技术领域
本发明涉及化学化工领域，具体说涉及一种混合环硼硅氧烷的制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，特别是电线电缆、陶瓷、航空航天等工业的发展，人们对涂料橡胶的耐热性能提出了越来越苛刻的要求。但是目前聚合物耐热性能尚不理想，不能满足耐热400℃或者更高温度需求。
聚硼硅氧烷作为元素改性聚硅氧烷中的一类新型有机高分子材料，它是将硼元素引入聚硅氧烷的硅氧骨架中而得到聚合物，在聚合物主链Si-O-B的结构中存在p，d共扼体系，这种结构有利于提高聚合物的热稳定性。另外，B-O键和Si-O键的键能分别为537.6kJ/mol、445.2kJ/mol。因此，B-O键的加入会使硅氧烷的耐热性更佳，较普通的有机聚硅氧烷有更优异的耐高温性和粘接性能，因而具有更为广阔的应用前景。
1960年，Vale最先用硼酸和二甲基二氯硅烷脱盐酸缩合合成了聚硼二甲基硅氧烷(PBm)，PBm耐热性很好，但非常容易水解，无法应用(R.L.Vale.J.Chem.Soc，1960，2252)。70年代中期，日本东北大学矢岛圣使教授等以类似的方法合成了聚硼二苯基硅氧烷(PBp)，PBp及其衍生物可在400～450℃的高温下使用，而且在非氧化性气氛中经热处理可转变成碳化硅。因此可用作耐热电线、耐热涂层、耐热粘接剂等。环硼硅氧烷是一种制备高性能含硼聚硅氧烷的重要中间体，探索廉价、高效的环硼硅氧烷制备方法具有重要的应用价值。
发明内容
为制备高性能含硼聚硅氧烷提供一种廉价、高效的环硼硅氧烷中间体，本发明提出了一种混合环硼硅氧烷的制备方法，本发明具有原料易得、成本低廉等优点，该化合物可用于合成硼硅橡胶，耐热粘结剂和耐热涂层等含硼聚硅氧烷，可广泛应用于航空航天、电子、化工、机械等行业。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种混合环硼硅氧烷的制备方法为以下步骤：在惰性气体保护下，将烃基硼酸和有机溶剂A的混合物滴入二烃基二氯硅烷中，在-20℃～80℃温度下，搅拌反应3h～8h后，加入到有机溶剂B与金属氧化物的混合物中，反应6h～18h后过滤，水洗，蒸除有机溶剂A与有机溶剂B，得到混合环硼硅氧烷。惰性气体优选为氮气。
所述的混合环硼硅氧烷的结构式如下式(I)所示：
式中R1、R2、R3分别独立地选自苯基、甲基、乙基中的一种，m选自2～4的整数。
反应示意式为：
上述结构式中R1、R2、R3分别独立地选自苯基、甲基、乙基中的一种，m选自2～4的整数。
二烃基二氯硅烷与烃基硼酸首先反应得到氯封端硼硅氧烷，所述二烃基二氯硅烷与烃基硼酸中的烃基分别独立选自芳烃基或脂烃基中的一种。
所述二烃基二氯硅烷与烃基硼酸摩尔比为3～8∶1，优选为3～5∶1；反应温度优选为20℃～60℃；反应时间优选为4h～6h。
由于二烃基二氯硅烷反应活性高，烃基硼酸和二烃基二氯硅烷在低温或室温下就可反应，当烃基硼酸其中的一个羟基跟二烃基二氯硅烷反应后，另一端的羟基活性变低。增加二烃基二氯硅烷用量，延长反应时间或提高反应温度均可提高反应程度。
在金属氧化物作用下，氯封端硼硅氧烷和过量二烃基二氯硅烷发生脱氯反应，生产混合环硼硅氧烷。反应所得的混合环硼硅氧烷中，含有环硼三硅氧烷(R3BO(R1R2SiO)2)，环硼四硅氧烷(R3BO(R1R2SiO)3)，环硼五硅氧烷(R3BO(R1R2SiO)4)等混合物。改变烃基硼酸和二烃基二氯硅烷摩尔配比，可制备不同组成和含量的混合环硼硅氧烷。环硼四硅氧烷的质量分数最高可达60％～70％。
所述的金属氧化物选自氧化锌、氧化钡、氧化钙、氧化镁、氧化铜、二氧化锰、二氧化铅中一种。
金属氧化物与二烃基二氯硅烷的摩尔比为1～3∶1。脱氯反应温度优选为20℃～60℃；反应时间优选为8h～12h。
所述的有机溶剂A选自苯、甲苯、二氯甲烷、四氢呋喃、乙腈中一种；所述的有机溶剂B选自乙酸乙酯、乙酸甲酯、石油醚、正己烷中一种。有机溶剂A的使用量为使烃基苯硼酸溶解的量，作为优选，有机溶剂A与烃基苯硼酸的质量比为10～20∶1；有机溶剂B的使用量为使金属氧化物形成悬浮液的量，作为优选，有机溶剂B与金属氧化物的质量比为15～25∶1。
作为优选，制备方法中滴加时间为20～40分钟。
本发明的混合环硼硅氧烷合成方法简便，以本发明得到的混合环硼硅氧烷为原料，采用开环聚合反应可直接制备含硼聚硅氧烷，还可以用于合成硼硅橡胶，耐热粘结剂和耐热涂层。
与现有技术比较，本发明的有益效果是：
(1)反应原料易得，价格低廉；
(2)反应过程中条件温和，室温即可反应可控，无需在极低温条件下反应；
(3)产物中，目标环硼硅氧烷含量高，收率大。
附图说明
图1为实施例1混合环硼硅氧烷的气质分析总离子流图；
图2为实施例1混合环硼硅氧烷的核磁共振氢谱图，
图3为实施例1混合环硼硅氧烷的核磁共振硅谱图；
图4为实施例1混合环硼硅氧烷的核磁共振硼谱图；
图5为实施例1混合环硼硅氧烷的红外光谱图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，实施例中所用原料均可市购。
实施例1
三颈反应瓶配备电磁搅拌、恒压滴液漏斗、三通阀，在20℃氮气保护下，将0.03mol苯硼酸溶解于50ml四氢呋喃，放入恒压滴液漏斗中，三颈反应瓶中放入0.15mol二甲基二氯硅烷，在30分钟内将苯硼酸滴加完成，滴加完后继续反应5h，然后在氮气保护下，先将氧化锌0.3mol和500ml乙酸乙酯加入反应瓶中搅拌成悬浮液，再将前一步反应完后的溶液转移至恒压滴液漏斗，在30分钟内滴加到悬浮液中，加完后继续反应12h；滤去不溶的锌盐，滤液水洗100ml×2次后再以蒸馏水洗100ml×2次；以无水硫酸钠干燥后过滤，蒸除乙酸乙酯和四氢呋喃后得到混合环硼硅氧烷8.74g，产率为62.5％。
实施例1得到的混合环硼硅氧烷气质分析总离子流图如图1所示，所制备的产物主要由5种化合物组成。依据对应质谱图(M/Z＝281.1，355.1，252.2，311.1，385.1)进行分析，保留时间4.966分钟所对应的化合物为(Me2SiO)4，保留时间6.635分钟所对应的化合物为(Me2SiO)5，保留时间7.961分钟所对应的化合物为(PhBO)(Me2SiO)2，保留时间8.993分钟所对应的化合物为(PhBO)(Me2SiO)3，保留时间9.949分钟所对应的化合物为(PhBO)(Me2SiO)4。
实施例1得到的混合环硼硅氧烷的核磁共振氢谱图如图2所示，化学位移0-0.2ppm吸收峰为Si-Me氢吸收峰，化学位移7.1-7.8ppm吸收峰为苯基氢吸收峰。
实施例1得到的混合环硼硅氧烷的核磁共振硅谱图如图3所示，化学位移0ppm吸收峰为内标TMS吸收峰，化学位移-3.234ppm吸收峰为(PhBO)(Me2SiO)2中硅吸收峰，化学位移-8.265ppm吸收峰为(Me2SiO)4中硅吸收峰，化学位移-16.591ppm和-17.745ppm吸收峰为(PhBO)(Me2SiO)3中硅吸收峰，化学位移-20.043ppm和-20.392ppm吸收峰为(PhBO)(Me2SiO)4中硅吸收峰。
实施例1得到的混合环硼硅氧烷的核磁共振硼谱图如图4所示，化学位移18.428ppm吸收峰为(PhBO)(Me2SiO)2中硼吸收峰，化学位移26.180ppm吸收峰为(PhBO)(Me2SiO)3中硼吸收峰，化学位移31.902ppm吸收峰为(PhBO)(Me2SiO)4中硼吸收峰。
实施例1得到的混合环硼硅氧烷的红外光谱图如图5所示，697.16cm-1和855.79cm-1吸收峰为Si-O-B键吸收峰，1311.65cm-1吸收峰为B-O键吸收峰，1027.24cm-1吸收峰为Si-O-Si键吸收峰，2963.45和3054.23为C-H伸缩振动峰，1258.29cm-1、1438.93cm-1分别为Si-Me吸收峰，1140.84cm-1吸收峰为B-C吸收峰。
实施例2
三颈反应瓶配备电磁搅拌、恒压滴液漏斗、三通阀，在50℃氮气保护下，将0.05mol甲基硼酸溶解于50ml甲苯，放入恒压滴液漏斗中，三颈反应瓶中放入0.4mol二乙基二氯硅烷，在20分钟内将甲基硼酸滴加，滴加完后继续反应4h。然后在氮气保护下，在-10℃下，先将氧化钙0.4mol和500ml乙酸甲酯加入反应瓶中搅拌成悬浮液，再将前一步反应完后的溶液转移到恒压滴液漏斗，在20分钟内滴加到悬浮液中，加完后继续反应18h；滤去不溶的钙盐，滤液水洗100ml×2次后再以蒸馏水洗100ml×2次；以无水硫酸钠干燥后过滤，蒸除乙酸甲酯和甲苯后得到混合环硼硅氧烷18.5g，产率为65.5％。
(1HNMR(CDCl3)：0.000，0.902，0.911，0.912，1.061，1.045，1.055，1.095，1.062ppm
13CNMR(CDCl3)：5.601，5.632，6.021，6.302，6.551，15.621，15.883，15.889，20.112，20.137ppm
29SiNMR(CDCl3)：0.000，-13.246，-18.266，-25.378，-25.660，-26.231，-26.597，-27.755，-29.219，-30.173，-30.392，-31.449，-31.806，-32.443ppm
11BNMR(CDCl3)0.000，12.112，19.428，21.180，24.902ppm
IR：648.49，670.11，697.29，793.91，856.12，1028.03，1140.88，1259.29，1312.08，1438.99，1600.68，2963.40cm-1
GC-MS(M-CH2CH3)+：M/Z＝379.2，481.8，277.15，421.23)
实施例3
三颈反应瓶配备电磁搅拌、恒压滴液漏斗、三通阀、电加热套，在-20℃氮气保护下，将0.03mol苯硼酸溶解于50ml二氯甲烷，放入恒压滴液漏斗中，三颈反应瓶中放入0.09mol二乙基二氯硅烷，在40分钟内将苯硼酸滴加，滴加完后继续反应8h。然后在50℃氮气保护下，先将氧化铜0.2mol和500ml正己烷加入反应瓶中搅拌成悬浮液，再将前一步反应完后的溶液转移到恒压滴液漏斗，在40分钟内滴加到悬浮液中，加完后继续反应8h；滤去未反应的铜盐，滤液水洗100ml×2次后再以蒸馏水洗100ml×2次；以无水硫酸钠干燥后过滤，蒸除二氯甲烷和正己烷后得到混合环硼硅氧烷10.15g，产率为67.1％。
(1HNMR(CDCl3)：0.000，0.078，0.945，0.992，0.955，1.044，1.062，1.080，1.087，1.149，1.156，7.486，7.426，7.434，7.448，7.454，7.752，7.750，7.767ppm
13CNMR(CDCl3)：5.661，5.673，5.770，5.631，6.001，6.029，15.603，15.832，128.731，128.774，131.463，133.478ppm
29SiNMR(CDCl3)：0.000，-13.246，-18.266，-25.378，-25.660，-26.231，-26.597，-27.755，-29.219，-30.173，-30.392，-31.449，-31.806，-32.443ppm
11BNMR(CDCl3)0.000，13.112，18.428，26.180，31.902ppm
IR：648.49，669.11，697.29，793.91，856.12，1027.03，1140.88，1258.29，1312.08，1438.99，1600.68，2963.40cm-1
GC-MS(M+)：M/Z＝379.1，481.21，483.2，381.1)
实施例4
三颈反应瓶配备电磁搅拌、恒压滴液漏斗、三通阀、电加热套，在80℃氮气保护下，将0.1mol乙基硼酸溶解于150ml乙腈中，放入恒压滴液漏斗中，三颈反应瓶中放入0.6mol甲基苯基二氯硅烷，在35分钟内将乙基硼酸滴加，滴加完后继续反应3h。然后在80℃氮气保护下先将氧化镁1.8mol和2.5L石油醚加入反应瓶中搅拌成悬浮液，再将前一步反应完后的溶液滴加到悬浮液中，在25分钟内滴完，加完后继续反应6h；滤去不溶的镁盐，滤液水洗1L×2次后再以蒸馏水洗1L×2次；以无水硫酸钠干燥后过滤，蒸除乙腈和石油醚后得到混合环硼硅氧烷57.67g，产率为71.3％。
(1HNMR(CDCl3)：0.661，0.665，0.667，7.182，7.188，7.271，7.276，7.279，7.452，7.457，7.503ppm
13C(CDCl3)133.21，133.42，131.52，133.9，129.50，128.75，130.03，6.4，6.1，5.9ppm
29SiNMR(CDCl3)：0.000，-16.286，-19.366，-23.378，-24.660，-24.231，-27.597，-28.755，-28.819，-31.173，-33.392，-36.449，-37.806，-37.943ppm
11BNMR(CDCl3)0.000，17.168，21.428，29.14，32.935ppm
IR：648.49，669.11，698.29，793.91，857.12，1029.03，1140.88，1258.29，1314.08，1438.99，1600.68，2963.40cm-1
GC-MS(M+)：M/Z＝529.11，393.08，449.12，585.16)
应用例1
(1)10mL三口瓶配置电磁搅拌、氮气保护、回流冷凝(接干燥管)，将5.0g实施例1得到的混合含硼环硅氧烷(R1＝R2＝Me；R3＝Ph)，0.04g六甲基二硅氧烷(MM)和0.025g碱胶(四甲基氢氧化铵质量分数为2％)，在减压、通氮气及50℃条件下赶除水分，缓慢升温至95～105℃，反应5h。升温至150℃以上，保持1h以分解催化剂。然后在200℃下减压除去低沸物，冷却后得到含硼聚硅氧烷4.43g。产率为87.5％。
GPC：Mw＝61971，Mn＝38860，DPI＝1.60。
