CN1264849C - 制备烷基卤代硅烷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备烷基卤代硅烷的方法,包括在加入磷和不加入磷的情况下,在有效量的催化剂和有效量的铜和铝助催化剂的存在下,使烷基卤和粉末状硅反应。所述催化剂一般包括铜、锌和锡。
Description
本发明涉及制备烷基卤代硅烷的方法。更具体地说,本发明涉及一种方法,它包括在催化剂和铜-铝助催化剂的存在下,加磷或不加磷时甲基氯和粉末状硅的反应。所述催化剂一般包括铜、锌和锡。
在本发明之前,正如授权给与本发明相同代理人的Ward等人的美国专利号4500724中所述,通过在一种铜-锌-锡催化剂的存在下,进行粉末硅和甲基氯之间的反应来制备甲基氯代硅烷。硅一般与约0.5-10%(重量)的铜(Cu)、约0.01-1%(重量)的锌(Zn)和每百万约10-100份的锡(Sn)混合。在甲基氯代硅烷反应中所用的锌可以锌粉的形式加入或者以含铜、锌和锡的黄铜形式加入。也可使用氧化锌。锡可以锡粉的形式加入,也可以如上所述的黄铜的形式、氧化锡形式或SnCl4注射剂的形式加入。
通过现有技术,制备出了烷基卤代硅烷特别是甲基氯代硅烷的混合物。此中所用的术语“甲基氯代硅烷”包括其为优选的甲基氯代硅烷的二甲基二氯代硅烷(Di)和各种其它硅烷如四甲基硅烷、三甲基氯代硅烷(Mono)、甲基三氯代硅烷(Tri)、四氯化硅、三氯硅烷、甲基二氯代硅烷(MH)和二甲基氯代硅烷(M2H)。
除了上面的甲基氯代硅烷外,在甲基氯代硅烷粗制品的制备中也形成了残余物。此中所用的术语“粗制品”是指未纯化的甲基氯代硅烷的产品混合物。此中所用的术语“残余物”是指甲基氯代硅烷粗制品中常压下沸点大于70℃的的产物。残余物包括诸如乙硅烷(如对称的1,1,2,2-四氯代二甲基乙硅烷、1,1,2-三氯代三甲基乙硅烷)、二硅氧烷、disilmethylenes以及其它高沸点物质如丙硅烷、三硅氧烷(trisilanes)和trisilmethylenes。
一般来说,在甲基氯代硅烷反应中需要得到高的生产率以及选择性产生二甲基二氯代硅烷而非其它产物。人们正不断地探索新技术以改善甲基氯代硅烷反应的选择性以及提高甲基氯代硅烷的收率。
本发明提供了一种制备烷基卤代硅烷的方法。所述方法要求将烷基卤和粉末状硅在有效量的催化剂和有效量的包括铜和铝的助催化剂的存在下反应。所述催化剂一般包括铜、锌和锡。
本发明涉及一种包括将甲基卤和粉末状硅在催化剂和铜-铝的助催化剂的存在下,加有或不加有磷时反应的方法。此中所用的术语“助催化剂”是指加入到甲基氯代硅烷反应中的辅助用的铜和铝化合物。此中所用的术语“催化剂”是指常规的铜-锌-锡催化剂。在一种实施方案中,所述助催化剂并不含有磷,在另一种实施方案中,所述助催化剂包括磷。当有效量的加有或不加有磷的铜-铝助催化剂加入到甲基氯代硅烷反应中时,所述助催化剂增加了二甲基二氯代硅烷形成的速率以及降低了甲基三氯代硅烷与二甲基二氯代硅烷的重量比率。加有或不加有磷的铜-铝助催化剂的加入(就铜-锌-锡催化剂来说)保持或降低了甲基氯代硅烷残留物的重量百分比。
除非另加说明,此中所用的术语“有效量”是指能提高甲基氯代硅烷产物的收率或提高对二甲基二氯代硅烷的选择性的一种物质的量。所给反应剂的最佳量根据反应条件可有所不同并且其它组分的鉴定可由本领域技术人员容易地完成。
所述甲基氯代硅烷反应一般用含催化剂的硅来进行,所述催化剂伴有加有或不加有磷的铜-铝助催化剂。含铝助催化剂以能提供给反应器床每百万约100-1000份(ppm)的量或以能提供给整个反应器床每百万约300-700份的量来加入。助催化剂的铜量在相当于整个反应器床约0.5-10%(重量)的范围。当磷为助催化剂的一个组分时,其一般以整个反应器床的每百万约100-1000份(ppm)的量存在。除了锡以相当于整个反应器床的每百万约10-100份的量存在外,硅也通常与锌结合并以相当于整个反应器床的约0.01-1%(重量)的量存在。
所用的铜化合物一般来自几个不同的来源。它们包括金属铜(例如粉末状、片状),卤化亚铜或卤化铜诸如氯化铜、溴化铜、氯化亚铜、溴化亚铜和其混合物,铜氧化物(包括氧化亚铜、氧化铜和其混合物)或预制备的接触物质。所述接触物质通过将硅和氯化亚铜在一个温度为约280-400℃炉中反应直到四氯化硅(SiCl4)停止逸出的方法来制备。生成的固体含有硅和铜并被称作接触物质。这种接触物质一般在与甲基氯接触前制备以便生产甲基氯代硅烷。
在加有或不加有磷的铜-铝助催化剂中所用的铝得自不同的来源。此中所用的术语“源”是指提供给所述助催化剂和催化剂的必需元素的化合物。例如铝源一般包括铝粉、各种合金(包括但不限于铜-铝合金、银-铝合金、硅-铝合金、镁-铝合金)和其混合物。
当磷加入到铜-铝助催化剂中时,磷来自不同的来源。例如,典型的磷源有磷化铜、磷化锌、三氯化磷、三烷基膦诸如6三乙膦或三甲膦、或其混合物。
尽管在本发明的实施中优选使用甲基氯,但也可使用其它C(1-4)烷基氯化物如乙基氯、丙基氯等。
在典型的甲基氯代硅烷反应中所用的硅具有相当于硅总量约0.1-1%(重量)的铁(Fe)、相当于硅总量约0.01-0.2%(重量)的钙(Ca)和相当于硅总量约0.02-0.5%(重量)的铝(Al)。
在反应器床中存在的硅一般具有低于约700微米的粒径、平均粒径大于约20微米而低于约300微米。优选这种硅颗粒的平均粒径范围为约100到150微米。
本发明通常在固定床反应器中实施。但是本发明的方法也可在其它类型的反应器诸如流化床反应器和搅拌床反应器中使用。更具体地说,所述固定床反应器是内含硅颗粒的塔,甲基氯气体可通过硅颗粒流动。搅拌床类似于固定床,其具有某种机械搅拌以保持所述床不断运动。另一方面,流化床反应器是一种流动的硅颗粒、催化剂颗粒和助催化剂颗粒的床;就是说硅颗粒悬浮在通过反应器的气体(一般为甲基氯)中。反应一般在半连续条件或在分批模式下进行,其温度在约250-350℃之间并优选在约280-320℃之间。
谈到在一种催化剂和加有或不加有磷的铜-铝助催化剂的存在下粉末状硅和甲基氯的反应的说明时,短语“半连续条件”是指所述反应在半连续条件下在流化床反应器中进行。在半连续反应情况下,例如,加入固体物并运行反应器直到利用了约50%的硅。在利用了约50%后,再加入另外的硅、催化剂、助催化剂和促进剂的固体物。半连续反应和分批方式反应相反。在分批方式反应情况下,例如,所有的固体组分被混合并且与液体或气体产物反应直到消耗掉大部分固体物。要使其持续进行,要将反应停止并加入另外的固体物。固定床和搅拌床两者均在分批条件下运行。
本领域技术人员的兴趣在于甲基氯代硅烷粗制品的T/D重量比率。所述T/D重量比率是在粗制甲基氯代硅烷反应产物中甲基三氯代硅烷(T或Tri)与二甲基二氯代硅烷(D或Di)的比率。因此,T/D比率的增加指明优选的二甲基二氯代硅烷的生产的降低。所述T/D比率伴随着加有或不加有磷的铜-铝催化剂的加入而升高。
除了T/D比率外,所述甲基氯代硅烷反应的另一个效能衡量指标是粗制甲基氯代硅烷形成的速率。甲基氯代硅烷形成的反应速率常数通常由本领域技术人员用术语“Kp”定义。Kp是甲基氯代硅烷产生的速率,它以每小时每克硅产生的粗制硅烷的克数来衡量。在本发明中所述助催化剂提高了甲基氯代硅烷形成的速率。
最后,伴随着加有或不加有磷的铜-铝共催化剂的加入,甲基二氯代硅烷(%MH)的百分比降低。所产生的甲基二氯代硅烷的百分比也是一项甲基氯代硅烷效能的衡量。在甲基二氯代硅烷中的氢化物可能来自甲基氯的裂解,其显示出甲基氯代硅烷反应差的效能。因此,高的甲基二氯代硅烷与差的甲基氯代硅烷生产效能相联系。
为了使本领域技术人员更好地实施本发明,下面实施例用于说明本发明的情况,但并不是本发明的限定。
实施例1
用20厘米长1.3厘米外径(OD)的玻璃管安装固定床反应器,在离末端6厘米处置一玻璃料用于支持床。因为没有将硅搅拌以及甲基氯代硅烷反应为高度放热反应,床的直径受限于传热方面的考虑。假设硅的导热性与砂相同,即为0.2BTU/ft-hr-F(英热量单位/英尺-小时-华氏温度)。最高的预期反应速率为每克硅每小时1克粗制硅烷。对于这个速率,计算出了沿反应器中心线约10℃的温度升高。在这个温度范围,没有观察到粗制品组成的变化。另外的反应器设计考虑因素为压降(pressure drop)。从可操作性和安全方面考虑,不超过约34.5千帕斯卡(每平方英寸5磅(5psi))的压降被认为是可接受的,这限定了床尺寸为6克。
反应器被垂直置于一支5厘米玻璃管中心,玻璃管用NichromeTM带包裹或涂以氧化锡。两对电极装入到氧化锡或Nichrome上以产生两个加热部分。一个部分用于系统的进口,和用于预热甲基氯进料。另一个部分用于反应器自身。将5厘米加热的玻璃管置于一支用于隔离反应器和保障安全的6.4厘米玻璃管中心。
往反应器装入硅和金属助催化剂并在氩气流下清洗。然后在甲基氯流下将反应器加热到310℃。手工收集粗产物、甲基氯代硅烷粗制品并称重以测定反应速率并然后通过气相色谱分析。在20%硅利用率处(utilization point)比较速率、%二甲基二氯代硅烷(占总粗制品的百分比)、%甲基二氯代硅烷和T/D比率。
实施例2
两种典型的不同的硅被用于该反应。两种类型硅的组成如下(重量计):硅I具有基于硅总量0.059%(重量)的铝、基于硅总量0.11%(重量)的钙和基于硅总量0.36%(重量)的铁,而硅II基于硅总量0.16%(重量)的铝、基于硅总量0.02%(重量)的钙和基于硅总量0.47%(重量)的铁。
该实施例用于说明硅I和II的相对效能。制备由硅I(45克)、铜片(1.42克)和黄铜(1克;80%铜、19.5%锌和0.5%锡)组成的预混物。使用硅II制备相同的预混物。往实施例1的反应器装入6克硅II的预混物并得到每克硅每小时0.35克的粗制硅烷(0.7g/g硅-h)的速率,而硅I的预混物提供了每克硅每小时0.07g粗制硅烷的速率。
实施例3
本实施例显示加入铜-铝对硅II的改善。将实施例2中所述的硅II的预混物与铜-铝合金Cu-Al(60%铜;6毫克)混合并按实施例2进行甲基氯代硅烷反应。比较加入和未加入铜-铝的预混物II的效能。硅II中铜-铝的加入导致了在没有任何选择性损失的情况下速率的改善。其结果列于表1。
表1
Cu-Al | 速率(g/g硅-h) | %Di | %MH | T/D |
0 | 0.35 | 83.5 | 0.6 | 0.07 |
6mg* | 0.5-0.7 | 83.5-84.2 | 0.6-0.7 | 0.06-0.075 |
*2次运行
实施例4
该实施例说明使用铜-铝(Cu-Al)和硅I获得的改善。使用硅I(19克)、铜(0.8克)和黄铜(0.2克)制备预混物。按实施例3所述在没有铜-铝或具有铜-铝的情况下将预混物用于甲基氯代硅烷反应器中。其结果参见下表。
表2
Cu-Al | 速率(g/g硅-h) | %Di | %MH | T/D |
0 | 0.07 | 70 | 13 | 0.17 |
6mg* | 0.2-0.25 | 82-84 | 3-5 | 0.07-0.09 |
*2次运行
实施例5
本实施例显示使用磷化铜(Cu3P)形式的磷和铜-铝两者的协同改善作用。在没有添加剂、具有实施例3的铜-铝或具有21毫克磷化铜的情况下,在甲基氯代硅烷反应中使用实施例4的预混物。其结果参见下面的表3。
表3
Cu-Al | Cu3P | 速率(g/g硅-h) | %Di | %MH | T/D |
0 | 0 | 0.07 | 70 | 13 | 0.17 |
6mg | 0 | 0.25 | 83 | 4 | 0.07 |
0 | 21mg | 0.13 | 83 | 2 | 0.08 |
6mg* | 21mg | 0.3 | 90 | 2 | 0.05 |
*2次运行
实施例6
该实施例比较了加入铝与加入铜-铝的影响,它显示了在只基于铝的基础上铜-铝合金为更有效的助催化剂。除了在某些情况下加入3毫克铝粉替代铜铝合金(所述合金含60%(重量)铜,因此加入6毫克铜-铝的铝量与加入2.4毫克铝粉的铝量相同)外,重复实施例5中所述实验。其结果可参见表4。
表4
Cu-Al或Al | Cu3P | 速率(g/g硅-h) | %Di | %MH | T/D |
3mg Al | 0 | 只有10%Si利用率 | 60@10%利用率 | 8@10%利用率 | 0.25@10%利用率 |
3mgAl | 21mg | 0.19 | 85 | 3 | 0.06 |
6mg Cu-Al | 0 | 0.19 | 82 | 5.5 | 0.08 |
6mg | 21mg | 0.31 | 89 | 2 | 0.05 |
分析一般采用气相色谱法来进行,但也可使用其它技术诸如红外光谱法。
与硅II相比,用于甲基氯代硅烷反应器中时硅I提供了较差的速率和选择性。发现往硅I加入铜-铝合金形式的相应于整个反应器床每百万500份的铝极大地改善了这种硅的速率和选择性。从表1到4所示的结果明显看出铜-铝助催化剂的加入对甲基氯代硅烷反应的速率和选择性具有极大的影响。伴随着铜-铝助催化剂的加入,反应速率提高(以每小时每克硅产生的克数表示),%二甲基二氯代硅烷的选择性提高并且甲基三氯代硅烷对二甲基二氯代硅烷的比率(T/D)降低。此外,同时加入磷和铝两者比单独加入铝或磷更好地改善用于甲基氯代硅烷反应中所用的硅I的速率和选择性。
此外,锌为人们所熟悉的甲基氯代硅烷反应的助催化剂。已经发现低含量的铝能导致终产物中不需要的锌残留的污染。但是,本发明规定了作为助催化剂的铝的具体量而解决了锌残留的问题。
结果已经使用优选的实施例说明本发明的目的,但是这些说明并不能视为对本发明范围的限定。因此,在没有背离本发明的精神和范围下,本领域技术人员可想出各种修改、调整和替代的方案。
Claims (23)
1.一种制备烷基卤代硅烷的方法,包括:形成包含粉末状硅和包括铜、锌和锡的催化剂的预混物,将此预混物与包含铜元素和铝元素的助催化剂合并,并在所述预混物和助催化剂的存在下,使烷基卤反应。
2.按照权利要求1的方法,其中所述烷基卤为甲基氯。
3.按照权利要求1的方法,其中所述反应在选自固定床反应器、流化床反应器和连续搅拌床反应器的反应器床中进行。
4.按照权利要求1的方法,其中所述反应以分批方式操作。
5.按照权利要求1的方法,其中所述反应在约250到350℃的温度下进行。
6.按照权利要求1的方法,其中所述铜-铝助催化剂包括相当于整个反应器床约0.5-10重量%的铜和相当于整个反应器床每百万约100-1000份的铝。
7.按照权利要求1的方法,其中所述铜-铝助催化剂包括相当于整个反应器床约0.5-10重量%的铜和相当于整个反应器床每百万约300-700份的铝。
8.按照权利要求1的方法,其中所述助催化剂的铜源包括金属铜。
9.按照权利要求1的方法,其中所述铜-铝助催化剂的铜源包括选自氯化铜、溴化铜、氯化亚铜、溴化亚铜和其混合物的铜卤化物。
10.按照权利要求1的方法,其中所述铜-铝助催化剂的铜源包括选自氧化亚铜,氧化铜和铜、氧化亚铜、氧化铜的混合物和其混合物的铜氧化物。
11.按照权利要求1的方法,其中所述铜-铝助催化剂的铝源包括选自铝粉、铜-铝合金、银-铝合金、硅-铝合金、镁-铝合金和其混合物的铝源。
12.按照权利要求1的方法,其中所述铜源包括氯化亚铜和粉末状硅的接触物质。
13.按照权利要求1的方法,其中所述铜-锌-锡催化剂包括相当于整个反应器床约0.5-10重量%的铜、相当于整个反应器床约0.01-1重量%的锌和相当于整个反应器床每百万约10-100份的锡。
14.按照权利要求1的方法,其中所述反应还包括有效量的磷。
15.按照权利要求14的方法,其中所述铜-铝助催化剂包括相当于整个反应器床约0.5-10重量%的铜,相当于整个反应器床每百万约100-1000份的铝,还包括相当于整个反应器床每百万约100-1000份的磷。
16.按照权利要求14的方法,其中所述铜-铝助催化剂包括相当于整个反应器床约0.5-10重量%的铜,相当于整个反应器床每百万约300-700份的铝,还包括相当于整个反应器床每百万约100-1000份的磷。
17.按照权利要求14的方法,其中所述磷的来源包括选自磷化铜、磷化锌、三氯化磷、三乙膦、三甲膦和其混合物的磷源。
18.按照权利要求7的方法,其中所述的烷基卤是甲基氯。
19.按照权利要求18的方法,其中所述催化剂包括铜、锌和锡。
20.按照权利要求19的方法,其中所述铜-锌-锡催化剂包含相当于整个反应器床约0.5-10重量%的铜、相当于整个反应器床约0.01-1重量%的锌和相当于整个反应器床每百万约10-100份的锡。
21.按照权利要求18的方法,其中所述的助催化剂还包括每百万100-1000份的磷。
22.按照权利要求21的方法,其中所述催化剂包括铜、锌和锡。
23.按照权利要求22的方法,其中所述铜-锌-锡催化剂包含相当于整个反应器床约0.5-10重量%的铜、相当于整个反应器床约0.01-1重量%的锌和相当于整个反应器床约每百万10-100份的锡。
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