DE69531777T2

DE69531777T2 - Verfahren zur darstellung von lithiumalkylamiden

Info

Publication number: DE69531777T2
Application number: DE69531777T
Authority: DE
Inventors: W. Randy HALL; W. Conrad KAMIENSKI; C. Robert MORRISON; F. John ENGEL
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2015-03-02
Also published as: EP0752995B1; AU1936695A; WO1995023803A1; DE69531777D1; EP0752995A1; EP0752995A4; US5493038A

Description

Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumalkylamiden durch Reaktion von Lithiummetall in Schüttgut- oder Bulkform mit einem Alkylamin.
Lithiumalkylamide der Formel (R₃M)_xNLi(R¹)_y·(LB)_z, worin M = Si oder C, LB = Lewis-Base, R und R¹ Alkyl, Cycloalkyl und Alkylen-Gruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, x + y = 2, z > 1 darstellen. Beispiele sind Lithiumhexamethyldisilazid und Lithiumdiisopropylamid. R₃M und R¹ können kombiniert werden (worin M = C), um einen divalenten Alkylenrest zu geben, wobei sich ein cyclisches Alkylamid ergibt, worin R und R¹ zusammengenommen 4 bis 8 Kohlenstoffatome; wie zum Beispiel die N-Lithiosalze von Pyrrolidin und Hexamethylenimin, enthalten können. Lithiumalkylamide werden zur Herstellung pharmazeutischer Zwischenprodukte und bei der allgemeinen organischen Synthese verwendet. In WO-A-9509141, angemeldet am 30. September 1993, ist ein Verfahren zur Herstellung klarer Suspensoid-freier Lösungen aus Lithium-tert-Butoxid in etherischen oder Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln durch Reaktion von Lithiummetall in Schüttgut- oder Bulkform mit einer limitierenden Menge an tert.-Butylalkohol beschrieben. In US-Patenten 5,002,689 und 4,595,779 sind Verfahren zur Herstellung von Lithiumdialkylamiden in Ether oder in gemischten Ether-Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln unter Verwendung von Lithiummetall in einem fein dispergierten Zustand beschrieben.
Obwohl Lithiummetall in einem fein dispergierten Zustand rasch mit Alkylaminen in gemischten THF-Kohlenwasserstoffmedien in Gegenwart eines Elektronenträgers, wie zum Beispiel Styren, reagiert, sind solche Lithiumdispersionen kostspielig herzustellen, wobei die Schritte (a) Erhitzen von Bulk-Lithiummetall und Mineralöl auf ca. 190–200°C in Gegenwart eines Dispersionshilfsmittels, wie zum Beispiel Ölsäure, (b) Rühren des resultierenden geschmolzenen Gemischs bei hohen Geschwindigkeiten in einer Spezialdispersionseinheit zur Herstellung der benötigten kleinen Partikelgrößen (im Allgemeinen weniger als 100 Mikron), dann (c) Abkühlen des Produktes (bevorzugt ohne Rühren) und dann schließlich (d) Entfernen des Mineralöls aus den erstarrten Lithiummetallpartikeln durch mehrmaliges Waschen mit einem flüchtigen Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel, wie zum Beispiel Hexan oder Pentan, erforderlich sind. Das flüchtige Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel kann optional mittels Durchblasen mit einem Inertgas, wie zum Beispiel Argon, entfernt werden oder bevorzugter einmal oder mehrmals mit dem Reaktionslösungsmittel vor der Reaktion mit dem Alkylamin gewaschen werden.
Außer der Kostspieligkeit der Herstellung kann die Lithiumdispersion dem sich ergebenenden Lithiumalkylamin-Produkt, das in THF- oder gemischten THF-Kohlenwasserstoff-Lösungsmittelmedien aufgelöst ist, auch unerwünschte Verunreinigungen, wie z. B. Mineralöl- und Ölsäure-Abbauprodukte, und flüchtige Kohlenwasserstoffe zufügen.
Aufgrund der extrem kleinen Größen der Lithiummetallpartikel kann auch ein hoher Anteil an Feststoffverunreinigungen von kleiner Größe vorhanden sein, nachdem die Reaktion mit dem Alkohol abgeschlossen ist. Verunreinigungen auf der Lithiumoberfläche verlangsamen die initiale Reaktion. Diese Verunreinigungen entstehen aus Nebenreaktionen mit Sauerstoffspuren in der inerten Atmosphäre, Wasserspuren im Lösungsmittel und Alkylamin und mit dem Lösungsmittel selbst. Diese kleinen Feststoffverunreinigungen (einschließlich jedweder nicht umgesetzter Lithiummetallpartikel) verursachen Filtrationsprobleme, obwohl die Verwendung eines Überschusses des Alkylamins im Allgemeinen nicht umgesetztes Lithiummetall beseitigt.
Ein erfindungsgemäßer Gegenstand betrifft die Bereitstellung eines Verfahrens zur schnellen Herstellung in hoher Ausbeute leicht trennbarerer Lithiumalkylamid-Lösungen in einer wirtschaftlich realisierbaren Zeitspanne von 1 bis 10 Stunden, umfassend die Schritte des Reagierens von Lithiummetall in Bulkform ["Bulk"-Form wird hierin als Lithiummetall wie von der Herstellung in einer Elektrolytzelle ohne weiteres Umschmelzen in einem Kohlenwasserstofföl erhalten, um die Zerkleinerung davon mittels irgendeiner Form des Rührens zu bewirken. Das Bulk-Lithiummetall kann weiter mittels eines Extrusionsverfahrens und anschließendes Schneiden in kleinere, leichter handhabbare Stücke oder selbst durch direktes Schneiden des Zell-"Blocks" in kleinere Stücke, aber im Allgemeinen nicht kleiner als 0,5 g pro Stück], mit einem Alkylamin in Molverhältnissen von Lithiummetall zu Alkylamin im Bereich von 0,9 zu 1 bis 10 zu 1 in einem etherischen oder gemischten etherischen/Kohlenwasserstoff-Medium unter einer inerten Atmosphäre bei erhöhter Temperatur, Abkühlen des Produktes und Trennen des Produktes von dem nicht umgesetzten Lithiummetall in dem Reaktor, größenmäßig weiter reduziert werden; das Verfahren wird zweckmäßigerweise durch Zufügen von zusätzlichem Lösungsmittel, genügend Lithiummetall und Alkylamin zu dem nicht umgesetzten Metall im Reaktor zur Aufrechterhaltung des Molverhältnisses von Lithiummetall zu Alkylamin und Fortsetzung der Reaktion, um dadurch weiteres Lithiumalkylamid zu bilden und mehrmalige Wiederholung genannter Schritte fortgesetzt.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung leicht trennbarer Lithiumalkylamid-Lösungen vorgesehen, wie anhand der Formel (R₃M)_x(R¹)_yNLi(LB)_z erläutert, dadurch gekennzeichnet, dass M Silizium oder Kohlenstoff ist. R und R¹ C₁-C₈-Alkyl-, Cycloalkyl- oder Alkylen-Gruppen sind, LB eine Lewis-Base ist, x und y für ganze Zahlen, die gleich 2 sind, stehen und z größer als 1 ist, umfassend die Schritte des Reagierens von Lithiummetall in Bulkform mit einem Alkylamin in Molverhältnissen von Metall zu Alkylamin im Bereich von 0,9 : 1 bis 10 : 1 in einem Lösungsmittel, ausgewählt aus etherischen oder gemischten etherischen/Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln in Gegenwart eines Elektronenträgers, ausgewählt aus der Gruppe, die aus konjugierten Dienen, vinylaromatischen und polycyclischen aromatischen Verbindungen besteht, unter einer inerten Atmosphäre für die Dauer von 1 bis 10 Stunden bei einer signifikanten Temperatur, um das Bulk-Lithiummetall mit genanntem Alkylamin zu reagieren, Abkühlen des Produktes und Trennen der Produktlösung von dem nicht umgesetzten Lithiummetall in dem Reaktor.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Herstellung leicht trennbarer Lithiumalkylamid-Lösungen vorgesehen, gekennzeichnet durch die Schritte des Reagierens des Lithiummetalls in Bulkform mit einem Alkylamin in Molverhältnissen von Metall von Alkylamin im Bereich von 0,9 : 1 bis 10 : 1 in einem Lösungsmittel, ausgewählt aus etherischen oder etherischen/Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln in Gegenwart eines Elektronenträgers, ausgewählt aus der Gruppe, die aus konjugierten Dienen, vinylaromatischen und polycyclischen aromatischen Verbindungen besteht, unter einer inerten Atmosphäre für die Dauer von 1 bis 10 Stunden bei einer ausreichenden Temperatur, um das Bulk-Lithium mit genanntem Alkylamin zu reagieren, Abkühlen des Produktes und Trentten der Produktlösung von dem nicht umgesetzten Lithiummetall in dem Reaktor, Zufügen von zusätzlichem Lösungsmittel und ausreichendem Lithiummetall, Elektronenträger und Alkylamin zu dem nicht umgesetzten Metall in dem Reaktor, um das Molverhältnis von Lithiummetall zu Alkylamin wiederherzustellen und Fortsetzen der Reaktion, wodurch weiteres Lithiumalkylamid gebildet wird und mehrmaliges Wiederholen dieser Verfahrensschritte.
Unerwartet überkommt das erfindungsgemäße Verfahren Probleme, denen bei der Verwendung von Lithiummetall in einem fein verteilten (dispergierten) Zustand, ohne eine große Verlängerung der Reaktionszeit zu erfahren, durch die Verwendung eines ausreichenden Überschusses von Lithiummetall in Bulkform (über das verwendete Alkylamin hinausgehend) begegnet wird. Verunreinigungen auf der Lithiumoberfläche verlangsamen die initiale Reaktion.
Überraschenderweise liegt die zur Erhaltung einer vergleichbaren Gesamtreaktionszeit benötigte Lithiummetallmenge in Bulkform im Vergleich zu Lithium in dispergierter Form nur in der Größenordnung des ca. 2- bis 3fachen.
So beträgt zum Beispiel die Oberfläche eines Grammäquivalents von Lithiummetallpartikeln von 20 Mikron im Durchmesser ca. 13.000 Quadratzentimenter, während die Oberfläche einer äquivalenten Menge an Lithiummetallwürfeln mit Abmessungen von einem Zentimeter mal einem Zentimeter mal einem Zentimeter nur 79 Quadratzentimeter, eine 166-mal größere Oberfläche für das dispergierte Lithium, beträgt. Man würde deshalb erwarten, dass die relative Lithiumenge in Bulkform, die benötigt wird, um eine mit dem dispergierten Lithium vergleichbare Gesamtreaktionsrate zu geben, in der Größenordnung von 166-mal größer ist. Anstelle dessen wurde festgestellt, dass nur ca. zwei bis drei Äquivalente des Lithiummetalls in der Form von 1/2 Inch (1,77 cm) mal 1/2 Inch (1,77 cm) Stäben mit einem Äquivalent des Alkylamins in einer vergleichbaren Gesamtreaktionszeit (2–3 Stunden) verglichen mit einem Äquivalent des zu Partikeln von 20 Mikron im Durchmesser dispergierten Lithiummetalls (ca. 1–2 Stunden) reagieren. Siehe Tabelle.
Nachdem die Reaktion eines der 2–3 Äquivalente des Bulk-Lithiummetalls abgeschlossen ist, kann die leicht trübe Produktlösung ohne weiteres von dem nicht umgesetzten schwebenden Metall dekantiert und schnell filtriert werden. Eine andere Reaktion kann in dem gleichen Reaktor begonnen werden, wobei nur ein anderes Äquivalent von jeweils jedem des Lithiummetalls und Alkylamins, die Hälfte eines Äquivalents von Styren und die erforderliche Lösungsmittelsmenge zugefügt wird. Wenn das Verfahren einmal oder mehrmals im gleichen Reaktor wiederholt werden soll, ist es vorteilhaft, aber nicht notwendig, sofort zusätzliches Lösungsmittel zuzufügen, nachdem das Produkt von der vorangegangenen Reaktion zurückgewonnen ist. Die Vorkonditionierung des Lithiummetalls scheint jedoch bei dem Übergang von dem ersten Durchlauf auf den zweiten oder die nachfolgenden Durchläufe kein Problem darzustellen. Das Lithimmetall wird nach der Reaktionseinleitung vollkommen glänzend, und die Gesamtreaktionszeiten für diese Durchläufe sind, abhängig von der Reaktionstemperatur, ungefähr gleich.
Die Leichtigkeit der Trennung der Produktlösung aus dem nicht umgesetzten Lithiummetall wird in jedem nachfolgenden Durchlauf aufrechterhalten, und es liegt kein gefährliches, nicht umgesetztes Lithium vor, das wie in den Durchläufen unter Verwendung von dispergiertem Lithium entsorgt werden muss.
Es scheint keine Abhängigkeit der Reaktionsrate von der enthaltenen Natriumkonzentration in dem in der Reaktion mit Alkylaminen verwendeten Lithiummetall zu bestehen, wie sie mit tertiärem Alkohol bemerkt wurde.
Es ist ziemlich unerwartet, dass die Größe der in der Reaktion mit Alkylaminen in Tetrahydrofuran oder Tetrahydrofuran-Kohlenwasserstoffgemischen verwendeten Lithiummetallstücke, abhängig von der Chargengröße der Durchläufe, weitgehend variiert werden kann, ohne sich unangemessen (reduzierend) auf die Gesamtreaktionszeit auszuwirken. Folglich kann jede der allgemein im Handel erhältlichen Lithiummetallgrößen eingesetzt werden, oder es können Segmente [Stücke] aus diesen geschnitten werden.
Die Größen des im Handel erhältlichen Bulk-Lithiummetalls, die verwendet werden können: ein Inch (2,5 cm) im Durchmesser mal 8 Inch (20,3 cm) lange Stäbe, 1/2 Inch (1,27 cm) mal 6,5 Inch (16,5 cm) lange Stäbe, 2,25 Inch (5,7 cm) mal 3,38 Inch (8,6 cm) lange zylindrische Blöcke [1/4 lb], 3 Inch (7,6 cm) im Durchmesser mal 3,8 Inch (9,7 cm) lange zylindrische Blöcke [1/2 lb (227 g)], 4 Inch (10,2 cm) im Durchmesser mal 5 Inch (12,7 cm) lange zylindrische Blöcke [1 lb (454 g)] und zwei Pfund (908 g) schwere trapezförmige Blöcke mit Abmessungen von 2,5/3,5 Inch (6,4/8,9 cm) breit mal 3,25 Inch (8,3 cm) hoch mal 10,5 Inch (26,7 cm) lang. Vergleichsweise wird eine Lithiummetall-Dispersion, 30 Gewichtsprozent, in Mineralöl mit 90% der Partikel größer als 10 Mikron (0,001 cm), aber weniger als 50 Mikron (0,005 cm), (Durchschnitt: 20 Mikron – 0,002 cm) verwendet.
Die eingesetzte optimale Größe des Lithiummetalls hängt von der Größe der durchzuführenden Reaktion ab. Im Allgemeinen ist die Größe der eingesetzten Lithiumstücke dergestalt, dass die Gesamtreaktionszeit weniger als 8–10 Stunden beträgt. Die Metallstücke sollten als diskrete Partikel leicht sichtbar sein, d. h. nicht durch ein Dispersionsverfahren hergestellte Partikel wie vorstehend beschrieben [weniger als 0,1 Millimeter] sein und sollten im Allgemeinen mindestens 0,5 g pro Stück wiegen.
Im Allgemeinen ist es bevorzugbar, Überschüsse von solchem Bulk-Metall im Verhältnis zum Alkylamin im Bereich von 2 : 1 bis 10 : 1, aber am bevorzugtesten 3 : 1 bis 5 : 1 zu verwenden.
Im Allgemeinen kann das gesamte Dialkylamin (z. B. Diisopropylamin) initial mit dem Bulk-Metall und dem Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel gemischt werden und dann das in etherischem Lösungsmittel (THF) aufgelöste Styren schrittweise zur Durchführung der Reaktion zugefügt werden. Im Fall der silylsubstituierten Amine wird bevorzugt, das Amin und den Elektronenträger zusammen zuzufügen. Die Reaktionstemperatur der früheren Reaktion wird zwischen 35 und 45°C gehalten, während die Temperatur der letzteren Reaktion höher, wie z. B. am Siedepunkt des THF, sein kann.
Die Reaktionen können bei gewöhnlichem [atmosphärischem] Druck durchgeführt werden, aber die atmosphärische Zusammensetzung über dem Inhalt des Reaktionsgefäßes sollte inert sein. Folglich sollte die Atmosphäre gegenüber Lithiummetall trocken und inert, d. h. am günstigsten Argongas sein. Höhere Drücke, d. h. die über dem Atmosphärendruck, können zum Anheben der Reaktionstemperatur und folglich, um die Reaktion weiter zu beschleunigen, verwendet werden, sind aber nicht erforderlich.
Die Alkylamin-Reaktanten, die in diesem Verfahren verwendet werden können, sind von der Form: (R₃M)_xN(H)(R¹)_y (I)
In Formel (I) ist M Silicium oder Kohlenstoff, R und R¹ sind Alkyl-, Cycloalkyl- und Alkylen-Gruppen mit 1–8 Kohlenstoffatomen und x und y sind ganze nummerierte Zahlen und x + y ist gleich 2. R₃M und R¹ können kombiniert werden (worin M = C), um einen divalenten Alkylenrest zu geben, der ein cyclisches Alkylamin ergibt, worin R und R¹ zusammengenommen 4 bis 8 Kohlenstoffatome enthalten können.
Folglich sind typische Beispiele von (I)-Verbindungen Dialkylamine, worin x null ist und y 2 ist. Wenn y zwei ist, ist das Dialkylamin symmetrisch, d. h. es weist die gleichen Alkylgruppen auf. Solche Dialkylamine können durch Diisopropylamin, Diisobutylamin und so weiter dargestellt werden.
Wenn M Silicium ist und x eins ist und y eins ist, sind die Verbindungen der Formel (I) unsymmetrisches Alkyl, Trialkylsilylamine, wie z. B. t-Butyl-trimethylsilylamin. Wenn M Kohlenstoff ist und x eins ist und y eins ist, sind die Verbindungen der Formel (I) unsymmetrische Dialkylamine, wie z. B. Methyl-, Cyclohexylamin, Ethyl-isobutylamin und so weiter.
Wenn M Kohlenstoff ist und R und R¹ zur Bildung eines Alkylenrests zusammengenommen werden, wird ein cyclisches Amin in Formel (I) herbeigeführt, z. B. wenn R und R¹ zusammengenommen 4 Kohlenstoffatome enthalten, wird Pyrrol gebildet, wenn R und R¹ 5 Kohlenstoffatome enthalten, wird Pyrrolidin gebildet, und wenn R und R¹ 6 Kohlenstoffatome enthalten, wird Hexamethylenimin gebildet.
Wenn x zwei ist und y null ist, sind die Verbindungen der Formel (I) Bis-trialkylsilylamine, wie zum Beispiel Hexamethyldisilazan.
Elektronen-"Träger"-Reaktionspromotoren sind konjugierte Diene, vinylaromatische Verbindungen oder polycyclische aromatische Verbindungen, wie zum Beispiel Isopren, Styren oder Naphthalen. Isopren und Styren sind bevorzugt. Normalerweise sind diese Elektronen-"Träger" die limitierenden Reagenzien und reagieren zuerst mit Lithiummetall zur Bildung von Radikalionen, die dann weiter mit dem Alkylamin reagieren, um das gewünschte Lithiumalkylamid zu geben. Da der "Träger" zwei solcher aktiver Ionenorte herbeiführen kann, ist nur halb so viel "Träger" wie Alkylamin erforderlich.
Lösungsmittel, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Lithiumalkylamiden verwendet werden können, sind im Allgemeinen Ether und Gemische davon mit Kohlenwasserstoff-Medien. Im Allgemeinen muss mindestens ein Moläquivalent des einzusetzenden Ethers für jedes herbeigeführte Mol des Lithiumalkylamids vorliegen, wobei der Rest ein aliphatisches oder aromatisches Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel ist. Im Fall der Lithiumdialkylamide sollte das Verhältnis des Ethers Tetrahydrofuran zu Lithiumdialkylamid jedoch nicht über zwei hinausgehen (siehe US-Patent 5,002,689). Wenn M in (I) vorstehend Silicium ist, kann jedoch das gesamte eingesetzte Lösungsmittel von dem etherischen Typ sein. Folglich ist zum Beispiel in dem Fall, in dem Lithiumdialkylamid Lithiumdiisopropylamid ist, das bevorzugte Verhältnis von Ether (THF) zu Amid 1,1 zu 1,9. Der Rest des Lösungsmittels kann ein aliphatischer Kohlenwasserstoff, wie zum Beispiel Hexan, Cyclohexan oder Heptan sein oder er kann ein aromatisches Lösungsmittel, wie zum Beispiel Toluen oder Ethylbenzen sein. Andererseits kann das Lösungsmittel im Fall des Lithiumhexamethyldisilazids entweder reines THF oder ein Gemisch aus THF und einem Kohlenwasserstoff, wie zum Beispiel Cyclohexan, sein.
Die bei der erfindungsgemäßen praktischen Ausführung geeigneten etherischen Lösungsmittel schließen Diethylether, Dibutylether, Methyl-t-butylether, Tetrahydrofuran, Methyltetrahydrofuran, 1,2-Dimethoxyethan und dergleichen ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel, wenn in Kombination mit den vorstehenden etherischen Lösungsmitteln verwendet, können aliphatische Lösungsmittel, wie zum Beispiel Pentan, Hexan und Heptan, cycloaliphatische Lösungsmittel, wie zum Beispiel Cyclopentan und Cyclohexan und aromatische Lösungsmittel, wie zum Beispiel Benzen, Toluen, Ethylbenzencumen und Mesitylen umfassen.
Diese Amide wurden noch nie zuvor in Methyl-tert-butylether hergestellt. Außer, dass es ein viel billigeres Lösungsmittel als THF ist, ist MTBE ein überlegenes Lösungsmittel für Recycling-Zwecke, das in Wasser sowohl eine geringe Löslichkeit und einen niedrigen Siedepunkt als auch keine Tendenz zur Bildung gefährlicher Peroxide besitzt.
Die eingesetzten Reaktionstemperaturen variieren mit der Art des Lithiumalkylamids. Dies ist zum Beispiel zur Aufrechterhaltung der Temperatur unter 50°C bei der Herstellung des reaktiveren (im Vergleich zu THF) Lithiumdiisopropylamids bevorzugbar. Lithiumhexamethyldisilazid kann jedoch in reinem THF bei der Rückflusstemperatur hergestellt werden. Der bevorzugte Reaktionstemperaturbereich in THF liegt im Allgemeinen bevorzugt von 50°C bis Rückfluss für Lithiumhexamethyldisilazid-Präparationen, die Bulk-Lithiummetall einsetzen.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung weiter.
BEISPIEL 1
Beispielhafter Durchlauf von Lithiumdiisopropylamid unter Einsatz von Bulk-Lithiummetall
(Lösungsmittel = Tetrahydrofuran (THF) und Heptan)
Ein Volumen von 50 ml Heptan (trocken) wurde einem 500 ml fassenden Morton-Kolben, ausgerüstet mit mechanischem Rührer, Tropftrichter, "Kaltfinger"-Kondensator und Thermometer, aufrechterhalten unter einer inerten Argonatmosphäre, zugefügt. Dem Kolben wurden zusätzlich 10,22 g (1,472 Mole, 12 Stücke) Lithiummetall in der Form eines 1/2 Inch (1,77 cm) mal 1/2 Inch (1,77 cm) Stabes (Natriumgehalt des Lithiummetalls weniger als 100 ppm) und 96,9 g (0,9575 Mole) Diisopropylamin (trocken) zugefügt. In den Tropftrichter wurden 78,0 g (1,08 Mole) trockenes Tetrahydrofuran, von dem 20 ml sofort dem Reaktorinhalt zugefügt wurden, platziert und dem folgten 41,8 g (0,401 Mole) Styren, bei dem es sich um das limitierende Reagenz handelte. Indem man folglich eine theoretische Ausbeute von 0,802 Molen Lithiumdiisopropylamid (LDA) annahm, lag das Lithiummetall in einem Überschuss von 83,4 Mol-% und das Amin in einem Überschuss von 19,3 Mol-% vor. Das theoretische Verhältnis von THF zu LDA betrug 1,346.
Die Reaktionsmischung wurde langsam (212 U/min) gerührt und auf 36,5°C erhitzt, zu welcher Zeit die Styren/THF-Einspeisung bei einer Rate von 1–2 Tropfen/Sekunde begonnen wurde. Nach ca. 3 Minuten begann die Reaktion (wobei Trübheit in der Lösung erschien). Der Rest der Einspeisung wurde in 56 Minuten zugefügt, wobei die interne Reaktionstemperatur zwischen 37°C und 41°C mittels eines externen Kühlbades aufrechterhalten wurde. Nach dem Rühren für weitere 18 Minuten (t = 40–42°C) war die Reaktion, wie anhand des Watson-Eastham-Titrationsverfahrens bestimmt wurde, im Wesentlichen abgeschlossen (97,4%). Nach Filtration (16 Minuten) und zweimaligem Waschen mit jeweils 25 ml Heptan wurde festgestellt, dass die Konzentrationen der Lösung 29,5 Gew.-% in LDA betrug. Es wurde ein Gewicht von 283,9 g einer gelben Lösung erhalten. Fünf bis sechs Mol-% Dibutylmagnesium (bezogen auf den LDA-Gehalt) wurden als Stabilisator zugefügt.
BEISPIEL 2
Herstellung von Lithiumdiisopropylamid unter Einsatz von Bulk-Lithiummetall
(Lösungsmittel = Methyl-tert-butylether)
Einem wie vorstehend beschrieben ausgerüsteten Reaktor und enthaltend 15,18 g (2,188 Mole) Lithiummetall in Form geschnittener Stabstücke (34 Stücke, verschiedene Größen), wurden 59,9 g (0,592 Mole) Diisopropylamin zugefügt. Dem Tropftrichter wurden 191,5 g (2,172 Mole) Methyl-tert-butylether (MTBE), von dem 180 ml in den Reaktor dräniert wurden, und 25,9 g (0,2486 Mole) Styren zugefügt. Das Zufügen des MTBE/Styrens wurde begonnen (in 2 Tropfen sec) und die Reaktion in ca. 9 min initiiert (trübe Lösung). Danach wurde die Einspeisung fortgesetzt, wobei die Temperatur von 40–55°C variierte. Die Gesamteinspeisungszeit betrug 42 min. Dann wurden Proben zur Bestimmung der Reaktionslaufzahl (nach der Einspeisung) entnommen. Die Ergebnisse waren: t = 2 min, 82,9% Ausbeute; t = 6 min, 88,5%; t = 10 min, 89,7%; t = 15 min, 91,5%: t = 21 min, 92,6%; t = 33 min, 92,6%. Die Konzentration von Lithiumdiisopropylamid in Lösung betrug an diesem Punkt 27,1 Gew.-%. Das Produkt war im Kühlschrank bei –10°C stabil. Die Filtration zur Erhaltung einer goldfarbenen Lösung war schnell (25 ml/min).
BEISPIEL 3
Vergleichsdurchlauf von Lithiumdiisopropylamid unter Einsatz der Lithiumdispersion.
(Lösungsmittel = THF und Heptan)
Ein Gewicht von 14,18 g (2,04 Molen) Lithiummetallpulver (enthaltend 0,18 Gew.-% Natrium), 55 ml Heptan und 158,6 g (1,567 Molen) Diisopropylamin wurde einem wie vorstehend beschrieben ausgerüsteten Reaktionskolben zugefügt. Dem Tropftrichter wurden 67,81 g (0,6507 Mole) Styren und 133,5 g (1,85 Mole) trockenes THF zugefügt, von dem 84 ml THF dem Reaktor zugefügt wurden. Die Reaktion wurde bei 27,2°C initiiert, und die Einspeisung wurde zwischen 34 und 39°C (Gesamteinspeisungszeit = 47 min) fortgesetzt. Nach zusätzlichen 51 Minuten wurde die Reaktionsmischung filtriert und mit Heptan gewaschen, um 530 ml einer goldfarbenen Lösung zu ergeben. Ein Gewicht von 79,31 g einer 13,5 gew.-%igen Lösung aus Dibutylmagnesium in Heptan wurde als Stabilisator zugefügt. Die Ausbeute von Lithiumdiisopropylamid betrug 98,2% und die Konzentration betrug 2,50 mäq/kg Lösung oder 26,8 Gew.-%.
BEISPIEL 4 Beispielhafte konsekutive Durchläufe von Lithiumhexamethyldisilazid unter Einsatz von Bulk-Lithiummetall.
(Lösung = Tetrahydrofuran)
Siehe Tabelle zwecks näherer Einzelheiten über die konsekutiven Durchläufe 1 bis 6 Ein Gewicht von 8,90 g (1,28 m) Lithiummetall, in die Form von 1 cm × 1 cm Würfeln (13 Stücke) geschnitten, enthaltend 57 ppm Natrium, wurde in einen 500 ml fassenden, mit mechanischem Rührer, "Kaltfinger"-Kondensator, Thermopaar und Tropftrichter ausgerüsteten Kolben gebracht. Das Metall war vollständig mit einer dunklen (schwarzen) Schicht überzogen. Ein Gewicht von 114 g (1,58 Molen Tetrahydrofuran (13 ppm H₂O) wurde dem Metall zugefügt. Dem Tropftrichter wurden 21,0 g (0,2015 Mole) Styren und 67,8 g (0,42 Mole) Hexamethyldisilazan zugefügt. Die Reaktion konnte selbst nach Erhitzen auf 51°C nicht initiiert werden.
Ein Gewicht von 7,49 g (1,079 Molen) eines Lithiummetallstabs (0,5 in im Durchmesser) in 1/2 Inch lange Stücke (11) geschnitten, enthaltend 0,74% Natrium, wurde als Nächstes dem Reaktor zugefügt. Die Metallstücke waren nicht wie vorstehend überzogen. Die Einspeisung von Styren und Hexamethyldisilazan wurde fortgesetzt und die Reaktion schnell initiiert, wobei die Lithiumstabstücke ziemlich glänzend wurden. Die Lithiummetallwürfel initiierten nicht und blieber. ziemlich schwarz. Die Einspeisungszugabe dauerte 36 Minuten, wobei die Temperatur bei 44–46°C aufrechterhalten wurde. Proben wurden zur Bestimmung der Reaktionslaufzahl periodisch aus der Reaktion entnommen. Nach 11 Minuten (nach der Einspeisung) betrug die Ausbeute 90,5%, nach 19 Minuten 92%, nach 33 Minuten 94,5% und nach 1 Stunde blieb sie bei 94,5%. Die Produktionslösung begann, das Produkt auszufällen, das Produkt und Kristalle wurden aber so vollkommen wie möglich aus dem Reaktorkolben überführt. Die Filtration der Produktlösung war aufgrund der Produktsättigung der Lösung (blassgeib) iangsam.
BEISPIEL 5
Zweiter konsekutiver Durchlauf
Nach Entfernung der schwarzen Metallwürfel aus dem in Beispiel 4 beschriebenen Reaktionskolben blieben in dem Kolben 4,69 g (0,676 Mole) Lithiummetall in der Form von Stäben (glänzend) zurück. Zu diesen wurden zusätzlich 3,49 g (0,5029 m) Stabstücke (schwarze Beschichtung an den Seiten, glänzend an den Enden) zugefügt, um insgesamt 1,179 Mole Metall zu geben. Auch zugefügt wurden 182 g (2,52 Mole) THF. Dem Tropftrichter wurden 26,1 g (0,2505 g) Styren und 83,1 g (0,5148 Mole) Hexamethyldisilazan zugefügt. Dieses Gemisch wurde bei einer Rate von ca. 2 Tropfen/sec (Initialtemperatur = 32,7°C) in den Metall-/THF-Reaktorinhalt eingespeist.
Nach dem Zufügen von ca. 15% der Einspeisung wurden alle die Lithiummetallstücke glänzend. Die Reaktionstemperatur stieg am Ende der Einspeisung auf 47°C an. Die periodische Probenentnahme und die Analyse ergaben die folgenden Ergebnisse nach der Einspeisung: 4 min, 71,4% Umwandlung; 12 min, 79%; 22 min, 83%; 30 min, 86,5%; 123 min, 91,2%; 166 min, 92%; 188 min, 92,6%; 220 min, 92,0%.
Die Produktlösung wurde aus dem restlichen Lithiummetall in dem Kolben weggepumpt und in 8 Minuten unter Verwendung einer kleinen Filterhilfsmittelmenge weggepumpt, um eine leicht trüb-gelbe Lösung zu geben.
BEISPIEL 6
Dritter konsekutiver Durchlauf
Dem Reaktor, der das nicht umgesetzte Metall aus dem zweiten konsekutiven Durchlauf (siehe Beispiel 5) enthielt, wurden zusätzliche 3,38 g (0,487 Mole) Lithiummetallstabstücke zugefügt. Dem Metall im Kolben wurde ein Gewicht von 182,2 g (2,53 Molen) THF zugefügt. Dem Tropftrichter wurde ein Gemisch aus 24,5 g (0,2351 Molen) Styren und 80,4 g (0,4981 Molen) Hexamethyldisilazan zugefügt. Die Lösungen wurden dann bei der Rate von 2 Tropfen pro Sekunde dem gerührten Metall im Kolben bei einer ursprünglichen Reaktionstemperatur von 44,5°C zugefügt. Die Temperatur stieg am Ende der Styren-Hexamethyldisilazan-Einspeisung auf 72,5°C an und stieg weiter bis zum Rückfluss (77°C) an. Proben der Reaktionslösung wurden dann zur Bestimmung der Reaktionslaufzahl periodisch entnommen. Die Reaktionstemperatur wurde während dieser Zeit bei Rückfluss gehalten. Die Ergebnisse waren: 83,4% Umwandlung nach 6,5 Minuten (nach der Einspeisung); 92,4% nach 18,5 Minuten; 94,5% nach 44 Minuten; 94,8% nach 67 Minuten; 95,1% nach 90 Minuten und 94,8% nach 150 Minuten. Die Produktlösung wurde in 8 Minuten filtriert, um eine trübe blassgelbe Lösung zu geben.
BEISPIEL 7
Vierter konsekutiver Durchlauf (8776)
Dem Reaktor, enthaltend das nicht umgesetzte Metall vom dritten konsekutiven Durchlauf (siehe Beispiel 7), wurden zusätzlich 0,66 g (0,095 Mole) Lithiummetallstab (1 Stück) zugefügt, um insgesamt 0,791 m Lithiummetall zu geben. Zugefügt wurden auch 182,6 g (2,532 Mole) THF. Ein Gemisch aus 22,0 g (0,2112 Molen) Styren und 69,8 g (0,4326 Molen) Hexamethyldisilazan wurde in den Tropftrichter gegeben. Nach Erhitzen des Reaktorinhalts auf 56,8°C wurde das Styren-Hexamethyldisilazan-Gemisch dem Lithiummetall-THF bei einer Rate von ca. 2 Tropfen pro Minute zugespeist. Innerhalb von 30 Sekunden begann die Reaktion, und die Reaktionstemperatur stieg weiter bis nahe an den Rückfluss (72,6°C) am Ende der Einspeisung (Gesamteinspeisungszeit = 34 Minuten) an. Proben der Lösung wurden dann periodisch entnommen und auf Lithiumhexamethyldisilazid analysiert. Die Ergebnisse waren: 87,7% Ausbeute 4 Minuten nach der abgeschlossenen Einspeisung; 90,6% Ausbeute 24 min danach; 94,0% eine Stunde danach; 94,1% 1,68 Stunden danach. Das Produkt wurde dann abgekühlt, von dem nicht umgesetzten Metall weggepumpt und filtriert, um eine trübe blassgelbe Lösung zu geben.
BEISPIEL 8
Fünfter konsekutiver durchlauf (8780)
Dem restlichen Lithiummetallstab (glänzend) im Reaktor vom vierten konsekutiven Durchlauf (siehe Beispiel 7) wurden zusätzlich 5,19 g (0,7478 Mole) Lithiummetallstabstücke (6) zugefügt, um einen theoretischen Metallgehalt von 1,11 Molen zu geben. Dem Kolben wurden auch 177,6 g (2,462 Mole) THF zugefügt. Ein Gemisch aus 21,0 g (0,2015 Molen) Styren und 67,5 g (0,4182 Molen) Hexamethyldisilazan wurde in den Tropftrichter gegeben. Der Reaktorinhalt wurde auf 46,2°C erhitzt, und das Zufügen begann bei ca. 2 Tropfen/sec. Nach ca. 5 Minuten wurde eine Reaktion bemerkt. Der Rest der Zugabe wurde, während die Reaktionstemperatur zwischen 35 und 38°C gehalten wurde, vorgenommen. Nachdem die Einspeisung abgeschlossen war (34 Minuten), wurden der Lösung periodisch Proben zur Bestimmung der Reaktionslaufzahl entnommen. Eine Minute, nachdem die Einspeisung abgeschlossen war, betrug die Ausbeute 63,0% (die Reaktionstemperatur wurde wieder bei ca. 34–38°C gehalten). Weitere Ergebnisse waren 71,0% Ausbeute nach 8 min; 81,0% nach 18 min; 85,1% nach 39 min; 91,4% nach 102 min. Die Lösung wurde von dem nicht umgesetzten Metall weggepumpt und filtriert, um eine blassgelbe Lösung zu geben.
BEISPIEL 9
Sechster konsekutiver Durchlauf
Dem restlichen Lithiummetallstab (Theorie = 0,697 Mole) im Reaktor vom fünften konsekutiven Durchlauf (siehe Beispiel 8) wurden zusätzlich 11,14 g (1,605 Mole) Lithiummetallstabstücke (14) und 198,2 g (2,748 Mole) THF zugefügt. Eine Mischung aus 24,8 g (0,2380 Molen) Styren und 85,81 g (0,5319 Molen) Hexamethyldisilazan wurden in den Tropftrichter gegeben. Die Einspeisung wurde bei 40,3°C begonnen und die Temperatur bei 37–41°C die gesamte Einspeisung über (34 Minuten) kontrolliert. Die Analyse der Produktlösung, nachdem die Einspeisung abgeschlossen war, ließ Folgendes erkennen: 75,0% Ausbeute nach 1 min; 86,6%, 11 min; 90,4%, 25 min; 93,6%, 86 min. Die Produktlösung wurde abgepumpt und filtriert, um eine farblose Lösung zu geben.
BEISPIEL 10
Vergleichsdurchlauf von Lithiumhexamethyldisilazid unter Einsatz der Lithiumdispersion
(Lösungsmittel = THF)
Ein Gewicht von 7,65 g (1,10 Molen) Lithiummetallpulver und 148,5 g (2,059 Molen) THF wurde in einen wie vorstehend ausgerüsteten Kolben gegeben. Dem Tropftrichter wurden 20,31 g (0,1949 Mole) Styren und 67,9 g (0,4207 Mole) Hexamethyldisilazan zugefügt. Die Reaktion wurde bei 37,7°C initiiert und die Temperatur während des Zufügens (64 min Einspeisungszeit) bei 38–39°C kontrolliert. Nachdem das Gemisch über Nacht stehen gelassen wurde, wurde es in 6 Minuten filtriert, um 306,4 g einer 1,2 molaren blassgelben Lösung (quantitativ) zu geben.
BEISPIEL 11
Durchlauf von Lithiumhexamethyldisilazid unter Einsatz von Bulk-Lithiummetall
(Lösungsmittel – Methyl-tert-butylether)
Einem Reaktor, enthaltend saubere Lithiummetallstücke (12,7 g, 1,828 Mole, 28 Stücke), die zuvor zur Herstellung von Lithiumhexamethyldisilazid verwendet wurden, wurden einem Zusatz von 5,30 g (0,764 Molen) Lithiummetallstabstücken (0,5 in × 0,5 in, 6 Stücke) zugefügt, um insgesamt 2,591 Mole und 117 g (1,327 Mole) Methyl-tert-butylether zu geben. Dem Tropftrichter wurden 68,7 g (0,426 Mole) Hexamethyldisilazan und 21,0 g (0,2015 Mole) Styren zugefügt. Der Reaktor wurde auf 49,7°C erhitzt und die Einspeisung bei einer Rate von ca. 1–2 Tropfen pro Sekunde begonnen. Das Reaktionsgemisch wurde schrittweise kupfergetönt, obwohl die Lithiumpartikel weitgehend glänzend blieben. Die Reaktionstemperatur wurde bis nahe dem Siedepunkt des Lösungsmittels (57,6°C) am Ende der Zugabe ansteigen und dann von selbst abfallen lassen. Die Ausbeute von Produkt versus der Zeit nach der Zugabe wurde mit den folgenden Ergebnissen überwacht: 6 min, 86,2%; l4 min, 91,8%; 9 min, 93,3%; 34 min, 95,4% (ca. 33 Gew.-% Produkt in Lösung). Einige Kristalle fielen bei 16°C aus der Lösung aus, aber die Verdünnung des Produktgemisches von 26 Gew.-% führte, selbst wenn es so kalt wie –10°C war, zu einem stabilen Produkt
BEISPIEL 12
Beispielhafter Durchlauf von Lithiumhexamethyldisilazid unter Einsatz einer Lithiumdispersion
(Lösungsmittel = Methyl-tert-butylether und Heptan)
Ein Gewicht von 7,10 g (1,02 Molen Lithiummetallpulver, enthaltend 0,89% Natrium, 85 ml Heptan und 66,1 g (0,7498 Mole) Methyl-tert-butylether wurde in einen wie zuvor beschrieben ausgerüsteten 500 ml fassenden Kolben gegeben. Eine Mischung aus 19,85 g (0,1905 Molen) Styren und 68,5 g (0,4244 Molen) Hexamethyldisilazan wurde dem Tropftrichter zugefügt. Die Zugabe der Lösung wurde bei Raumtemperatur begonnen und wurde während der übrigen Zugabe bei 33–36°C kontrolliert. Nach zusätzlichen 3 Stunden des Ruhrens wurde das Reaktionsgemisch (einschließlich des überschüssigen Lithiummetalls) an einen Filtertrichter überführt und filtriert, um eine sehr blassgelbe Lösung (236,5 g) zu geben, die Analyse der Lösung ließ eine 96,8%ige Ausbeute (1,56 m/kg) erkennen. Die Verwendung von Bulk-Metall anstelle des Lithiumpulvers, mit Methyl-tert-butylether als ein Lösungsmittel, ergab vergleichbare Ergebnisse. (Siehe Beispiel 11).
BEISPIEL 13
Herstellung von t-Butyl-trimethylsilylamid unter Verwendung von Bulk-Lithiummetall
(Lösungsmittel = THF)
Zweiunddreißig Stücke Lithiummetall (2,412 Mole) aus einer vorherigen Reaktion wurden dreimal mit 40 ml THF gewaschen und in einer Reaktion mit 50,10 g (0,3447 Molen) tert-Butyl trimethylsilylamin gemischt.
Ein Gewicht von 136,1 g (1,887 Molen) THF wurde in den Tropftrichter gegeben und 100 ml davon in den Reaktor dräniert. Danach wurden 17,4 g (0,1671 Mole) Styren mit dem THF in den Tropftrichter eingemischt und die Lösung über eine Zeitspanne von 27 Minuten langsam an den Reaktorinhalt bei 40–41°C eingespeist. Die Ausbeute betrug 6 min nach der Einspeisung 80,7%. Sechsundzwanzig Minuten nach der Einspeisung hatte die Ausbeute nicht nennenswert zugenommen (82%). Ein Gewicht von 216 g einer gelben, trüben Lösung wurde erhalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung leicht trennbarer Lithiumalkylamid-Lösungen wie anhand der Formel (R₃M)_x(R¹)_yNLi(LB)_z erläutert, dadurch gekennzeichnet, dass M Silizium oder Kohlenstoff ist, R und R¹ C₁-C₈-Alkyl-, Cycloalkyl- oder Alkylen-Gruppen sind, LB eine Lewis-Base ist, x und y für ganze Zahlen, die gleich 2 sind, stehen und z größer als 1 ist, umfassend die Schritte des Reagierens von Lithiummetall in Bulkform mit einem Alkylamin in Molverhältnissen von Metall zu Alkylamin im Bereich von 0,9 : 1 bis 10 : 1 in einem Lösungsmittel, ausgewählt aus etherischen oder gemischten etherischen/ Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln in Gegenwart eines Elektionsträgers [sic], ausgewählt aus der Gruppe, die aus konjugierten Dienen, vinylaromatischen und polycyclischen aromatischen Verbindungen besteht, unter einer inerten Atmosphäre für die Dauer von 1 bis 10 Stunden bei einer signifikanten Temperatur, um das Bulk-Lithiummetall mit genanntem Alkylamin zu reagieren, Abkühlen des Produktes und Trennen der Produktlösung von dem nicht umgesetzten Lithiummetall in dem Reaktor.
Verfahren zur Herstellung leicht trennbarer Lithiumalkylamid-Lösungen, gekennzeichnet durch die Schritte des Reagierens des Lithiummetalls in Bulkform mit einem Alkylmain in Molverhältnissen von Metall von [sic] Alkylamin im Bereich von 0,9 : 1 bis 10 : 1 in einem Lösungsmittel, ausgewählt aus etherischen oder etherischen/Kohlenwasserstoff-Lösungsmitteln in Gegenwart eines Elektronenträgers, ausgewählt aus der Gruppe, die aus konjugierten Dienen, vinylaromatischen und polycyclischen aromatischen Verbindungen besteht, unter einer inerten Atmosphäre für die Dauer von 1 bis 10 Stunden bei einer ausreichenden Temperatur, um das Bulk-Lithium mit genanntem Alkylamin zu reagieren, Abkühlen des Produktes und Trennen der Produktlösung von dem nicht umgesetzten Lithiummetall in dem Reaktor, Zufügen von zusätzlichem Lösungsmittel und ausreichendem Lithiummetall, Elektronenträger und Alkylamin zu dem nicht umgesetzten Metall in dem Reaktor, um das Molverhältnis von Lithiummetall zu Alkylamin wiederherzustellen und Fortsetzen der Reaktion, wodurch weiteres Lithiumalkylamid gebildet wird und mehrmaliges Wiederholen dieser Verfahrensschritte.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Anzahl der Wiederholungen von genannten Verfahrensschritten mindestens drei beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Molverhältnis von Lithiummetall zu Alkylamin von 2 : 1 bis 10 : 1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Verhältnis von Lithiummetall zu Alkylamin von 3 : 1 bis 5 : 1 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin genannte Temperatur von 35°C bis zum Rückfluss beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Alkylamin Diisopropylamin ist, das Lösungsmittel ein Gemisch aus Tetrahydrofuran und Heptan ist, der Elektronenträger Styren ist und das Verhältnis von Lithiummetall zu Alkylamin 3 zu 1 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Alkylamin Hexamethyldisilazan ist, das Lösungsmittel Tetrahydrofuran ist, der Elektronenträger Styren ist, das Verhältnis von Lithiummetall zu Alkylamin 3 zu 1 beträgt und die Temperatur die Rückflusstemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Alkylamin Hexamethyldisilazan ist, das Lösungsmittel Methyl-tert-butylether ist, der Elektronenträger Styren ist, das Verhältnis von Lithiummetall zu Alkylamin 3 zu 1 beträgt und die Temperatur die Rückflusstemperatur ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Bulk-Lithiummetallstücke, die initial in den Reaktor geladen werden, ein Gewicht von größer als 0,5 g pro Stück aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Trennung des Produktes durch Dekantierung durchgeführt wird.