СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРИМЕТИЛАЛКОКСИСИЛАНОВ Российский патент 2024 года по МПК C07F7/04 C07F7/18 

Изобретение относится к способам получения триметилалкоксисиланов, используемых для синтеза физиологически активных веществ, в том числе моноэфиров- или диэфиров- метилфосфоновой кислоты, являющихся продуктами деструкции фосфорорганических отравляющих веществ, которые необходимы для изготовления существующих и разработки новых государственных стандартных образцов с целью применения их в системе государственного метрологического контроля и надзора в сфере: химического разоружения; ликвидации последствий деятельности объектов по хранению и уничтожению химического оружия; экологического мониторинга окружающей среды; в перспективе, в сфере борьбы с химическим терроризмом. Кроме того, данное изобретение может быть использовано при реализации стратегии импортозамещения в области производства и разработки новых материалов, например, для микроэлектроники и конструкционной керамики.

Цель изобретения - безопасный способ получения триметилалкоксисиланов применяемых в качестве полупродуктов в органическом синтезе.

Задача изобретения - снижение стадийности, удешевление процессов получения и увеличение выхода триметилалкоксисиланов достаточно чистых для синтеза физиологически активных веществ.

Вещество является достаточно чистым, если оно не содержит примесей такого рода и в таких количествах, которые мешают использованию этого вещества для тех конкретных целей, для которых оно предназначено. (А. Вайсбергер, Э. Проскауэр, Дж. Риддик, Э. Тупс, пер. с англ. к.х.н. Н.Н. Тихомировой под ред. д.х.н. Я.М. Варшавского «Органические растворители. Физические свойства и методы очистки» - М.; издательство « ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ», 1958 г. С. 250)

Триметилалкоксисиланы (ТМАС) являются продуктами реакции силилирования спиртов (замещения подвижного атома водорода гидроксильной группы спиртов на триметилсилильную группу) по схеме 1:

где: X - группа, замещаемая в силилирующем реагенте.

1. В аналитической практике широко применяются методы силилирования спиртов триметилсилильными производными амидов карбоновых кислот: N,O-бис-(триметилсилил)ацетамидом, N,O-бис-(триметилсилил)три-фторацетамидом, монотриметилсилилацетамидом и N-триметилсилил-имидазолом, по схемам 2 - 5 (В.Г. Заикин, A.И. Микая «Химические методы в масс-спектрометрии органических соединений» - М.: издательство «НАУКА», 1987г., С. 8).

Несмотря на то, что данные методы очень эффективные, применяемые здесь силилирующие реагенты весьма дорогостоящие, поэтому их использование целесообразно ограничить дериватизацией спиртов для их разделения и анализа методами газожидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

2. Силилирование спиртов триметилхлорсиланом проводят в присутствии акцепторов хлористого водорода, чаще всего пиридина по схеме 6:

Этот метод имеет существенный недостаток, который связан с трудностью выделения чистых целевых продуктов, и как следствие их невысокие выходы. В данном случае выделение продуктов реакции затрудняется вследствие того, что они образуют азеотропные смеси с соответствующим спиртом и растворителями. Так, при взаимодействии 54 г (0,5 моль) триметилхлорсилана в 100 мл метилбензола с раствором 15,9 г (0,5 моль) метилового спирта в 48,9 г (0,6 моль) пиридина образуется смесь, дающая при ректификации 14,5 г азеотропа триметилметоксисилана и метилового спирта (температура кипения азеотропной смеси (49÷50)°С) и 7,4 г триметилметоксисилана (температура кипения (56,5÷56,7)°С). При применении диэтилового эфира в качестве растворителя выход триметилметоксисилана увеличивается до 46% (К.А. Андрианов «Кремнийорганические соединения» - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1955г., С. 201)

3. Модификацией вышеописанного метода является метод силилирования спиртов эквимолярной смесью силилирующих реагентов триметилхлорсилана с гексаметилдисилазаном по схеме 7:

Экспериментальная проверка данного метода, на примерах силилирования изопропилового и пинаколилового спиртов, показала его существенный недостаток, который заключается в том, что при проведении процесса образуется плотный объемный осадок хлористого аммония, поэтому требуется применение большого количества растворителя, как для проведения синтеза, так и для промывки осадка при фильтрации реакционной массы. В последствие, при отгонке растворителя из фильтрата, наблюдается унос значительного количества целевого вещества. Стандартные технические решения данной проблемы увеличивают трудоемкость процесса и незначительно повышают выход целевых веществ, а попытка отмывки солей водой приводит практически к полному гидролизу триметилалкоксисиланов.

4. Получение триметилалкоксисиланов переэтерификацией перфторал-кокситриметилсиланов (ПФАТМС) соответствующими спиртами по схеме 8:

где: n=2, 4, 6, 8.

Эквимолярную смесь реагентов выдерживают при 20°С в течение 30 мин и фракционируют. В таблицах 1,2 приведены физические свойства некоторых триметилалкоксисиланов и исходные перфторалкокситриметил-силаны для их получения. Этот способ позволяет получать триметилалкоксисиланы, которые могут быть использованы в органическом синтезе физиологически активных веществ (А.А. Кролевец, А.Г. Попов, В.В. Попов, В.В. Антипов Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР № 757536 (SU 1231056 A1) 1980 г., Бюл. № 18, 1986 г.).

Но, несмотря на все достоинства этого метода, его реализация, все-таки, затруднена из-за малой доступности перфторалкокситриметилсиланов.

5. (Прототип) Силилирование спиртов гексаметилдисилазаном (ГМДС), по схеме 9, проводят при интенсивном перемешивании и кипячении реакционной массы до практически полного прекращения выделения аммиака:

При проведении реакции взаимодействия спиртов (метилового, этилового, пропилового, изопропилового, бутилового) с гексаметилдисилазаном максимальный выход триметилалкоксисиланов наблюдается при двукратном (от расчетного) избытке спирта. Для более полного выделения триметилалкоксисиланов из реакционной массы применяется метод азеотропной ректификации с использованием в качестве разделяющих агентов органических растворителей (гексан, толуол и др.) (В.Е. Трохин, A.M Бессарабов, А.Г. Вендило, O.В. Стоянов «Разработка на основе концепции CALS модульной технологии получения ассортименты триметилалкоксисиланов особой чистоты», Вестник Казанского иехнологического университета, Т. 19, №2, 2016 г).

Экспериментальная проверка данного метода показала, что реакция гексаметилдисилазана с метиловым спиртом протекает бурно с выделением аммиака и сильным тепловым эффектом. С первичными спиртами (этиловым, пропиловым) гексаметилдисилазан взаимодействует медленнее, и для завершения процесса требуется нагревание реакционной массы до кипения, с вторичными спиртами (изопропиловым и пинаколиновым) - наблюдается медленное выделение аммиака, которое не заканчивается даже после 8-12 часов кипячения, с третбутиловым спиртом выделение аммиака практически не наблюдается. Тем не менее в литературе имеется упоминание о каталитическом действии кислот на данный процесс (M.В. Кашутина, С.Л. Иоффе, В.А. Тартаковский «Силилирование органических соединений», Успехи химии, т. XLIV, вып. 9, 1975 г.); (Дж. МакОми, перевод с английского В.Г. Яшунского «Защитные группы в органической химии» - М.; издательство «МИР», 1976 г., С. 104).

Изучение процесса взаимодействия гексаметилдисилазана со спиртами в присутствии кислот проводили на примере изопропилового спирта с использованием в качестве катализаторов уксусной, ортофосфорной, серной и метилфосфоновой кислот. Исследования показали, что при взаимодействии гексаметилдисилазана с изопропиловым спиртом в присутствии уксусной кислоты наблюдается бурное выделение аммиака, но лишь в течение непродолжительного времени (всего нескольких секунд). При повторном добавлении уксусной кислоты эффект повторяется, что свидетельствует о расходовании катализатора на побочные процессы. Это подтверждается данными хромато-масс-спектрометрических исследований продуктов реакции на которых имеются отклики с масс-спектрами целевого вещества, триметилсилилацетамида, гексаметилдисилоксана, триметилсилил- и изопропил- ацетатов. При использовании ортофосфорной и серной кислот происходит выпадение осадка и каталитического эффекта от этих кислот не наблюдается, что связано, вероятно, с высокой термической устойчивостью соответствующих аммонийных солей.

В отличие от предыдущих случаев, в результате многочисленных экспериментов было установлено, что высокий каталитический эффект на ход реакции оказывает метилфосфоновая кислота (МФК), при этом реакция протекает мягко без применения растворителя и легко контролируется. Также было установлено, что в присутствии метилфосфоновой кислоты в реакцию с гексаметилдисилазаном вступают все спирты независимо от своего строения: первичные, вторичные или третичные. Первичные спирты (метиловый и изобутиловый) реагируют уже при комнатной температуре, хотя с увеличением углеводородного радикала реакционная способность спирта в данных условиях снижается. В случаях вторичных (изопропилового, пинаколинового) и третичного (третбутилового) спиртов, для смешения реагентов и начала реакции требуется некоторый нагрев реакционной массы. Оптимальное соотношение исходных реагентов (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05, так как выявлено, что при эквимолярном соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1 выход продуктов ниже на (5÷10) %, видимо из-за уноса части гексаметилдисилазана из зоны реакции вместе с аммиаком, а при большем избытке гексаметилдисилазана увеличения выхода целевых веществ не происходит. Оптимальное количество катализатора для каждого случая определено путем его порционного добавления в зону реакции по 0,1÷0,2 г до начала устойчивого выделения аммиака.

По результатам хромато-масс-спектрометрических исследований, после проведения реакции обнаружено, что в пробах реакционных масс наряду с целевыми триметилалкоксисиланами присутствуют примеси триметилсиланола и гексаметилдисилоксана, являющимися продуктами гидролиза исходного гексаметилдисилазана и последующей конденсации триметилсиланола. Характер примесного состава позволяет отказаться от проведения азеотропной ректификации для выделения и очистки триметилалкоксисиланов, так как для этих целей достаточно фракционирования. При фракционировании наблюдаются незначительные выходы (до 5% от общего объема) азеотропных смесей состава непрореагировавших спиртов и соответствующих триметилалкоксисиланов, что указывает на высокую степень их превращения. В пробах после фракционирования кроме целевых веществ никаких примесей не обнаруживается (ни исходного гексаметилдисилазана, ни триметилсиланола, ни гексаметилдисилоксана).

Таким образом техническим решением задачи является проведение реакции взаимодействия соответствующего спирта с гексаметилдисилазаном в соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05 без применения растворителя с добавлением (0,4÷1,0) % моль метилфосфоновой кислоты в качестве катализатора. В отличие от прототипа, для выделения и очистки целевых веществ полученных данным путем, не требуется применения метода азеотропной ректификации, достаточно фракционирования.

В таблице 3 представлены результаты анализа и обобщения данных по синтезам триметилметоксисилана, триметилизопропилоксисилана, триметил-изобутоксисилана, триметил-трет-бутоксисилана и триметилпинаколилоксисилана заявленным способом.

Ход реакций контролировали по интенсивности выделения аммиака и регулировали, в случае с метанолом - скоростью добавления гексаметилдисилазана, в остальных случаях - температурой теплоносителя в бане. Реакции проводили до прекращения выделения аммиака при температуре теплоносителя не более 100°С, после чего реакционные массы выдерживали в бане при температуре 130°С в течение одного часа, затем фракционировали при атмосферном давлении.

МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ТРИМЕТИЛАЛКОКСИСИЛАНОВ

Пример 1. Получение триметилметоксисилана

В реакторе смешивают 16,0 г (0,50 моль) метанола и 0,2 г (0,0021 моль) метилфосфоновой кислоты. Далее из капельной воронки маленькими порциями в реактор приливают 42,2 г (0,26 моль) гексаметилдисилазана. Реакцию проводят до прекращения выделения аммиака, после чего реакционную массу выдерживают в бане при температуре 80°С в течение 1 часа. После фракционирования получают ~ 40 г (73-76%) триметилметоксисилана, Ткип. (55-57)°С.

Пример 2. Получение триметилизопропилоксисилана

В реактор помещают 30,0 г (0,50 моль) изопропанола, 42,2 г (0,26 моль) гексаметилдисилазана и 0,3 г (0,0031 моль) метилфосфоновой кислоты. Далее реакционную массу нагревают в бане до 100°С (при температуре 40°С происходит смешивание компонентов, при температуре 50°С начинается выделение аммиака). Реакцию проводят до прекращения выделения аммиака, после чего реакционную массу выдерживают в бане при 100°С в течение 1 часа. После фракционирования получают ~ 50 г (75-80%) триметилизопропилоксисилана, Ткип. (86-88)°С.

Пример 3. Получение триметилизобутоксисилана

В реакторе смешивают 37,0 г (0,50 моль) изобутанола, 42,2 г (0,26 моль) гексаметилдисилазана и 0,3 г (0,0031 моль) метилфосфоновой кислоты (при смешивании наблюдается медленное выделение аммиака). Далее реакционную массу медленно нагревают в бане до температуры 100°С. Реакцию проводят до прекращения выделения аммиака, после чего реакционную массу выдерживают в бане при температуре 130°С в течение 1 часа. После фракционирования получают ~ 55 г (70-75%) триметилизобутоксисилана, Ткип. (113-115)°С.

Пример 4. Получение триметил-трет-бутоксисилана

В реактор помещают 37,0 г (0,50 моль) трет-бутанола, 42,2 г (0,26 моль) гексаметилдисилазана и 0,4 г (0,0042 моль) метилфосфоновой кислоты. Далее реакционную массу нагревают в бане до 100°С (при температуре 60°С происходит смешивание компонентов, при температуре 75°С начинается выделение аммиака). Реакцию проводят до прекращения выделения аммиака, после чего реакционную массу выдерживают в бане при 130°С в течение 1 часа. После фракционирования получают ~ 30 г (40-50%) триметил-трет-бутоксисилана, Ткип. (102-105)°С.

Пример 5. Получение триметилпинаколилоксисилана

В реактор помещают 51,0 г (0,50 моль) пинаколинового спирта, 42,2 г (0,26 моль) гексаметилдисилазана и 0,5 г (0,0052 моль) метилфосфоновой кислоты. Далее реакционную массу нагревают в бане до 100°С (при температуре 80°С происходит смешивание компонентов, при температуре 90°С начинается выделение аммиака). Реакцию проводят до прекращения выделения аммиака, после чего реакционную массу выдерживают в бане при 130°С в течение 1 часа. После фракционирования получают ~ 75 г (80-90%) триметилпинаколилоксисилана, Ткип. (142-145)°С.

Изобретение относится к способам получения триметилалкоксисиланов. Предложен способ получения триметилалкоксисиланов взаимодействием соответствующего спирта с гексаметилдисилазаном в соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05 без применения растворителя с добавлением 0,4-1,0% моль метилфосфоновой кислоты в качестве катализатора. Для выделения и очистки целевых веществ, полученных данным путем, не требуется применения метода азеотропной ректификации, достаточно фракционирования. Технический результат - снижение стадийности, удешевление процессов получения и увеличение выхода триметилалкоксисиланов высокой чистоты для синтеза физиологически активных веществ. 1 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.

1. Способ получения триметилалкоксисиланов, заключающийся во взаимодействии соответствующего спирта с гексаметилдисилазаном в соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05 без применения растворителя с добавлением 0,4-1,0% моль метилфосфоновой кислоты в качестве катализатора, при этом для выделения и очистки целевых веществ не требуется применения метода азеотропной ректификации, достаточно фракционирования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения триметилалкоксисиланов реакцию взаимодействия соответствующего спирта с гексаметилдисилазаном проводят в соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения триметилалкоксисиланов реакцию взаимодействия соответствующего спирта с гексаметилдисилазаном в соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05 проводят с добавлением 0,4-1,0% моль метилфосфоновой кислоты в качестве катализатора.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения триметилалкоксисиланов реакцию взаимодействия соответствующего спирта с гексаметилдисилазаном в соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05 с добавлением 0,4-1,0% моль метилфосфоновой кислоты в качестве катализатора проводят без применения растворителя.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для выделения и очистки триметилалкоксисиланов, получаемых реакцией взаимодействия соответствующего спирта с гексаметилдисилазаном в соотношении (спирт : гексаметилдисилазан) = 2:1,05 с добавлением 0,4-1,0% моль метилфосфоновой кислоты в качестве катализатора без применения растворителя, не требуется применение метода азеотропной ректификации, достаточно фракционирования.