DE10053346A1 - Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und Arylchlorsilanen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und Arylchlorsilanen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und/oder Arylchlorsilanen durch Umsetzung von Silicium mit Alkyl- und/oder Arylchlorid, wobei das Silicium in zerkleinerter Form vorliegt und das Silicium beim Zerkleinern mit einem Katalysator versetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und Arylchlorsilanen durch Umsetzung einer Silicium-Katalysatormischung mit Alkyl- und Arylchloriden.
Alkyl- und Arylchlorsilane sind wichtige Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Siliconen und werden üblicherweise nach dem dem Fachmann bekannten Müller- Rochow-Verfahren durch Umsetzung von Silicium mit Alkyl- bzw. Arylchloriden in Gegenwart von Kupfer oder Kupferverbindungen als Katalysator durchgeführt, wobei gegebenenfalls Promotoren zugesetzt werden können.
Die Herstellung von Alkyl- und Arylchlorsilanen wird üblicherweise in der Wirbelschicht durchgeführt (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th ed. (1993), Vol. A24, 4-6). Nachteilig beim Vorgehen gemäß Stand der Technik unter Verwendung von Kupferkatalysatoren bzw. Kupfer enthaltenen Katalysator­ mischungen ist, dass aus der Wirbelschicht oftmals kleine Katalysator-Partikel ausgetragen werden. Dies führt dazu, dass die Ausbeuten an gewünschtem Alkyl- und Arylchlorsilan im Laufe des Betriebs fallen und neuer Katalysator in den Reaktor zugegeben werden muß.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und Aryl­ chlorsilanen zur Verfügung zu stellen, bei dem es nicht zum unerwünschten Austrag großer Mengen des Katalysators kommt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass nur geringe Austragsverluste an Kataly­ sator auftreten, wenn zerkleinertes Silicium eingesetzt wird, wobei bei der Zerkleine­ rung des Siliciums, insbesondere von metallurgischem Silicium, der gewünschte Katalysator zugegeben wurde. Bei Umsetzung dieses zerkleinerten Siliciums mit Alkyl- bzw. Arylchlorid zu Alkyl- bzw. Arylchlorsilanen bleibt die Ausbeute an Alkyl- und Arylchlorsilanen auch bei längerer Reaktionsführung nahezu gleich.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und/oder Arylchlorsilanen durch Umsetzung von Silicium mit Alkyl- und/oder Arylchlorid, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Silicium in zerkleinerter Form vorliegt und das Silicium beim Zerkleinern mit einem Katalysator versetzt wird.
Die Herstellung des erfindungsgemäß einzusetzenden Siliciums kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass Silicium, vorzugsweise metallurgisches Silicium, und der ge­ wünschte Katalysator gemeinsam in einer Mühle gemahlen werden, wobei Silicium und Katalysator der Mühle gemeinsam oder auch nacheinander zugeführt werden können.
Es ist jedoch auch möglich, das Silicium in einer Mühle zu mahlen, die aus einem Material besteht, das so gewählt wird, dass durch Abrieb während des Mahlvor­ gangens die gewünschte Katalysatorkonzentration im Silicium eingestellt wird.
Es ist auch möglich, eine Mischung aus Silicium und Katalysator in einer Mühle zu mahlen, die aus einem Material besteht, das so gewählt wird, dass durch Abrieb während des Mahlvorgangs weiteres katalytisch aktives Material in das Silicium ein­ gebracht wird.
Die Zerkleinerung der Mischung aus Silicium und Katalysator kann darüberhinaus auch in anderen bekannten Zerkleinerungs-Vorrichtungen, beispielsweise in einem Backenbrecher erfolgen.
Vorzugsweise wird die Zerkleinerung in inerter Atmosphäre durchgeführt.
Das Arbeiten in inerter Atmosphäre verhindert die Bildung einer oxidischen Schicht auf den einzelnen Siliciumpartikeln. Eine solche Schicht verhindert den direkten Kontakt zwischen Katalysator und Silicium, wodurch die Umsetzung mit Alkyl- und/oder Arylchlorid zu Alkyl- und/oder Arylchlorsilanen entsprechend schlechter katalysiert würde.
Eine inerte Atmosphäre kann beispielsweise durch den Zusatz eines inerten Gases während des Zerkleinerungsvorgangs erzeugt werden. Geeignete inerte Gase sind beispielsweise Stickstoff und/oder Argon.
Geeignete Materialien für die eingesetzte Zerkleinerungs-Vorrichtung, insbesondere Mühle oder Backenbrecher sind beispielsweise Kupfer und dessen Legierungen, beispielsweise Messing oder Bronze. Es sind aber auch Zerkleinerungs-Vorrichtun­ gen aus anderen Materialien geeignet, beispielsweise solche mit keramischen Beschichtungen, beispielsweise aus Wolframcarbid.
Als Mühle eignet sich beispielsweise eine Walzenmühle oder eine Kugelmühle, wo­ bei auch andere Mühlentypen eingesetzt werden können.
Der Zerkleinerungsvorgang wird beispielsweise so durchgeführt, dass das resul­ tierende zerkleinerte Silicium einen mittleren Korndurchmesser von 10 bis 1000 µm, bevorzugt von 100 bis 600 µm aufweist.
Geeignete Kupferkatalysatoren sind beispielsweise Kupfer, vorzugsweise in Form von Kupferpulver mit einer Korngröße von weniger als 100 µm, oder Verbindungen des Kupfers, vorzugsweise Kupferoxid, in der das Kupfer die Oxidationsstufe I be­ sitzt oder Kupferchlorid wie z. B. Kupfer-I-chlorid.
Dem Katalysator können weitere katalytisch aktive Bestandteile, sogenannte Promotoren zugesetzt werden. Solche katalytisch aktiven Bestandteilen sind bei­ spielsweise Zink in metallischer Form oder als Oxid oder Chlorid, Zinn, Phosphor, Arsen und Aluminium in elementarer Form oder als Verbindung oder auch Alkali- und Erdalkalimetalle bzw. deren Verbindungen.
Die Zugabe weiterer katalytisch aktiver Bestandteile erfolgt vorzugsweise ebenfalls bei der Zerkleinerung des Siliciums.
Das erfindungsgemäß einzusetzende Silicium, das in zerkleinerter Form vorliegt und das beim Zerkleinern mit einem Katalysator versetzt wird, kann vor der erfindungs­ gemäßen Umsetzung mit Alkyl- und/oder Arylchlorid einer Vorreaktion, z. B. mit Chlorwasserstoff oder Chlorwasserstoff und Wasserstoff unterzogen werden.
Üblicherweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein zerkleinertes Silicium ein­ gesetzt, in dem die Konzentration des Katalysators, berechnet als Metall, zwischen 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf des Gesamtgewicht von zerkleinertem Silicium und Katalysator, liegt, vorzugsweise zwischen 1 bis 5 Gew.-%. Es ist jedoch auch mög­ lich, zerkleinertes Silicium mit einer höheren Konzentration an Katalysator einzu­ setzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei einem Druck von 2 bis 4 bar (absolut), bevorzugt von 2,5 bis 3,5 bar durchgeführt werden.
Beispielsweise wird bei Temperaturen von 280 bis 350°C, bevorzugt von 290 bis 310°C, gearbeitet.
Die Wahl des Reaktors, in dem die erfindungsgemäße Umsetzung erfolgen soll, ist nicht kritisch, solange der Reaktor unter den Reaktionsbedingungen hinreichende Stabilität aufweist und den Kontakt der Ausgangsstoffe erlaubt. Beispielsweise kann in einem Festbettreaktor, einem Drehrohrofen oder einem Wirbelbettreaktor gear­ beitet werden. Die Reaktionsführung in einem Wirbelbettreaktor ist bevorzugt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beispielsweise Alkyl- oder Arylchlorsilane erhalten, die einen, zwei oder auch drei am Silicium gebundene Alkyl- oder Arylreste aufweisen. Beispielsweise handelt es sich bei den Alkylresten um C1-C8-Alkyl, vorzugsweise um Methyl, Ethyl, Propyl oder Isopropyl, besonders bevorzugt um Methyl, bei den Arylresten um C6-C10-Aryl, vorzugsweise Phenyl.
Beispielsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Trichlor­ methylsilan H3C-SiCl3, Dichlordimethylsilan (H3C)2-SiCl2, Chlortrimethylsilan (H3C)3-SiCl, Trichlorphenylsilan H5C6-SiCl3, Dichlordiphenylsilan (H5C6)2-SiCl2 und Chlortriphenylsilan (H5C6)3-SiCl genutzt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und/oder Arylchlorsilanen durch Umsetzung von Silicium mit Alkyl- und/oder Arylchlorid, dadurch gekennzeichnet, dass das Silicium in zerkleinerter Form vorliegt und das Silicium beim Zerkleinern mit einem Katalysator versetzt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silicium und der gewünschte Katalysator gemeinsam in einer Mühle zerkleinert werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silicium in einer Mühle zerkleinert wird, die aus einem Material besteht, aus dem durch Abrieb während des Mahlvorgangs die gewünschte Katalysatorkonzentration im Silicium eingestellt wird.
4. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das zerkleinerte Silicium einen mittleren Teilchendurchmesser von 10 bis 1000 µm aufweist.
5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Konzentration des Katalysators, berechnet als Metall, im zerkleinerten Silicium 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf des Gesamtgewicht von zerkleinertem Silicium und Katalysator, beträgt.
6. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Konzentration des Katalysators, berechnet als Metall, im zerkleinerten Silicium 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf des Gesamtgewicht von zerkleinertem Silicium und Katalysator, beträgt.
7. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Umsetzung bei einem Druck von 2 bis 4 bar (absolut) durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Umsetzung bei Temperaturen von 280 bis 350°C durchge­ führt wird.
9. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Alkylchlorsilan der Gruppe Trichlormethylsilan H3C-SiCl3, Dichlordimethylsilan (H3C)2-SiCl2 und Chlortrimethylsilan (H3C)3-SiCl hergestellt wird.
10. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Arylchlorsilan der Gruppe Trichlorphenylsilan H5C6-SiCl3, Dichlordiphenylsilan (H5C6)2-SiCl2 und Chlortriphenylsilan (H5C6)3-SiCl hergestellt wird.
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