CN101300192B - 氢化铝锂溶液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢化铝锂在2-甲基四氢呋喃或含2-甲基四氢呋喃的溶剂混合物中的溶液、所述溶液的制备工艺以及应用。
Description
本发明的主题是氢化铝锂溶液、所述溶液的制备工艺以及应用。
氢化铝锂(LiAlH4)是一种能很好地溶于极性溶剂如二乙醚(Et2O)或四氢呋喃(THF)的强还原剂。在固体粉末状态下,由于其对空气和水的高反应性以及粉尘爆炸的危险,很难操作。因此,在工业规模上,优选地使用在有机溶剂中的LiAlH4溶液。LiAlH4可以通过使铝的卤化物特别是氯化铝(AlCl3)与氢化锂(LiH)在醚性溶剂中反应制备。在Schlesinger等人开发的合成方法中(J.Amer.Chem.Soc.69,1199(1947)),使用了Et2O作为溶剂:
方案1:
LiAlH4极易以28%的比例溶于Et2O,但由于其低燃点和沸点此溶剂需要复杂的安全措施。因此在工业应用上都尽可能避免使用它。
商业供应的LiAlH4溶液通常不包含Et2O,而是作为10%的在THF中的溶液或15%的在THF/甲苯中的溶液提供(Chemetall手册″IndustrialUse″)。THF的沸点远高于Et2O。THF的沸点为66℃,而Et2O的沸点仅为35℃。
制备LiAlH4在THF或含THF的溶剂混合物中的溶液的方法有很多。一种可能的方法在于氢化铝钠与氯化锂(LiCl)的反应(WO-A-97/06097):
方案2:
这种方法的缺陷在于反应时间较长且产率较低。
在工业规模上,LiAlH4的THF溶液是通过将固体、无溶剂的LiAlH4溶解在THF或THF/辅助溶剂中制备的。在该情况下,固体LiAlH4首先作为在二乙醚中的溶液合成,该溶液随后在高温和降低的压力下被完全蒸发。然而,该工艺同样存在严重缺陷。首先,由于其复杂性,造成成本较高。此外,蒸发时LiAlH4的热载荷会导致部分分解,如方案3所示:
方案3:
Li3AlH6是不溶的,因此不能用于还原过程。通过溶解固体LiAlH4制备的溶液由于含有单质铝和Li3AlH6而非常浑浊。所述固体成分必须除去,例如通过过滤或倾析。这是因为单质铝残余成分不仅会削弱操作特性还会导致储藏稳定性的明显降低,原因在于它们会催化加速方案3所示的分解过程。
为获得LiAlH4在THF中的溶液,方案1所示的合成也可以原则上直接在THF中进行。但是,这样做的缺陷在于,一方面,所采用的AlCl3的溶解度较低。室温(RT)下,AlCl3在THF中的溶解度仅为16%,而在Et2O中为57%。另一方面,作为副产物形成的LiCl易溶于THF。LiCl在THF中的溶解度为4.8%,而在Et2O中为<0.001%。以这种方法,只能制备LiAlH4在THF中的稀溶液,且同时它们是被LiCl污染的。
本发明的目的在于克服现有技术的所述缺陷。
根据本发明,所述目的是通过主权利要求的特征实现的。从属权利要求中是优选实施方案。
特别地,本发明意在提供一种尽可能浓、操作安全且可以廉价获得的LiAlH4溶液。
根据本发明,这些目的是通过一种LiAlH4在2-甲基四氢呋喃(2-MeTHF)或含2-甲基四氢呋喃的溶剂混合物中的溶液实现的。优选地根据本发明,LiAlH4的制备也可以在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中进行。
发明人意外发现,2-MeTHF能很好地溶解AlCl3,却几乎不溶解LiCl:
表1:
因此,给出了制备浓LiAlH4溶液的必要条件:
方案4:
本发明的制备本发明的LiAlH4溶液的工艺通常按如下所述进行,但并不仅限于此:
将粉末状LiH悬浮在2-MeTHF或烃或2-MeTHF/烃混合物中,向此悬浮液中添加AlCl3在2-MeTHF或2-MeTHF/烃混合物中的溶液。LiH的粒径优选地<30μm。反应是强放热性的,通过外部冷却散逸反应热。
反应温度仅限于所用溶剂或溶剂混合物的凝结温度至沸点之间。实践中,反应在0-110℃之间的温度下进行。在更高温度下,预计产物会开始分解。优选的反应温度为20-90℃。LiH通常是过量的,优选地过量5-20%。
在完全反应之后,分离作为副产物形成的LiCl。此操作可以根据现有技术通过固/液分离步骤例如通过过滤、离心分离或倾析进行。优选地通过过滤进行后处理。滤液通常是清的或仅有一点浑浊,无色或略显黄色。特别是,它们没有被单质铝污染。如果LiAlH4的浓度过低,可以通过蒸发,优选地在真空中,将其浓缩。
此外,还意外发现LiCl在本发明的LiAlH4溶液中的溶解度超过了其在由纯二组分系统已知的在稀LiAlH4溶液中的溶解度。这可以从下表中看出:
表2:
n.a.=不适用
很明显,随着2-MeTHF∶LiAlH4比值的下降,LiCl的溶解度显著降低。为实现尽可能低的LiCl浓度,优选地在所述合成混合物中2-MeTHF∶LiAlH4比值应当不超过3.0,且特别优选地不超过2.2。这可以通过使用尽可能浓的AlCl3在纯2-MeTHF中的溶液或通过使用溶剂混合物来实现。意外发现,氯化铝还能很好地溶解在2-MeTHF与烃的混合物中。例如,AlCl3在76%2-MeTHF与24%甲苯的混合物中溶解度为约45%。在此溶液中,2-MeTHF∶AlCl3摩尔比为1.5。
除甲苯之外,或者在与甲苯的混合物中,还可使用其它的烃,优选地芳香烃如乙苯、二甲苯、异丙基苯,或脂族烃如环己烷、己烷、甲基环己烷、庚烷,它们单独使用或以这些溶剂中的至少两种的混合物形式使用。
如果希望制备具有尽可能低LiCl含量的LiAlH4溶液,则所述合成优选地在2-MeTHF与烃的混合物、特别优选在2-MeTHF/甲苯混合物中进行。在这类混合物中,2-MeTHF∶AlCl3摩尔比不应低于1.3。
在本发明工艺的一个特别优选的实施方案中,LiH被悬浮在烃例如甲苯中,并添加AlCl3在2-MeTHF/烃混合物中、优选地在2-MeTHF/甲苯混合物中的溶液。在此溶液中,2-MeTHF∶AlCl3比值在1.3-3.0之间,优选地2-MeTHF∶AlCl3比值在1.5-2.0之间。
同可与水混溶、具有形成过氧化物的明显趋势的THF相比,2-MeTHF在用于有机合成时有显著优势。一方面,由于其较高的沸点,它可以允许设定更高的温度而无需升高外压。2-MeTHF的沸点为78℃,相比之下THF的沸点仅为66℃。这对于低反应性官能团例如有机氯化物的氢化来说是一个优势。
还意外发现,含2-MeTHF的LiAlH4溶液显示出特别的热稳定性:与在THF中的溶液相反,它们吸热分解。因此,即使在较高的温度下,也不会出现所谓的″散逸″情况。这使得甚至在高温下安全运行成为可能。
含2-MeTHF的LiAlH4溶液的热稳定性如附图1所示。它比较了用Radex装置对12%的LiAlH4在2-MeTHF/甲苯中的溶液与15%的LiAlH4在THF/甲苯中的溶液进行差示扫描量热测试的结果。在每种情形下,都称入2g,且加热速率为45K/h。
曲线1:12%的LiAlH4在2-MeTHF/甲苯中的溶液:ΔT;
曲线2:12%的LiAlH4在2-MeTHF/甲苯中的溶液:压力;
曲线3:15%的LiAlH4在THF/甲苯中的溶液:ΔT;
曲线4:15%的LiAlH4在THF/甲苯中的溶液:压力。
由于2-MeTHF与水只在一定限度内混溶,所以使用者可以得到进一步的优势。即,2-MeTHF在水中的溶解度为15.1%,但水在2-MeTHF中的溶解度仅为5.3%。因此可以通过相分离与2-MeTHF一起分离出有机合成产物。预计只有较少的产物和溶剂通过水相流失,而从所述水相中通常不能回收溶剂。因此,2-MeTHF很容易再循环。
本发明具体提供:
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中LiAlH4的含量为至少11重量%;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中LiAlH4的含量为至少14重量%;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中LiAlH4的浓度为至少5重量%且2-MeTHF∶LiAlH4摩尔比不超过3.0;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中LiAlH4的浓度为至少5重量%且2-MeTHF∶LiAlH4摩尔比不超过2.2;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中LiAlH4的浓度为至少10重量%且2-MeTHF∶LiAlH4摩尔比不超过2.2;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中所述溶剂包含至少一种烃;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中所述烃为芳烃;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中所述芳烃选自甲苯、乙苯、二甲苯或异丙基苯或这些烃中的至少两种的混合物;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中所述芳烃为甲苯;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中所述烃为脂族烃;
-LiAlH4在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物中的溶液,其中所述脂族烃选自环己烷、己烷、甲基环己烷或庚烷或这些烃中的至少两种的混合物;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中AlCl3与LiH在2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂中反应;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中原料中的LiH浓度在3-17重量%之间,优选地在5-15重量%之间;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中所用LiH粉末的粒径<30μm;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中反应温度在0-100℃之间,优选地在20-90℃之间,特别优选地在30-80℃之间;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中反应在有烃存在的情况下进行;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中所述烃选自甲苯、乙苯、二甲苯、异丙基苯、环己烷、己烷、甲基环己烷、庚烷或这些烃中的至少两种的混合物;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中所述烃为甲苯;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中2-MeTHF∶AlCl3摩尔比在1-10之间,优选地在1.3-5.0之间;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中作为副产物形成的LiCl被分离出去;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中为除去LiCl,将溶液浓缩到2-MeTHF∶LiAlH4摩尔比不超过3.5,并通过固/液分离步骤、优选地通过过滤分离析出的LiCl;
-制备本发明的LiAlH4溶液的工艺,其中为除去LiCl,将反应溶液在真空中、优选地在1-500mbar的压力下和在20-100℃的温度下浓缩;
-本发明的LiAlH4溶液作为还原剂的应用。
下面通过实施例对本发明进行说明,但并不仅限于此:
实施例1:制备8%的LiAlH4在纯2-MeTHF中的溶液
在惰性化的、即干燥并充满保护气体如氮气或氩气的具有双壁夹套的1升反应器中,将41.7g LiH粉末悬浮在40g 2-MeTHF中。将悬浮液加热至35℃,在3小时之内搅拌条件下滴加158.7g AlCl3在370g 2-MeTHF中的溶液。反应完成1.5小时之后,在35-40℃下将反应悬浮液排空到G3玻璃过滤器上。
获得407g微黄的澄清溶液。
分析(mmol/g) Li Al H- Cl-
2.50 2.13 9.33 0.37
由此可计算出:
LiAlH4=8.1重量%(基于Al分析)
LiCl=1.6重量%(17mol%,基于Al计)
产率:理论值的73%。
用2-MeTHF冲洗滤渣;进一步获得洗涤滤液形式的理论值的16%。
实施例2:通过蒸发工艺制备低LiCl含量LiAlH4在2-MeTHF中的溶液
将117g来自实施例1的含LiCl洗涤滤液通过在40-60℃和250mbar的减压下蒸馏进行浓缩。总共蒸馏掉80.0g溶剂。在除去约2/3上述溶剂量后,开始析出无色晶体。
蒸馏过程完成后,冷却至室温并将悬浮液通过G3玻璃过滤器过滤澄清。
最终重量:36.0g
分析结果如下:
表3:
借助于进一步的蒸发步骤使LiAlH4浓度达到12.3%,可溶LiCl的含量被降至7mol%。
实施例3:制备11%的LiAlH4在纯2-MeTHF/甲苯中的溶液
在惰性的1升反应器中,将59.9g LiH粉末悬浮在140g甲苯中并加热至75℃。在80分钟之内,向此悬浮液中计量加入504g 44%的AlCl3在2-MeTHF与甲苯的混合物中的溶液,其中2MeTHF∶AlCl3比值为1.5。添加完成之后,再继续在80℃下搅拌30分钟然后将悬浮液排空到预热的过滤器上。
获得253g化学组成如下的黄色溶液:
分析(mmol/g) Li Al H- Cl-
3.02 3.00 12.4 0.034
LiAlH4浓度为11.4%(理论值的约98%),LiCl浓度为1.1mol%,基于LiAlH4计。
用甲苯冲洗滤渣两次。在所有滤液中,共获得17.4g LiAlH4(理论值的约91%)。
Claims (14)
1. 制备LiAlH4在溶剂中的溶液的工艺,其中所述溶剂是2-MeTHF或含2-MeTHF的溶剂混合物,并且其中LiAlH4的含量为至少11重量%,特征在于使AlCl3与LiH在2-MeTHF或2-MeTHF与至少一种烃的溶剂混合物中进行反应,所述烃选自甲苯、乙苯、二甲苯、异丙基苯、环己烷、己烷、甲基环己烷、庚烷或这些烃中的至少两种的混合物。
2.权利要求1的工艺,特征在于原料中的LiH浓度在3-17重量%之间。
3.权利要求2的工艺,特征在于原料中的LiH浓度在5-15重量%之间。
4.权利要求1的工艺,特征在于2-MeTHF:AlCl3摩尔比在1-10之间。
5.权利要求4的工艺,特征在于2-MeTHF:AlCl3摩尔比在1.3-5.0之间。
6.权利要求1的工艺,特征在于所用LiH粉末的粒径<30μm。
7.权利要求1的工艺,特征在于反应温度在0-100℃之间。
8.权利要求7的工艺,特征在于反应温度在20-90℃之间。
9.权利要求7的工艺,特征在于反应温度在30-80℃之间。
10.权利要求1的工艺,特征在于作为副产物形成的LiCl被分离出去。
11.权利要求1的工艺,特征在于所述溶液被浓缩到2-MeTHF: LiAlH4摩尔比不超过3.5并通过固/液分离步骤分离析出的LiCl。
12.权利要求11的工艺,特征在于通过过滤分离析出的LiCl。
13.权利要求1的工艺,特征在于所述反应溶液在真空中和在20-100℃的温度下浓缩。
14.权利要求13的工艺,特征在于所述反应溶液在1-500mbar的压力下浓缩。
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