JP2018172498A - 液状ケイ素化合物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、非特許文献3のポリマーは、かご型シルセスキオキサン構造のp位に2個のメチレン鎖が結合されているが、工業的には選択的なp位の二置換2X−T8の構造を有するポリマーの製造方法に制約されるものではない。
[1]下記一般式(I)で表される構造単位を有する、液状ケイ素化合物。
[3]下記一般式(III)で表される化合物を用いて製造される工程を含む、請求項2に記載の液状ケイ素化合物の製造方法。
「液状ケイ素化合物」
一実施形態による液状ケイ素化合物は、下記一般式(I)で表されることを特徴とする。
R1で表されるアリール基は、炭素数6〜14のアリール基であることが好ましく、より好ましくは炭素数6〜12であり、さらに好ましくは炭素数6〜8である。この炭素数の範囲内で、アリール基は、炭素環を形成する少なくとも1つの炭素原子に直鎖または分岐鎖を有するアルキル基が結合していてもよい。
R1としては、例えば、メチル基、エチル基、イソブチル基、シクロヘキシル基、イソオクチル基、フェニル基等を挙げることができる。
R1は、好ましくは、炭素数1〜8のアルキル基またはフェニル基である。
また、n個の構造単位において、各構造単位間の6個のR1の組み合わせは、全て同一であっても、一部または全て異なってもよい。
R2、R3、R4、及びR5で表されるアルキル基は、炭素数1〜8のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1〜4であり、直鎖または分岐鎖を有してもよく、非環式または環式であってもよい。
R2、R3、R4、及びR5で表されるアリール基は、炭素数6〜14のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数6〜8である。この炭素数の範囲内で、アリール基は、炭素環を形成する少なくとも1つの炭素原子に直鎖または分岐鎖を有するアルキル基が結合していてもよい。
R2、R3、R4、及びR5としては、それぞれ独立的に、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘキシル基、フェニル基等を挙げることができる。
R2、R3、R4、及びR5は、好ましくは、耐熱性の観点から、炭素数1〜8の非置換のアルキル基またはフェニル基であることが好ましく、炭素数1〜4の非置換のアルキル基またはフェニル基であることがより好ましい。
液状ケイ素化合物は、メチレン鎖がo位、m位、p位にある3種類のかご型シルセスキオキサン構造から選択される少なくとも1種のかご型シルセスキオキサン構造を有するものであることが好ましい。より好ましくは、メチレン鎖がo位、m位にある2種類のかご型シルセスキオキサン構造から選択される1種以上のかご型シルセスキオキサン構造を有するケイ素化合物が好ましい。さらに、メチレン鎖がo位、m位、p位にある3種類のかご型シルセスキオキサン構造から選択される少なくとも2種のかご型シルセスキオキサン構造を有する液状ケイ素化合物が好ましい。
かご型シルセスキオキサン構造同士を繋ぐシロキサン構造は高温時に激しく運動する。かご型シルセスキオキサン構造の凝集力に基づく振動と合わせ、一実施形態によるポリマーは高温時に特異な分子鎖運動を行うことによって耐熱性が向上すると考えられる。したがって、mが30を超えると、かご型シルセスキオキサン構造がシロキサン構造に及ぼす影響が小さくなるため、耐熱性の効果は著しく減少してしまう。耐熱性を向上させる特異な分子鎖運動はmが1〜25であることがより好ましく、mが1〜20であることがさらに好ましい。
mは、n個の構造単位において全て同一であっても、一部または全部が異なっていてもよい。
nが小さく、重量平均分子量が2,000未満の場合、計算上、かご型シルセスキオキサン構造を2つまでしか含まないため、例えばMacromolecules(2011)、44、6039〜6045で示されているように、5%熱重量減少温度は290〜310℃程度となり、400℃を超えるような耐熱性を得ることが難しくなる。
また、重量平均分子量が1,000,000を超えると粘度が大きくなりすぎてオイルとしての適用先がほとんどなくなってしまう。
耐熱性と粘度の観点から、nは重量平均分子量が3000〜500,000となる数字であることがより好ましく、重量平均分子量が4000〜100,000となる数字であることがさらに好ましい。
nは、具体的には、3〜500であることが好ましく、4〜100であることが好ましい。
以下、一般式(I)で表される液状ケイ素化合物の製造方法の一例について説明する。なお、一般式(I)で表される液状ケイ素化合物は、以下の製造方法によって製造されたものに限定されない。
R1で表されるアルキル基は、炭素数1〜8のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1〜6であり、直鎖または分岐鎖を有してもよく、非環式または環式であってもよい。
R1で表されるアリール基は、炭素数6〜14のアリール基であることが好ましく、より好ましくは炭素数6〜12であり、さらに好ましくは6〜8である。この炭素数の範囲内で、アリール基は、炭素環を形成する少なくとも1つの炭素原子に直鎖または分岐鎖を有するアルキル基が結合していてもよい。
R1としては、例えば、メチル基、エチル基、イソブチル基、シクロヘキシル基、イソオクチル基、フェニル基等を挙げることができる。
R1は、好ましくは、炭素数1〜8のアルキル基またはフェニル基である。
反応に際しては、2つのビニル基がo位、m位、p位にある3種類の化合物のうち少なくとも2種以上、より好ましくは3種の化合物を混合して用いることが好ましい。また、反応に際しては、2つのビニル基がo位、m位にある2種類の化合物のうち少なくとも一方を含む化合物またはその混合物を用いることが好ましい。
これによって、一般式(I)で表される構造単位を有する液体ケイ素化合物が固体状とならないようにすることができる。
一般式(II)で表される化合物は、例えば、アルキルアルコキシシランと、ビニルアルコキシシランとを反応させることで得ることができる。
このような方法によれば、一般式(II)で表される化合物において、図6に示すように2つのビニル基がo位、m位、p位にある化合物を製造することができる。
特に、下記一般式(IV)で表される化合物及び下記一般式(V)で表される化合物を用いて一般式(II)で表される化合物を得て、この一般式(II)で表される化合物を用いて一般式(I)で表される構造単位を有する化合物を製造することで、液状のケイ素化合物を得ることができる。このケイ素化合物は、液状であるため、図6において、2つのビニル基がp位にある構造単位のみではなく、o位及びm位にある2種類の構造単位のうち少なくとも一方が含まれると考えられる。
R1で表されるアルキル基は、炭素数1〜8のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1〜6であり、直鎖または分岐鎖を有してもよく、非環式または環式であってもよい。
R1で表されるアリール基は、炭素数6〜14のアリール基であることが好ましく、より好ましくは炭素数6〜12であり、さらに好ましくは炭素数6〜8である。この炭素数の範囲内で、アリール基は、炭素環を形成する少なくとも1つの炭素原子に直鎖または分岐鎖を有するアルキル基が結合していてもよい。
R1としては、例えば、メチル基、エチル基、イソブチル基、シクロヘキシル基、イソオクチル基、フェニル基等を挙げることができる。
R1は、好ましくは、炭素数1〜8のアルキル基またはフェニル基である。
一般式(IV)のR1は、一般式(II)の化合物のR1として導入され、さらに一般式(I)の化合物のR1として導入される。
R6としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘキシル基等を挙げることができる。
中でもR6は、反応性の制御の観点から、炭素数1〜8の非置換のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜4の非置換のアルキル基であることがより好ましい。
これらは、1種または2種以上を組み合わせて用いてもよい。
アルキルアルコキシシランのうち1種を用いて一般式(II)で表される化合物を合成することで、一般式(II)においてR1が全て同じ化合物を得ることができる。
アルキルアルコキシシランのうちR1が異なる2種以上を用いて一般式(II)で表される化合物を合成することで、一般式(II)においてR1が一部または全て異なる化合物を得ることができる。
好ましくは、一般式(II)で表される化合物は、一般式(IV)で表される化合物と一般式(V)で表される化合物とを反応させて得ることができる。
R7としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘキシル基等を挙げることができる。
中でもR7は、反応性の制御の観点から、炭素数1〜8の非置換のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜4の非置換のアルキル基であることがより好ましい。
これらは、1種または2種以上を組み合わせて用いてもよい。
溶媒に特に制限はないが、一般式(IV)で表される化合物と、一般式(V)で表される化合物との相溶性が高く、混合した場合には均一の溶液を与え、一方でM(OH)との相溶性が低く、混合した場合には溶解せずにM(OH)が系中に残存している溶媒が好ましい。均一に分散したシラン原料は熱力学的に安定な生成物を与えることに有利である。また、M(OH)濃度は反応中に系内で低濃度のまま一定である方が、熱力学的に安定な生成物を与えることに有利である。
また、溶媒に水を添加することで、水存在下で反応を進行させることができる。水は、一般式(IV)で表されるアルコキシシランと一般式(V)で表されるビニルアルコキシシランの合計100質量部に対して、5〜15質量部で添加すればよい。
また、合成を実施するときの温度に特に制限はない。但し反応時間を短縮する観点から、30〜56℃が好ましく、40〜55℃がより好ましい。
好ましくは、一般式(II)で表される化合物と一般式(III)で表される化合物とを反応させて、液状ケイ素化合物を製造する工程を含む。
R2、R3、R4、及びR5で表されるアルキル基は、炭素数1〜8のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数1〜4であり、直鎖または分岐鎖を有してもよく、非環式または環式であってもよい。
R2、R3、R4、及びR5で表されるアリール基は、炭素数6〜14のアルキル基であることが好ましく、より好ましくは炭素数6〜8である。この炭素数の範囲内で、アリール基は、炭素環を形成する少なくとも1つの炭素原子に直鎖または分岐鎖を有するアルキル基が結合していてもよい。
R2、R3、R4、及びR5としては、それぞれ独立的に、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘキシル基、フェニル基等を挙げることができる。
R2、R3、R4、及びR5は、好ましくは、合成される液状ケイ素化合物の耐熱性の観点から、炭素数1〜8の非置換のアルキル基またはフェニル基であることが好ましく、炭素数1〜4の非置換のアルキル基またはフェニル基であることがより好ましい。
白金系触媒としては、例えば、塩化白金酸、塩化白金酸とアルコール、アルデヒド、ケトン等との触媒、白金−オレフィン錯体、白金−カルボニルビニルメチル錯体(Ossko触媒)、白金−ジビニルテトラメチルシロキサン錯体(Karstedt触媒)、白金−シクロビニルメチルシロキサン錯体、白金−オクチルアルデヒド錯体、白金−ホスフィン錯体であるPt[P(C6H5)3]4、PtCl[P(C6H5)3]3、Pt[P(C4H9)3]4、白金−ホスファイト錯体であるPt[P(OC6H5)3]4,Pt(OC4H9)3]4、ジカルボニルジクロロ白金等が挙げられる。
溶媒に特に制限はないが、一般式(II)で表される化合物、一般式(III)で表される化合物、及び触媒の溶解性に応じて任意に選択できる。
溶媒の具体例としては、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、ヘキサン、ヘプタン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンタノン、テトラヒドロフラン(THF)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等を挙げることができる。
「一般式(II)で表される化合物の合成」
一般式(II)において、6個のR1が全てイソブチル基であるビスビニルPOSS(POSS;かご型オリゴシルセスキオキサン(Polyhedral Oligomeric SilSesquioxanes))を以下の手順で合成した。
500mL三口フラスコに、アセトンを300mL、メタノールを40mL、精製水を5.60mL加え、ジムロート冷却器、温度計、滴下ロートを備えて窒素雰囲気とした。
この三口フラスコに、塩基性化合物としてLiOH一水和物を7.00g加え、撹拌しながらオイルバスで液温が55℃となるように加熱した。
滴下ロートに、一般式(IV)で表されるアルコキシシランとしてイソブチルトリメトキシシランを49.00gと、一般式(V)で表されるビニルアルコキシシランとしてビニルトリメトキシシランを13.56gとを秤取し、50分間かけてゆっくり三口フラスコに滴下した。滴下後に液温を50℃とし、18時間窒素雰囲気下で混合物を加熱撹拌した。
加熱後、オイルバスを外し室温(25℃)まで放冷し、1NのHCl溶液を150mL加えたところ、白濁した。そのまま1時間撹拌し、上澄みを傾斜して除いた。残った白色粘稠物をアセトニトリル100mLで3回洗浄した後、ヘキサンを加えて白色粘稠物を溶解した。この溶液を500mLフラスコに定量的に移し、エバポレーターで溶剤を留去してオイルポンプで減圧乾燥し、白色粘稠物34.64gを得た。
中圧カラムによる分取精製は株式会社ワイエムシィ製「LC−forte/R」、カラムは株式会社山善製「ユニバーサルカラムプレミアム(2L)」を用いた。分取条件10mL/min、展開溶剤はヘキサンとした。白色粘稠物2.64gをヘキサン1.47gに溶解させてカラム上部に直接チャージした。流出RI検出をモニターしながら、図1に示す流出時間で各フラクションに分割し、フラクションごとにエバポレーターで溶剤を留去し、オイルポンプで減圧乾燥して、各フラクションから白色結晶を得た。各フラクションから得られた白色結晶の質量を表1に示す。
各フラクションから得られた白色結晶の観測値、及びビニルPOSS、ビスビニルPOSS、トリスビニルPOSSの計算値を表2に示す。
フラクション2がビニルPOSS、フラクション3が目的のビスビニルPOSS、フラクション4がトリスビニルPOSSであった。
測定条件は以下の通りである。
(1H NMR)
観測核:1H
共鳴周波数:300MHz
測定温度:25℃
基準物質:テトラメチルシラン
(13C NMR)
観測核:13C
共鳴周波数:75MHz
測定温度:25℃
基準物質:テトラメチルシラン
(29Si NMR)
観測核:29Si
共鳴周波数:60MHz
測定温度:25℃
基準物質:テトラメチルシラン
フラクション2のビニルPOSSの結果と比較すると、フラクション3のビスビニルPOSSは2個のビニル基を持つことが分かる。
一般式(I)において、6個のR1が全てイソブチル基であり、R2〜R5がメチル基であり、m=1である構造単位を有する化合物を以下の手順で合成した。ビスビニルPOSSには、上記フラクション3から得られた白色結晶を用いた。
30mL二口フラスコにビスビニルPOSSを1.000g秤量し、ジムロート冷却器を備えて窒素雰囲気とした。シリンジでトルエンを6mL、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン(一般式(III)においてm=1、R2〜R5=メチル基、東京化成工業製)を0.226mL、白金(0)−2,4,6,8−テトラメチルー2,4,6,8−テトラビニルシクロテトラシロキサン錯体溶液を0.040mLを加えた。還流条件で12時間、105〜111℃で加熱した。次いで、エバポレーターで溶剤を留去してオイルポンプで減圧乾燥し、薄褐色透明液体1.09gを得た。この薄褐色透明液体を、ワイエムシィ株式会社製「LC−forte/R」を用いてゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で分取し、0.19gの無色透明の粘性液体を得た。重量平均分子量(Mw)は96,900であった。
「一般式(I)で表されるケイ素化合物、m=2の合成」
一般式(I)において、6個のR1が全てイソブチル基であり、R2〜R5がメチル基であり、m=2である構造単位を有する化合物を以下の手順で合成した。ビスビニルPOSSには、上記フラクション3から得られた白色結晶を用いた。
30mL二口フラスコにビスビニルPOSSを1.000g秤量し、ジムロート冷却器を備えて窒素雰囲気とした。シリンジでトルエンを6mL、1,1,3,3,5,5−ヘキサメチルトリシロキサン(一般式(III)においてm=2、R2〜R5=メチル基、東京化成工業製)を0.332mL、白金(0)−2,4,6,8−テトラメチルー2,4,6,8−テトラビニルシクロテトラシロキサン錯体溶液を0.040mLを加えた。還流条件で12時間、105〜111℃で加熱した。次いで、エバポレーターで溶剤を留去してオイルポンプで減圧乾燥し、薄褐色透明液体1.15gを得た。この薄褐色透明液体を、ワイエムシィ株式会社製「LC−forte/R」を用いてゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で分取し、0.76g無色透明の粘性液体を得た。重量平均分子量(Mw)は21,400であった。
比較例1として、耐熱性シリコーンオイルとしてメチルフェニルポリシロキサン(信越化学工業株式会社製「KF−54」)を用いた。
<参考例>
参考例として、実施例1で合成された6個のイソブチル基を有するビスビニルPOSS(上記フラクション3から得られた白色結晶)を用いた。
耐熱性の評価方法として加熱時の5%重量減少温度を比較した。株式会社島津製作所製の示差熱・熱重量同時測定装置「DHG−60H」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度10L/minの条件で測定を行い、5%重量減少温度を記録した。結果を表3に示す。
表3より、比較例1及び参考例に比べ、各実施例のケイ素化合物は、耐熱性に優れることがわかる。
Claims (3)
- 下記一般式(I)で表される構造単位を有する液状ケイ素化合物の製造方法であって、下記一般式(II)で表されるケイ素化合物を用いて製造される工程を含む、液状ケイ素化合物の製造方法。
(一般式(I)中、R1は炭素数1〜8の直鎖または分岐鎖を有するアルキル基、または炭素数6〜14のアリール基を表し、6個のR1は、全て同一であっても、一部または全て異なってもよく、R2、R3、R4、及びR5は、それぞれ独立的に、炭素数1〜8の直鎖または分岐鎖を有するアルキル基、または炭素数6〜14のアリール基を表し、mは1〜30の整数を表し、n個の構造単位において、mは全て同一であっても、一部または全て異なってもよく、nは重量平均分子量2,000〜1,000,000を満たす数字を表す。)
(一般式(II)中、R1は炭素数1〜8の直鎖または分岐鎖を有するアルキル基、または炭素数6〜14のアリール基を表し、6個のR1は、全て同一であっても、一部または全て異なってもよい。)
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