DE19719809C1 - Stabiles trimeres Isopropoxyalan, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung - Google Patents

Stabiles trimeres Isopropoxyalan, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein stabiles trimeres Isopropoxyalan, auf ein Verfahren zur Herstellung des stabilen trimeren Isopropoxyalans und auf dessen Verwendung.
Aluminiumwasserstoff (AlH3, Alan) und komplexe Metallaluminiumhydride (Alanate) sind gebräuchliche, starke Reduktionsmittel. Sie werden daher zur Reduktion von Carbonylverbindungen, Estern und Nitroverbindungen verwendet. Die einerseits gewünschte hohe Reaktivität gegenüber den meisten funktionellen Gruppen führt andererseits in einigen Fällen zu Problemen aufgrund der mangelnden Selektivität der Reduktionsmittel. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn in einem Molekül mehrere reduzierbare funktionelle Gruppen vorhanden sind oder wenn die Reduktionsmittel nicht nur als Wasserstoffdonator, sondern auch als Base wirken. Der teilweise Ersatz des Wasserstoffs im Aluminiumwasserstoff beziehungsweise den komplexen Metallaluminiumhydriden durch geeignete Substituenten führt zu einer Variation der Reduktionseigenschaften und der Basizität der Reduktionsmittel. Am gebräuchlichsten ist die Einführung von Alkoxy-Substituenten in Aluminiumwasserstoff beziehungsweise in die komplexen Metallaluminiumhydride. So ist zum Beispiel die Reaktionsfähigkeit des Wasserstoffs im Lithium-tri(tert.-butoxy)aluminiumhydrid aufgrund der sterischen Abschirmung soweit abgeschwächt, daß Carbonsäurederivate unter bestimmten Bedingungen nur bis zum Aldehyd reduziert werden.
Es ist eine Vielzahl von Alkoxy-substituierten Aluminiumhydriden vom Typ MHxAl(OR)4-x und HyAl(OR)3-y (x = 1-3, y = 1-2, R = organischer Rest) bekannt. Davon besitzt jedoch lediglich das NaH2Al(OCH2CH2OCH3)2 eine wirtschaftliche Bedeutung. Dieses Alanat hat allerdings den Nachteil eines relativ geringen Hydrid-Wasserstoffgehalts (< 1 Gew.-%), was zur Folge hat, daß bei der Verwendung dieses Alanats für Reduktionsreaktionen eine relativ große Menge erforderlich ist und eine entsprechend große Menge an Abfallprodukten entsteht. Vor allem ist aber das bei der Hydrolyse dieses Alanats zwangsläufig entstehende Nebenprodukt Methoxyethanol äußerst giftig.
Die aus unverzweigten Alkoholen hergestellten Mono- und Dialkoxyalane sind aufgrund ihrer polymeren Struktur in aprotischen Lösungsmitteln völlig unlöslich und deshalb für Reduktionszwecke nicht brauchbar. Die Polymerisationstendenz kann dadurch unterdrückt werden, daß die sterische Raumerfüllung des Alkoxy-Restes erhöht wird. So sind zum Beispiel die Mono- und Di-tert.-butoxyalane in den gängigen organischen Lösungsmitteln sehr gut löslich. Tert.-butoxyalane lassen sich jedoch nicht in jedem Fall wirtschaftlich herstellen, da das für die Umsetzung gemäß der Gleichung
(3-x)Al(OtBu)3 + xAlH3 → 3HxAl(OtBu)3-x, (x = 1, 2)
benötigte Aluminiumalkoxid schwierig darstellbar beziehungsweise nicht kommerziell verfügbar ist.
Aus der DE-OS 195 29 241 sind Alkoxyalane der allgemeinen Formel Al(OR)aHb bekannt, wobei R ein Alkylrest mit 3 bis 10 C-Atomen oder ein Cycloalkylrest mit 5 bis 8 C-Atomen ist, wobei die Reste R gleich oder verschieden sein können, wobei a 1 oder 2, b 1 oder 2 und die Summe a+b = 3 ist. Aus der Druckschrift geht hervor, daß die dort beschriebenen Alkoxyalane in dimerer Form vorliegen. Entsprechend der Druckschrift können die bekannten dimeren Alkoxyalane als Reste R auch Propyl- und/oder Isopropylreste enthalten. Zur Herstellung der bekannten Alkoxyalane schlägt die DE-OS 195 29 241 ein Verfahren vor, bei dem AlH3 mit einem Alkohol ROH in Gegenwart eines inerten organischen Lösungsmittels umgesetzt wird, wobei das Molverhältnis entweder im wesentlichen 1 : 1 oder im wesentlichen 1 : 2 beträgt. Nach diesem Verfahren wird dann entweder H2AlOR oder HAl(OR)2 gebildet, wobei diese Alkoxyalane als Dimere vorliegen. Die aus der DE-OS 195 29 241 bekannten Alkoxyalane sollen zur Herstellung von optisch variablen Systemen verwendet werden.
Isopropoxyalane sind seit etwa 30 Jahren bekannt. Sie lassen sich durch Umsetzung von Aluminiumwasserstoff (AlH3) mit Isopropanol im Molverhältnis 2 : 1 oder 1 : 1 oder aber durch Umsetzung von AlH3 mit Aluminiumisopropoxid herstellen. Über die Eigenschaften der Isopropoxy-substituierten Alane wurden widersprüchliche Angaben gemacht, da je nach Herstellungsbedingungen offenbar unterschiedliche Oligomere entstehen. Die unterschiedlichen Angaben über die Eigenschaften der Isopropoxy-substituierten Alane kommen vermutlich dadurch zustande, daß die bekannten Isopropoxyalane der Stöchiometrie H2Al(OiPr) und HAl(OiPr)2 nicht dissoziationsstabil beziehungsweise nicht rein sind. Durch bisher nicht veröffentlichte Untersuchungen wurde bewiesen, daß diese beiden Verbindungen disproportionieren können. Die Disproportionierungsreaktionen bewirken, daß sich die Produktzusammensetzung durch Ausfällung und Folgereaktionen ändert und demzufolge reduktionsaktive Verbindungen sehr unterschiedlicher Reaktivität gleichzeitig vorhanden sind, was einer hohen Chemoselektivität entgegensteht. Daher können die beiden vorgenannten Verbindungen auch nicht in Form stabiler, verkaufsfähiger Lösungen hergestellt und geliefert werden.
Die Veröffentlichung von Nöth und Suchy, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, Band 358, 1968, Seiten 44 bis 66, beschreibt die Reaktionen des AlH3 mit Isopropanol im Molverhältnis 1 : 1 und 1 : 2. Die Veröffentlichung kommt zum Ergebnis, daß die Umsetzung von AlH3 mit Isopropanol im Molverhältnis von 1 : 1 entweder nicht quantitativ verläuft und daher nicht umgesetztes AlH3 in der Reaktionslösung verbleibt und das gebildete H2AlOiPr mit Isopropanol zu HAl(OiPr)2 weiterreagiert oder daß das H2AlOiPr folgendes Gleichgewicht ausbildet:
2H2AlOiPr ⇄ HAl(OiPr)2 + AlH3
Aus der Reaktionslösung konnte allerdings das dimere Isopropoxyalan (H2AlOiPr)2 isoliert werden. Nach der Veröffentlichung wird bei der Umsetzung von AlH3 mit Isopropanol im Molverhältnis 1 : 2 das HAl(OiPr)2 gebildet, das mit dem Mono- und Triisopropoxyalan im Gleichgewicht steht, welches allerdings die Bildung des Diisopropoxyalans begünstigt.
2HAl(OiPr)2 ⇄ Al(OiPr)3 + H2AlOiPr
Das Diisopropoxyalan löst sich in Benzol etwa in trimerer Form und hat daher die Zusammensetzung H3Al3(OiPr)6. Allerdings stellt sich in der Lösung des trimeren Diisopropoxyalans das vorstehend genannte Disproportionierungsgleichgewicht langsam ein, wodurch sich die Zusammensetzung der Lösung in nachteiliger Weise ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein chemoselektives, stabiles Isopropoxyalan zu schaffen, das in gebräuchlichen Lösungsmitteln gut löslich ist, dessen Lösungen lagerstabil sind, das einen gegenüber verfügbaren Alkoxyalanen erhöhten Hydridgehalt aufweist, das bei der Hydrolyse keine toxischen Nebenprodukte bildet und das aus preisgünstigen sowie verfügbaren Rohstoffen darstellbar ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Schaffung des stabilen trimeren Isopropoxyalans der Zusammensetzung H5Al3(OiPr)4 gelöst, wobei iPr ein (CH3)2CH-Rest ist. In überraschender Weise hat sich gezeigt, daß diese trimere Form des Isopropoxyalans eine hohe Stabilität aufweist; es schmilzt bei ca. 60°C, kann bei 40°C/0,5 mbar sublimiert, durch Sublimation in reiner Form dargestellt und spektrospokisch eindeutig charakterisiert werden, (27Al-NMR, C6D6:δ = 125 ppm, 60 ppm; 1H-NMR, C6D6:δ = 1,26 ppm, d24H und 4,18 ppm, sep 4H). Das stabile trimere Isopropoxyalan hat die Strukturformel
Die Molmasse entspricht der Strukturformel. Im Gegensatz zu den Alanen H2AlOiPr und HAl(OiPr)2 dispraportioniert das erfindungsgemäße trimere Isopropoxyalan nicht, sondern es ist sehr stabil und kann daher in fester oder insbesondere in gelöster Form auch über einen längeren Zeitraum gelagert werden und steht damit als verkaufsfähiges Reduktionsmittel zur Verfügung.
Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß das stabile trimere Isopropoxyalan in einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch in einer Konzentration von 20 bis 80 Gew.-% gelöst ist, wobei als Lösungsmittel Ether, tertiäre Amine, Alkylphosphane, aromatische Kohlenwasserstoffe, gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe oder Gemische dieser Lösungsmittel verwendet werden. In gelöster Form ist das trimere Isopropoxyalan sehr stabil, und daher eignen sich diese Lösungen besonders gut als verkaufsfähiges Produkt.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das trimere Isopropoxyalan in Diethylether, Tetrahydrofuran, Ethylenglykoldimethylether, Triethylamin, Toluol, Hexan, Cyclohexan und/oder Methylcyclohexan gelöst ist, da die vorgenannten Lösungsmittel gut verfügbar, gut handhabbar sowie preisgünstig sind und da das trimere Isopropoxyalan in diesen Lösungsmitteln besonders stabil ist. Die Löslichkeit des trimeren Isopropoxyalans beträgt bei 20°C in Toluol ca. 45 Gew.-%, in Hexan ca. 30 Gew.-% und in Tetrahydrofuran ca. 50 Gew.-%, wobei die verkaufsfähigen Lösungen einen Isopropoxyalan-Gehalt aufweisen, der etwas unterhalb der maximalen Löslichkeit liegt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung des trimeren Isopropoxyalans gelöst, bei dem AlH3 mit Al(OiPr)3 oder mit Isopropanol im Molverhältnis von 5 : 4 beziehungsweise von 3 : 4 in einem Lösungsmittel oder einem Lösungsmittelgemisch umgesetzt wird. Bei Anwendung des jeweiligen erfindungsgemäßen Molverhältnisses bildet sich aus den Ausgangssubstanzen das stabile trimere Isopropoxyalan, und es kommt nicht zur Bildung von instabilen Reaktionsprodukten. Außerdem können die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lösungen ohne weitere Reinigung direkt verkauft werden, wobei die Konzentration des trimeren Isopropoxyalans in den verkaufsfähigen Lösungen recht hoch ist.
Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch dann erfolgreich durchgeführt werden kann, wenn das Molverhältnis von AlH3 zu Al(OiPr)3 oder zu Isopropanol 5 : 3,7 bis 5 : 4,3 beziehungsweise 3 : 3,7 bis 3 : 4,3 beträgt. Bei dieser Variation der Molverhältnisse der Ausgangssubstanzen fällt das stabile trimere Isopropoxyalan als Hauptprodukt an, und die als Nebenprodukte gebildeten Alane beeinflussen die Produktqualität nur in untergeordnetem Maße nachteilig, was aber für industrielle Anwendungen noch akzeptabel ist. Die Variation der Molverhältnisse in den erfindungsgemäßen Grenzen ist insbesondere für die Durchführung des Verfahrens im technischen Maßstab von Bedeutung, denn häufig enthalten die Ausgangssubstanzen Verunreinigungen, welche das nach der Erfindung anzustrebende Molverhältnis der Ausgangssubstanzen von 5 : 4 beziehungsweise 3 : 4 geringfügig verändern. Dies führt allerdings nicht zu einer merklichen Beeinträchtigung der Qualität des Verfahrensprodukts.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise so durchgeführt werden, daß AlH3 und Al(OiPr)3 nach der Gleichung 5AlH3 + 4Al(OiPr)3 → 3H5Al3(OiPr)4 bei einer Reaktionstemperatur von -20 bis +80°C, vorzugsweise -5 bis +35°C, umgesetzt werden. Bei den erfindungsgemäßen Reaktionstemperaturen sind die verwendeten Lösungsmittel gut handhabbar, und die Umsetzung verläuft hinreichend schnell.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner in der Weise durchgeführt werden, daß AlH3 und Isopropanol nach der Gleichung 3AlH3 + 4(CH3)2CHOH → H5Al3(OiPr)4 + 4H2 bei einer Reaktionstemperatur von -80 bis +80°C umgesetzt werden. Bei den erfindungsgemäßen Reaktionstemperaturen verläuft die Umsetzung hinreichend schnell, und die verwendeten Lösungsmittel sind gut handhabbar.
Nach der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das AlH3 in Form eines Lewis-Base-Addukts eingesetzt wird, wobei als Lewis-Base Ether oder tertiäre Amine verwendet werden. Als Lewis-Base dienen offenkettige, cyclische oder polyfunktionelle Ether, die in der Produktlösung verbleiben können. Als Amine eignen sich insbesondere Trialkylamine R3N, wobei R ein Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen ist. Die genaue Zusammensetzung des aus AlH3 und einer Lewis-Base bestehenden Addukts ist von der verwendeten Lewis-Base und der Herstellung des Addukts abhängig und schwankt in weiten Grenzen. Das Addukt besitzt aber gegenüber dem reinen AlH3 in vorteilhafter Weise eine größere Stabilität und ist in vielen Lösungsmitteln gut löslich sowie leicht zugänglich.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Lösungsmittel Ether, tertiäre Amine, Alkylphosphane, aromatische Kohlenwasserstoffe, gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe oder Gemische dieser Lösungsmittel verwendet. Die verwendeten Lösungsmittel müssen in einem Teil des Temperaturbereichs von -80 bis +100°C flüssig sein und wasserfrei zur Verfügung stehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders erfolgreich durchgeführt werden, wenn als Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch Diethylether, Tetrahydrofuran, Ethylenglokoldimethylether, Triethylamin, Toluol, Hexan, Cyclohexan und/oder Methylcyclohexan verwendet werden. Diese Lösungsmittel sind preisgünstig, gut verfügbar und lassen sich mit vertretbarem Kostenaufwand sowie mit gebräuchlichen Methoden entwässern.
Entsprechend der Erfindung wird das stabile trimere Isopropoxyalan als Reduktionsmittel bei organischen und anorganischen Synthesen, als Quelle für Aluminium oder Aluminiumoxid in der Elektronik- und Keramikindustrie sowie zur Pigmentherstellung verwendet, wobei für die Synthesechemie die Verwendung in Form von Lösungen bevorzugt ist. Die Herstellung von Aluminium, Aluminiumoxid und Pigmenten aus dem stabilen trimeren Isopropoxyalan kann beispielsweise nach dem CVD-Verfahren in reduzierender oder oxidierender Atmosphäre erfolgen.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Beispiel 1
Einer Lösung von 0,753 g (25 mmol) AlH3 in 30 ml Tetrahydrofuran wird innerhalb von 15 min eine Lösung von 4,08 g (20 mmol) Al(OiPr)3 in 15 ml Tetrahydrofuran bei 0°C zugegeben. Zur Vervollständigung der Reaktion wird die Mischung eine Stunde bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird das Lösungsmittel bei 20 mbar sowie 30°C abdestilliert, und der Rückstand wird dann bei 1 mbar und 20°C getrocknet. Danach wird das gebildete stabile trimere Isopropoxyalan durch Sublimation bei 0,5 mbar und 40°C gereinigt. Die Ausbeute beträgt 4,35 g; das sind 90% der theoretischen Ausbeute. Das Produkt weist die vorstehend genannten spektroskopischen Daten auf.
Beispiel 2
Zu einer Suspension von 16,35 g LiH (2,06 mol) und 250 ml Diethylether wird innerhalb von 4 Stunden eine Lösung von 87,5 g (0,656 mol) AlCl3 in 260 g Diethylether zugetropft. Die Reaktionstemperatur wird während dieser Zeit bei 0 bis 5°C gehalten. Hierbei bildet sich nach der Gleichung 15LiH + 5AlCl3 → 5AlH3 + 15LiCl Aluminiumwasserstoff, der als Addukt mit der Lewis-Base Diethylether in der Lösung vorliegt. Anschließend werden bei 0 bis 5°C portionsweise 109 g (0,534 mol) Al(OiPr)3 in fester Form in die Lösung eingebracht. Die Mischung wird eine Stunde bei 5°C gerührt und dann auf Raumtemperatur erwärmt. Nach Abtrennung des LiCl durch Filtration wird der Diethylether abdestilliert. Nach Trocknung des Produkts im Vakuum verbleibt ein farbloses Öl, das langsam kristallisiert. Die Ausbeute an stabilem trimerem Isopropoxyalan beträgt 121,6 g; das kristalline Produkt weist die vorstehend genannten spektroskopischen Daten auf. Das Produkt enthält 13,7 mmol H/g und 8,8 mmol Al/g. Diese Werte betragen für die theoretische Ausbeute von 100% 15,5 mmol H/g und 9,3 mmol Al/g.
Beispiel 3
Einer Lösung von 3 g (100 mmol) AlH3 in 100 ml Diethylether werden langsam 8 g (133 mmol) Isopropanol, gelöst in 20 ml Diethylether, zugegeben. Nach Beendigung der Wasserstoffentwicklung wird die Mischung noch eine Stunde bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird die Lösung entsprechend Beispiel 1 aufgearbeitet. Die Ausbeute an trimerem Isopropoxyalan beträgt 10,1 g; das sind 95% der theoretischen Ausbeute. Dieses Produkt weist die vorstehend genannten spektroskopischen Daten auf.

Claims (14)

1. Stabiles trimeres Isopropoxyalan der Zusammensetzung H5Al3(OiPr)4, wobei iPr ein (CH3)2CH-Rest ist.
2. Stabiles trimeres Isopropoxyalan nach Anspruch 1, das in einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch in einer Konzentration von 20 bis 80 Gew.-% gelöst ist, wobei als Lösungsmittel Ether, tertiäre Amine, Alkylphosphane, aromatische Kohlenwasserstoffe, gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe oder Gemische dieser Lösungsmittel verwendet werden.
3. Stabiles trimeres Isopropoxyalan nach den Ansprüchen 1 bis 2, das in Diethylether, Tetrahydrofuran, Ethylenglykoldimethylether, Triethylamin, Toluol, Hexan, Cyclohexan und/oder Methylcyclohexan gelöst ist.
4. Verfahren zur Herstellung des stabilen trimeren Isopropoxyalans nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem AlH3 mit Al(OiPr)3 oder mit Isopropanol im Molverhältnis von 5 : 4 beziehungsweise 3 : 4 in einem Lösungsmittel oder einem Lösungsmittelgemisch umgesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Molverhältnis von AlH3 zu Al(OiPr)3 oder zu Isopropanol 5 : 3,7 bis 5 : 4,3 beziehungsweise 3 : 3,7 bis 3 : 4,3 beträgt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 5, bei dem AlH3 und Al(OiPr)3 nach der Gleichung 5AlH3 + 4Al(OiPr)3 → 3H5Al3(OiPr)4 bei einer Reaktionstemperatur von -20 bis +80°C umgesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Reaktionstemperatur -5 bis +35°C beträgt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 5, bei dem AlH3 und Isopropanol nach der Gleichung
3AlH3 + 4(CH3)2CHOH → H5Al3 (OiPr)4 + 4H2
bei einer Reaktionstemperatur von -80 bis +80°C umgesetzt werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 8, bei dem das AlH3 in Form eines Lewis-Base-Addukts eingesetzt wird, wobei als Lewis-Base Ether oder tertiäre Amine verwendet werden.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 9, bei dem als Lösungsmittel Ether, tertiäre Amine, Alkylphosphane, aromatische Kohlenwasserstoffe, gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe oder Gemische dieser Lösungsmittel verwendet werden.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 10, bei dem als Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch Diethylether, Tetrahydrofuran, Ethylenglykoldimethylether, Triethylamin, Toluol, Hexan, Cyclohexan und/oder Methylcyclohexan verwendet werden.
12. Verwendung des stabilen trimeren Isopropoxyalans nach den Ansprüchen 1 bis 3, als Reduktionsmittel bei organischen und anorganischen Synthesen.
13. Verwendung des stabilen trimeren Isopropoxyalans nach den Ansprüchen 1 bis 3, als Quelle für Aluminium oder Aluminiumoxid in der Elektronik- und Keramikindustrie.
14. Verwendung des stabilen trimeren Isopropoxyalans nach den Ansprüchen 1 bis 3, zur Herstellung von Pigmenten.
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