甲基苯基二氯硅烷氯化反应催化体系研究

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随着我国国民经济和航空航天工业的发展,常规的有机硅产品已不能满足目前的技术要求,高性能改性有机硅产品研究开发愈加急迫。氯化反应是有机硅单体改性的一种重要方法,通过氯化反应可以制得含氯代苯基的硅烷单体,以它为原料制备的改性有机硅产品具有润滑性能好、耐高低温性能强等特点。  本文针对甲基苯基二氯硅烷(MePhSiCl2)氯化制备甲基氯代苯基二氯硅烷(Me(ClxPh)SiCl2,其中x=1或2)的催化反应过程进行了研究,系统性地考察了催化剂种类、催化剂用量、反应时间和反应温度等对该反应的影响。按照催化体系的不同将研究分为金属氯化物路易斯酸催化体系、离子液体催化体系和H型分子筛催化体系三个部分,同时根据实验结果研究了该氯化反应的反应机理。  1.以氯气为氯化剂,金属氯化物路易斯酸,SbCl5、SnCl4、FeCl3和AlCl3,为催化剂,催化MePhSiCl2氯化制备Me(ClxPh) SiCl2(其中x=1或2)。研究表明,催化剂的催化活性顺序为FeCl3>SbCl5>AlCl3>SnCl4,但是当FeCl3为催化剂时,易于导致反应物、产物的Si-Ph键断裂,增加了副产物氯苯产率。  当以SbCl5为催化剂,其用量与MePhSiCl2的比值为1.4×10-5∶0.45 mol/mol,在25-100℃温度范围内,反应15-20 h时,Me(ClPh) SiCl2的收率均在60%左右。当SbCl5催化剂与MePhSiCl2的比值为1.4×10-4∶0.45 mol/mol,80-100℃温度范围内,反应20 h,Me(Cl2Ph)SiCl2的收率可以达到44%。  2.制备了含金属氯化物的离子液体[BMIM]Cl-nMClx、[Et3NH]Cl-nMClx和[BPy]Cl-nMClx(M=Al、Fe和Zn,n=1、2和2.5),将其用于MePhSiCl2氯化反应过程中。离子液体的催化活性顺序为:含AlnCl-3n+1的离子液体≈含FenCl-3n+1的离子液体>含ZnnCl-2n+1的离子液体。离子液体中的Lewis和Br(o)nsted酸位协同催化MePhSiCl2氯化反应,但过多的Br(o)nsted酸位可导致氯代苯基产物中Si-Ph键断裂,增加了副产物氯苯产率。  当以[BMIM]Cl-2AlCl3为催化剂,其摩尔用量为MePhSiCl2摩尔数的5%,在70℃下反应6-12h的较长时间范围内,Me(ClPh)SiCl2的收率大于63.0%。当以相同用量的[BMIM]Cl-2FeCl3为催化剂时,在70℃下反应6h,Me(ClPh)SiCl2的最大收率可以达到72.1%。以离子液体[Et3NH]Cl-2.5AlCl3为催化剂,其用量为MePhSiCl2摩尔数的5%,在70℃下反应6h,二氯代苯基产物Me(Cl2Ph) SiCl2的最大收率可达36.8%。  3.研究了H型分子筛,Hβ、HY、HZSM-5和HL,催化MePhSiCl2氯化制备Me(ClxPh)SiCl2(其中x=1或2)的反应过程。实验结果表明,分子筛的酸性与其催化活性有重要的联系,且分子筛中的Lewis和Br(o)nsted酸位协同催化该氯化反应的进行。当以Br(o)nsted与Lewis酸位的酸量之比在0.357-1.378范围内的分子筛为催化剂时,氯代苯基产物Me(ClPh)SiCl2和Me(Cl2Ph)SiCl2的总收率均在78%以上。H型分子筛催化剂有效促进MePhSiCl2与氯气进行亲电取代反应,生成目标产物Me(ClPh)SiCl2和Me(Cl2Ph)SiCl2,抑制了自由基取代反应,从而减少了副产物(ClMe)PhSiCl2的生成。  当以HY(SiO2/Al2O3=5)为催化剂,其用量为MePhSiCl2质量的5%,在100℃下反应12h,目标产物Me(ClPh)SiCl2和Me(Cl2Ph)SiCl2的总收率可达到86.0%。当以自制的分子筛HL(SiO2/Al2O3=6.0)为催化剂,相同催化剂用量条件下,在100℃下反应9h,Me(ClPh)SiCl2的收率可以达到67.7%。当以HY(SiO2/Al2O3=11)为催化剂,相同催化剂用量条件下,在100℃反应12h,Me(Cl2Ph) SiCl2的总收率可达到27.2%。
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