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DE3220712C2 - - Google Patents

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Publication number
DE3220712C2
DE3220712C2 DE3220712A DE3220712A DE3220712C2 DE 3220712 C2 DE3220712 C2 DE 3220712C2 DE 3220712 A DE3220712 A DE 3220712A DE 3220712 A DE3220712 A DE 3220712A DE 3220712 C2 DE3220712 C2 DE 3220712C2
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DE
Germany
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phenyl
water
radical
general formula
weight
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE3220712A
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English (en)
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DE3220712A1 (de
Inventor
Alfons Dipl.-Chem. Dr. 6450 Hanau De Karl
Wolfgang Dipl.-Chem. Dr. 6458 Rodenbach De Buder
Peter Dipl.-Chem. Dr. 6450 Hanau De Kleinschmit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Degussa GmbH
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Publication date
Application filed by Degussa GmbH filed Critical Degussa GmbH
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Publication of DE3220712C2 publication Critical patent/DE3220712C2/de
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F7/00Compounds containing elements of Groups 4 or 14 of the Periodic Table
    • C07F7/02Silicon compounds
    • C07F7/08Compounds having one or more C—Si linkages
    • C07F7/18Compounds having one or more C—Si linkages as well as one or more C—O—Si linkages
    • C07F7/1804Compounds having Si-O-C linkages

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft wasserhaltige Lösungen von siliciumhaltigen Isothiuroniumverbindungen und deren Verwendung.
Es sind zahlreiche Literaturstellen bekannt, die sich mit derartigen Organosiliciumverbindungen, ihrer Herstellung in organischen Lösungsmitteln und Verwendung in wäßriger Lösung befassen.
Gemäß der DE-PS 11 63 818 wird die Synthese unter Verwendung von absolutem Alkohol oder wasserfreiem Dimethylformamid als Lösungsmitteln durchgeführt.
In der US-PS 36 37 735 wird die Herstellung von Isothiuroniumsalzen in organischen Medien wie Äthern, Alkohol oder Dimethylformamid beschrieben.
Aus der US-PS 32 15 718 und der US-PS 27 19 165 ist ebenfalls die Verwendung von Alkohol als Lösungsmittel für diesen Zweck bekannt.
Der Einsatz von organischen Lösungsmitteln bedeutet in allen zitierten Fällen, daß während der Umsetzung zu den gewünschten Isothiuroniumsalzen keine Hydrolyse der eingesetzten Siliciumverbindungen zu Polysiloxanen erfolgt. Es müssen daher zum Beispiel als Ausgangssubstanzen Polysiloxane eingesetzt werden (DE-PS 11 63 818, US-PS 32 15 718), wenn man Polysiloxangruppen-haltige Isothiuroniumsalze erhalten will.
Ebenso ist es notwendig, erst das organische Lösungsmittel zu entfernen, um die anschließende Reaktion in der wäßrigen Phase durchführen (US-PS 32 15 718) zu können.
Es wurde nun gefunden, daß überraschenderweise die Synthese von siliciumhaltigen Isothiuroniumverbindungen in wasserhaltigen Lösungen ausgeführt werden kann. Dabei ergaben sich Anzeichen dafür, daß Wasser bei der vorliegenden Umsetzung reaktionsbeschleunigend wirkt.
Gegenstand der Erfindung sind wasserhaltige Lösungen von siliciumhaltigen Isothiuroniumverbindungen, hergestellt durch Umsetzung von Verbindungen der allgemeinen Formel
(RO)3-n n Si-R²-X (I)
in der bedeuten
R = C₁- bis C₄-Alkyl, C₁- bis C₄-Alkoxy, C₅- bis C₆-Cycloalkyl, Benzyl, Phenyl und/oder subst. Phenyl,
R¹ = C₁- bis C₄-Alkyl, C₅- bis C₆-Cycloalkyl Benzyl, Phenyl und subst. Phenyl,
R² = einen zweiwertigen von äthenylenischen Doppelbindungen freien Kohlenwasserstoffrest mit zwei bis acht Kohlenstoffatomen,
n = Null, 1 oder 2 und
X = Chlor, Brom oder Jod,
mit Thioharnstoffderivaten der allgemeinen Formel
in der bedeuten
R₃, R₄, R₅, R₆, gleich oder verschieden, je ein Wasserstoffatom, einen C₁- bis C₄-Alkylrest, einen C₃- bis C₆-Cycloalkylrest, Benzyl, Phenyl oder subst. Phenyl, wobei die Zahl der Kohlenstoffatome der Kohlenwasserstoffreste zusammen bis zu 24 beträgt, oder der allgemeinen Formel
in der bedeuten
R⁷ = einen gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoff mit zwei bis sechs Kohlenwasserstoffatomen, von denen gegebenenfalls ein oder zwei durch Heteroatome aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel ersetzt werden, oder einen Phenylenrest, oder der allgemeinen Formel
in der bedeuten
R⁸, R⁹ einen gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffrest mit 4 oder 5 Kohlenwasserstoffatomen, von denen gegebenenfalls ein oder zwei durch Heteroatome aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel ersetzt werden.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lösungen ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in wasserhaltigem Medium bei Temperaturen von Zimmertemperatur bis 200°C unter Vorgabe eines Molverhältnisses der Verbindung I zu der Verbindung II, III oder IV zwischen 1 : 0,8 und 1 : 1,2 gegebenenfalls unter Druck ausführt. Während der Reaktion hydrolysieren gegebenenfalls die über das Sauerstoffatom an das Siliciumatom gebundenen organischen Reste, so daß Siloxane entstehen.
Es ist besonders zweckmäßig und mit Vorteilen verbunden, die Umsetzung bei Temperaturen von Rückflußtemperatur bis zu 200°C bevorzugt bis zu 150°C bei einem Molverhältnis der obengenannten Verbindung I zu den genannten Verbindungen II, III oder IV von 1 : 1 bei einer Schwankungsbreite von ±5% und gegebenenfalls unter Druck bis etwa 200 bar auszuführen. Vorzugsweise wird bei Normaldruck gearbeitet sowie gegebenenfalls bei Drucken von 1 bis 25 bar. Die Reaktionszeit bis zur vollständigen Umsetzung beträgt im allgemeinen in Abhängigkeit von den Reaktionstemperaturen etwa 15 Minuten bis mehrere Stunden wie etwa bis 70 Stunden bzw. entsprechende Tage.
Der Gehalt der erfindungsgemäßen wäßrigen Lösung an kationischen Organosiliciumverbindungen kann zwischen 1 und etwa 95, bevorzugt zwischen 20 und 95 Gew.-% liegen, je nach dem gewünschten Verwendungszweck und in Abhängigkeit von den Ausgangsverbindungen bzw. von den Eigenschaften der entstehenden Umsetzungsprodukte, insbesondere deren Löslichkeiten. Selbstverständlich können entstandene konzentrierte Lösungen auf einen gewünschten Gehalt verdünnt werden. Bezüglich der Molverhältnisse wird vorzugsweise ein Molverhältnis der genannten Ausgangsverbindungen I zu II von 1 : 1 eingestellt. Ein Überschuß oder auch ein Unterschuß an Thioharnstoffderivat in den angegebenen Grenzen ist möglich. Um am Umsetzungsprodukt teilweise noch die -C-X-Funktion zu bewahren, kann ein Unterschuß zur Anwendung kommen.
Als Ausgangsverbindungen für die erfindungsgemäße Synthese kommen bevorzugt zur Anwendung:
2-Chlor-, 2-Bromäthyltriäthoxysilan, 3-Chlor-, 3-Brompropyltriäthoxysilan und Methoxy- und Propoxyanaloge;
2-Chloräthyldiäthoxyäthylsilan, 2-Chloräthyldimethoxyäthylsilan,
2-Chlorpropyldimethoxymethylsilan, 2-Chlorpropyldiethoxymethylsilan, 3-Chlorpropyldimethoxyphenylsilan, p-Chlormethylphenyl-trimethoxysilan;
3-Brom-, 3-Chlorisobutyltrimethoxysilan, 4-Brom-, 4- Chlor-n-butyltrimethoxysilan und Äthoxyanaloge.
Besonders geeignete Thioharnstoffderivate sind als Verbindungen gemäß der Formel II Thioharnstoff, N,N′- Dimethylthioharnstoff, N,N′-Diäthylthioharnstoff, N,N′-Trimethylthioharnstoff, N,N′-Triäthylthioharnstoff, N,N′-Tetramethylthioharnstoff, N,N′-Tetraäthylthioharnstoff, N,N′-Di-n-butylthioharnstoff, N,N′-Diphenylthioharnstoff, als Verbindungen gemäß der Formel II 2-Imidazolidinthion, 2-Mercaptobenzimidazol.
Der Begriff wasserhaltige Lösung bedeutet im Zusammenhang mit dem vorliegenden Verfahren, daß die Synthese vorzugsweise in Wasser durchgeführt wird, daß aber in manchen Fällen zweckmäßigerweise auch Wasser im Gemisch mit üblichen organischen Lösungsmitteln zu verwenden.
Das Arbeiten in Gegenwart von organischen Lösungsmitteln ist häufig empfehlenswert, um die Möglichkeit zu einer Phasentrennung des Reaktionsgemisches zu verringern.
Daher wählt man auch vorteilhaft Lösungsmittel, die bei den Reaktionsbedingungen mit Wasser vollständig mischbar sind.
Als organische Lösungsmittel kommen zunächst niedere aliphatische Monoalkohole in Frage wie z. B. Methanol, Äthanol, n-Propanol, Isopropanol, Butanole. Geeignet sind auch Methoxyäthanol, Äthoxyäthanol, Aceton, Tetrahydrofuran, N,N-Dimethylformamid, N-Methylpyrrolidon, Nitromethan und Dioxan.
Die in den eingesetzten Silanverbindungen über ein Sauerstoffatom an das Siliciumatom gebundenen Gruppen reagieren in wäßriger Lösung zumindest teilweise unter Abspaltung von Alkoholmolekülen und Bildung von Siloxanen. Diese Gruppen werden um so leichter hydrolytisch abgespalten, je kürzer sie sind.
Gewünschtenfalls kann man diese Alkohole ebenso wie die sonstigen gegebenenfalls im Gemisch vorhandenen organischen Lösungsmittel destillativ entfernen, wodurch man weniger brennbare und sogar noch stabilere Lösungen erhält.
So entstehen in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Ausgangsverbindungen und den Verfahrensbedingungen Siloxane oder Gemische von Siloxanen und Silanen.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Halogenidionen entstehen, kann man den Verlauf und das Ende der Reaktion durch die laufende Bestimmung des Halogenidgehaltes durch Titration mit Silbernitratlösung überwachen.
Die erfindungsgemäßen wasserhaltigen Lösungen der kationischen siliciumhaltigen Isothiuroniumsalze, gleich ob Siloxane oder Gemische von Siloxanen und Silanen, finden direkte Verwendung z. B. zur Beschichtung von oxidischen anorganischen Trägermaterialien.
Bevorzugt eingesetzt werden die erfindungsgemäßen Lösungen als Zwischenprodukte für weiterführende Verfahren.
Dafür besonders geeignet sind die Lösungen, die aus äquimolaren Umsetzungen der Verbindungen gemäß Formel I mit denen gemäß Formel II, III oder IV hervorgegangen sind und in denen eine vollständige Hydrolyse der erfindungsgemäßen Verbindungen zu Siloxanen stattgefunden hat. Aufgrund der Verwendung von Wasser als Lösungsmittel können die erfindungsgemäßen Lösungen z. B. direkt zur Herstellung von ω-Mercaptoalkylgruppen- haltigen Siloxanverbindungen eingesetzt werden. Nach dem Stand der Technik (DE-PS 11 63 818) muß als Ausgangsverbindung ein Siloxan eingesetzt werden, das nach der Umsetzung mit Thioharnstoff in eine ω-Mercaptoalkylgruppen- haltige Siloxanverbindung umgewandelt werden kann.
Ebenso in an sich bekannter Weise können erfindungsgemäß anfallende Isothiuroniumsalzlösungen bevorzugt, wenn diese zu mindestens 80 Gew.-% des Lösungsmittels aus Wasser bestehen, direkt zu Sulfoalkylsiloxanen umgesetzt werden, die sich für die Herstellung von Entschäumungsreagentien als sehr geeignet erwiesen haben.
Nach dem Stand der Technik (US-PS 32 15 718) mußte hier zuerst das während der Herstellung der Isothiuroniumverbindungen verwendete organische Lösungsmittel abdestilliert werden. Anschließend wird die so isolierte Verbindung in Wasser gelöst und zur Sulfoverbindung oxidiert.
Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
In einem 1-l-Rundkolben mit Rückflußkühler werden 76,1 g (1,00 Mol) Thioharnstoff, 240,8 g (1,00 Mol) CIPTES 3-Chlorpropyltriäthoxysilan und 105,6 g Wasser ca. 26 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Es entsteht eine klare farblose Lösung des Umsetzungsproduktes der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 75 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt (Cl-) beträgt 8,35 Gewichtsprozent (berechneter Chloridgehalt 8,39 Gewichtsprozent).
Beispiel 2
In einem 1-l-Rundkolben mit Rückflußkühler werden 132,2 g (1,00 Mol) N,N′-Tetramethylthioharnstoff, 240,8 g (1,00 Mol) CIPTES 3-Chlorpropyltriäthoxysilan und 124,3 g Wasser ca. 26 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Es entsteht eine klare Lösung mit leichtem Gelbstich des Umsetzungsproduktes mit der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 75 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt beträgt 7,17 Gewichtsprozent (berechneter Chloridgehalt 7,13 Gewichtsprozent).
Beispiel 3
In einem 1-l-Rundkolben mit Rückflußkühler werden 118,2 g (1,00 Mol) N,N′-Trimethylthioharnstoff, 240,8 g (1,00 Mol) CIPTES 3-Chlorpropyltriäthoxysilan und 119,7 g Wasser ca. 64 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Es entsteht eine klare Lösung mit ganz leichtem Gelbstich des Umsetzungsproduktes der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 75 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt beträgt 7,41 Gewichtsprozent (berechneter Wert 7,41 Gewichtsprozent).
Beispiel 4
In einem 500-ml-Rundkolben mit Rückflußkühler werden 94,2 g (0,50 Mol) N,N′-Di-n-butylthioharnstoff, 120,4 g (0,50 Mol) CIPTES 3-Chlorpropyltriäthoxysilan und 71,5 g Wasser ca. 36 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Es entsteht eine klare orangefarbene Lösung des Umsetzungsproduktes mit der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischen Umsetzungsprodukt von etwa 75 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt beträgt 6,34 Gewichtsprozent (berechneter Chloridgehalt 6,20 Gewichtsprozent).
Beispiel 5
In einem 500-ml-Stahlautoklaven werden 75,3 g (0,33 Mol) N,N′-Diphenylthioharnstoff, 79,5 g (0,33 Mol) CIPTES 3-Chlorpropyltriäthoxysilan und 51,6 g eines Wasser-Ethanol-Gemisches im Gewichtsverhältnis 1 : 1 ca. 72 Stunden auf 120°C unter dem sich einstellenden Eigendruck des Reaktionsgemisches erhitzt. Es entsteht eine klare gelbe Lösung des Umsetzungsproduktes mit der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 75 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt beträgt 5,38 Gewichtsprozent (berechneter Chloridgehalt 5,67 Gewichtsprozent).
Beispiel 6
In einem 1-l-Rundkolben mit Rückflußkühler werden 102,2 g (1,00 Mol) 2-Imidazolidinthion, 240,8 g (1,00 mol) CIPTES 3-Chlorpropyltriäthoxysilan und 114,3 g Wasser ca. 23 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Es entsteht eine klare, nahezu farblose Lösung des Umsetzungsproduktes mit der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 75 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridwert beträgt 7,77 Gewichtsprozent (berechneter Chloridwert 7,75 Gewichtsprozent).
Beispiel 7
In einem 500-ml-Stahlautoklaven werden 37,6 g (0,25 Mol) 2-Mercaptobenzimidazol, 60,2 g (0,25 Mol) CIPTES 3-Chlorpropyltriäthoxysilan und 97,8 g eines Ethanol-Wasser-Gemisches im Gewichtsverhältnis 1 : 1 ca. 20 Stunden auf 120°C unter dem sich einstellenden Eigendruck des Reaktionsgemisches erhitzt. Es entsteht eine klare orangefarbene Lösung des Umsetzungsproduktes mit der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 50 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt beträgt 4,58 Gewichtsprozent (berechneter Chloridgehalt 4,53 Gewichtsprozent).
Beispiel 8
In einem 100-ml-Rundkolben mit Rückflußkühler werden 7,61 g (0,10 Mol) Thioharnstoff, 24,7 g (0,10 Mol) p-Chlormethylphenyltrimethoxysilan und 32,3 g Wasser ca. 10 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Es entsteht eine klare gelbe Lösung des Umsetzungsproduktes mit der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 50 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt beträgt 5,28 Gewichtsprozent (berechneter Chloridgehalt 5,49 Gewichtsprozent).
Beispiel 9
In einem 250-ml-Rundkolben mit Rückflußkühler werden 56,7 g (0,25 Mol) 2-Chlorethyltriethoxysilan, 19,0 g (0,25 Mol) Thioharnstoff und 25,2 g Wasser ca. 20 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Es entsteht eine klare farblose Lösung des Umsetzungsproduktes mit der Teilformel
mit einem Gehalt an kationischem Umsetzungsprodukt von etwa 75 Gewichtsprozent. Der analytisch bestimmte Chloridgehalt beträgt 8,81 Gewichtsprozent (berechneter Chloridgehalt 8,78 Gewichtsprozent).

Claims (2)

1. Wasserhaltige Lösung von siliciumhaltigen Isothiuroniumverbindungen hergestellt durch Umsetzung von Verbindungen der allgemeinen Formel (RO)3-n n Si-R²-X (I)in der bedeuten
R = C₁- bis C₄-Alkyl, C₁- bis C₄-Alkoxy, C₅- bis C₆-Cycloalkyl, Benzyl, Phenyl und/oder subst. Phenyl,
R¹ = C₂- bis C₄-Alkyl, C₅- bis C₆-Cycloalkyl, Benzyl, Phenyl und subst. Phenyl,
R² = einen zweiwertigen von äthenylenischen Doppelbindungen freien Kohlenwasserstoffrest mit zwei bis acht Kohlenstoffatomen,
n = Null, 1 oder 2 und
X = Chlor, Brom oder Jod,mit Thioharnstoffderivaten der allgemeinen Formel in der bedeutenR₃, R₄, R₅, R₆, gleich oder verschieden, je ein Wasserstoffatom, einen C₁- bis C₄-Alkylrest, einen C₃- bis C₆-Cycloalkylrest, Benzyl, Phenyl oder subst. Phenyl, wobei die Zahl der Kohlenstoffatome der Kohlenwasserstoffreste zusammen bis zu 24 beträgt, oder der allgemeinen Formel in der bedeutenR⁷ = einen gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffrest mit zwei bis sechs Kohlenwasserstoffatomen, von denen gegebenenfalls ein oder zwei durch Heteroatome aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel ersetzt werden, oder einen Phenylenrest, oder der allgemeinen Formel in der bedeutenR⁸, R⁹ einen gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffrest mit 4 oder 5 Kohlenwasserstoffatomen, von denen gegebenenfalls ein oder zwei durch Heteroatome aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel ersetzt werden, gegebenenfalls unter Druck, in wasserhaltigem Medium bei Temperaturen von Zimmertemperatur bis 200°C unter Vorgabe eines Molverhältnisses der Verbindung I zu der Verbindung II, III oder IV zwischen 1 : 0,8 und 1 : 1,2 bei gegebenenfalls gleichzeitig erfolgender Hydrolyse der über das (die) Sauerstoffatom(e) an Silicium gebundenen organischen Kohlenwasserstoffreste.
2. Verwendung von wasserhaltigen Lösungen von siliciumhaltigen Isothiuroniumsalzen nach Anspruch 1 zur Herstellung von ω-Mercaptoalkylgruppen-haltigen Siloxanverbindungen.
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