甲基苯基二甲氧基硅烷[MePhSi(OMe)2]是一种很重要的有机硅单体,用途非常广泛。甲基苯基二甲氧基硅烷本身性质活泼,可以与别的基团进行一系列反应,合成出具有独特性质的其它单体物质。其次可以进行聚合反应,所得的有机硅聚合物具有优异的性能,如耐高温、耐氧化、耐辐射等。它在化妆品、航空及核工业方面具有很大的应用市场。在日常生产中常用来合成制备含甲基苯基的硅油、硅橡胶、硅树脂等产品。

我国有机硅开发与应用跟国外相比还有较大的差距,随着国民经济日新月异的发展,客户对产品性能要求的不断提高,特别是对产品中微量杂质有特殊要求。进一步深入开发甲基苯基系列的产品,提高产品的性能,扩大其使用领域是目前的研究热点。目前制备甲基苯基二甲氧基硅烷方法很多,主要方法有格氏试剂法、钠缩合法和醇解法。
合成进展
1、格氏试剂法
格氏试剂法是近几年来研究比较热门的方法,其工艺流程为:在四口烧瓶中加入经处理过的镁屑和溶剂,滴加少量的溴苯,一定温度下起动格氏化反应。起动后,将所需要的氯苯缓慢地加入到反应瓶中。注意控制加料速度,防止出现过度的剧烈反应。滴加完成后,保温反应一定时间,让镁粉尽量地反应完全。反应结束后,进行冷却。将制成的格氏试剂在搅拌下,缓慢的加入到预先配好的甲基三甲氧硅烷反应装置中。加料结束后,保温回流一定时间,让其充分反应。反应结束后,降温,过滤。将所得的滤液进行减压精馏,得到甲基苯基二甲氧基硅烷。

格氏试剂法生产甲基苯基二甲氧基硅烷,所得的产品质量较好,工艺简洁,收率较高。但制备条件苛刻。所使用的金属镁要求表面干净,氧化程度小。如果表面被氧化较严重不利于格氏反应的起动。为了缩短格氏反应的起动时间,一般需要加入引发剂。常规的引发剂为碘、溴代乙烷等。最开始制备甲基苯基二甲氧基硅烷所使用的原料为溴苯。溴苯较氯苯更活泼,反应较易进行。但是溴苯价格比氯苯昂贵,目前大部分厂家都已使用氯苯进行生产。
格氏试剂法在反应体系中所用的溶剂一般为极性溶剂。较常用的为乙醚、四氢呋喃、甲苯,二甲基甲酰胺等。溶剂的选择即要考虑生产成本,又要考虑生产的安全性和适应性。乙醚是一种比较好的反应溶剂,范敏等人采用乙醚合成甲基苯基二甲氧基硅烷。但是由于其沸点较低,挥发性大。在使用过程中,消耗损失特别大。而且乙醚在反应过程中容易生成过氧化物,对操作要求较高,容易发生危险,因此工业上厂家基本上不选用乙醚,更多的是学校、科研院所在实验室中少量的使用。郭永利等人选用了甲苯作为溶剂进行格氏反应。甲苯挥发性较乙醚低,沸点高,性质稳定,可以得到比较好的反应效果。孙怀林等人采用环状醚类化合物为反应溶剂合成甲基苯基二甲氧基硅烷,收率达95%。
2、钠缩合法
钠缩合法制备硅氧烷是很目前较成熟的工艺,其工艺流程为:将一定量的甲苯和金属钠投入到反应装置中,搅拌下升温加热,制成钠砂,控制滴加速度逐渐加入MeSi(OMe)3。滴加完后控制一定的反应温度,缓缓加入PhCl进行反应。PhCl加完后,搅拌继续反应一段时间。加入适量的甲醇将过量的金属钠除去。最后滴加MeSiCl3调节pH值。将反应生成的NaOMe转化为MeSi(OMe)3。反应结束后,过滤,将滤液进行精馏,得到甲基苯基二甲氧基硅烷。

使用钠缩合法制备甲基苯基二甲氧基硅烷反应温合易控制,整个工艺操作较简单。反应使用的原料较便宜、易于获得。反应中钠砂的制备需要氮气保护,否则容易氧化,不但会造成收率下降,而且容易出现副产物较难分离的现象。金属钠的用量需严格控制。若钠用量不足会出现氯苯反应不完全,精馏过程中氯苯较难以剔除,影响产品的质量;为了使氯苯尽量反应完全,一般会稍微提高金属钠的用量比例。但是如果金属钠过量太多,不但增加原料的消耗,而且会出现比较粘稠黑色的副产物生成。不但降低收率,而且过滤效果很差。
反应中溶剂一般选用甲苯。甲苯可以用来制备钠砂,及作为反应的溶剂。如果甲苯量太少会出现固体量太多,不易搅拌,使得反应难以继续进行,副产物增加,收率降低。
该反应时间越长,收率越高。因此为了得到较高的收率,一般要尽可能地延长反应时间。因为使用到金属钠,对生产中的贮存和使用都提出更高的要求。钠缩合法所得的甲基苯基二甲氧基硅烷可以用来制备普通硅油、硅橡胶及树脂。但是由于体系中的一些微量杂质影响,在高端LED封装材料使用效果方面不如格氏法生产的效果好。
3、醇解法
醇解法是采用甲基苯基二氯硅烷与甲醇反应,生成甲基苯基二甲氧基硅烷。该合成方法原理清晰,工艺简单。关键点是如何尽快地把生成的HCl及时从反应体系中移除。如果不能很快将HCl带出反应体系,不但会影响反应正方向进行,而且增加产品的聚合降低收率。为了加快HCl的移除速度,可以将氮气通入反应体系中,或者在出口处增加负压装置。生成的HCl通过后续的吸附设备进行吸收。其次,为了减少HCl在体系中的停留时间,使用填料柱作为反应装置。将甲醇气化从填料柱的底部通入,甲基苯基二氯硅烷从上部滴入,整个体系保持微负压。反应生成的HCl可以迅速地从顶部出去,进入HCl吸附装置被吸收。反应结束后,加入甲醇钠或氨气调节pH值。减压蒸馏,得到甲基苯基二甲氧基硅烷。
参考文献
[1] 姜振华,陈发德,池圣贤,等. 甲基苯基二甲氧基硅烷合成方法的研究进展[J]. 有机硅材料,2016,30(4):333-335. DOI:10.11941/j.issn.1009-4369.2016.04.014.