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Verfahren zur Herstellung von Bortrialkyl neben hochaktivem
Aluminiumoxyd
Es ist bekannt, Bortrialkyle durch Umsetzung von Bortrihalogeniden, vorzugsweise Bortrifluorid, mit Aluminiumtrialkylen herzustellen. Weiterhin wurde vorgeschlagen, statt der Bortrihalogenide die Bor-
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bzw. deren Anhydrid, das Bortrioxyd B. d. Die molekulare Struktur des B d ist gekennzeichnet durch das Vorhandensein vieler B-O-B-Bindungen, etwa gemäss dem folgenden Schema :
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Es würde gegenüber den bekannten Verfahren eine erhebliche Vereinfachung bedeuten, wenn man dieses Bortrioxyd unmittelbar mit Aluminiumtrialkylen gemäss der folgenden Gleichung : B20S +2 Al = 2 B + A1 zu Aluminiumoxyd und Bortrialkylen umsetzen könnte.
Diese Reaktion tritt aber, wie Versuche gezeigt haben, unter technisch gangbaren Bedingungen nicht ein. Die Versuche legten vielmehr den Schluss nahe, dass die B-O-B-Bindung gegenüber den Alumihiumtrialkylen reaktionsträge ist.
Wenn man Bortrioxyd bei höheren Temperaturen mit Bortrialkylen behandelt, so bilden sich nach Gleichung A die sogenannten'3oroxole. Es sind dies cyclische, trimere Anhydride von Monoalkylbor- säuren :
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Beachtet man ihre Bildungsweise, so kann man die Boroxole summarisch als eine Lösung von Bortrioxyd in Bortrialkyl betrachten.
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3 Alkyl-tivem Aluminiumoxyd und Bortrialkylen noch Alkyldiborane der allgemeinen Formel B2H2R4. Auch bei dieser Reaktion werden alle Alkyl-bzw. Hydridgruppen des Aluminiums ausgenutzt, d. h. die Umsetzung verläuft nach der Gleichung :
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teres ersichtlich.
Das technisch sehr wohlfeile Bortrioxyd B C, wird in Form der flüssigen Boroxole reaktionsfähig, ohne dass zunächst eine Umwandlung des Oxyds in Borhalogenid oder Borsäureester unter Verwendung von Hilfsstoffen (Halogen, Alkohol) zu erfolgen hat.
Zu Beginn des erfindungsgemässen Verfahrens braucht man allerdings bereits fertig vorgebildetes Bortrialkyl zur Herstellung des Boroxols. Da jedoch - bezogen auf Bortrioxyd als Ausgangsstoff - die zwei Reaktionsstufen A und B
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: erzBortrialkyl zurück. Insgesamt arbeitet das Verfahren, wie man leicht erkennt, nach folgender einfacher Bruttoreaktionsgleichung
A + B = C : B2O3 + 2 A1R3 = 2 BR3 + Alios.
Für eine wirtschaftliche Herstellung der Boralkyle gemäss der Erfindung ist die Verwendung von Aluminiumtrialkylen oder Dialkylaluminiumhydriden, die durch Synthese aus Aluminium, Wasserstoff und Olefin hergestellt wurden, besonders vorteilhaft. Berücksichtigt man z. B. die Synthese von Aluminiumtrialkylen aus Aluminium, Wasserstoff und Olefin CnH2n (n = 2 und grösser) entsprechend der Gleichung :
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sind.
Gemäss einem besonderen Merkmal der Erfindung arbeitet man mit einem Molverhältnis der Reaktionspartner aluminiumorganische Verbindung/Boroxol von 2 : 1. Bei einem Überschuss der aluminiumorganischen Verbindung, insbesondere des Aluminiumtrialkyls, werden nämlich die Alkylgruppen nicht voll ausgenutzt, während bei einem Boroxolüberschuss von dem bei der Umsetzung sich bildenden Aluminiumoxyd Borverbindungen festgehalten werden. Durch einen solchen Reaktionsverlauf wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt.
Die erfindungsgemässe Umsetzung unter Verwendung von Aluminiumtrialkylen kann auch in 2 Teilstufen durchgeführt werden. Arbeitet man zunächst bei Temperaturen unter 100 C, dann setzen sich nur die ersten beiden Alkylgruppen der Aluminiumtrialkyle mit den Boroxolen, z. B. gemäss der nachfolgenden Gleichung (1). um : (1) 2 (RBO), + 6 AIR, = 6 BR3 + 2 (RAIO)
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Die entstehenden flüssigen Mischungen reagieren dann bei erhöhten Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen zwischen 150 und 220 C, weiter. Dabei wird auch die dritte und letzte Alkylgruppe der Aluminiumtrialkyle zur Boralkylierung ausgenutzt und derart die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wesentlich erhöht. Diese zweite Verfahrensstufe verläuft z.
B. gemäss folgender Gleichung (2) : (2) 2 (RAIO) s + (RBO) s = 3 BRs + 3 Al
Das erfindungsgemässe Verfahren arbeitet demnach nach der Bruttogleichung B) dieser beiden Teilstufen (1) und (2) :
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: (RBO) +Aluminiumtrialkylen in Gegenwart von Wasserstoff ; vgl. die belgische Patentschrift Nr. 546432) als Zwischenprodukte anfallenden Aluminiumdialkylhydride bzw. auch Mischungen dieser mit Aluminiumtrialkylen direkt zu den entsprechenden Borverbindungen umsetzen.
Es ist nicht notwendig, zunächst reine, d. h. hydridfreie, Aluminiumtrialkyle aus den Aluminiumdialkylhydriden mit Olefinen herzustellen, denn die Reaktion mit den Boroxolen verläuft unter Ausnutzung sämtlicher Alkyl- und Hydridgruppen der verwendeten Aluminiumverbindung, was nicht ohne weiteres zu erwarten war.
So benötigt man beispielsweise bei Verwendung von Aluminiumdialkylhydriden für die Herstellung von Borwasserstoffverbindungen, die bekanntlich aus alkylierten Borverbindungen durch Hydrierung leicht hergestellt werden können (vgl. R. Köster : Angewandte Chemie 69 [1957], S. 94), insgesamt weniger Olefin. Während nämlich die Bruttoreaktion für die Herstellung der Bortrialkyle aus Aluminiumtrialkylen nach
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verläuft, wird bei Verwendung von Dialkylaluminiumhydriden ein Drittel der Olefinmenge eingespart :
2 Al + 3 H2 + B203 + 4 CnH2n = BzH2R4 + Al20S
Wenn aus den Alkyldiboranen Borwasserstoffverbindungen hergestellt werden sollen, ist der Vorteil der Verwendung von Aluminiumdialkylhydriden klar ersichtlich.
Die erfindungsgemässe Umsetzung kann in Gegenwart von geeigneten Lösungsmitteln durchgeführt werden. Lösungsmittel sind für die Durchführbarkeit des Verfahrens vorzuziehen, wenn, wie z. B. bei der Äthyl- und Propylverbindung, die Zwischenprodukte in Lösung gehalten werden sollen. Als Lösungs- oder Verdünnungsmittel sind aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe sowie Äther und Amine geeignet. Besonders geeignet sind tertiäre Amine mit gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffresten. Bei Verwendung eines derartigen Lösungsmittels lassen sich die entstehenden festen Aluminiumverbindungen besonders leicht in Lösung halten, so dass eine besonders gleichmässige Reaktion B erreicht wird.
Die für das Verfahren vorteilhaftesten Lösungsmittel sind die Boralkyle selbst, da sie für das Verfahren keine Fremdstoffe darstellen. Man arbeitet bei einer solchen Reaktion dann praktisch mit einer verdünnten Lösung von Bortrioxyd in Boralkyl. Das sich bildende und ausfallende Aluminiumoxyd bleibt dabei besonders gut in der Reaktionsmischung verteilt.
Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, setzt die erfindungsgemässe Reaktion schon bei Raumtemperatur oder darunter ein und wird vorzugsweise durch Erhitzen bis auf etwa 2000C quantitativ zu Ende geführt, insbesondere wenn das Verfahren in 2 Stufen durchgeführt wird.
Die bei dem erfindungsgemässen Verfahren entstehenden Reaktionsprodukte-Boralkyle und Aluminiumoxyd - lassen sich auf einfachste Weise voneinander trennen. Bei der Herstellung von Boralkylen mit kleinen Kohlenwasserstoffresten, insbesondere mit Alkylresten mit bis zu etwa 6 Kohlenstoffatomen, destilliert man diese unter Atmosphärendruck bzw. auch unter vermindertem Druck ab. Als Rückstand erhält man dabei unmittelbar ein Aluminiumoxyd in einer besonders oberflächenaktiven Form. Bei der Gewinnung von Bortrialkylen mit längeren Kohlenwasserstoffresten erfolgt die Abtrennung von den festen Aluminiumverbindungen vorzugsweise durch Filtration bzw. Extraktion unter Zuhilfenahme eines der oben erwäh.-, en Verdünnungsmittel.
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Da bei der Reaktion der Boroxole mit den aluminiumorganischen Verbindungen, insbesondere den Aluminiumtrialkylen, zunächst lösliche Zwischenprodukte entstehen, lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren auch kontinuierlich durchführen. Das Aluminiumoxyd wird nämlich nicht in dem Masse abgeschieden, wie die aluminiumorganischen Verbindungen, insbesondere das Aluminiumtrialkyl, zur Reaktionsmischung zufliessen. Bei der Umsetzung von Äthyl-und Propylverbindungen wird z. B. die Abscheidung von festen Stoffen vor allem durch Verwendung der obenerwähnten Verdünnungsmittel verhindert.
Bei den höheren Alkylverbi. idungen bleiben die Reaktionsmischungen auch ohne Zusatz von Lösungsmitteln flüssig. So kommt es, dass die Reaktionsmischung bis kurz vor der Zugabe der gesamten Restmenge, insbesondere der stöchiometrischen Menge aluminiumorganischer Verbindung, völlig flüssig und klar bleibt. Das Aluminiumoxyd fällt ziemlich plötzlich aus, wenn sich die Menge der zugegebenen alumi- niumorganischen Verbindung der berechneten Menge nähert. Solche noch völlig flüssige Reaktionsmischungen scheiden erst beim Eindampfen, insbesondere wenn im Destillationsrückstand die Temperatur über 150 C steigt, festes Aluminiumoxyd ab, so dass sie sich ganz besonders gut für die Verarbeitung in kontinuierlichen Verdampfern eignen.
Das Destillat enthält in diesem Fall neben Bortrialkylen noch etwas unverändertes Boroxol.
Die Massnahme, die. Reaktionsmischung den Verdampfern zuzuführen, solange sie noch völlig flüssig ist, ist zwar häufig sehr zweckmässig, aber nicht unbedingt notwendig. Lässt man das Trialkylboroxol mit dem Aluminiumtrialkyl oder dem Dialkylaluminiumhydrid ausreagieren, so scheidet sich das Aluminiumoxyd zunächst in Form einer festen Gallerte ab. Diese kann durch intensives Rühren in einen Brei verwandelt werden, der sich gleichfalls, wenn auch etwas weniger gut, zur Eindampfung, insbesondere der kon- tinuierlichen,-eignet.
Beispiel l : Zu 168 g (1 Mol) Äthylboroxol mit 19, 21o Bor (hergestellt aus 98 g Bortriäthyl und 70 g Bortrioxyd durch Erhitzen im Autoklaven während 4 - 5 Stunden auf 250 - 3000C), die in einen 750 ml-Dreihalskolben (Thermometer, Rührer, Eintropfvorrichtung, absteigender Kühler) zusammen mit etwa 250 ml Bortriäthyl eingefüllt wurden, werden bei Raumtemperatur beginnend im Verlauf von etwa 1 Stunde insgesamt 228 g (2 Mol) Aluminiumtriäthyl zufliessen gelassen. Dabei steigt die Temperatur in der Reaktionsmischung bis zum Siedepunkt des Bortriäthyls (Kp = 94-950C) an. Man destilliert anschlie- ssend das gesamte Bortriäthyl ab. Dies geschieht zunächst unter Atmosphärendruck.
Nach Zugabe von nahezu der gesamten Menge Aluminiumtriäthyl wird die Mischung durch Bildung einer AluminiumoxydGallerte schwerer rührbar. Diese geht beim Abdestillieren der letzten Anteile Bortriäthyl unter vermindertem Druck vollständig in ein farbloses Tonerdegel über. Man erhält neben dem Lösungsmittel als Destillat 280 g (95% der Theorie) Bortriäthyl. Das zurückbleibende Aluminiumoxyd (etwa 100 g) ist danach vollkommen trocken.
Beispiel 2 : Aus 630 g (3 Mol) n-Propylboroxol (15, 41a Bor, hergestellt wie in Beispiel 1 aus Bortri-n-propyl) und 468g (3 Mol) Aluminiumtri-n-propyl erhält man in einem 2 1-Dreihalskolben (Thermometer, Rührer, Eintropfvorrichtung) beim Vermischen der beiden Flüssigkeiten unter Selbsterwärmung eine farblose Flüssigkeit. Diese wird in einen auf etwa 200 C erhitzten und unter vermindertem Druck stehenden Dreihalskolben (Thermometer, Rührvorrichtung, Eintropfventil, absteigender Kühler mit gekühlter Vorlage) eingetropft, wobei das durch die Reaktion entstandene Aluminiumoxyd ausfällt und die flüssigen Borverbindungen (Bortripropyl und überschüssiges Boroxol) abdestillieren.
Man erhält nach Beendigung des Eintropfen und anschliessendes Erhitzen des Zersetzungskolbens auf 2500C unter vermindertem Druck insgesamt 880 g Destillat mit einem Borgehalt von etwa 10% Bor, d. s. 93% Ausbeute. Der Rückstand besteht aus 150 g Aluminiumoxyd. Die erhaltene Mischung aus Bortripropyl und Propylboroxol wird im Vakuum der fraktionierten Destillation unterworfen. Man erhält neben dem entstandenen Bortripropyl (45 C/12 Torr) das unumgesetzte Propylboroxol (90 C/12 Torr).
Beispiel 3 : Kontinuierliche Herstellung von Bortri-n-propyl (vgl. Zeichnung).
In einem mit maximal 25 atm belastbaren 100 1-Reaktor A (Rührvorrichtung, Einfüllstutzen für pulverisiertes, getrocknetes Bortrioxyd, Absaugvorrichtung für die boroxolreiche Flüssigkeit am unteren Ende des Reaktors, s. C, Zuleitung für die bortripropylreiche Flüssigkeit, Thermometerstutzen) befinden sich immer etwa 50 1 flüssige Borverbindungen zusammen mit ungefähr 5 kg gepulvertem Bortrioxyd. Dieses kann durch eine Einfüllvorrichtung laufend ergänzt werden (etwa 1, 4 kg/Std.). Der Reaktor A befindet sich auf einer Temperatur von etwa 2800C. Es wird ständig gerührt. Mit einer Geschwindigkeit von etwa 6 1/Std. wird über ein bei C angebrachtes feines Sieb aus dem Reaktionsgefäss eine Mischung von Boroxol und Bortripropyl abgezogen und in den zweiten Reaktor B gepumpt.
Dieser zweite gleichfalls 100 1-Reaktor wird auf einer Temperatur von etwa 50 bis 60 C gehalten. Unter gutem Rühren wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 4 l/Std. Aluminiumtripropyl in diesen Reaktor eingespritzt. Durch den Absaug-
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stutzen D wird laufend die Mischung aus Bortrialkyl und "gelöstem" Aluminiumtrioxyd auf eine kontinu' ierliche Verdampfervorrichtung E gepumpt (Geschwindigkeit etwa 10 l/Std.). Diese Vorrichtung (z. B. ein Dünnschichtverdampfer) ist auf ungefähr 1800C aufgeheizt und befindet sich unter vermindertem Druck (etwa 1 Torr). Am unteren Ende der Verdampferanlage wird das farblose, trockene Aluminiumoxyd gesammelt und über eine nicht eingezeichnete Vakuumschleuse von Zeit zu Zeit abgezogen (etwa 2 kg/Std.).
Am oberen Ende des Verdampfers destilliert das Bortripropyl ab. Nach Kondensation wird es auf eine Kolonne F (12 Torr, 50-60 C) gepumpt. An deren oberen Enden wird kontinuierlich die dem eingepumpten Aluminiumtripropyl äquivalente Menge reinen Bortripropyls (7, 74% Bor) abgenommen (etwa 4 1/Std.). Am unteren Ende der Destillationsvorrichtung F läuft Bortrialkyl zusammen mit Verunreinigungen ab. Dieses wird in den ersten Reaktor A zurückgepumpt, so dass dadurch der Kreislauf geschlossen ist.
Es ist auch möglich und mitunter vorteilhaft, nach dem erfindungsgemässen Verfahren Mischungen von Bortrialkylen herzustellen, wie diese beispielsweise bei der Verarbeitung von Mischungen von Alu- miniumtrialkylen anfallen. Wenn die Aluminiumtrialkyle aus Olefingemischen (z. B. Äthylen plus Propylen) hergestellt wurden, ergeben sich für derartige Mischungssysteme beim kontinuierlichen Verfahren andere Versuchsdaten als die in Beispiel 3 angegebenen (z. B. für Temperatur und Druck in den Kolonnen). Für die Reaktoren sind jedoch auch dann die für das Bortripropyl in Beispiel 3 angegebenen Versuchsdaten weitestgehend anwendbar.
Beispiel 4 : Zu einer Mischung aus 126 g (0, 5 Mol) iso-Butylboroxol und 150 g Bortri-isobutyl lässt man bei gutem Rühren unter Stickstoff bei Raumtemperatur rasch insgesamt 198 g (1 Mol) Aluminiumtri-isobutyl zufliessen. Dabei steigt die Temperatur auf ungefähr 1000C an ; anschliessend wird während etwa 3-4 Stunden auf 170 - 1800C nacherhitzt, wobei die Mischung vollkommen flüssig bleibt.
Unter vermindertem Druck erhält man durch Destillation 395 g (93, 5% der Theorie) Bortri-isobutyl ; als Rückstand hinterbleibt das sich während des Destillierens abscheidende Aluminiumoxyd.
Bei s pie 1 5 : Wie in Beispiel 4 erhält man aus n-Butylboroxol in Bortri-n-butyl als Lösungsmittel bei der Umsetzung mit Aluminiumtri-n-butyl neben Aluminiumoxyd als Rückstand durch Destillation in einer Ausbeute von 92% reines Bortri-n-butyl.
Beispiel 6 : 35 g (0, 5 Mol) getrocknetes Bortrioxyd werden zusammen mit 280 g (2 Mol) Bortripropyl in einem Druckgefäss 3 - 4 Stunden auf 2500C erhitzt, wobei sich das Bortrioxyd in dem Bortripropyl als Propylboroxol auflöst.
Zu dieser Mischung werden bei Raumtemperatur im Verlauf von etwa 1/2 Stunde insgesamt 156 g (1 Mol) Aluminiumtripropyl zugegeben ; dabei steigt die Temperatur auf 80 - 900C an. Man heizt anschliessend nach, wobei das entstandene Aluminiumoxyd bei einer Temperatur von etwa 120 C als Gallerte ausgeschieden wird. Unter vermindertem Druck werden die gesamten Borverbindungen abdestilliert.
Man erhält 400 g (95% der Theorie) Bortripropyl ; der Rückstand besteht aus der festen Aluminiumverbindung (70 g).
Beispiel 7 : Im Verlauf von etwa einer Stunde lässt man bei gutem Rühren zu 4 Mol Aluminiumtriäthyl eine Lösung von 2 Mol Äthylboroxol in 200 g Triäthylamin zufliessen. Die Temperatur der Reaktionsmischung steigt während der Zugabe bis auf 90 - 1000C an. Die vollkommen dünnflüssige Mischung
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mittel abdestilliert. Man erhält als Destillat eine Mischung, die aus 550 g Bortriäthyl und dem eingesetzten Amin besteht. Ausserdem erhält man als Rückstand ein fein gepulvertes Aluminiumoxyd.
Beispiel 8 : In einem 2, 5 l-Dreihalskolben befinden sich 570 g Aluminiumtriäthyl zusammen mit 270 g Bortriäthyl. Im Verlauf von etwa einer Stunde wird unter gutem Rühren Äthylboroxol (400 g) zugetropft. Die Temperatur steigt dabei von 200C bis zum Siedepunkt des Bortriäthyls an, wobei gegen Ende des Zutropfens die entstandenen Aluminiumverbindungen gallertartig ausgeschieden werden. Man destilliert unter vermindertem Druck und Erhitzen des Temperaturbades bis auf 200 - 2200C das Bortriäthyl ab. Die Ausbeute beträgt über 90% der Theorie.
Beispiel 9: Man vermischt 336 g n-Hexylboroxol mit 564 g Aluminiumtri-n-hexyl, indem man zu der Borverbindung das Aluminiumtrialkyl unter Stickstoff unter gutem Rühren zufliessen lässt. Die Temperatur in der Reaktionsmischung steigt dabei von Raumtemperatur auf etwa 600C an. Anschliessend wird 2 - 3 Stunden bis auf etwa 1800C erhitzt, wobei die letzte Alkylgruppe des Aluminiumhexyls mit dem Boroxol reagiert. Unter stark vermindertem Druck (etwa 0, 1 Torr) kann der grösste Teil (610 g) des entstandenen Trihexylbors abdestilliert werden (Kp-99-100 C ; Schmelzpunkt =-37 C). Weitere 100 g des Boralkyls erhält man aus dem Rückstand durch Extraktion mit Hilfe von Benzol. Die Ausbeute beträgt 89% der Theorie.
Das Trihexylbor hat einen Borgehalt von 3, 980/0.
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Beispiel 10 : Nach einer Umsetzung entsprechend Beispiel9 erhält man aus 450 g (1 Mol) Aluminiumtridecyl und 252 g (0, 5 Mol) Decylboroxol durch Extraktion mit Cyclohexan das Bortridecyl. Nach Abtrennen der Lösung vom entstandenen Aluminiumoxyd und Abdestillieren des Extraktionsmittels kann das Bortridecyl in Form einer schwach viskosen, farblosen Flüssigkeit als Rückstand gewonnen werden.
Die Verbindung ist auch im Hochvakuum nicht unzersetzt (Abspaltung von Decen und Bildung von Didecylborhydrid) destillierbar. Die Ausbeute an reinem (2, 5% Bor) Bortrialkyl beträgt mit 555 g 85% der Theorie.
Beispiel 11 : Man erhitzt unter Stickstoff und gutem Rühren eine Lösung von 210 g (1 Mol) n-Pro- pylboroxol in 250 ml Bortri-n-propyl auf 150 - 1600C und tropft im Verlauf von etwa einer Stunde insgesamt 228 g (2 Mol) Aluminiumdi-n-propylhydrid ein. Dabei kommt die Mischung vor allem zu Beginn in starkes Sieden und wird nach und nach infolge der Ausscheidung von Aluminiumoxyd schwerer rührbar.
Anschliessend werden unter vermindertem Druck (etwa 1 Torr) sämtliche Borverbindungen abdestilliert.
(Temperatur im Reaktionsgefäss bis etwa 2000C.) Man erhält als Destillat 680 ml einer Mischung aus 310 g Bortri-n-propyl und 175 g Tetra-n-propyldiboran (etwa 92% der Theorie). Der vollkommen farblose, trockene Rückstand enthält etwa 100 g Aluminiumoxyd und entwickelt beim Versetzen mit Wasser praktisch kein Gas mehr.
Beispiel 12 : Bei gutem Rühren werden unter Stickstoff zu 145 g einer Mischung aus Bortri-isobutyl (101,5 g) und i-Butylboroxol (43, 5 g) mit 8, 0% Bor (entsprechend 12, 1 g-0, 173 Mol-Bortrioxyd
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Zeit zum schwachen Sieden auf etwa 1800C. Anschliessend werden unter vermindertem Druck die Borverbindungen abdestilliert, wobei sich die feste Aluminiumverbindung (25 g) nach und nach abscheidet. Als Destillat werden 166 g einer farblosen Flüssigkeit erhalten, die aus einer Mischung von Bortri-isobutyl und Tetra-isobutyldiboran besteht. Die Ausbeute beträgt 94% der Theorie.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Bortrialkyl neben hochaktivem Aluminiumoxyd, dadurch gekennzeichnet, dass man Boroxole mit Aluminiumtrialkylen umsetzt und die gebildeten Borverbindungen bei erhöhter Temperatur von dem aktiven Aluminiumoxyd, insbesondere durch Destillation, abtrennt.