise 1 bis 1,5 mol Glykolverbindung (1 mol ist die stöchiometrisch erforderliche Menge) und 2 bis 2,5 mol Monoetherverbindung pro Si-N-Si-Gruppe im Silazan eingesetzt. Das im Schritt b) erhaltene Umsetzungsprodukt besteht im wesentlichen aus dem angestrebten Alkoxysilan. Es kann gegebenenfalls Reste von nicht umgesetzten Ausgangsverbindungen und eingesetztem Lösungsmittel enthalten, die sich beispielsweise destillativ leicht abtrennen lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert sehr reine Alkoxysilane. Sie sind praktisch frei von Chlorverbindungen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner sehr einfach in der Durchführung und liefert auch hohe Ausbeuten.
Die Erfindung wird nun an einem Beispiel noch näher erläutert.
Beispiel
In einem Rührkolben wurden 323 g (2,5 mol) Dimethyldichlorsilan und 2 l n-Hexan vorgelegt. Die Mischung wurde auf eine Temperatur von 15°C gebracht. Bei dieser durch Kühlung aufrechterhaltenen Temperatur wurde kontinuierlich ein Strom Ammoniakgas solange durch die Mischung geleitet (Dauer 3 Stunden), bis kein Ammoniak mehr verbraucht wurde (die verbrauchte Ammoniakmenge lag bei 7,5 mol, das heißt 1,5 mol NH₃ pro Chloratom im Dichlorsilan). Das Reaktionsgemisch wurde zur Abtrennung des gebildeten Ammoniumchlorids dreimal mit Eiswasser gewaschen. Von der nun vorliegenden Mischung aus n-Hexan und dem gebildeten Silazan wurde das n-Hexan abdestilliert. Diese Umsetzung [Schritt a)] lieferte eine Silazanausbeute von 100% der Theorie.
177 g (1,2 mol) Silazanverbindung und 794 g (4,8 mol) Triethylenglykolmonomethylether, CH₃O(CH₂CH₂O)₃H (das sind 2 mol Monoether pro Si-N-Si-Gruppe) wurden in einem Reaktionsgefäß bei 90°C gerührt bis kein Ammoniakgas mehr entstand. Um ein rascheres Entweichen des Ammoniaks zu gewährleisten, wurde ein schwacher Stickstoffstrom als Schleppgas eingesetzt (Dauer der Umsetzung 10 Stunden). Das Reaktionsprodukt bestand aus dem angestrebten Alkoxysilan in einer Ausbeute von 85% der Theorie. Zur Abtrennung von nicht umgesetzten Ausgangskomponenten (insbesondere vom eingesetzten Methyltriglykol), wurde das Reaktionsprodukt einer Destillation unterworfen. Die Analyse des so erhaltenen Alkoxysilans ergab folgendes Ergebnis:
Siedepunkt: 332°C,
Chlorgehalt: <0,0005 Gew.-%,
Viskosität bei -40°C 192 cSt.
Das Beispiel zeigt also, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Alkoxysilane praktisch frei sind von Chlorverbindungen. Dieser hervorragende Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere bei einem Vergleich mit den bekannten Verfahren deutlich, die zu Alkoxysilanen mit einem beträchtlich höheren Chlorgehalt führen (vergleiche eingangs genannte Druckschriften).

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Alkoxysilanen, die praktisch frei sind von Chlorverbindungen, wobei von einem Alkylhalogensilan ausgegangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • a) ein Dialkyldihalogensilan oder ein Trialkylmonohalogensilan der Formel 1 worin R eine Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen ist, Hal für ein Halogen steht und X die Alkylgruppe R oder ein Halogen ist, mit Ammoniak zur Silazanverbindung umsetzt und vom Umsetzungsprodukt das ebenfalls gebildete Ammoniumchlorid abtrennt, und
  • b) das im Schritt a) erhaltene Silazan mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2 worin R¹ eine Alkylgruppe mit 1 bis 18 C-Atomen ist, R² für H oder CH₃ steht und m eine Zahl von 1 bis 10 ist, ober mit einem Oxalkylenglykol der Formel 3 worin R³ für H oder CH₃ steht und n eine Zahl von 1 bis 10 ist, und mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2, unter Entfernung des entstehenden Ammoniaks umsetzt, bis kein Ammoniak mehr entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • a) ein Dialkyldichlorsilan oder ein Trialkylmonochlorsilan der Formel 1 mit Ammoniak umsetzt, wobei R eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, Hal für Cl steht und X die Alkylgruppe R oder Cl ist, und
  • b) das im Schritt a) erhaltene Silazan mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2 umsetzt, wobei R¹ eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, R² für H oder CH₃ steht und m eine Zahl von 1 bis 5 ist, oder mit einem Oxalkylenglykol der Formel 3, wobei R³ für H oder CH₃ steht und n eine Zahl von 1 bis 5 ist, und mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2 umsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • a) ein Dialkyldichlorsilan oder ein Trialkylmonochlorsilan der Formel 1 mit Ammoniak umsetzt, wobei R eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, Hal für Cl steht und X die Alkylgruppe R oder Cl ist, und
  • b) das im Schritt a) erhaltene Silazan mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2 umsetzt, wobei R¹ eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, R² für H oder CH₃ steht und m eine Zahl von 1 bis 5 ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • a) ein Dialkyldichlorsilan der Formel 1 mit Ammoniak umsetzt, wobei R eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, und Hal und X Cl ist, und
  • b) das im Schritt a) erhaltene Silazan mit einem Oxalkylenglykolmonoalkylether der Formel 2 umsetzt, wobei R¹ eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, R² H und m eine Zahl von 1 bis 5 ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung im Schritt a) in Gegenwart eines inerten Lösungsmittels bei einer Temperatur von höchstens 50°C und mit 1,5 bis 2 mol Ammoniak pro Halogenatom im Alkylhalogensilan durchgeführt wird, und die Umsetzung im Schritt b) in Substanz oder in Gegenwart der im Schritt a) eingesetzten Lösungsmittel bei einer Temperatur von 20 bis 150°C und mit 2 bis 2,5 mol Oxalkylenglykolmonoalkylether pro Si-N-Si-Gruppe im Silazan oder mit 1 bis 1,5 mol Oxalkylenglykol und mit 2 bis 2,5 mol Oxalkylenglykolmonoalkylether jeweils pro Si-N-Si-Gruppe im Silazan durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung im Schritt a) in Gegenwart eines Lösungsmittels aus der Gruppe n-Hexan, n-Heptan, n-Octan, Petrolether, Di-(C₁ bis C₄-alkyl)-ether und Kerosin bei einer Temperatur von 15°C bis 30°C und mit 1,5 bis 2 mol Ammoniak pro Halogenatom im Alkylhalogensilan durchgeführt wird, und die Umsetzung im Schritt b) in Substanz oder in Gegenwart der im Schritt a) eingesetzten Lösungsmittel bei einer Temperatur von 70 bis 110°C und mit 2 bis 2,5 mol Oxalkylenglykolmonoalkylether pro Si-N-Si-Gruppe im Silazan oder mit 1 bis 1,5 mol Oxalkylenglykol und mit 2 bis 2,5 mol Oxalkylenglykolmonoalkylether jeweils pro Si-N-Si-Gruppe im Silazan durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
  • a) ein Dialkyldihalogensilan der Formel 1, worin R eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist und Hal und X Cl ist, in Gegenwart eines Lösungsmittels aus der Gruppe n-Hexan, n-Heptan und n-Octan bei einer Temperatur von 15°C bis 30°C und mit 1,5 bis 2 mol Ammoniak pro Chloratom im Dialkyldichlorsilan umsetzt und aus dem Umsetzungsprodukt, das im wesentlichen aus den gebildeten Produkten Tetraalkyldisilazan und Ammoniumchlorid besteht, das Silazan mit oder ohne das Lösungsmittel vom Ammoniumchlorid abtrennt, und
  • b) das im Schritt a) erhaltene Silazan in Substanz oder in Gegenwart des Lösungsmittels bei einer Temperatur von 70 bis 110°C mit 2 bis 2,5 mol Oxethylenglykolmonoalkylether der Formel 2, worin R¹ eine C₁ bis C₄-Alkylgruppe ist, R² H und m eine Zahl von 1 bis 5 ist, pro Si-N-Si-Gruppe im Silazan, unter Entfernung des entstehenden Ammoniaks umsetzt, bis kein Ammoniak mehr entsteht, und das gebildete Alkoxysilan von nicht umgesetzten Reaktionskomponenten und anwesendem Lösungsmittel befreit.
8. Verwendung der nach den Ansprüchen 1 bis 7 hergestellten Alkoxysilane als Komponente für hydraulische Flüssigkeiten, insbesondere Bremsflüssigkeiten.
9. Hydraulische Flüssigkeiten, insbesondere Bremsflüssigkeiten, enthaltend Alkoxysilane, die nach den Ansprüchen 1 bis 7 hergestellt worden sind.
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FR2687403A1 (fr) * 1992-02-18 1993-08-20 Bp Chemicals Snc Procede de fabrication d'un ester d'un compose organosilane et utilisation.

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