CN109071376B - 用于生产格氏加合物的连续方法及实施该方法的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于生产格氏加合物的连续方法，其中在原位机械活化镁屑。此外，本发明涉及用于实施根据本发明的方法的设备。
Description
本发明涉及用于生产格氏加合物(Grignard adducts)的连续方法，其中在原位机械活化镁屑(magnesium chips)。此外，本发明涉及用于实施根据本发明的方法的设备。
根据本发明，格氏加合物应当被理解为通式为RMgX的化合物，其中R是烷基或芳基，且X是卤化物。
格氏反应是一种流行的且常用的用于连接C-C键的方法。因此，格氏反应的实施与反应技术在过去的100年中基本保持不变。
通常，以间歇方法实施该反应，也就是说，间歇工艺或分批补料工艺。然而，以此方法的一个很大的缺点是活化镁需要长的诱导期。烷基卤化物或芳基卤化物可仅在诱导期后与活化的镁反应形成格氏化合物。实际上，如果为了活化镁而加入大量的烷基卤化物或芳基卤化物，则必须考虑强烈放热的且难以控制的格氏加合物形成的进程。这对工艺安全来说代表了不小的风险。另外，在间歇方法中发生了不期望的副反应，即使在完全添加卤化物之后，必须在升高的温度下再次进行搅拌从而实现完全转化。
无论在间歇方法还是已知的连续方法中，都必须用特殊的措施开始格氏反应。
镁的化学活化例如从US 2,464,685中已知。文中，通过添加助剂或已经生成的格氏化合物来活化镁屑。在DE 10304006B3中，格氏试剂的形成同样只需添加待转化的卤化物的溶液或碘溶液来实现。在GB 669756和DE 19524712中描述了用于活化镁的非化学措施。GB 669756涉及一种连续的格氏试剂合成，其中通过固定安装在反应器中的切割设备将镁分割成相当小的块，生成新鲜的、活性金属表面。在DE 19524712中，超声用作在液体或气体和固体反应配偶体(partner)之间的反应中的活化剂。
从技术程序的观点来看，化学活化是不利的，因为化学活化需要额外材料的使用。然而，刚刚提及的活化措施对于装置而言是复杂的，且由于该原因而不适合于大的工业规模的应用。
因此，本发明的目的在于指出一种可以连续实施的用于生产格氏加合物的方法，其中对于镁的活化的说明不具有现有技术中已知的缺点。旨在在该方法中机械地实现活化，且在不使用助剂的情况下产生活化。
另外，本发明的目的在于提供一种用于实施该方法的设备，该设备相对于装置而言较为简单并且适合于各种生产规模。
在用于生产格氏加合物的连续方法中，将由烷基卤化物或芳基卤化物、和无水溶剂组成的流体以及由镁屑组成的其他的流体供给至反应器。因此，镁屑在反应器中通过摩擦而机械活化。
由于这种控制方法，活化的格氏化合物可在无需添加其他化学品的情况下而原位生成，且可在没有中间储存或时间延迟的情况下进行转化。这节省了工艺步骤(一个单元操作)。此外，由于在镁的化学活化的情况下，不需要储存其他化学辅助剂，因此减少了储存容器的数量。
此外，根据本发明的方法能够实现真正的连续工艺管理。尽管在现有技术的许多方法中需要中断工艺以重新补充新鲜的镁屑，但是在该方法中连续地再供应镁屑。
镁屑有利地具有0.5mm至3.0mm的平均尺寸。
在一种方法变型中，镁屑的机械活化通过镁屑之间的相互的摩擦而实现，优选地通过振动、磨削运动引起摩擦，特别优选地通过20Hz至200Hz的频率的振动引起摩擦。
通过镁屑之间的相互的摩擦，去除位于镁屑表面上的钝化层。无需其他用于活化镁的措施。特别是可免除化学助剂的添加。从而可排除格氏化合物或格氏加合物的污染。因此，提高了产品的纯度和质量。
无水溶剂优选地由以下溶剂组成：醚，特别优选地乙醚、2-甲基-四氢呋喃、四氢呋喃、其混合物、或其与其它有机溶剂的混合物，所述其它有机溶剂特别是甲苯。
在本发明的一个实施例中，反应器在10℃至60℃的温度下进行温度控制，优选地25℃至50℃、特别优选30℃至40℃。
由于低至中等的反应温度，反应可以以受控的方式实施。产生能量输入的危险性很低，该产生能量输入以不期望的方式显著增加反应速率。
此外，应当将烷基卤化物或芳基卤化物优选地以0.5mol/L至5.0mol/L的浓度供应到反应器，特别优选地以1.0mol/L至3.0mol/L的浓度。
高浓度有助于降低支出。比在现有技术的可比方法需要更少的溶剂。
试剂在反应器中的平均停留时间应当优选地在1.0分钟至20.0分钟的范围内，特别优选地3.0分钟至15.0分钟，十分特别优选地在5.0分钟至10.0分钟。
由于短的停留时间，在不使用搅拌器的情况下，也确保了反应混合物自始至终充分混合。每个体积元素(volume element)定期交换，且不会产生死区。
镁屑有利地以使得相对于烷基卤化物或芳基卤化物反应器中存在的镁屑摩尔过量(molar excess)而供给，优选地至少5倍摩尔过量，特别优选地至少15倍摩尔过量，特别是至少25倍摩尔过量。
该方法的特征优选地在于使用的烷基卤化物或芳基卤化物在反应器的出口处达到至少90％转化为格氏加合物、优选地达到至少95％、特别优选地达到至少99％，或者与供给到反应器的亲电离析物(electrophilic educt)一同转化，该亲电离析物选自于由醛、酮、羧酸酯类、硫代酸酯、硼酸酯类、腈、亚胺、环氧化物、二硫化物、二氧化碳、其它烷基卤化物或芳基卤化物、或其它包括活性氢或极性双键的化合物，及其混合物组成的组。
通过使用大量镁过量和镁的原位活化，也可使用相对惰性的芳基氯化物和烷基氯化物来制备格氏化合物。这意味着节约的巨大潜力，因为芳基氯化物和烷基氯化物在大多数情况下比可比的芳基溴化物和烷基溴化物更容易获得。
此外，通过高过量的镁，可抑制不期望的副反应。有效地减少了离析物和产物的偶合。
用于生产格氏加合物的设备，其包括：具有至少一个温控设备、至少两条供给管线和出口的反应器；用于机械活化的设备；和用于连续运输镁屑的设备；至少一个镁储存容器以及至少一个用于输送烷基卤化物或芳基卤化物的泵。
用于机械活化镁屑的设备有利地由摇动器(shaker)、振动(vibration)设备和/或磨削设备组成，并安装在反应器中或反应器上、或有效地连接至反应器以引入摇动运动或振动运动。
在本发明的一个实施例变型中，反应器具有用于分析设备和/或传感器的连接件和/或观察窗，所述分析设备和/或传感器特别是在线温度传感器、压力传感器和/或光学分析设备或光学显示设备。
因此，可通过光谱方法跟踪化合物的纯度，且可实现在线质量控制。此外，可建立压力、温度的实际值，且可将该实际值输入到相应的控制电路中以作为参照值来控制该方法。
此外，反应器应当优选地具有圆柱形反应内室，特别优选地反应内室具有3:1至8:1的高度:直径的尺寸比例，特别优选地反应内室具有4:1至6:1的高度:直径的尺寸比例。
关于材料，优选地反应器由金属组成，特别优选地由不锈钢组成。
因此，反应器对腐蚀性物质具有高的抵抗力。这些腐蚀性物质可包含在离析物或产物中，或者作为中间产物存在于格氏反应中。
参照随后的示例和附图，旨在更详细地解释根据本发明的方法，而不希望将所述的方法限制于由该方法生产的实施例中。
测试说明，作为示例：
在三维(3D)烧结反应器中，引入15g新鲜的、未处理的镁屑。随后，将供给管线和温度调节器(thermostat)连接至反应器。另外，将振动电机安装到反应器。通过打开振动电机，反应器内部的镁屑首先被压紧。此外，通过温度调节器将反应器预温度控制到55℃的温度，以便能够快速开始格氏加合物的形成。之后，将在四氢呋喃中浓度为1mol/L的溴苯的无水溶液引入到反应器中。为了输送溶液，使用注射泵且将流速调节至2ml/min。
每隔几分钟，在线记录红外光谱，以便能够观察反应进程。实际上第一个光谱示出了由于格氏化合物的峰。因此，反应立即开始。在15min的运行时间后，实现了完全转化。
在启始阶段，通常观察到温度升高。因此，温度最大值的位置取决于镁屑的填充水平。如果在反应器中，启始阶段中的温度升高到温度调节器的温度以上，则观察到溶剂THF的轻微沸腾。然后，将温度调节器相应地调节到低的温度。
图1示出了反应方程式和在试验开始时、启始阶段后和实现完全转化后记录的三个红外光谱。
通过改变流速和温度，可优化该工艺。从图2中可以看出，当流速加倍并将温度降低至35℃时，观察到不完全转化。
图3示出了根据本发明的方法的流程图，并且示出了为了实施该方法可使用了哪些测量仪器、分析装置或显示装置以及这些装置安装在哪些位置。此外，结果表明，离析物优选从底部引入到反应器4中。借助于泵通过供给管线1输送烷基卤化物或芳基卤化物溶液。此外，可通过供给管线2将亲电化合物输送到反应器4中。镁屑储存在反应器4上方的储存容器5中。用于连续运输镁屑M2的设备安装在储存容器5上，同时，用于机械活化镁屑M1的设备安装在反应器4上。在管线3中将格氏加合物或反应产物从反应器4的上部去除。该装置的特征在于，反应器腔室中的镁屑与溶液的流动方向相反地向下滴落，并在那里形成层，该层中，镁屑彼此邻接，并通过摇动运动，镁屑之间产生摩擦。
Claims (29)
1.一种用于生产格氏加合物的连续方法，其中将由烷基卤化物或芳基卤化物、和无水溶剂组成的流体和由镁屑组成的其他的流体输送至反应器，其特征在于，所述镁屑通过摩擦在所述反应器中机械活化，其中，所述机械活化通过所述镁屑彼此摩擦而实现并且其中所述摩擦通过振动引起。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镁屑具有0.5mm至3.0mm的平均尺寸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摩擦通过20Hz至200Hz的频率的振动引起。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述溶剂由醚构成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述溶剂由乙醚、2-甲基-四氢呋喃、四氢呋喃、其混合物、或其与其它有机溶剂的混合物构成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述其他有机溶剂为甲苯。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述反应器的温度控制至10℃至60℃的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述反应器的温度控制至25℃至50℃。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述反应器的温度控制至30℃至40℃。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以0.5mol/L至5.0mol/L的浓度供应所述烷基卤化物或芳基卤化物。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，以1.0mol/L至3.0mol/L的浓度供应所述烷基卤化物或芳基卤化物。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述试剂在所述反应器中的平均停留时间在1.0分钟至20.0分钟的范围内。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述平均停留时间在3.0分钟至15.0分钟的范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述平均停留时间在5.0分钟至10.0分钟的范围内。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，供给所述镁屑，使得相对于使用的所述烷基卤化物或芳基卤化物，所述反应器中存在的所述镁屑摩尔过量。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述镁屑至少5倍摩尔过量。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述镁屑至少15倍摩尔过量。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述镁屑至少25倍摩尔过量。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用的所述烷基卤化物或芳基卤化物在所述反应器的出口处达到至少90％转化为所述格氏加合物，或者与另外供给到所述反应器的亲电离析物一同转化，所述亲电离析物选自于由醛、酮、羧酸酯类、硫代酸酯、硼酸酯类、腈、亚胺、环氧化物、二硫化物、二氧化碳、其它烷基卤化物或芳基卤化物、或其它包括活性氢或极性双键的化合物，及其混合物组成的组。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，使用的所述烷基卤化物或芳基卤化物在所述反应器的出口处达到至少95％转化为所述格氏加合物。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，使用的所述烷基卤化物或芳基卤化物在所述反应器的出口处达到至少99％转化为所述格氏加合物。
22.一种用于生产格氏加合物的设备，所述设备包括：具有至少一个温度控制设备、至少两条供给管线和出口的反应器；用于连续运输镁屑的设备；和用于机械活化所述镁屑的设备；至少一个镁储存容器以及至少一个用于输送烷基卤化物或芳基卤化物的泵，其特征在于，所述用于机械活化所述镁屑的设备包含振动设备，并安装在所述反应器中或所述反应器上，或有效地连接至所述反应器以引入振动运动。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述反应器具有用于分析设备和/或传感器的连接件和/或观察窗。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述分析设备和/或传感器是在线温度传感器、压力传感器和/或光学分析设备或光学显示设备。
25.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述反应器具有圆柱形的反应内室。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述反应内室具有3:1至8:1的高度:直径的尺寸比例。
27.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述反应内室具有4:1至6:1的高度:直径的尺寸比例。
28.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述反应器由金属构成。
29.根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述反应器由不锈钢构成。
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