本发明属于有机硅烷技术领域，尤其涉及一类含苯骈咪唑结构的硅烷及其制备方法。
背景技术：
硅烷可与多种无机和有机材料发生反应，由于其独特的结构和性能，在日益增长的各领域中已被公认可作为偶联剂、交联剂、表面与界面改性剂等。从粘合剂到涂料，从交联聚烯烃到玻璃纤维增强复合材料，再到节能的白炭黑补强轮胎等，都离不开硅烷类化合物的应用。
功能化的有机硅烷在很多材料及其制品领域的应用，可以提高很多方面的性能，诸如：机械强度、电气绝缘性、抗湿耐候性、耐高低温性能等。自二十世纪九十年代以来，随着各种有机硅功能化的硅烷以及硅烷偶联剂的持续开发，到目前为止已经商品化的硅烷和硅烷偶联剂不下40种，主要作用和用途包括：作为粘结材料中的增粘组分，显著提高粘结强度；用于增强纤维的界面处理，从而提高材料界面的胶接强度；用于橡胶基复合材作为界面处理剂，可显著提高材料的剥离强度；用于无机材料的表面处理，可显著提高其与有机聚合物的相容性等。因此，该类产品用途极为广泛，可广泛应用于精细化工、建筑材料、电子材料、橡胶塑料等行业。因此，研发更多的新型硅烷或硅烷偶联剂及其合成方法，进一步丰富硅烷类化合物品种，扩展硅烷产品的用途，是我们亟待解决的任务。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一类含苯骈咪唑结构的硅烷，苯骈咪唑母体上含有较多的取代烃基和硅烷氧基结构，在进行白炭黑、硅酸盐、碳酸盐等填料的表面处理时具有更高的效率，还可提高其与聚合物相的相容性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一类含苯骈咪唑结构的硅烷，其结构通式如下：
其中，R1为C1-C7的烃基或取代芳烃基；
R2为C1-C8的烃基或取代烃基；；
R3为甲基或乙基；
R4为C1-C6的烃基或芳基；
R5为H或C1-C3的烃基。
优选地，R1为甲基、乙基或苄基；
R2为亚甲基、亚乙基、亚丙基、羟基取代的丙氧基丙基-CH2-CH(OH)-CH2-O-(CH2)3-或羟基取代的环己烷基-乙基
R4为甲基、乙基或苯基；
R5为H、甲基或乙基。
本发明的第二个目的在于提供上述含苯骈咪唑结构的硅烷制备方法，将苯骈咪唑类单体与氯代烃基硅烷进行脱除氯化氢反应，或将苯骈咪唑类单体与环氧烃基硅烷进行环氧开环反应制得。
进一步，苯骈咪唑类单体与氯代烃基硅烷反应的制备，步骤如下：
(1)将氯代烃基硅烷和其体积1-3倍的有机溶剂投入到干燥的反应器中，再加入氯代烃基硅烷重量1-5％的碱性物质，氮气保护下，在50-65℃条件下搅拌10-30min；
(2)按照苯骈咪唑类单体中活泼氢与氯代烃基硅烷的摩尔比为1∶(1-1.5)，取苯骈咪唑类单体溶于其体积1-3倍的有机溶剂中，将溶于有机溶剂的苯骈咪唑类单体溶液滴加到步骤(1)的氯代烃基硅烷溶液中，控制反应温度在65-110℃反应3-6h；
(3)将步骤(2)的反应液经负压过滤，用有机溶剂洗涤滤饼，所得滤液减压蒸除有机溶剂以及未反应单体后，即得到目标产物。
进一步，苯骈咪唑类单体与环氧烃基硅烷反应的制备，步骤如下：
(1)按照苯骈咪唑类单体中活泼氢与环氧烃基硅烷的摩尔比为1∶(1-1.5)，氮气保护下充分搅拌混合均匀后，加热到80-130℃反应2-5h；
(2)反应液经蒸馏分离，得到目标产物。
其中，所述的苯骈咪唑类单体中活泼氢为＝NH或-SH中的至少一种。
所述的有机溶剂为氯仿、乙醇、四氢呋喃、苯、甲苯、正己烷、环己烷或石油醚；所述的碱性物质为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、氢化钠或乙醇钠中的一种或两种以上混合。
所述的苯骈咪唑类单体为2-甲硫基-1H-苯骈咪唑、2-乙基硫基-1H-苯骈咪唑、2-苄基硫基-1H-苯骈咪唑、1H-苯骈咪唑-2-硫醇、1-甲基苯骈咪唑-2-硫醇、1-乙基苯骈咪唑-2-硫醇、1-苯基苯骈咪唑-2-硫醇、2-硫醇基-4-甲基苯骈咪唑或2-硫醇基-5-甲基苯骈咪唑。
所述的氯代烃基硅烷为氯甲基三甲氧基硅烷、氯甲基三乙氧基硅烷、β-氯乙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷或γ-氯丙基三乙氧基硅烷。
所述的环氧烃基硅烷为β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷或γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的含苯骈咪唑结构的硅烷提供了更多的反应性硅烷氧基，对于材料的界面处理更加高效；
(2)本发明的含苯骈咪唑结构的硅烷与大多聚合物材料具有很好的相容性，当采用环氧烃基硅烷类制备方法时，由于引入了环氧烃基的脂肪链，将进一步提高该类含苯骈咪唑结构的硅烷在聚合物材料改性过程中的适用性；直接采用无溶剂工艺，绿色环保；
(3)本发明含苯骈咪唑结构的硅烷含有N、S元素，对于提高材料的界面粘结性质、调整橡胶硫化性质等均有一定的效果；
(4)本发明的含苯骈咪唑结构的硅烷在涂料/油漆中涉及到的颜料/填料分散处理、各种无机粉末/纤维材料的表面处理、塑料的功能化改性及其增强交联、橡胶填料补强时的界面处理、增粘等方面均具有显著的益处。
附图说明
图1为本发明实施例3的红外光谱；
图2为本发明实施例3的核磁共振氢谱。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，骈非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种含苯骈咪唑结构的硅烷，其分子结构式如下：
上述硅烷的制备方法为：
在装有温度计、回流装置、恒压滴液漏斗的干燥三口烧瓶中，加入129mL(0.525mol,1.00g/mL，含量98％)γ-氯丙基三乙氧基硅烷、130mL四氢呋喃和10g氢化钠，氮气保护下，搅拌、加热至50℃持续0.5h；缓慢滴加82.1g(0.50mol)1-甲基-1H-苯骈咪唑-2-硫醇/150mL四氢呋喃溶液，搅拌、控制反应温度在65-67℃，回流反应5h后，趁热负压过滤，得到的有机液相进行蒸馏，分离四氢呋喃及未反应单体后，得到亮黄色透明油状液体硅烷产物，收率97.1％。
所得产物为1-甲基-2-((3-(三乙氧硅基)丙基)硫代)-1H-苯骈咪唑，红外光谱、元素分析和核磁共振测试结果显示所合成产物为上述分子结构的目标产物。
实施例2
一种含苯骈咪唑结构的硅烷，其分子结构式如下：
上述硅烷的制备方法为：
在装有温度计、回流装置、恒压滴液漏斗的干燥三口烧瓶中，加入129mL(0.525mol,1.00g/mL，含量98％)γ-氯丙基三乙氧基硅烷、130mL四氢呋喃和10g氢氧化钠，氮气保护下，搅拌、加热至50℃持续0.5h；缓慢滴加82.1g(0.50mol)2-甲基硫基苯骈咪唑/150mL四氢呋喃溶液，搅拌、控制反应温度在65±2℃，回流反应5h，趁热负压过滤，得到的有机液相进行蒸馏，分离四氢呋喃及未反应单体后，得到淡黄色透明油状液体硅烷产物，收率96.8％。
所得产物为2-(甲硫基)-1-(5-(三乙氧硅基)丙基)-1H-苯骈咪唑，红外光谱、元素分析和核磁共振结果显示所合成产物为上述分子结构的目标产物。
实施例3
一种含苯骈咪唑结构的硅烷，其分子结构式如下：
上述硅烷的制备方法为：
在装有温度计、回流装置、恒压滴液漏斗的干燥三口烧瓶中，加入41.1g(0.25mol)2-硫醇基甲基苯骈咪唑，通过恒压滴液漏斗逐步滴加128.47mL(1.07g/mL,98％,0.57mol)γ-(2,3环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷，氮气保护下，充分搅拌混合均匀后逐渐加热到80℃，反应2h后变为暗黄色油状液体，继续升高温度至120℃反应2h后，蒸馏分离脱除未反应单体后，得到土黄色油状粘稠液体，收率98.4％。
所得产物为1-((1-(2-羟基-3-(3-(三乙氧硅基)丙氧基)丙基)-6-甲基-1H-苯骈咪唑-2-基)硫代)-3-(3-(三乙氧硅基)丙氧基)丙烷-2-醇，该化合物的红外光谱(FT-IR)见附图1、核磁共振氢谱(1H NMR)见附图2，所合成产物为上述分子结构式的目标产物。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，骈不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。