卤代烷基烷氧基硅烷和卤代烷基卤硅烷的制备方法

摘要

本发明涉及一种制备卤代烷基烷氧基硅烷和卤代烷基卤硅烷的方法。该方法包括在一种催化量的含铱催化剂的存在下，使烷氧基氢硅烷或者卤代氢硅烷与一种卤化烯化合物反应。当卤代氢硅烷是硅烷反应物时，可以通过与C1-C6的醇发生反应而烷氧基化所得卤代烷基卤硅烷。本发明的另一个方面，为了提高催化剂活性和所得卤代烷基卤硅烷或卤代烷基烷氧基硅烷的产率，反应在降低的氧气气氛下进行。

说明书

相关申请的交叉引用

没有。

发明背景

烷氧基硫代硅烷化合物在轮胎制造中用作偶联剂。烷氧基硫代硅烷化合物将填料偶联进入橡胶，从而减少轮胎制剂所需的填料的用量，并且提高所得橡胶的性能。本发明涉及生产卤代烷基烷氧基硅烷的方法，其是生产烷氧基硫代硅烷的关键中间体。

文献中公开了卤代烷基烷氧基硅烷的制备。制备卤代烷基烷氧基硅烷的一种方式是在催化剂的存在下、通过氯化烯化合物例如烯丙基氯的氢化硅烷化。一些能够促进这些氢化硅烷化反应的催化剂包括含铂、铑或者铱的化合物。例如，含铂的氢化硅烷化催化剂及它们的用途已经被美国专利号2,823,218、3,814,730、3,715,334、3,516,946、3,474,123、3,419,593、3,220,972、3,188,299、3,178,464、3,159,601，德国专利号1,165,028和公布的英国专利申请号2,019,426A公开。关于氯-铑化合物的氢化硅烷化反应已经被美国专利号3,296,291和3,564,266公开。并且，关于铱化合物的氢化硅烷化反应已经被US 4,658,050、US 6,359,161、US 6,388,119、US 2006/0167296、US5,616,762、US 2005/0240043、JP 2768159、JP 2938731、WO 2004/113354以及WO 2003048169公开。

当根据本发明的方法使用时，本发明的发明者发现，某些铱化合物能以好的产率生成卤代烷基卤硅烷和卤代烷基烷氧基硅烷。本发明的发明者也发现，与铂催化剂相比，通过限制铱催化剂在氧气中的暴露能够提高和/或延长催化剂的活性。

发明概述

本发明涉及一种制备式(I)化合物的新方法：

其中每个R¹和每个R³独立地为含有1-6个碳原子的烷基，R²为R¹或氢；X为氯、氟、溴或碘；n值为0、1和2；z为1-5的整数。该方法包括：在催化量的式(IV)或(V)的含铱催化剂的存在下，式(II)或(VI)的硅烷与式(III)的卤化烯化合物进行反应，

或者

其中每个R¹、R³、X和n如上定义；

其中R²、X和z如上定义；

其中Q独立地选自1，3-丁二烯、1，3-己二烯、1，3-环己二烯、1，3-环辛二烯、1，5-环辛二烯和降冰片二烯；L为C₁-C₆烷氧基；R⁴独立地为烃基、卤代烃基、氰烷基，烷氧基、氰基烷氧基、氨基或者烃基取代的氨基；R⁵独立地为氢、烃基、卤代烃基或者酰基；并且R⁶独立地为烃基、卤代烃基、或者氰烷基。

当式(VI)的硅烷作为硅烷反应物时，硅烷与卤化烯(III)之间的反应之后通过反应产物与C₁-C₆的醇进行烷氧基化反应形成式(I)的卤代烷基烷氧基硅烷的烷氧基官能团。在本发明的另一个方面，在(IV)或(V)的催化剂的存在下，硅烷(II)或(VI)与卤化烯(III)之间的反应是在降低氧气含量的气氛中进行，以提高铱催化剂的活性和所得卤代烷基卤硅烷或者卤代烷基烷氧基硅烷化合物的产率。

发明详述

本发明涉及一种制备式(I)化合物的新方法：

其中每个R¹和每个R³独立地为含有1-6个碳原子的烷基，R²为氢或含有1-6个碳原子的烷基；X为氯、氟、溴或碘；n值为0、1和2；z为1-5的整数。并且该方法包括：在催化量的选自式(IV)和(V)的含铱催化剂的存在下，式(II)或(VI)的硅烷与式(III)的卤化烯化合物进行反应，

或者

其中每个R¹、R³、X和n如上定义；

其中R²、X和z如上定义；

其中Q选自1，3-丁二烯、1，3-己二烯、1，3-环己二烯、1，3-环辛二烯、1，5-环辛二烯和降冰片二烯；L为C₁-C₆烷氧基；R⁴独立地为烃基、卤代烃基、氰烷基，烷氧基、氰基烷氧基、氨基或者烃基取代的氨基；R⁵独立地为氢、烃基、卤代烃基或者酰基；并且R⁶独立地为烃基、卤代烃基、或者氰烷基。当式(VI)的硅烷是卤代硅烷反应物时，该反应可以随后接着用C₁-C₆的醇进行处理以形成卤代烷基烷氧基硅烷中的烷氧基官能团。在本发明的另一个方面，降低反应气氛中的含氧量，并且在降低的氧气含量的气氛下进行反应以提高催化剂的活性以及式(I)或(IX)的目标化合物的产率。

如上文所阐述的，本发明的方法是在式(IV)或(V)的铱催化剂存在下通过使式(III)的卤化烯与式(II)或(VI)的硅烷发生反应而进行。如果本方法中的硅烷是式(VI)的硅烷，则会生成式(IX)的中间体：

其中R²、R³、z和n定义如上，并且每个X独立地为氯、溴、氟或碘。

在形成中间体(IX)的情形下，本发明的方法可以进一步包括用式(X)的C₁-C₆的醇处理中间体(IX)进行烷氧基化而制备式(I)的卤代烷基烷氧基硅烷化合物。

(X)R¹OH

其中R¹定义如上。在一个实施方案中，R¹为甲基，和，在另一个实施方案中，R¹为乙基。

在本方法中可用的硅烷是式(II)和(VI)的那些，

或者

其中每个R¹和R³独立地为含有1-6个碳原子的烷基，X为氯、氟、溴或碘，并且n为0、1或者2。在一个实施方案中，该方法中可用的硅烷材料包括其中n为1并且R¹和R³独立地为甲基、乙基、丙基、异丙基或者丁基的那些；在另一个实施方案中，该方法中可用的硅烷原料包括其中n为2并且R¹和R³独立地为甲基、乙基、丙基、异丙基或丁基的那些。而在另一个实施方案中，该方法中可用的硅烷原料包括上文的式(II)和(VI)中n为0并且R¹为甲基、乙基、丙基、异丙基或丁基的那些。在本发明方法中可用的硅烷的例子是：三乙氧基硅烷、三甲氧基硅烷、三丙氧基硅烷、三异丙氧基硅烷、三丁氧基硅烷、甲基二甲氧基硅烷、乙基二甲氧基硅烷、甲基二乙氧基硅烷、二甲基甲氧基硅烷、二甲基乙氧基硅烷、二甲基丙氧基硅烷、二甲基丁氧基硅烷、三氯硅烷、单甲基二氯硅烷和二甲基单氯硅烷。本发明中可用的硅烷可商购或者由本领域技术人员制备。本领域技术人员知道如何制备本发明中可用的硅烷。

本发明的方法中可用的卤化烯是式(III)的那些化合物：

其中R²为氢或者C₁-C₆烷基，X为氯、溴、氟或者碘，并且z为1-5的整数。可用的卤化烯化合物的例子是烯丙基卤化物。本发明中可用的烯丙基卤化物的例子包括烯丙基氯、甲基烯丙基氯、烯丙基溴、甲基烯丙基溴、烯丙基碘和甲基烯丙基碘。在一个实施方案中，卤化烯是烯丙基氯；在另一个实施方案中，卤化烯是甲基烯丙基氯。本发明中可用的卤化烯可以商业获得。

在本发明方法中可用的硅烷起始原料与卤化烯的重量比是可以变化的。本领域技术人员知道如何改变硅烷与卤化烯的比例以得到最好的产率。在一个实施方案中，硅烷与卤化烯的比例为5∶1至1∶5；在另一个实施方案中，硅烷与卤化烯的比例为1.5∶1至1∶1.5。在又一个实施方案中，比例约为1∶1。在一些实施方案中，可能希望使用不是精确的1∶1的比率，而是略微过量，例如，10摩尔％的硅烷或者卤化烯，以保证另一种反应物反应完全。因此，在一个实施方案中，硅烷与卤化烯的比率接近1∶1，一种反应物比另一种反应物略微过量。本领域技术人员知道如何调整反应物的用量以确保完全消耗反应物之一时的过量。

本发明要求保护的方法中，可用的铱催化剂包括选自式(IV)和式(V)的那些铱化合物

Q选自1，3-丁二烯、1，3-己二烯、1，3-环己二烯、1，3-环辛二烯、1，5-环辛二烯和降冰片二烯；并且L是含有1-6个碳原子的烷氧基，

其中Q定义如上，并且R⁴独立地为烃基、卤代烃基、氰烷基、烷氧基、氰基烷氧基、氨基或者烃基取代的氨基；R⁵独立地为氢、烃基、卤代烃基或者酰基；并且R⁶独立地为烃基、卤代烃基或者氰烷基。在一个实施方案中，本发明的催化剂是下面结构(VII)所示的铱、1，5-环辛二烯和乙酰丙酮化物的络合物。本领域技术人员将认识到，络合物(IV)也可能表示为它的酮-烯醇互变异构体。在另一个实施方案中，铱催化剂是下面结构(VIII)所示的铱二聚体络合物[Ir(OCH₃)(1，5-环辛二烯)]₂。

本发明方法中使用的催化剂的制备已在文献中很好地公开。式(VII)和(VIII)所示的催化剂可以商业获得。可选择地，除了含有1，5-环辛二烯(COD)的那些外的催化络合物也可以商购或者用[Ir(COD)Cl]₂、[Ir(COD)₂]BF₄^-、H₂IrCl₆、IrCl₃或者[Ir(1，5-环辛二烯)]材料与过量的所需二烯进行取代反应而制备得到。如此制备的催化剂随后可以固体形式回收。

本方法中使用的含铱催化剂络合物的浓度可以改变。一般地，含铱催化剂络合物应该以催化有效量使用。本领域技术人员知道如何加入铱催化剂以及如何决定在反应中使用的催化有效量。根据本发明可以使用的铱催化剂的用量没有上限；但是，受这种催化剂的溶解性和经济上的考虑，对所用催化剂的用量进行实际的限制。反应所需的铱催化剂的最小用量取决于反应温度和反应时间。一般地，在该方法中铱催化剂以使铱(作为与铱催化剂的区别)在≥5摩尔ppm铱的水平存在。在一个实施方案中，催化剂以≥40摩尔ppm铱存在；在另一个实施方案中，5-900摩尔ppm铱；在另一个实施方案中，10-900摩尔ppm铱；在另一个实施方案中，10-250摩尔ppm铱；在另一个实施方案中，10-100摩尔ppm铱；和，在另一个实施方案中，50-100摩尔ppm铱。这里所用的，“摩尔ppm铱”或者“摩尔ppm催化剂”总表示元素铱的摩尔数(作为与催化剂的区别)，相对于每百万摩尔的以最少的量存在的反应物(即，限制性反应物)。

催化剂未在反应中消耗，因此，可以循环。本领域的技术人员知道如何循环催化剂。例如，可以通过蒸馏分离反应产物，并通过向含有催化剂的蒸馏残余物施加额外负载的试剂而循环催化剂。作为循环的催化剂的补充，额外的催化剂可以与循环催化剂一起加入反应中。通过加入额外量的催化剂配体和/或将循环的催化剂与诸如碳黑、活性炭、分子筛的吸附剂接触，所述吸附剂可以是合成沸石、硅酸盐、或者金属铝硅盐、二氧化硅、活化铝土、基于硅藻土和珍珠岩的吸附剂、基于膨润土的活性和磨细粘土、离子交换树脂、或者安伯来特或者大孔树脂，可以提高催化剂的循环。

进行氢化硅烷化反应的温度可以是变化的。本领域技术人员将知道如何改变反应温度以获得最好的产率。在一个实施方案中，该方法的氢化硅烷化反应在20-200℃下进行；在另一个实施方案中，30-150℃；在另一个实施方案中，30-125℃；在另一个实施方案中，30-85℃；在另一个实施方案中，30-80℃；在另一个实施方案中，30-60℃；在另一个实施方案中，40-60℃；在另一个实施方案中，60-125℃。

反应进行的压力是可以改变的。本领域技术人员知道如何改变反应的压力条件。该反应的压力并不重要和能够从大气压到高于大气压进行变化。在一个实施方案中，该方法在大气压条件下进行；在另一个实施方案中，压力是高于大气压的条件；在另一个实施方案中，从大气压到500psig。

反应气氛中的氧含量将会影响反应的产率以及铱催化剂的活性。一般地，反应气氛中的氧含量越低，产率越高、铱催化剂的活性越长。结果是出乎意料的，因为这与含铂催化剂在氢化硅烷化反应中的结果相反。当反应物中和/或氢化硅烷化反应气氛中存在氧气时，铂催化剂具有更长和更好的活性。因此，根据本发明，通过降低反应气氛中的氧含量可以增加和延长铱催化剂的活性。在一个实施方案中，反应气氛中含有少于5％(v/v)的氧；在另一个实施方案中，少于3％(v/v)的氧；在另一个实施方案中，少于2％(v/v)的氧；在另一个实施方案中，少于1％(v/v)的氧。本领域技术人员知道如何测试反应气氛中的氧％，例如通过商业上获得的氧气体传感器。在低的催化剂浓度时，铱催化剂活性的增加是最明显的。当使用较高的催化剂浓度时，降低的氧气氛的影响可能被遮蔽。

可以通过本领域技术人员所知的标准方法来降低反应气氛的氧含量。在一个实施方案中，在各反应物在反应器中接触之前或者在反应期间，通过鼓入氮气或一些其它惰性气体通过反应物来降低反应气氛中的氧气。另一种降低反应气氛中的氧含量的方法是：在反应器中加入反应物前，将反应器用氮气或一些其它惰性气体冲洗或吹扫一次或多次。在本发明的一个实施方案中，在反应过程中，通过鼓氮气通过反应物从反应气氛中降低氧气。在另一个实施方案中，在加入反应物前，用氮气或一些其它惰性气体吹扫反应器。本领域技术人员知道如何在加入反应物到反应器中之前吹扫反应器。当反应在例如氮气的惰性气体气氛下进行时，反应可以在从0psig至高达500psig的压力下进行。本领域技术人员知道在惰性气氛中如何调节进行氢化硅烷化反应的压力。

根据本发明方法的反应时间可以改变。本领域技术人员知道如何监测反应进程以确定进程趋向完成(最大产率)，例如，通过气相色谱和/或质谱(GC/MS)来测量一种或多种反应物的数量。所需的反应时间取决于反应条件例如所用催化剂的量或反应温度。一般地，更高的催化剂浓度和反应温度将缩短反应达到完成所需的时间。当催化剂浓度在50-900摩尔ppm铱和反应温度在大约60℃到大约125℃时，大约2-3小时的反应时间对于完成反应和本发明方法通常是足够的。当使用更长的反应时间时，不会显著影响目标化合物的产率。即，一定时间后产率将达到稳定水平，并且不会随着更长时间的加热和/或搅拌而继续增加。

溶剂对于本发明方法的氢化硅烷化反应不是必要的。但是，为了增加催化剂在反应混合物中的溶解度可能需要使用溶剂。如果使用溶剂，对于要求保护的方法有用的溶剂是那些不发生负面反应或者不与反应物、催化剂、反应产物相互作用的溶剂。合适的溶剂包括二甲苯、甲苯和庚烷。一种反应物也可能起到溶剂的作用并且可以化学计量过量来使用。

当所述方法中使用式(VI)的硅烷时，生成了式(IX)的中间体，

其中R²、R³、X、z和n定义如上。中间体(IX)可能引起与C₁-C₆醇的反应，得到式(I)的化合物。其中可用的C₁-C₆醇的例子是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇，戊醇和己醇。这种醇解根据本领域已知的方法进行。本领域技术人员知道如何进行醇解以由中间体(IX)制备式(I)的化合物。

本发明方法可以连续、半连续或者间歇地进行。例如，本发明的方法可以在一个具有块状加热器和温度控制的多管反应器内进行。在反应结束时，可以通过本领域的已知方法例如通过蒸馏反应介质来分离并收集反应产物。反应可以在非均相或均相介质中进行。在非均相介质中进行时，催化剂可以负载在固体惰性基质上。这种操作模式可以在固定床反应器中连续、半连续、或者间歇地再循环操作。本领域技术人员知道所用的设备以及如何根据本发明进行氢化硅烷化反应。

通过本发明的方法获得的卤代烷基烷氧基硅烷是可用的，例如，作为有机官能的硅烷偶联剂的生产中的中间体。卤代烷基烷氧基硅烷具有比每个硅原子含有3个烷氧基更低的烷氧基含量，因为有更少的烷氧基水解成醇，它们在橡胶制造期间释放更少的VOC。将本发明产品转换为所述偶联剂是本领域公知的，例如Chemistry and Technology of Silicones(Academy Press，1968)作者Walter Nole第147、148和158页中所示。该转换包括将卤素部分用例如羟基、氨基或者巯基来替换。

实施例

用下列实施例来说明本发明的实施方案。本领域技术人员应该理解，发明人公开的代表技术的实施例中公开的技术在本发明的实践中表现良好，因此认为其是该实践的构成模式。但是，鉴于本公开，本领域技术人员应该理解，在公开的特定的实施方案上可以做出很多改变并仍能获得相同或相似的结果，其没有背离本发明的精神和范围。除非另作说明，所有百分比都是wt.％。

表解：

Ir       -铱              MEK -甲乙酮

COD-1，5 -环辛二烯        CO  一一氧化碳

Acac     -乙酰丙酮化物    ND  -未检测到

A    -Cl(CH₂)₃Si(CH₃)₂(OCH₂CH₃)

B    -ClSi(CH₃)₂(OCH₂CH₃)

C    -CH₃(CH₂)₂Si(CH₃)₂(OCH₂CH₃)

二甲基乙氧基硅烷由二甲基氯硅烷和乙醇通过使用连续的烷氧基化反应柱制备而成。[Ir(COD)Cl]₂从Johnson Matthey获得。所有其它的催化剂和烯丙基氯均从Strem Chemical或者Sigma-Aldrich公司购买。

实施例1-6

根据溶解性，将铱催化剂溶于2克烯丙基氯或者甲乙酮中。将基于20毫摩尔烯丙基氯和20毫摩尔二甲基乙氧基硅烷反应物足以提供催化剂浓度为100摩尔ppm铱的催化剂溶液与20毫摩尔烯丙基氯反应物结合并混合和在干冰中冷却，直到混合物达到-78℃。然后在由10个密闭的玻璃管、具有O形环的特氟隆帽以及具有温度控制器的块状加热器组成的多管的间歇反应器的40毫升玻璃管中，将冷却的催化剂和烯丙基氯的混合物与同样冷却的20毫摩尔的二甲基乙氧基硅烷混合。然后将反应物-催化剂混合物加热并在60℃保持1小时。1小时之后，通过用干冰冷却停止或者淬灭反应。使用气相色谱(GC)分析所得混合物，以确定存在的每种主要原料的面积％。结果列于表1。

表1.在60℃和100摩尔ppm铱下，本发明的铱催化剂与对比催化剂的比较

从表1可见，在100摩尔ppm铱下测试，与其它铱催化剂相比，Ir(acac)(COD)催化剂对所需产物Cl(CH₂)₃SiMe₂(OCH₂CH₃)提供最好的选择性。

实施例7-10

除了加热反应物到并保持在40℃而不是60℃之外，以与实施例1-6相同的工序以及反应物和催化剂用量进行实施例7-10。结果列于表2。

表2.在反应温度40℃、100摩尔ppm铱下，本发明催化剂与对比催化剂的比较

从表2中可见，根据本发明，实施例9以好的产率获得目标产物Cl(CH₂)₃Si(CH₃)₂(OCH₂CH₃)。

实施例11-14

除了加热反应物到并且保持在40℃并将催化剂用量降低到25摩尔ppm之外，以与实施例1-6相同的工序和反应物用量进行实施例11-14。使4g催化剂溶剂(烯丙基氯或者MEK)与反应物混合，制备得到更稀的催化剂溶液，和获得所需的催化剂浓度。

表3.在40℃的反应温度和25摩尔ppm催化剂下，本发明催化剂和对比催化剂的比较

从表3可见，在40℃和25摩尔ppm催化剂浓度下，实施例12的铱催化剂以好的产率获得目标产物Cl(CH₂)₃SiMe₂(OEt)。

实施例15-16

除了加热反应物到并且保持在40℃、使用与实施例11-14描述的相同的催化剂溶液降低到催化剂的用量10摩尔ppm、并且反应进行1和2个小时之外，以与实施例1-6相同的工序和反应物用量进行实施例15-16。

表4.在40℃的反应温度下反应1和2小时、10摩尔ppm铱下，本发明催化剂与对比催化剂的比较

从表4可见，目标化合物Cl(CH₂)₃SiMe₂(OCH₂CH₃)的产率并没有随着反应时间从1小时到2小时的增加而逐渐增加。这表明催化剂分解了。

实施例17-20

使用与实施例1-6相同的工序和反应物用量进行实施例17-20，除了如下不同：加热反应物到并且保持在40℃；降低催化剂用量到10摩尔ppm；所有情况下烯丙基氯是催化剂溶剂；向本发明实施例的反应管中鼓入氮气以除去反应物和反应气氛中的氧气。结果列于表5中，其是两次试验的平均值。

表5.在氮气和空气气氛中、10摩尔ppm、40℃反应温度下反应1小时，本发明催化剂与对比催化剂的比较

从表5可见，与在空气气氛中进行的实施例17和19相比，将反应气氛脱氧的本发明的实施例18和20中，目标化合物Cl(CH₂)₃SiMe₂(OEt)的产率大大提高。

实施例21-31

将铱催化剂或者其他催化剂溶于烯丙基氯。然后将铱和烯丙基氯的催化剂溶液加入到实施例1描述的多管的间歇反应器的玻璃管中。在入任何额外的烯丙基氯之后，将管在干冰里冷却到-78℃。然后将类似冷却的三乙氧基氢硅烷加入到管中，然后加热反应混合物到并在目标温度保持指定时间。在指定时间后，通过再次用干冰冷却使反应停止或者淬灭。通过气相色谱法(GC)分析得到的混合物以确定存在的每种主要材料的百分含量。实施例21-31的反应条件和催化剂浓度列在下面的表6中。相同实施例的结果列在表7中。

表6.实施例21-31的反应条件和催化剂浓度

表7.实施例21-28的氢化硅烷化反应的结果

⁺选择性是通过用氯丙基三乙氧基硅烷的产率除以氯丙基三乙氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷和氯三乙氧基硅烷的产率的总和并乘以100来确定。

⁺⁺活性是氯丙基三乙氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷和氯三乙氧基硅烷的产率的总和。

*D代表氯丙基三乙氧基硅烷；E代表氯三乙氧基硅烷；和F代表丙基三乙氧基硅烷。

实施例32

将[Ir(COD)(OCH₃)]₂(0.3毫克，100摩尔ppm铱)溶于0.77克烯丙基氯中并且于-78℃下、在实施例1描述的多管间歇反应器的管中混合。然后，在管中加入1.06克CH₃HSi(OCH₃)₂，并将管在80℃下加热1小时。1小时后，用干冰冷却该管以淬灭反应。然后通过气相色谱法(GC)分析粗反应混合物，和确定氯丙基甲基二甲氧基硅烷的产率为47.5％。

实施例33

将[Ir(COD)(OCH₃)]₂(0.3毫克，100摩尔ppm铱)溶于0.77克烯丙基氯中并且于-78℃下、在实施例1中的多管间歇反应器的管中混合。然后，在管中加入1.22克HSi(OCH₃)₃，并将该管在80℃下加热1小时。1小时后，用干冰冷却该管以淬灭反应。然后通过气相色谱法(GC)分析粗反应混合物，和确定氯丙基三甲氧基硅尝的产率为42.7％。