DE4010153C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Organosiliziumverbindung, die zur Modifizierung von
Eigenschaften synthetischer Harze geeignet ist.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine neue
hydroxygruppenhaltige Organosiliziumverbindung, die für
die Modifizierung von Oberflächeneigenschaften
synthetischer Harze, wie Polyurethane und Polyester,
hergestellt durch Nutzbarmachen der Reaktivität von
Polyolen, geeignet ist.
Üblicherweise schließen bekannte
Organosiliziumverbindungen, die zur Modifizierung der
Oberflächeneigenschaften von Polyurethanen oder Polyestern
geeignet sind, Verbindungen der Formeln (1), (2) und (3)
ein, die eine Hydroxylgruppe oder eine organische Gruppe
mit einer Hydroxylgruppe an beiden Enden eines
Polydimethylsiloxans besitzen, und auch Verbindungen der
Formel (4) mit einer organischen Gruppe, die zwei
Hydroxylgruppen, die unterschiedlich in ihrer Reaktivität
sind, an einem Ende eines Polydimethylsiloxans aufweisen:
wobei Me eine Methylgruppe darstellt und l, m und p
jeweils eine positive Zahl bedeuten.
Jedoch ergeben sich bei einer Modifizierung eines Polymers
mit der Siloxanverbindung mit einer Hydroxylgruppe an
beiden Enden Probleme. Da das gesamte
Siloxansegment in das erhaltene Polymer eingeführt wird,
sollte die Siloxanverbindung in einem beträchtlich großen
Anteil eingesetzt werden, um eine ausreichende
Modifizierung der Oberflächeneigenschaften des endgültigen
Harzformartikels zu erhalten.
Das obige Problem wird mit der Verbindung der Formel (4),
die z. B. in JP-A-62-1 95 389 offenbart ist, überwunden.
Die beiden Hydroxylgruppen dieser
Verbindung unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer
Reaktivität sehr stark voneinander, da die Verbindung eine
Struktur aufweist, in der eine der beiden Hydroxylgruppen
an einem primären Kohlenstoffatom und das andere an einem
sekundären Kohlenstoffatom gebunden ist. Aus diesem Grund
sind bei Einsatz dieser Verbindung nicht nur die
Copolymerisationsreaktionen schwierig durchzuführen,
sondern es besteht auch ein anderes Problem dahingehend,
daß ein Polymer mit einer beabsichtigten
Molekularstruktur nicht erhalten werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung Ist es, neue
hydroxylgruppenhaltige Organosiliziumverbindungen
bereitzustellen, bei denen die vorhandenen Hydroxylgruppen
gleiche Reaktivität aufweisen und die bei der Modifizierung
der Oberflächeneigenschaften von Polyurethanen, Polyestern
und anderen Harzen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch hydroxylgruppenhaltige
Organosiliziumverbindungen der allgemeinen Formel (I)
gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugt haben die Alkylgruppen 1 bis 4 Kohlenstofftome,
wobei Methyl besonders bevorzugt ist, und zwar unter dem
Gesichtspunkt der leichten Verfügbarkeit des
Ausgangsmaterials und der leichten Herstellung der
Verbindung.
n ist 0 oder eine ganze Zahl von 1 bis 1000, vorzugsweise
1 bis 200. Wenn n größer als 1000 ist, dann wird nicht
nur die Viskosität der Verbindung so hoch, daß die
Verbindung schwierig zu handhaben ist, sondern auch die
Synthese ist schwierig zu regeln.
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der
Verbindung (I) der vorliegenden Erfindung wird im
folgenden kurz erläutert.
Zunächst wird 2-Methylen-1,3-propandiol (II) mit
Hexamethylendisilazan (III) in Gegenwart einer
katalytischen Menge von Ammoniumchlorid umgesetzt, um
2-Methylen-1,3-bis(trimethylsiloxy)propan (IV)
herzustellen. Diese Verbindung (IV) wird dann einer
Additionsreaktion mit einem an einem Ende hydrierten
Diorganosiloxan (V) in Gegenwart eines Katalysators, wie
einer Platinverbindung, unter Erhalt eines
Diorganosiloxanderivates (VI) unterzogen. Dieses Derivat
(VI) wird einer Detrimethylsilylierungsreaktion
unterzogen, um Trimethylsilylgruppen zu entfernen und um
damit die Verbindung (I) der Erfindung zu erhalten. Das
obige Verfahren wird durch die folgenden Reaktionsformeln
erläutert:
wobei R und n wie oben definiert sind und R′ eine
Alkylgruppe darstellt.
Die Verbindung (II) kann z. B. erhalten werden über ein
Verfahren, bei dem 5-Norbornen-2-ylidendimethanol einer
Retro-Diels-Alder-Reaktion unterzogen wird (E.J. Corey,
J.W. Suggs; Tetrahedron Letters, 44, 3775-3778 (1975)),
oder über ein Verfahren, bei dem
3-Chloro-2-chloromethylpropen mit Essigsäure verestert
wird, um 2-Methylen-1,3-propandioldiacetat herzustellen,
das anschließend einer Esteraustauschreaktion mit
Methanol unterzogen wird (Y. Ducharme, S. Latour, J.D.
Wuest; Organometallics, 3, 208-211 (1984)).
Das an einem Ende hydrierte Diorganosiloxan (V) kann wie
folgt erhalten werden. Eine Verbindung der Formel (V), bei
der n 0 ist, d. h. ein Triorganosilan, kann leicht erhalten
werden, indem man ein Triorganochlorsilan der Formel
R₃SiCl (wobei R wie oben definiert ist) mit einer
theoretisch molaren Menge an Lithiumaluminiumhydrid in
Ether umsetzt. Eine Verbindung der Formel (V), bei der n 1
ist, d. h. ein 1,1,3,3,3-Pentaorganodisiloxan, kann leicht
erhalten werden, indem man z. B. ein Triorganochlorsilan
der Formel R₃SiCl (wobei R wie oben definiert ist) und
ein Diorganochlorsilan der Formel R₂HSiCl (wobei R wie
oben definiert ist) einer Cohydrolysereaktion unterzieht.
Eine Verbindung der Formel (V), bei der n 2 oder größer
ist, kann erhalten werden, indem man ein
Hexaorganocyclotrisiloxan der Formel (R₂SiO)₃ in
Tetrahydrofuran in Gegenwart einer Organolithiumverbindung
der Formel RLi (wobei R wie oben definiert ist)
polymerisiert, und anschließend das erhaltene Polymer
einer Entsalzungsreaktion mit einem Diorganochlorsilan der
Formel R₂HSiCl (wobei R wie oben definiert ist)
unterzieht (z. B. Y. Tezuka, A. Fukushima, K. Imai;
Makromolekulare Chemie, 186, 685 (1985)).
Die Reaktion, die durch die Reaktionsformel (5) oben
gezeigt ist, ist eine Trimethylsilylierungsreaktion, bei
der die Hydroxylgruppen durch Trimethylsilylgruppen
mittels Hexamethyldisilazan ersetzt werden. Diese Reaktion
kann gemäß üblichen Verfahren durchgeführt werden.
Bei der Durchführung der Additionsreaktion der Verbindung
(V) mit der Verbindung (IV), wie dies durch die
Reaktionsformel (6) gezeigt wird, wird die Verbindung (IV)
in einer Menge von 1 mol oder mehr, vorzugsweise von
1,1 mol oder mehr pro mol der Verbindung der Formel (I)
eingesetzt. Ein Katalysator für diese Additionsreaktion
sind Komplexverbindungen von Gruppe-VIII-Elementen des
Periodensystems. Unter diesen werden eine
Platinverbindung, hergestellt durch Lösen von
Chlorplatinsäure in einem Alkohol oder einer
Carbonylverbindung, und Komplexverbindungen verschiedener
Olefine mit Platin oder Rhodium vorzugsweise eingesetzt.
Die Detrimethylsilylierungsreaktion der Verbindung (VI),
wie sie durch die Reaktionsformel (7) dargestellt wird,
kann durchgeführt werden, indem man einen Niedrigalkohol
der Formel R′OH (wobei R′ wie oben definiert ist),
vorzugsweise Methanol oder Ethanol, einsetzt. Zum Beispiel
wird ein stöchiometrisch großer Überschuß an Methanol
zur Verbindung (VI) hinzugegeben und die erhaltene
Mischung wird mehrere Stunden unter Rückfluß erhitzt,
wobei man die Verbindung (I) der vorliegenden Erfindung
erhalten kann.
Unter Verwendung der Verbindung der vorliegenden Erfindung
als eines der Comonomere für ein Polyurethan oder ein
Polyester kann ein Polymer erhalten werden, das eine
Struktur aufweist, bei der Siloxanketten als anhängige
Gruppen an die Hauptkette gebunden sind.
Bedingt durch die Verbindung der vorliegenden Erfindung
besitzt das so erhaltene Polymer Eigenschaften, wie
Hitzebeständigkeit, Wasserzurückstoßungsvermögen,
Nicht-Faulungseigenschaften, Nicht-Klebeeigenschaften,
Flexibilität, Abriebfestigkeit und Gasdurchlässigkeit, die
die mit den Siloxanverbindungen einhergehenden Merkmale
sind, und damit ist das so modifizierte Polymer als
medizinisches Material und als fasermodifizierendes
Material geeignet.
Die vorliegende Erfindung wird detaillierter mit Bezug auf
die folgenden Beispiele erläutert.
In den Beispielen betreffen alle Teile
Gewichtsteile.
In einen Kolben, der mit einem Rührer, einem Thermometer,
einem Tropftrichter, einem Rückflußkühler und einem Ölbad
ausgestattet ist, wurden 0,06 Teile einer Lösung, die
durch Lösen von 0,5 Teilen Chlorplatinsäure in 25 Teilen
Isopropanol hergestellt wurde, und 53,4 Teile
Methylen-1,3-bis(trimethylsiloxy)propan hinzugegeben. Es
wurde anschließend mit dem Rühren begonnen und die
Flüssigkeit im Kolben wurde auf 70°C erhitzt.
29,6 Teile 1,1,3,3,3-Pentamethyldisiloxan wurden
tropfenweise zu dem Kolben aus dem Tropftrichter über eine
Zeitdauer von 15 Minuten hinzugegeben, während man die
Flüssigreaktionsmischung in geeigneter Weise kühlte, um
die Flüssigkeitstemperatur auf 80 bis 90°C zu halten. Nach
Beendigung der Zugabe wurde das Rühren 1 Stunden lang bei
einer Flüssigkeitstemperatur von 90°C fortgesetzt. Durch
die Analyse mittels Gaschromatografie wurde
sichergestellt, daß der durch
1,1,3,3,3-Pentamethyldisiloxan bedingte Peak verschwunden
war.
Nach dem Abkühlen der Reaktion wurde eine Fraktion mit
einem Siedepunkt von 96 bis 98°C/4000 Pa mittels
Vakuumdestillation gewonnen, wobei man 68,4 Teile
1-(2-Trimethylsiloxymethyl-3-trimethylsiloxypropyl)-
1,1,3,3,3-pentamethyldisiloxan in einem farblosen,
transparenten, flüssigen Zustand (Ausbeute 90%) erhielt.
Als Ergebnis einer Gaschromatografieanalyse wurde die
Reinheit des Produktes mit 97% bewertet.
Das oben erhaltene Produkt wurde einer Elementaranalyse,
einer infrarotspektroskopischen Analyse, einer
¹H-NMR-Analyse und einer massenspektrometrischen Analyse
unterzogen. Die erhaltenen Ergebnisse sind im folgenden
aufgeführt. Aus diesen Analysen konnte sichergestellt
werden, daß das Produkt die folgende molekulare Struktur
aufweist
Elementaranalyse:
Berechnet (%) Si 29,50, C 47,31, H 10,59, O 12,60;
Gefunden (%) Si 29,51, C 47,30, H 10,57, O 12,62.
Berechnet (%) Si 29,50, C 47,31, H 10,59, O 12,60;
Gefunden (%) Si 29,51, C 47,30, H 10,57, O 12,62.
Infrarotspektroskopische Analyse (Flüssigfilmverfahren):
| Wellenzahl (cm-1) | |
| Zuordnung | |
| 2940 | |
| C-H | |
| 1100-1020 | Si-O |
¹H-NMR-Analyse (in CDCl₃):
Massenspektrometrische Analyse (m/e): 380 (M⁺)
38,0 Teile des oben erhaltenen 1-(2-Trimethylsiloxymethyl-
3-trimethylsiloxypropyl)-1,1,3,3,3-pentamethyldisiloxans
und 375 Teile Methanol wurden in einen Kolben von der
zuvor benutzten Art gegeben und die erhaltene Mischung
wurde unter Rückfluß 2 Stunden lang erhitzt. Nach dem
Abkühlen der Reaktionsmischung wurde eine Fraktion mit
einem Siedepunkt von 133 bis 136°C/8000 Pa durch
Vakuumdestillation gewonnen, wobei man 21,0 Teile
1-(2-Hydroxymethyl-3-hydroxypropyl)-1,1,3,3,3-pentamethyldisiloxan
in einem farblosen, transparenten, flüssigen
Zustand (Ausbeute 89%) erhielt. Durch Analyse mittels
Gaschromatografie wurde die Reinheit dieses Produktes mit
95% bestimmt.
Das oben erhaltene Produkt wurde einer Elementaranalyse,
einer infrarotspektroskopischen Analyse, einer
¹H-NMR-Analyse und einer massenspektrometrischen Analyse
unterzogen. Die erhaltenen Ergebnisse sind im folgenden
aufgeführt. Mittels dieser Analysen wurde sichergestellt,
daß das Produkt die folgende Molekularstruktur aufweist:
Elementaranalyse:
Berechnet (%) Si 23,76, C 45,71, H 10,23, O 20,30;
Gefunden (%) Si 23,78, C 45,69, H 10,22, O 10,31.
Berechnet (%) Si 23,76, C 45,71, H 10,23, O 20,30;
Gefunden (%) Si 23,78, C 45,69, H 10,22, O 10,31.
Infrarotspektroskopische Analyse (Flüssigfilmverfahren):
| Wellenzahl (cm-1) | |
| Zuordnung | |
| 3500-3200 | |
| O-H | |
| 2950 | C-H |
| 1100-1000 | Si-O |
¹H-NMR-Analyse (in CDCl₃):
Massenspektrometrische Analyse (m/e): 236 (M⁺)
Die Reaktion von 2-Methylen-1,3-bis(trimethylsiloxy)-propan
wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1
durchgeführt, mit der Ausnahme, daß 7,0 Teile der
Verbindung mit 84 Teilen eines an einem Ende hydrierten
Polydimethylsiloxans (Wasserstoffäquivalent: 4200, d. h.
ein durchschnittliches Zahlenmolekulargewicht von 4200)
anstelle von 1,1,3,3,3-Pentamethyldisiloxan, das in
Beispiel 1 verwendet wurde, umgesetzt wurden. Nach
Beendigung der Reaktion wurde die Reaktionsmischung durch
Infrarotspektroskopie analysiert und es wurde
sichergestellt, daß der durch die Si-H-Gruppe bedingte
Absorptionspeak (2140 cm-1) verschwunden war. Aus der
erhaltenen Reaktionsmischung wurden die niedrigsiedenden
Fraktionen, die die nicht-umgesetzten Ausgangsmaterialien
beinhalten, unter Bedingungen von 120°C/133,3 Pa während 2
Stunden entfernt. Zu dem erhaltenen Destillationsrückstand
wurden dann 250 Teile Methanol hinzugegeben und die
erhaltene Mischung wurde 3 Stunden lang unter Rückfluß
erhitzt. Anschließend wurden überschüssiges Methanol und
niedrigsiedende Nebenprodukte unter Bedingungen von
70°C/4000 Pa während 2 Stunden entfernt. Dabei wurden
86,0 Teile eines an einem Ende dihydroxylierten
Polydimethylsiloxans in einem farblosen, transparenten,
flüssigen Zustand als Destillationsrückstand (Ausbeute
97%) gewonnen.
Das oben erhaltene Produkt wurde einer
infrarotspektroskopischen Analyse, einer ¹H-NMR-Analyse,
einer Hydroxyäquivalenzbestimmung und einer GPC-Analyse
unterzogen. Die erhaltenen Ergebnisse sind im folgenden
gezeigt. Mittels dieser Analyse konnte sichergestellt
werden, daß das Produkt die folgende Molekularstruktur
aufwies:
Infrarotspektroskopische Analyse (Flüssigfilmverfahren):
| Wellenzahl (cm-1) | |
| Zuordnung | |
| 3500-3200 | |
| O-H | |
| 2950 | C-H |
| 1100-1000 | Si-O |
¹H-NMR-Analyse (in CDCl₃):
Hydroxyäquivalenzbestimmung: Hydroxyäquivalent 2100
GPC-Analyse:
gewichtsmittleres Molekulargewicht, ausgedrückt in bezug auf Polystyrol (Mw) 4900
zahlenmittleres Molekulargewicht, ausgedrückt in bezug auf Polystyrol (Mn) 4500
Polydispersionsgrad (Mw/Mn) 1,09.
GPC-Analyse:
gewichtsmittleres Molekulargewicht, ausgedrückt in bezug auf Polystyrol (Mw) 4900
zahlenmittleres Molekulargewicht, ausgedrückt in bezug auf Polystyrol (Mn) 4500
Polydispersionsgrad (Mw/Mn) 1,09.
Claims (4)
1. Hydroxygruppenhaltige Organosiliziumverbindung der
allgemeinen Formel (I)
wobei R, das gleich oder verschieden sein kann, eine
Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, Pentyl-, Hexyl- oder
Dedecylgruppe oder eine Phenyl- oder Tolylgruppe oder
eine Vinyl- oder Allylgruppe ist und n 0 oder eine
ganze Zahl von 1 bis 1000 ist.
2. Hydroxylgruppenhaltige Organosiliziumverbindung nach
Anspruch 1, wobei R eine Alkylgruppe mit 1 bis 4
Kohlenstoffatomen ist.
3. Hydroxylgruppenhaltige Organosiliziumverbindung nach
Anspruch 1, wobei R Methyl ist.
4. Hydroxylgruppenhaltige Organosiliziumverbindung nach
Anspruch 1, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 200 ist.
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