DE2814327C2 - Verfahren zur Herstellung von Alkyl-alkoxy-siliciumverbindungen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Alkyl-alkoxy-siliciumverbindungenInfo
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
- C07F7/00—Compounds containing elements of Groups 4 or 14 of the Periodic Table
- C07F7/02—Silicon compounds
- C07F7/08—Compounds having one or more C—Si linkages
- C07F7/18—Compounds having one or more C—Si linkages as well as one or more C—O—Si linkages
- C07F7/1804—Compounds having Si-O-C linkages
- C07F7/1872—Preparation; Treatments not provided for in C07F7/20
- C07F7/188—Preparation; Treatments not provided for in C07F7/20 by reactions involving the formation of Si-O linkages
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
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- C07F7/02—Silicon compounds
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- C07F7/0834—Compounds having one or more O-Si linkage
- C07F7/0838—Compounds with one or more Si-O-Si sequences
- C07F7/0872—Preparation and treatment thereof
- C07F7/0874—Reactions involving a bond of the Si-O-Si linkage
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl-alkoxysiliciumverbindungen, wobei zu diesem
Zweck elementares Silicium mit den in Anspruch 1 genannten Dialkyläthern umgesetzt wird.
Die Herstellung von Organoorganoxysilanen durch Umsetzung von Organometallverbindungen mit Organoxysilanen ist seit mehr als 100 Jahren bekannt, doch
beruht die heutige industrielle Siliconherstellung auf der winschaftlich vorteilhafteren direkten Umsetzung von
organischen Halogeniden, insbesondere Methylchlorid,
mit verschiedenen Formen von metallischem Silicium bei hoher Temperatur, wobei Organohalogensilane
entstehen. Aus verschiedenen Gründen, wie z. B. einer
geringen Korrosion der Anlagen und der leichteren Handhabung der Nebenprodukte, werden Organoxysilane gegenübe- Organohalogensilanen als Zwischenprodukte für die Herstellung von Siliconen aber
bevorzugt. Deshalb besteht der Wunsch nach einem technisch durchführbaren Herstellungsverfahren für
Organoorganoxysilane.
Nach der US-PS 24 59 539 setzt man Dialkyläther mit
Silicium bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines Halogenwasserstoffs um. wobei alkylsubstituierte Halogensilane. aber nicht alkylsubstituierte Alkoxysilane
entstehen. Dieser Weg zu Organosiliciumverbindungen hat infolgedessen viele Nachteile des zuvor erwähnten
direkten Verfahrens für die Herstellung von Organohalogensilanen.
In der US-PS 35 05 379 ist ein Verfahren zur
Herstellung von alkylsubstituierten Alkoxysilanen beschrieben, bei dem die Bildung von Organochlorsilaneri
vermieden wird, das aber eine Hydrosilierungsreaktion
verlangt. Diese Arbeitsweise ist nicht nur ein aufwendi- 5s
ges Zwei-Stufen-Verfahren, sondern sie ist auch zur Herstellung der technisch wichtigen methylsubstituierten Alkoxysilane nicht geeignet.
In Chem. Abstracts 47.1953.3334 g (Yamada. et al.) ist
die Umsetzung von Alkyl- und Aryläthern mit metallischem Silicium in einem heißen Rohr beschrieben, das von den Ausgangsstoffen durchströmt wird und
wobei sich Alkylalkoxysilane und Arylalkoxysilane bilden. Obwohl sehr hohe Temperaturen benötigt
werden, werden dort theoretische Betrachtungen darüber angestellt, daß durch Legierung des metallischen Silit'iiims mit Kupfer. Silber, reduziertem Kupfer
oder reduziertem Silber die Reaktionstemperatur
erniedrigt und die Ausbeute des Produkts erhöht
werden könnte.
Dieses Verfahren von Yamada et aL ist trotz seiner
Attraktivität nicht für die technische Herstellung von Siliconzwischenprodukten herangezogen worden. Obwohl es ohne Zweifel mehrere Gründe dafür gibt, kann
eine der Hauptursachen für die Nichtbenutzung dieses Verfahrens die Dissertation Zuckermann sein (vgl.
Chem. Abstracts 59, 1963, 1674 h), in der festgestellt wird, daß die von Yamada et al. beschriebene
Umsetzung von Äthern mit Silicium keine Organosiliciumverbindungen ergibt Darüber hinaus soll bei
sorgfältigem Ausschluß von Halogenwasserstoffen oder Halogen das Verfahren von Yamada et aL unter
verschiedenen Versuchsbedingungen k<;ine Organosiliciumverbindungen ergeben. Bei einer Abwandlung des
Verfahrens sollen einige Siliciumverbindungen entstanden sein, aber keine Organoorganooxysiliciumverbindungen. So wurden z. B. bei Verwendung von hohem
Druck (200 atm.) Hj oder N2 bei der Umsetzung von
Anisol mit einer Mischung von Silicium- und Kupferpulver nur Phenoxysiliciumverbindungen gefunden, wie
Tetraphenoxysilan und Phenoxysilane, die durch Hydrolyse und Kondensation von Tetraphenoxysilan entstehea Wenn bei der Umsetzung von Anisol mit Silicium
Chlor anwesend war. wurden Chlorsilane erhalten.
Fernerhin haben Newton et al. in der Zeitschrift Inorg. Chem. 9, 1072 (1971) festgestellt, daß man durch
Umsetzung von Dimethyläther mit einer Silicium-Kupferlegierung als Aufschlämmung in einem Siliconöl
keine Methylmethoxysilane erhält
Trotz dieser negativen Ergebnisse hat der Wunsch zur Herstellung von Organosiliciumverbindungen direkt
aus Silicium und Kohlenwasserstoffäthern die Forschungsarbeiten für diese Erfindung angeregt.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein einstufiges Verfahren zur Herstellung von Alkyl-alkoxysiliciumverbindungen aus elementarem Silicium und
bestimmten Dialkyläthern bei relativ niedrigen Temperaturen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, bei
der eine aktivierte Ssliciumlegierung mit einem Dialkyläther in Gegenwart eines Alkylchlorids oder -bromids
zu Siliciumverbindungen umgesetzt wird, die Alkylreste
und Alkoxyreste enthalten. Die Umsetzung schreitet bei niedrigen Temperaturen voran im Vergleich zu
Temperaturen, die für die Umsetzung von Kohlenwasserstoffäthern direkt mit Silicium bekannt sind.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb das in den Patentansprüchen I und 2 bezeichnete Verfahren.
Ohne die Erfindung an irgendeine Theorie binden zu wollen, wird angenommen, daß das Verfahren nach der
Erfindung im Gegensatz /u den anderen Arbeitsweisen deshalb zum Erfolg führt, weil ein halogenhaltiger
Katalysator und ein geschlossenes System verwendet werden, so daß eine kontinuierliche Umsetzung
zwischen dem aktivierten Silicium, dem Dialkyläther und dem Alkvlchlorid b/w. Alkylbromid-Katalysator
stattfinden kann.
Bei der Erfindung kann ein beliebiges elementares
Silicium verwendet werden. Beispiele dafür sind Siliciumlegierungen oder reine Siliciumsorten, wenn sie
aktiviert sind. Bevorzugt sind jedoch Siliciumlegierungen. Bevorzugte Siliciumlegierungen sind aktivierte
handelsübliche metallurgische Legierungen, die mindestens 95 Gew.-% Silicium und bis zu 5 Gew.-% von
anderen Elementen enthalten, wie Na, K, Mg. Ca, Fe, Ag. Zn. Al. Sn. B, P, O, S, Cu, V, Cr. Co. Sb. Bi, As, Zr, Ti und
Pb. Auch aktivierte handelsübliche Ferrosiliciumlegierungen,
die 30 Gew.-% Eisen enthalten, und Calcium-Siliciumlegierungen,
die 27% Calcium enthalten, sind für
das Verfahren nach der Erfindung geeignet Es kommen auch Siliciumlegierungen mit höheren Gehalten an
Eisen oder Calcium in Betracht
Handelsübliche Siliciumlegierungen und auch reines Silicium sind bei dem Verfahren nach der Erfindung im
wesentlichen inert, wenn sie nicht aktiviert werden. Die Aktivierung des Siliciums kann durch Imprägnierung
des Siliciums mit bestimmten aktivierenden Elementen erfolgen. Ein Verfahren zur Aktivierung des Siliciums
sieht das Schmelzen des Siliciums mit bestimmten Elementen, das Erstarrenlassen der Schmelze und die
Zerkleinerung des erhaltenen Feststoffes zu einem feinen Pulver vor. Alternativ kann eine innige Mischung
aus Siliciumpulver und bestimmten Elementen erwärmt und/oder zerkleinert werden. Es wird angenommen, daß
diese Elemente in die Siliciumteilchen während des Erwärmens und/oder der Zerkleinerung diffundieren.
Bei einer anderen A.beitsweise zur Aktivierung von Silicium werden Salze von bestimmten Elementen in
inniger Mischung mit dem Silicium reduziert, wobei die Reaktion entweder in wäßriger Lösung oder durch
Erwärmen erfolgt. Es wird angenommen, daß die während der Reduktion gebildeten Elemente eine
physikalische Kombination mit den Siliciumteilchen eingehen, wie z. B. durch Abscheidung auf dem Silicium
und durch Diffusion in das Silicium.
Elemente und Salze, die als Imprägniermittel zur Aktivierung von Silicium in Betracht kommen, schließen
die Metalle der Gruppen IB und HB des Periodensystems
der Elemente und ihre Salze ein. z. B. Cu. Ag. Au, Zn, Cd, Hg und ihre Salze unö Oxide, beispielsweise
Sulfate. Halogenide. Nitrate. Phosvh?.te und Carbonate.
Diese Stoffe sind als Aktivierungsmittel .m wirksamsten,
wenn das Silicium Eisen. Aluminium oder andere Elemente enthält. Der aktivierende Effekt der Metalle
der Gruppen IB und MB und ihrer Salze läßt sich auch dadurch erhöhen, daß Elemente oder Verbindungen von
mehr als einer Gruppe gleichzeitig oder hintereinander zu der Aktivierung verwendet werden. Bevorzugte
Kombinationen von aktivierenden Elementen sind Kupfer und Zinn. Kupfer und Quecksilber und Kupfer,
Zinn und Quecksilber.
Die exakte Natur des aktivierten Siliciums ist nicht vollständig bekannt, doch wird angenommen, daß das
Silicium in Form von kleinen kristallinen Phasen vorliegt, die von Phasen umgeben werden, die reich in
den anderen Elementen als Silicium sind.
Beispiele für bei der Erfindung eingesetzte symmetrische Dialkyläther sind Dimethyläther. Diäthyläther.
Dipropyläther.
Die symmetrischen Dialkyläther entsprechen der Formel ROR. in der R ein Alkylrest mit 1 bis 5
Kohlenstoffatomen ist. Bei diesen Resten kann es sich um primä;e Alkylreste wie Methyl-. Äthyl-. n-Propyl-,
η-Butyl-, i-Butyl handeln.
Dimethyläther ist ein sehr bevorzugter Äther bei dem Verfahren der Windung aus verschiedenen Gründen.
Zuerst ist anzuführen, daß Dimethyläther die industriell erwünschten methyl- und methoxyhaltigen Siliciumverbindungen
ergibt. Außerdem ist Dimethyläther ein billiger und leicht zugänglicher Äther. Auch im Hinblick
auf die Möglichkeit der Entstehung von einer Vielzahl von Organosiliciumverbindungen ist Dimethyläther
bevorzugt, da er zu leicht reinigbaren Gemischen führt,
die weniger und einfachere Organosiliciumverbindungen enthalten.
Diäthyläther ist ein anderer sehr bevorzugter Äther bei dem Verfahren der Erfindung, da er ähnlich hohe
Produktausbeuten ergibt wie Dimethyläther. Höhere Dialkyläther führen dagegen zu niedrigeren Produktausbeuten
bei der Erfindung.
Der haiogenhaltige Katalysator ist ein Alkylchlorid
oder Alkylbromid.
Beispiele sind Alkylbromide wie CHaBr und
CH3CH2Br.
Es wird angenommen, daß bei dem Verfahren der Erfindung der Katalysator mit dem aktivierten Silicium
unter Bildung eines Siliciumhalogenids reagiert, das sich seinerseits mit dem Dialkyläther unter Bildung eines
»Alkyl-Austauschhalogenids« umsetzt, wodurch der
Kataly :atorcyclus geschlossen wird. Aus der Reaktionsmischung ist das Alkylhalogenid isolierbar.
Alkylbromide scheinen bei der Erfindung besonders wirksam zu sein und sind deshalb bevorzugt
Das Verfahren nach der Erfindung kann unter den in Anspruch 1 genannten Bedingungen in beliebiger Weise
durchgeführt werden, es ist nur erforderlich, daß das aktivierte Silicium, der Dialkyläther und der haiogenhaltige
Katalysator in einem geschlossenen System für einen ausreichenden Zeitraum bei einer Temperatur
von mindestens 2000C in Berührung gebracht werden. Unter einem geschlossenen System ist ein Reaktionsgefäß
oder jede ähnliche Einrchtung zu verstehen, die das Inberührungbringen des Siliciums, des Äthers und des
Katalysators unter mindestens autogenem Druck für einen geeigneten Zeitraum bei einer geeigneten
Reaktionstemperatur ermöglicht Die Reaktionsmischung kann ferner eine inerte Flüssigkeit wie ein
Mineralöl oder Decalin enthalten, um einen besseren Kontakt zwischen den Ausgangsstoffen vor und
während der Umsetzung zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Komponenten bei einer Temperatur unterhalb ihres
Siedepunktes gemischt werden. Die Mischung kann in ein verschließbares Reaktionsgefäß eingebracht werden.
Das Reaktionsgefäß kann verschlossen und die Komponenten können auf eine Temperatur von
mindestens 200°C für einen ausreichenden Zeitraum gebracht werden. Alternativ kann man das aktivierte
Silicium in einem Reaktionsgefäß anordnen, das verschließbar für die Einführung des Dialkyläthers und
des halogenhaltigen Katalysators ausgerüstet ist. wobei das aktivierte Silicium auf eine geeignete Reaktionstemperatur
erwärmt wird und die restlichen Komponenten in das Reaktionsgefäß unier einem geeigneten Druck
für einen geeigneten Zeitraum eingeführt werden. Andere geeignete Arbeitsweisen stehen dem Fachmann
ohne weiteres zur Verfügung. In jedem Fall wird der Druck in dem Reaktionsgefäß auf den Dampfdruck der
Komponenten bei der verwendeten Temperatur zurückzuführen sein. d. h. es wird ein autogener Druck
vorliegen.
Die Umsetzung schreitet bei Temperaturen oberhalb 200""C gut voran, doch sollte bevorzugt die Temperatur
für das Berühren der Ausgangsstoffe nicht so hoch sein, daß sich die gewünschten gebildeten Produkte zersetzen.
Die Umsetzung wird bei einer Temperatur von 200 bis 300°C für einen Zeitraum von einer bis einhundert
Stunden durchgeführt, wobei der Zeitbedarf im allgemeinen je niedriger ist desto höher die Temperatur
ist. Außerdem kann eine längere oder kürzere Reaktionszeit von der Aktivität des Siliciums, der
Wirksamkeit der Katalysatoren und der Reaktionsfä-
higkeit der DUY* j lather abhängen.
Wegen der Hydrolysierbarkeit der Silicium-Alkoxybindung
ist es bevorzugt, größere Wassermengen als Spurenmengen in der Reaktionsmischung wahrend der
Berührungsstufe bzw. der Umsetzung zu vermeiden.
Die Komponenten können in beliebigen Mengen in Abhängigkeit von der Größe des Reaktiorisgcfdiu-s
miteinander in Dialkyl-Berührung gebracht werden. Die Menge des Dialkyläthers, ausgedrückt in molaren
Teilen, die mit dem aktivierten Silicium in Berührung gebracht wird, ist größer als die Siliciummenge in dem
ektfvifvien Silicium, ausgedrückt in atomaren Teilen.
Das heißt, daß das Verhältnis der molaren Teile an Dialkyläther zu atomeren Teilen an Silicium einen Wert
von größer als 1 hat wie 1,01,1,1, IA 2,0,3,0,4,0,5,0,10,0
und größer.
Bei der Erfindung wird der Katalysator nur in katalytischen Mengen verwendet, d h. in einer Menge,
die ausreichend ist, um die Umsetzung mit der gewünschten Geschwindigkeit voranschreiten zu lassen.
Die Katalysatormengen wird zweckmäßigerweise als Verhältnis von molaren Teilen Katalysator zu atomaren
Teilen Silicium ausgedrückt, wobei dipses Verhältnis einen Wert von 0,001 bis 1,0, bevorzugt 0,01 bis 0,1 hat.
Nachdem die Umsetzung beendet ist, können die Reaktionsprodukte durch beliebige Methoden aufgearbeitet
werden, wie z. B. durch Filtration, Extraktion, Destillation, Veidampfung oder Dekantieren. Die
Reinigung der Reaktionsprodukte kann ebenfalls durch gut bekannte Arbeitsweisen erfolgen, wie durch
Fraktionierung oder Chromatographie.
Die bei der Erfindung erhaltenen Organosiliciumverbindungen enthalten mindestens einen an Silicium
gebundenen Alkylrest und mindestens einen an Silicium gebundenen Alkyloxyrest pro Molekül. Die an Silicium
gebundenen Alkylreste und Alkoxyreste der Organosiliciumverbindungen
leiten sich von dem Dialkyläther ab.
Die bei dem Verfahren nach der Erfindung erhaltenen Produkte können monomer in dem Sinn sein, daß sie nur
R2(RO)SiOSi(OR)1
(CHj)2(CH3O)SiOSi(OCH3)J
und der Formel
R(RO)2SiOSi(OR)2R
ein Siliciumatom pro Molekül enthalten, und/oder polymer in dem sie mehr als ein Siliciumatom pro
Molekül enthalten. Bei polymeicn Qrganosiliciumverbindi:ngen
sind die Siiidumatome durch Sauerstoffatome
verbunden.
Die bei dem Verfahren nach der Erfindung enthaltenen
Produkte sind Silane und Siloxane, die Jer mittleren
Einheitsformel
entsprechen, da der als Ausgangsstoff verwendete Dialkyläther der Formel ROR entspricht R bedeutet in
dieser Formel einen Alkylrest, wie er bereits definiert wurde. Bei einer sehr bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung gibt CH3OCH3 Methylmethoxysilane und
Methylmethoxysiloxane der mittleren Einheitsformel
-
In dieser Formel haben χ und y unabhängig
voneinander mittlere Werte vci größer als null bis drei,
z. B. 0,01, 0,1. 0,5, 1,0, 13, 13, 2,1, 2,>
und 3,0, wobei die Summe von χ + y einen Wert von 4,0 nicht übersteigt
Beispiele von Silanen, die unter Verwendung eines Äthers der Formel ROR hergestellt wurden und bei der.en x+y=4 ist, schließen ein Verbindungen der Formel R(RO)3Si, wie
Beispiele von Silanen, die unter Verwendung eines Äthers der Formel ROR hergestellt wurden und bei der.en x+y=4 ist, schließen ein Verbindungen der Formel R(RO)3Si, wie
CH3(CH3O)3Si.
CH3CH2(CHjCH2O)3Si
der Formel R2(RO)2Si wie
(CHj)2(CH3O)2Si.
(CHjCH2MCHjCH2O)2Si,
und der Formel R3(RO)Si wie
(CH3J3(CH3O)Si.
der Formel R2(RO)2Si wie
(CHj)2(CH3O)2Si.
(CHjCH2MCHjCH2O)2Si,
und der Formel R3(RO)Si wie
(CH3J3(CH3O)Si.
(CH3CH2J3(CHjCH2O)Si.
Beispiele von Siloxanen, die mit Äthern der Formel ROR erhalten wurden und bei denen x+y<4 ist,
schließen die Siloxane ein der Formel
CHjCH2CH2(CH3CH2CH2O)JSiOSi(OCH2CH2CHj)J(CHjCH2CHj)
Trisiloxane wie
R3SiO(R2SiO)2R
RO(R2SiO)3OR
RO(R2SiO)3OR
(ROSiR2O)2RSiOR
und
und
R(RO)2SiO(RXRO)SiOSi(OR)2R
und höhere Siloxane wie
RO(R2SiO)1OR
und höhere Siloxane wie
RO(R2SiO)1OR
bei denen R die bereits angegebene Bedeutung hat, ein.
Theoretisch sollte die Anzahl der an Silicium
gebundenen Alkylreste gleich der Anzahl der an Silicium gebundenen Alkoxyreste in dem Umsetzungsprodukt
sein, doch tritt während der Umsetzung ein Verlust an einigen an Silicium gebundenen Alkoxyreste.i
ein, was ohne Zweifel zur Bildung der beobachteten Siloxane führt. Infolgedessen ist die Anzahl der an
Silicium gebundenen Alkylreste in der Regel höher als die Anzahl der an Silicium gebundenen Alkoxyreste.
Dieser Verlust von an Silicium gebundenen Alkoxyresten ist jedoch nicht hoch, da die molare Menge der
Silane in der Regel die molare Menge der Siloxane in dem Produkt übersteigt.
Das Verfahren nach der Erfindung ist geeignet zur Herstellung von reaktionsfähigen Alkyl-Alkox ν - Siliciumverbindungen,
die in reiner Form isoliert werden können und in andere gut bekannte Siliciumverbindungen
umgewandelt werden können, wie /.. B. Flüssigkeiten.
Kautschuke und Harze. Die Reaktionsprodukte können auch von den nicht umgesetzten Ausgangsstoffen
ibgetrennt und direkt in Siliconprodukte durch bekannte Arbeitsweisen umgewandelt werden, z. B.
durch Hydrolyse. Kondensation und F.ndblockierung. wobei eine Reinigung vorher nicht erfolgt.
In den folgenden Beispielen wird die Erfindung noch
näher erläutert. Alle Angaben über Verhältnisse von Äther /u Silicium und von Katalysator zu Silicium sind
Verhältnisse von molaren Teilen zu atomeren Teilen.
atomare Teile Si
150 g eines Siliciumpulvers auf eine mittlere Teilchengröße
von 2.74 μπι innerhalb von 16 Stunden zusammen
mit Ί2 g Kupferpulver. 300 ml Hexan und 826 g Stahlkugeln zerkleinert. Die Analyse des Siliciumpulveri
\i:v metallurgischer Reinheit war wie folgt:
>98% Si. 0.44% Fe. 0,26% Al. 0.058% Ca. 0.005% Sn. 0.04%
Mn. 0.032% Ti. 0.015% V, 0.002% B. 0,014% Cr. 0.05%
Zn und 0.002% Pb. Das zerkleinerte und aktivierte Silicium enthielt auf 100 atomare Anteile Silicium, 3,3
atomare Teile Kupfer. 0.3 atomare Teile Eisen. 0.43 atomare Teile Aluminium und 0.13 atomare Teile
Calcium. Für die anderen Elemente wurde keine Analyse durchgeführt.
Ein 300-ml-Stahlautoklav wurde mit einer Mischung
eines Teils der aktivierten Siltciumlegierung und etwa 350 molaren Teilen Dimethyläther und einem molaren
Teil Methylbromid für 100 atomare Teile Silicium in der
in den Autoklaven eingebrachten Legierung beschickt. Der geschlossene Autoklav wurde unter autogenem
Druck 20 Stunden auf 258" C erwärmt, dann wurde er gekühlt und sein Inhalt wurde mit Benzol extrahiert, um
die löslichen Materialien von den unlöslichen Rückständen zu trennen. Der Benzolextrakt wurde einer
Gas-Flüssigkeit-Chromatographie unterzogen, um den Anteil von jeder flüchtigen Komponente in dem Extrakt
in Relation zu der bekannten Benzolmenge festzustellen. Der Extrakt wurde außerdem noch auf seine
kernmagnetische Resonanz untersucht, um den Anteil an Si—CH^-Gruppen Si—OCH3-Gruppen in dem Extrakt
in Relation zu der bekannten Benzolmenge festzustellen. Aus diesen Werten wurden die Äquivalente
der Si—CH3-Gruppen und der Si—OCHj-Gruppen
pro angesetztem atomaren Siliciumanteil berechnet und in Äquivalentprozente (Ä%) wie folgt umgewandelt:
Ä%
ei1te^i=<^^X^0= 74
atomare Teile Si
150 g des Siliciumpuivers von metallurgischer
tn Reinheit vom Beispiel I wurden in einer Kugelmühle mit
13 g Kupferpulver. 1.5 g Zinnpulver, 3 g Quecksilber und
300 ml Hexan zerkleinert, wobei eine aktivierte Siliciumlegierung entstand, die auf 100 atomare Teile Si.
die nachstehend angegebenen atomaren Teile von
ii mindestens einem FJement enthielt: 3,4 Cu. 0.22 Fe, 0,43
Al. 0.13 Ca. 0,25 Hg und 0,21 Sn. Nach anderen
Elementen wurde nicht analysiert.
Fin 300-ml-Autoklav wurde mit einer Mischung der
Legierung, etwa 350 molaren Teilen Dimethyläther und
.'ii 10 molaren Teilen Methylbromid für jeweils 100
atomare Teile Silicium in der aktivierten Legierung beschickt. Der verschlossene Autoklav wurde unter
autogenem Druck 16 Stunden auf 262DC erwärmt und sein Inhalt wuroe wie in Beispiel 1 mit dem folgenden
r, Ergebnis analysiert: Ä% (SiCH1)= 130 und Ä%
(SiOCH 0 = 65.
Der Vorsuch wurde unter Zugabe von Decalin zur
ReaktionsHschung wiederholt. Der verschlossene Autoklav wurde 17 Stunden auf 266CC erwärmt und sein
jo Inhalt wurde mit folgendem Ergebnis analysiert: Ä%
(SiCHi)= 160 und Ä% (SiOCH1) = 89.
Ein Pulver einer Siliciumlegierung mit einer mittleren 3i Teilchengröße von 2.82 μιη. das vorher 10 Stunden auf
3003C in Gegenwart von : ■ ;thylchlorid erwärmt
worden war. wurde mit Hexan gewaschen, getrocknet und analysiert. Es enthielt in Gewichtsanteilen 5,5% Cu.
3.3% Fc. 2,9% Al, 0.27% Ca. 0,05% Zn. 0.01% Sn. 1.5%
Cl und als Restbestandteil Si. Diese katalysierte Legierung wurde auf 2625C für bis zu 50 Stunden in
verschlossenen Glasampullen mit der lOfach molaren Menge an Dimethyläther für jeden Atomteil Si in der
aktivierten Legierung erwärmt. Die Reaktionsmischung wurde wie in Beispiel 1 analysiert, wobei eine graduelle
Zunahme der Werte für Ä% (SiCH1) von 40 bei 4 Stunden auf etwa 80 bei 50 Stunden und von Ä°/o
(SiOCHi) von 20 bei 4 Stunden auf etwa 60 bei 60 Stunden beobachtet wurde.
Die aktivierte, katalysierte Siliciumlegierung von Beispiel 3 wurde in verschlossenen Glasampullen 16
Stunden bei 260=C zusammen mit Dimethyläther und zusätzlichem Katalysator erwärmt. In Tabelle I sind die
Parameter dieses Versuches und die erhaltenen Ergebnisse zusammengefaßt.
Die aktivierte, katalysierte Siliciumlegierung von Beispiel 3 wurde mit Dimethyläther unter verschiedenen
Bedingungen in verschlossenen Glasampullen erwärmt. Diese Reaktionsbedingungen sind in Tabelle II
zusammengefaßt Die erhaltenen Produkte wurden durch Gasphasen-Cnromatographie isoliert und durch
kernmagneiische Resonanzmessungen und Massenspektroskopie
identifiziert
Die aktivierte, katalysierte Siliciumlegierung von Beispiel 3 wurde mil verschiedenen symmetrischen
Alkyläthern 16 Stunden bei 255" ±5"C in verschlossenen
Glasampullen erwärmt. Die Versuche sind in Tabelle III zusammengefaßt.
Die mit Diäthyläther erhaltenen Produkte schlossen folgende Verbindungen ein:
At2Si(OAt)21AtSi(OAt)J,
[AtSi(OAt)2J2O und
[AtSi(OAt)2O]2SiAl(OAt).
In diesen Formeln bedeutet Al einen Äthylrest.
In diesen Formeln bedeutet Al einen Äthylrest.
Mit Di-n-propyläther wurden folgende Produkte
erhalten
Pr2Si(OPr)21PrSi(OPr)3,
Pr2(PrO)SiOSi(OPr)2Pr und
[PrSi(OPr)2J2O.
wobei in diesen Formeln Pr einen n-Propylrest bedeutet.
Mit Üi-iso-amyiather wurde ein Fruduki eilialien. in
dem folgende Verbindungen vorkamen:
Am2Si(OAm)2, AmSi(OAm)) und
[AmSi(OAm)2]JO.
wobei Am einen Isoamylrest bedeutet.
wobei Am einen Isoamylrest bedeutet.
Zur Herstellung von verschiedenen Siliciumproben
wurde inaktives halbierendes polykristallines Silicium
verwendet. Probe 7-1 wurde hergestellt, indem 100 atomare Teile Si und 1,9 molare Teile CuO auf 1072° C in
einer Wasserstoffatmosphäre erwärmt wurden. Probe 7-2 wurde hergestellt, indem in einer Ringmühle 100
atomare Teile Si und 0,9 bis 4,0 atomare Teile Cu zu einem feinen Pulver zerkleinert wurden. Probe 7-3
wurde hergestellt, indem in ähnlicher Weise 100 atomare Teile Si, 3,4 atomare Teile Cu und 0,23 atomare
Teile Sn zerkleinert wurden. Probe 7-4 wurde hergestellt, indem in ähnlicher Weise 100 atomare Teile
Si und 0,28 atomare Teile Sn zerkleinert wurden. Probe 8-5 wurde hergestellt, indem in einer Kugelmühle 100
atomare Teile Si und 33 atomare Teile Cu zu einem feinen Pulver zerkleinert wurden. Probe 7-6 wurde
hergestellt, indem die Probe 7-5 in einer Wasserstoffatmosphäre auf 10520C 0,5 Stunden erwärmt wurde. Mit
diesen Legierungen wurde Dimethyläther und ggf. auch CH3Br unter verschiedenen Bedingungen in verschlossenen
Glasampullen erwärmt. Die erhaltenen Produkte wurden wie in Beispiel 1 analysiert. Die Ergebnisse sind
in Tabelle IV zusammengefaßt. Aus diesen Ergebnissen geht hervor, daß halbleitendes Silicium schwer zu
aktivieren ist.
Metallurgisches Silicium, wie in Beispiel 1, wurde zur Herstellung von einigen aktivierten Siliciumlegierungen
verwendet Probe 8-1 wurde hergestellt indem pulverförmiges Silicium mit einer wäßrigen Lösung von
CUSO4 · 5 H2O und HF zur Ablagerung von Kupfer auf
die Siliciumlegierung geschüttelt wurde. Probe 8-2 wurde hergestellt, indem Probe 8-1 mit wäßrigem HgCb
geschüttelt wurde, um eine aktivierte Legierung herzustellen, die 13 atomare Teile Kupfer und 0,14
atomare Teile Hg auf 100 atomare Teile Si enthielt Probe 8-3 wurde hergestellt, indem pulverförmiges
Silicium mit einer wäßrigen Lösung von CuSO4 ■ 5 H2O,
HF und SnF2 und nachher mit einer wäßrigen Lösung von HgCb geschüttelt wurde. Probe 9-4 wurde
hergestellt indem Probe 8-1 in einer Wasserstoffatmosphäre 50 Minuten auf IOOO°C erwärmt wurde. Jede der
erhaltenen aktivierten Siliciumlegierungen, mit Ausnahme der Probe 8-4, wurde gewaschen, getrocknet und mit
Dimethyläther. Methylbromid und Decalin in verschlos- > senen Glasampullen erwärmt. Die erhaltenen Produkte
wurde wie in Beispiel I analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengefaßt.
Es wurden einige aktivierte Siliciumlegierungen hergestellt, indem ein metallurgisches Silicium mit
Kupfer und ggf. auch mit Zinn und Quecksilber in einer Kugelmühle zerkleinert wurde. Das metallurgische
Silicium hatte folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
97.5% Si. 0,49% Fe1 0,46% Al, 0,14% Ca, 0,012% Cu,
0.015% Zn. 0.01% Mg. 0,014% Mn, 0,04% Ti, 0,025% V,
0,003% Ni und 0,0024% B. Probe 9-1 enthielt in atomaren Teilen des Elements auf 100 atomare Teile Si
4.6 Cu. 1,0 Hg und 0,14 Sn. Probe 9-2 enthielt unter
zu anderen Bc;!ar;dtei!er! auf dis gleiche Basis bangen 3.8
Cu, 0,02 Hg und 1,4 Sn. Probe 9-3 enthielt auf die gleiche
Basis bezogen 3,4 Cu und 7,8 Sn unter anderen Bestandteilen. Probe 9-4 enthielt in ähnlicher Weise auf
die gleiche Basis bezogen 3,7 Cu unter anderen Bestandteilen. Probe 9-5 enthielt auf die gleiche Basis
bezogen 3,4 Cu, 0,25 Hg und 0.2 Sn unter anderen Bestandteilen.
Jede der erhaltenen aktivierten Siliciumiegierungen wurde mit Dimethyläther, Methylbromid und Decalin in
verschlossenen Glasampullen erwärmt und die Reaktionsmischung wurde wie in Beispiel 1 analysiert. In
Tabelle VI sind die Ergebnisse zusammengefaßt.
Zur Herstellung der Probe 10-1 wurde eine Ferrosiliciumlegierung, die etwa 70,3% Si, 26,9% Fe,
1,8% Al und 1% Ca enthielt, zu einem feinen Pulver zerkleinert, die auf 100 atomare Teile Si die folgenden
Bestandteile in atomaren Teilen enthielt: 19,2 Fe, 2,7 Al
und 1,0 Ca. Probe 10-2, die außer den genannten Bestandteilen noch 0,13 atomare Teile Cu enthielt,
wurde hergestellt, indem Probe 10-1 mit Kupferpulver zerkleinert wurde. Probe Π-3, die 0,13 atomare Teile
Cu, 0,01 atomare Teile Hg und 0,008 atomare Teile Sn zusätzlich zu den Bestandteilen der Probe 10-1 enthielt,
wurde hergestellt, indem die Probe 10-1 mit Kupfer, Quecksilber und Zinn zerkleinert wurde.
Jede der erhaltenen aktivierten Siliciumlegierungen wurde in einer verschlossenen Glasampulle mit
Dimethyläther und Methylbromid erwärmt Die Reaktionsprodukte wurden wie in Beispiel 1 analysiert. Die
Ergebnisse sind in Tabelle VII zusammengefaßt
Eine Calcium-Siliciumlegierung, die etwa 65,0% Si, 27,48% Ca, 6,25% Fe und 1,25% Al enthielt wurde zu
einem feinen Pulver zerkleinert um die Probe 11-1 zu
ergeben, die auf 100 atomare Teile Si, die nachstehenden Anteile der folgenden Elemente enthielt: 29,5 Ca, 4,8 Fe
und 2,0 Al. Probe 11-2 wurde hergestellt indem die Probe 11-1 mit einer wäßrigen Lösung von
Q1SO4 ■ 5 H2O und HF gerührt wurde, um auf der
Legierung Kupfer abzuscheiden. Probe 12-3 wurde durch Zerkleinern der Probe 11-1 mit Kupfer, Zinn und
Quecksilber hergestellt.
Jede der erhaltenen aktivierten Siliciumlegierungen wurde in verschlossenen Giasampuiien mit Dimethyläther
und Katalysator erwärmt Die Reaktionsprodukte
ti
wurden wie in Beispiel t analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII zusammengefaßt.
Vergleichsversuch
In diesem Vergleichsversuch wird nachgewiesen, daß
Dimethyläther Tiit Silicium in Abwesenheit eines verschlossenen Systems nicht reagiert.
Es wurde gasförmiger Dimethyläther durch ein Festbett von pulverförmigem .Silicium geleitet, das in
einem durch einen Ofen erwärmten Edelstahlrohr angeordnet war.
Das Rohr besaß eine Packung einer Silicium-Kupferlegierung,
die durch Erwärmen einer innigen Mischung eines pulverförmigen metallurgischen Siliciums und von
Kupfer-l-chlorid bei 3500C in einem Rohr hergestellt
worden war. Während der Erwärmung auf 3500C bildete sich Siliciumtetrachlorid. An einem Ende des
Rohres wurde Dimethyläther mit verschiedenen Geschwindigkeiten eingeleitet. In der Regel war die
Geschwindigkeit derartig, daß die berechnete Berührungszeit mit dem Silicium bei etwa 2 Minuten lag. Die
das zweite Ende des Rohres verlassende Dämpfe wurden bei -78°C kondensiert und periodisch durch
Gas-Chromatographie analysiert. Die Temperatur des Siliciumbetts wurde zwischen 200° und 485°C variiert.
Unter diesen Bedingungen bestand das Kondensat aus unverändertem Dimethyläther. Es wurden keine höhersiedenden
Anteile festgestellt.
Es wurde dann ein kleiner Anteil an Methylalkohol dem Gasstrom des Dimethyläthers zugegeben. In dem
Kondensat wurde dann Trimethoxysilan in einer Menge entsprechend der Gleichung
3MeOH + Si- (MeO)3SiH + H2
festgestellt. Es wurden auch diesmal keine Produkte gefunden, die auf die Reaktion des Siliciums mit dem Dimethyläther zurückzuführen wären.
festgestellt. Es wurden auch diesmal keine Produkte gefunden, die auf die Reaktion des Siliciums mit dem Dimethyläther zurückzuführen wären.
D.inn ν-;rde I ,!-Dibromäthan dem Dimethyläther-Ausgangsstoff
zugesetzt. In dem Kondensat wurde jetzt
ί Methylbromid festgestellt. In ähnlicher Weise wurde
eine Reihe von verschiedenen organischen Bromiden dem Dimethyläther zugesetzt. In jedem Fall wurde
Methylbromid in dem Kondensat gefunden, aber keine Organosiliciumverbindungen. Bei Einführung von was-
in serfreiem Chlorwasserstoff in den Strom des Dimethyläthers
wurden hohe Mengen an. Methylchlorsilanen gefunden.
Ähnliche Versuche wurden mit Rohren durchgeführt, die verschiedene Qualitäten von Silicium in Mischung
ii mit Metallen und Salzen als Katalysatoren für die
Umsetzung mit Dimethyläther enthielten. Bei Zusatz von Zinkbromid wurde Methyibromid im Produkt
gefunden. Aluminium und Aluminitimmethoxid verwandelten
einen Teil des Äthers zu Dimethoxymethan. In keinem Fall wurden Produkte gefunden, die auf der
Umsetzung zwischen Silicium und Dime'hyläther beruhen.
(CH, hO/Si | Zusätzlicher | Ä% SiCH3 | Ä%SiOCH, |
Katalysator | |||
(Kat./Si) | |||
26,3a) | CH3Br (0,53) | 150 | 70 |
3,1 | CH-Cl (0,09) | 50 | b) |
2,1 | CH3Br (0,06) | 130 | b) |
') Auch Mineralöl vorhanden.
b) Nicht gemessen.
b) Nicht gemessen.
Reaktionsbedingungen | Beispiel 5-1 | Beispiel 5-2 | 4,9 | Beispiel 5-3 | a) |
Temperatur, 0C | 260 | 272 | 8,4 | 261 | 64,4 |
Zeit, h | 15 | 15 | 0,4 | 6 | ') |
(CH^O/Si | 0,78 | 1,09 | 2,4 | 1,83 | ') |
CH3Br/Si | 0 | 0 | 0,7 | 0,08 | a) |
Mineralöl | 0 | 0 | 0,003 | *> | |
Ä% (Produkt) | a) | ||||
(CH3)jSi(OCH3) | 3 | 5,4 | a) | ||
(CHj)2Si(OCH3), | 12,8 | 18,2 | a) | ||
(CH3)Si(OCH3)3 | 1,1 | 16,0 | |||
(CHj)2CH3SiOSi(CH3)-, | 0,9 | a) | |||
(CH3^SiOl(CHj)2SiO]2CH3 | 3,5 | ||||
CH3OI(CH3^SiO]3CH3 | 8,4 | ||||
[(CHj)2CH3OSi]2Si(CH3)OCH3 | 2,0 | ||||
CH3OI(CHj)2SiOJ4CH3 | 3,2 | ||||
CH3[(CH3)2SiO]2Si(CH3XOCH3)OSi(CH3)2OCH3 | 2,1 |
')
Nicht gemessen.
13
14
Äther
Diäthyl
Di-n-propyl
Di-i-amyl
Di-i-amyl
*) Vorhanden.
Tabelle IV
Tabelle IV
Ather/Si | Zusätzlicher | Zusätzlicher | A% SiR | A% SiOR |
Katalysator | Katalysaioi/Ci | |||
2,67 | kein | 0 | 3 | 3 |
2,23 | CM5CH2Br | 0,02 | 14 | 13 |
2,73 | CH3CH2I?' | 0,02 | 118 | 92 |
1,69 | kein | 0 | kein | kein |
1,69 | CH,CH,Br | 0,14 | 78 | 60 |
0,94 | kein | 0 | kein | kein |
0,96 | CH3Br | 0,07 | a) | 41 |
0,98 | CH1Br | 0,07 |
a\
/ |
42 |
Siliciumprobe
(CH3)2O/Si
CH3Br/Si
Bedingungen
Ä% SiCH
7-1 0,49
7-2 3,14
7-2 3,14a)
7-3 2,60
7-3 2,60")
7-4 2,30a)
7-5 2,62
7-6 4,09
*) Decalin anwesend. Tabelle V
0,09
0,09
0,08
0,08
0,03
0,08
0,01
243X715 h 262X716 h 262X716 h
266 C716h 266 C/16h 250 C/16h
258 C/16h 259X716 h
kein kein kein 23 32 kein 0,5 kein
Siliciumprobe
(CH3)2O/Si
CH,Br/Si
Bedingungen
A% SiCH3
8-1
8-2
8-3
8-4
8-2
8-3
8-4
3,16 3,80 2,64 3,32a)
0,16 0,16 0,09 0,09
257X716 h
257 C/16h 260 C/15h
258 C/18h
30 120
9! 126
a) Kein Decalin; Spuren von HgBr2 zugegeben.
Siiiciumprobe
(CH3)2O/Si
CH3Br/Si
Bedingungen
Ä% SiCH3
9-1 | 2,28 |
9-2 | 2,16 |
9-3 | 2,29 |
9-4 | 2,20 |
9-5 | 2,40 |
9-5 | 2,38 |
9-5 | 2,50 |
a1 Kein Decaün. |
0,öo
0,08
0,08
0,08
0,17
0,Ü9s)
0a)
258 C/lfih 283"C/lÖh
266X716 h 257X:/16h 257;C/i6h
257X/16h 257X716 h
113 147 129 42 102 107 kein
15 | 28 14 327 | 16 | I | I | 130 261/380 | |
Tabelle VII | 1 | 1 I |
||||
Siliciumprobe | (CH3)3O/Si | CH3Br/Si | Bedingungen | Ä% SiCH3 \ | j | |
10-2 | 4,16') | 0,14 | 260-C/16 h | 1,3 § | I V .?■ |
|
10-3 | 5,23') | 0,12 | 260cC/16h | 64 ] | ||
10-3 | 4,49 | 0,12 | 260°C/16 h | 43 | ||
10-3 | 4,58") | 0,12 | 260°C/16 h | 70 | ||
a) Decalin anwesend. | ||||||
Tabelle VIII | ||||||
Siliciumprobe | (CH3)jO/Si | Katalysator (Katalysator/Si) |
Bedingungen | Ä% SiCH3 | ||
11-2 | 3,81 | CH3Br (0,13) | 257-C/16 h | 12 :ΐ | ||
11-3 | 4,70 | CH3Br (0,13) | 259Χ/Ί6 h | 4 | ||
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Alkyl-alkoxy-siliciumverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß man
(a) aktiviertes Silicium,
(b) einen symmetrischen Dialkyläther mit 2 bis 10
Kohlenstoffatomen im Molekül und
(c) ein Alkylchlorid oder Alkylbromid
in einem geschlossenen System bei 200 bis 3000C,
gegebenenfalls in einem inerten Lösungsmittel, umsetzt, wobei man mehr als 1 molaren Teil
Dialkyläther und 0,001 bis 1,0 molare Teile Alkylchlorid oder Alkylbromid für jeden atomaren
Teil Silicium einsetzt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Dimethyläther oder Diäthyläther
einsetzt.
20
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-
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