Алкоксисиланы с гидрофильными n-(1,2-дигидроксипропил) аминоалкилсодержащими и n-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами и способ их получения
Владельцы патента RU 2456293:
Учреждение Российской академии наук Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина" (RU)
Изобретение относится к новым кремнийорганическим соединениям и способу их получения. Предложены алкоксисиланы с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкил-уретансодержащими группами и способ их получения конденсацией алкоксисиланов с N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами с изоцианатоалкилтриалкоксисиланом в токе азота при температуре 75°С в среде диметилформамида. Технический результат - предложенные соединения являются химически активными соединениями, хорошо растворимы в воде и могут быть использованы для химической модификации волокнистых материалов с целью придания им гидрофильных свойств. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 2 пр.
Изобретение относится к новым химическим соединениям, конкретно к кремнийорганическим соединениям - алкоксисиланам общей формулы:
х, у, n - число групп, х=1, 3, 4; у=2-6; n=0, 1, 2; R'-CH3, C2H5.
и способу их получения.
Указанные соединения, их свойства и способ получения в литературе не описаны.
Известна смесь полиорганосилоксана и полидиорганосилоксана, обладающая гидрофильными свойствами [Патент №3932276. ФРГ. Состав для обработки текстиля и способ обработки]. Используемый полиорганосилоксан обладает гидрофильными свойствами, но является водонерастворимым соединением. Для увеличения его эмульгирующей способности при обработке волокнистых материалов добавляется другой полидиорганосилоксан, выполняющий функцию поверхностно-активного вещества. Недостатком указанной смеси полиорганосилоксанов является нестабильность эмульсии, ее способность к коагуляции, обусловленная свойствами применяемого полиорганосилоксана.
Наиболее близкими, принятыми за прототип, являются водорастворимые оксиалкиленорганосилоксаны [Соболевский М.В., Музовская О.А., Попелева Г.С. Свойства и области применения кремнийорганических продуктов. Под общей ред. проф. М.В.Соболевского. М.: Химия, 1975 г. - 96 с.] общей формулы:
где х=-СН2-, -СН2С(O)-, -O-;
l, р, m, k, n - число групп и число молекул в группах соответственно;
l=14-4; р=4-14; m=15-24; k=1-4; n=1-5;
R'=СН3, С2Н5.
Наличие в оксиалкиленорганосилоксанах оксиэтиленовых звеньев обуславливает их растворимость в воде. Эти вещества гидрофильны среди полиорганосилоксанов, обладающих обычно гидрофобными свойствами.
Недостатком данных оксиалкиленорганосилоксанов является то, что в настоящее время они являются труднодоступными и дорогими продуктами. Кроме того, данные оксиалкиленорганосилоксаны обладают недостаточно эффективными гидрофилизирующими свойствами [Патент РФ №2370583. Способ придания волокнистым материалам гидрофильных свойств].
Целью изобретения являлся синтез алкоксисиланов с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами, которые могли бы быть использованы для гидрофильной отделки волокнистых материалов.
Алкоксисиланы с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами указанной общей формулы получают конденсацией соответствующих аминоалкилалкоксисиланов с N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами общей формулы:
R'=CH3, C2H5;
x=1, 3, 4; Y=2-6; n=0, 1, 2.
с изоцианатоалкилтриалкоксисиланом в токе азота при температуре 75°С в среде диметилформамида (ДМФА).
Указанные соединения являются химически активными и могут применяться для гидрофильной отделки волокнистых материалов.
Для лучшего понимания изобретения приводятся примеры получения алкоксисиланов с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил)-аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами.
Пример 1. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триэтоксисилилметилуретано-2-гидроксипропил)аминометилтриэтоксисилана (I). Смесь из 3,4 г (1·10-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминометилтриэтоксисилана и 2,2 г (1·10-2 моль) изоцианатометилтриэтоксисилана в 25 г диметилформамида (ДМФА) выдерживают в токе азота при температуре 75°С в течение 30 мин, охлаждают, отделяют на роторном испарителе ДМФЛ и в остатке получают 5,13 г (99%) соединения (I).
Найдено, %: С 44,01; Н 8,33; N 5,69; Si 11,25.
C21H48N2O11Si2
Вычислено, %: С 43,93; Н 8,48; N 5,12; Si 10,27; M 546,741.
Пример 2. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксисилилпропилуретано-2-гидроксипропил)аминопропилтриэтоксисилана (II). Аналогично примеру 1 из 3,7 г (1·10-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминопропилтриэтоксисилана и 2,1 г (1·10-2 моль) изоцианатопропилтриэтоксисилана получают 5,26 г (99%) соединения (II).
Найдено, %: С 46,04; Н 9,01; N 4,51; Si 9,99.
C22H50N2O11Si2
Вычислено, %: С 45,96; Н 8,76; N 4,87; Si 9,77; M 574,792.
Пример 3. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксиси-лилбутилуретано-2-гидроксипропил)аминобутилтриметоксисилана (III). Аналогично примеру 1 из 3,83 г (1·10-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминобутилтриэтоксисилана и 2,2 г (1·10-2 моль) 4-изоцианатобутилтриметоксисилана получают 5,5 г (99%) соединения (III).
Найдено, %: С 45,07; Н 9,0; N 4,53; Si 10,12.
C21H48N2O11Si2
Вычислено, %: С 44,97; Н 8,63; N 4,99: Si 10,01; M 560,766.
Пример 4. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксисилил-пропилуретано-2-гидроксипропил)аминометил(метил)диметоксисилана (IV). Аналогично примеру 1 из 2,85 г (1·10-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминометил(метил)диметоксисилана и 2,1 г (1·10-2 моль) 3-изоцианатопропилтриметоксисилана получают 4,57 г (99%) соединения (IV).
Найдено, %: С 41,56; Н 8,70; N 5,23; Si 11,92.
C17H40N2O10Si2
Вычислено, %: С 41,78; Н 8,25; N 5,73; Si 11,49; M 488,662.
Пример 5. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триэтоксисилилбутилуретано-2-гидроксипропил)аминопропилди(метил)этоксисилана (V). Аналогично примеру 1 из 3,1 г (1·10-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминопропилди(метил)этоксисилана и 2,25 г (1·10-2 моль) 4-изоцианатобутилтриэтоксисилана получают 5,22 г (99%) соединения (V).
Найдено, %: С 50,89; Н 9,22; N 4,33; Si 9,97.
C24H54N2O9Si2
Вычислено, %: С 50,49; Н 9,53; N 4,90; Si 9,84; М 570,844.
Пример 6. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триэтоксисилилметилуретано-2-гидроксипропил)аминогексаметиленаминометилтриэтоксисилана (VI). Аналогично примеру 1 из 4,4 г (1·10-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминогексаметиленаминометилтриэтоксисилана и 2,2 г (1·10-2 моль) 3-изоцианатометилтриэтоксисилана получают 6,1 г (99%) соединения (VI).
Найдено, %: С 48,89; Н 9,11; N 6,27; Si 8,73.
C27H61N3O11Si2
Вычислено, %: С 49,13; Н 9,31; N 6,36; Si 8,51; М 659,930.
Пример 7. Получение N-(1,2-дигидроксипропил)-N-(триметоксисилил-метилуретано-2-гидроксипропил)аминоэтиламинопропил(метил)-диметоксисилана (VII). Аналогично примеру 1 из 3,7 г (1·10-2 моль) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоэтиламинопропил(метил)диметоксисилана и 1,77 г (1·10-2 моль) изоцианатометилтриметоксисилана получают 5,15 г (99%) соединения (VII).
Найдено, %: С 42,73; H 8,77; N 7,22; Si 10,85.
C19H45N3O10Si2
Вычислено, %: С 42,91; Н 8,53: N 7,89; Si 10,56; М 531,722.
При нанесении водного или спиртового раствора соединения (I-VII) на волокнистый материал на поверхности волокон образуется органосилоксановое полимерное покрытие, у атомов кремния которого имеются ковалентно связанные с ними гидрофильные N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащие и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащие радикалы, располагающиеся перпендикулярно поверхности волокна (рис.1) - "щеточная геометрия" полимерного покрытия.
Механизм образования таких органосилоксановых полимерных покрытий на волокне основан на взаимодействии реакционноспособных гидрофильных алкоксисилильных Si-OR' (R'=СН3, С2Н5) и силанольных Si-ОН групп, которые образуются при гидролизе данных алкоксисиланов (I -VII) в водных растворах, с гидроксильными, карбоксильными, амино- и другими реакционноспособными группами волокнистого материала. N-(1,2-дигидроксипро-пил)аминоалкилсодержащие и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащие группы, находящиеся на поверхности органосилоксанового покрытия, обуславливают повышение гидрофильных свойств волокон.
Взаимодействие с кератином шерсти. Концевые карбоксильные СООН группы аминокислот шерсти реагируют с алкоксисилильными Si-OR' группами алкоксисилана с выделением этилового или метилового спирта (а) и с силанольными Si-OH группами с выделением воды (б). Подобный механизм наблюдается для шелка и капрона.
Взаимодействие с целлюлозой хлопка. Гидроксильные ОН группы хлопка реагируют с алкоксисилильными Si-OR' группами алкоксисилана с выделением этилового или метилового спирта (а), а с силанольными Si-OH группами с выделением воды (б).
Взаимодействие с полиэтилентерефталатом (лавсаном). Концевые карбоксильные СООН и гидроксильные ОН группы лавсана реагируют с алкоксисилильными Si-OR' группами алкоксисилана с выделением этилового или метилового спирта (а), а с силанольными Si-OH группами с выделением воды (б).
Этиловый или метиловый спирт, а также вода удаляются при термообработке волокнистого материала, которая необходима для образования ковалентных связей между функциональными группами алкоксисилана и полимера волокнистого материала.
Данные ИК-спектров, снятые с модифицированных образцов волокнистых материалов, содержат полосы валентных колебаний Si-OC связей в области 880-810 см-1, Si-C связей в области 1260-800 см-1, С-ОН связей в области 3400-3600 см-1, С-Н связей в области 2960-2850 см-1, NH связей в области 3350-3310 см-1.
Общая методика обработки волокнистых материалов заключалась в следующем [Патент РФ №2370583. Способ придания волокнистым материалам гидрофильных свойств].
1. Для повышения гидрофильности текстильных волокон готовится 1%-ный раствор соединения (I-VII).
2. Волокнистый материал пропитывается раствором и вылеживается при комнатной температуре с целью его равномерной по всему объему пропитки. Операция повторяется до тех пор, пока привес волокнистого материала не достигнет 0,07-0,4% массы.
3. Модифицированный волокнистый материал подвергается термообработке при 110°С в течение 10 мин с целью фиксации алкоксисилана на волокне.
Пример 1. Обработка волокнистого материала 0,07% раствором алкоксисилана (I). В качестве волокнистого материала были взяты образцы ткани: саржа (2×2): хлопок - 100%; саржа (2×2): хлопок - 70% и вискоза - 30%. Повышение гидрофильных свойств оценивалось по влагосодержанию (таблица 1).
Пример 2. Обработка волокнистого материала 0,4% раствором алкоксисилана (VII). В качестве волокнистого материала были взяты образцы полушерстяной гребенной ленты. Повышение гидрофильных свойств оценивалось по влагосодержанию (таблица 2).
Анализ результатов обработки показал, что обработка водным раствором алкоксисилана (I-VII) придает волокнистым материалам из волокон различной природы гидрофильные свойства, влагосодержание образцов волокнистых материалов повышается в 1,8 раза при затрате алкоксисилана 0,07-0,4 мас.%.
Использование предлагаемых алкоксисиланов с N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилуретансодержащими группами (I-VII) для гидрофильной отделки волокнистых материалов обеспечивает по сравнению с существующими гидрофилизирующими продуктами следующие преимущества: возможность придавать волокнистым материалам эффективные гидрофильные свойства при малой затрате алкоксисилана.
| Таблица 1 | ||||||
| Примеры изменения влагосодержания ткани, обработанной 0,07 раствором алкоксисилана (I). | ||||||
| Образец | Количество поглощенной влаги при температуре 27°С и 100%-ной влажности воздуха, через сутки, % | Количество поглощенной влаги при температуре 27°С и 100%-ной влажности воздуха, через 3 суток, % | ||||
| До обработки | После обработки | Изменение влагосодержания, % | До обработки | После обработки | Изменение влагосодержания, % | |
| Саржа (2×2) хлопок 100% | 16,89 | 18,22 | 7,85 | 20,71 | 22,75 | 9,85 |
| Саржа (2×2), хлопок - 70%о, вискоза - 30% | 18,92 | 20,85 | 10,20 | 22,95 | 25,58 | 11,46 |
| Таблица 2 | ||||
| Пример изменения влагосодержания ленты, обработанной 0,4 раствором алкоксисилана (VII). | ||||
| Полушерстяная гребенная лента (70% - шерсть, 30% - лавсан) | Влагосодержание, % | Изменение влагосодержания, % | Влагосодержание после 30 мин сушки при 100°С,% | Изменение влагосодержания, % |
| До обработки | 7,03 | 2,21 | ||
| После обработки | 10,21 | 44,23 | 4,06 | 83,71 |
1. Алкоксисиланы с гидрофильными N-(1,2-дигидроксипропил) аминоалкилсодержащими и N-триалкоксисилилалкилуретансодержащими группами общей формулы
где
х, у, n - число групп; х=1, 3, 4; у=2-6; n=0, 1, 2; R'=СН3, С2Н5.
2. Способ получения соединений по п.1, отличающийся тем, что алкоксисиланы с N-(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами общей формулы
где
х=1, 3, 4; у=2-6; n=0, 1, 2; R'=СН3, С2Н5,
конденсируют с изоцианатоалкилтриалкоксисиланом в токе азота при температуре 75°С в среде диметилформамида.
