EP1723153A1 - Verfahren zur herstellung von alkyllithiumverbindungen und aryllithiumverbindungen durch reaktionsverfolgung mittels ir-spektroskopie - Google Patents

Verfahren zur herstellung von alkyllithiumverbindungen und aryllithiumverbindungen durch reaktionsverfolgung mittels ir-spektroskopie

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Publication number
EP1723153A1
EP1723153A1 EP05733858A EP05733858A EP1723153A1 EP 1723153 A1 EP1723153 A1 EP 1723153A1 EP 05733858 A EP05733858 A EP 05733858A EP 05733858 A EP05733858 A EP 05733858A EP 1723153 A1 EP1723153 A1 EP 1723153A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reaction
alkyl
lithium
aryl
concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05733858A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Weiss
Dirk Dawidowski
Walter Pleyer
Frank KRÜCKEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chemetall GmbH
Original Assignee
Chemetall GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Chemetall GmbH filed Critical Chemetall GmbH
Publication of EP1723153A1 publication Critical patent/EP1723153A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C07F1/00—Compounds containing elements of Groups 1 or 11 of the Periodic Table
    • C07F1/02—Lithium compounds

Definitions

  • the invention relates to a method for producing alkyl lithium compounds and aryllithium compounds by reaction monitoring using IR spectroscopy.
  • Alkyl lithium compounds and aryllithium compounds are produced by the reaction of lithium metal with alkyl halides or aryl halides.
  • the desired organolithium compound and the corresponding lithium halide are formed.
  • a detailed description of this method can be found in WO 95/01982.
  • reaction therefore requires constant control of the reaction. Inhibition of reaction and the formation of by-products and secondary products Avoid yourself only if you know the concentration of the reactants and run the reaction under optimal conditions.
  • lithium is usually used in excess, which means a loss of added value, since the metal is expensive to obtain by high-temperature electrolysis. It is therefore desirable to reduce the excess as much as possible and to use the starting materials as stoichiometrically as possible.
  • the reaction is easily run over and excess alkyl or aryl halide remains in the finished reaction solution and, as a result of the Wurtz reaction that then takes place, soluble or very fine lithium chloride is formed which interferes with the further use of the product.
  • the start of the reaction can be delayed: the Li metal surface is often rendered inert and the reaction is inhibited; Accumulated alkyl or aryl halogen compounds can then react spontaneously, and the heat of reaction released suddenly can get out of control. (See WO 96/40692, where these adverse phenomena are described in detail.)
  • DE 10162332 A1 proposes to follow the reaction by measuring the heat. However, this is only a very general method and involves many error variables, such as heat transfer and radiation, pressure and temperature fluctuations, etc. Furthermore, DE 10162332 A1 generally suggests analyzing the alkyl halide content using an IR spectrometer.
  • the object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to show a method in which the specific Concentrations of the alkyl halide used and the alkyl lithium compound obtained in the reaction mixture are indicated.
  • the object is achieved by a process for the preparation of alkyl or aryllithium compounds by reacting lithium metal with alkyl or aryl halides in a solvent, the concentration of the alkyl or aryl halide and of the alkyl or aryllithium compound being measured by in-line measurement in the reactor IR spectroscopy is recorded.
  • FTIR spectroscopy allows the solution concentrations of starting materials, products as well as by-products and by-products to be recorded in short time intervals (e.g. 2 seconds to 2 minutes). With a suitable arrangement, the sensitivity of the detection goes down to the range of 0.01%. This makes IR spectroscopy a suitable means of monitoring the progress of a reaction in solution.
  • the IR absorption is linked to the concentration via the Lambert-Beer law, the intensity of the absorption serves as a measure, its relative course can thus be used as a semi-quantitative criterion for the evaluation without calibration.
  • a defined wavelength range can also be calibrated specifically and thus enables an exact quantitative determination of the concentration.
  • the solid Li (s) decreases in the course of the reaction with the alkyl aryl halide (for example R-Cl), insoluble Li halide ( S ) being formed which grows on the Li surface, covers it and the desired reaction withdraws.
  • alkyl aryl halide for example R-Cl
  • insoluble Li halide ( S ) being formed which grows on the Li surface, covers it and the desired reaction withdraws.
  • the concentrations of R-Cl and Li-R and, in certain cases, those of the by-products and secondary products can be determined using IR spectroscopy.
  • the insoluble components Li (S ) and LiCI (S) cannot be determined, so that the above equation is simplified and can be evaluated via the concentration curve of R-Cl and R-Li:
  • the light paths must be kept short and losses due to stray light avoided, which is achieved by using focusing mirrors. Recent developments are towards developing suitable fiber optic cables.
  • a particularly sensitive detector is also necessary, preferably it is cooled with liquid nitrogen (MCT detector).
  • MCT detector liquid nitrogen
  • the required detection limit for the alkyl or aryl halide is in the range of 0.1 - 0.01%
  • the IR device must be operated under explosion protection, or must e.g. separated by a protective wall in a non-explosion-proof
  • shut-off valve ensures that the pyrophoric product suspension cannot come into contact with the hot IR source and the electrical components. External influences on the IR source and the laser, such as temperature fluctuations, should be avoided, which is done by a special thermostat.
  • the light beam and the IR source must be protected from moisture and CO 2 , which is done by flushing with protective gas such as argon or nitrogen.
  • the device can be controlled via a PLC.
  • the device can be controlled using specially written macros and, if necessary, "switched" to another product in which the quantification of the starting material and the product are stored.
  • a test can be carried out using a macro (comparison of master background with newly recorded background), which indicates whether the system is operating normally.
  • the sensor (diamond window) is cleaned after each reaction via a dip tube using a spray of the solvent used.
  • a commercially available device in the IR range of 600 - 4000 cm “1 is used as the IR device (for example ASI / Mettler-Toledo: ReactIR or MP).
  • the alkyl / aryl halide and the alkyl / aryllithium compound are identified using a substance-specific one or statistically developed method (chemometric, for example with the help of the Mettler / ASI software ConcIRT) and serves as the basis for the quantitative Detection of the concentration of starting material and product, which is determined on a substance-specific basis,
  • the size l 0/1 is the intensity ratio before and after the sample run, the Ig is called extinction (absorption) and e the extinction coefficient (M. Hesse, Spectroscopic Methods in Organic Chemistry, Georg Thieme Verlag 1991)
  • the reaction can be optimally managed in terms of safety and conversion. This is particularly evident when other methods such as measuring the temperature or heat dissipation are too imprecise or fail completely, e.g. is the case with reactions in a vacuum, where a simultaneous dependence on pressure / temperature and heat transfer is difficult. However, this vacuum mode of operation is preferred if thermal stress and undesired secondary and subsequent reactions (Wurtz reaction, decomposition) are to be avoided.
  • Example 1 Production of t-butyllithium in pentane at 20 ° C., determination of the optimal stoichiometry,
  • Figure (1) shows the observed course, with the IR absorption bands for: t-butyl chloride, t-butyllithium and 2-methylpropene as a by-product:
  • Balance sheet means that with an optimal dosage of 66 mol% t
  • the lithium is surrounded by a layer of lithium chloride at a dosage of 66.6 mol%.
  • the t-butyl chloride diffuses and reacts in proportion to butane and 2-methyl-propene and / or reacts under the Wurtz reaction.
  • the conversion of lithium with t-butyl chloride is therefore most advantageously carried out using a stoichiometry according to:
  • the metering rate of the t-butyl chloride being regulated so that as little as possible accumulates in the reaction solution.
  • Figure (2) shows the course of the reaction, autoscaled with the y-axis as the IR absorption band of t-butyl chloride (not quantified, i.e. in analogy to Lambert-Beer law):
  • the band height at 3.0 hours 0.208 absolute. Then it increased again slightly during the post-reaction, at the end of 4 h it is 0.212 absolute.
  • the example shows that in order to increase the yield it is necessary to keep the concentration of t-butyl chloride as low as possible in order to avoid undesired side reactions.
  • Figures (4) and (5) show (autoscaled) the course of the reaction with the quantified values for n-butyllithium and n-butyl chloride.
  • FIG. (6) shows the autoscaled IR diagram with the content of n-butyl chloride as the y-axis: You can see a slight accumulation of n-butyl chloride in the start-up phase and again an increasing increase after 3 hours of dosing (30.7% n-butyllithium), the dosing was stopped after 4 h 26 minutes, with a n-butyl chloride content of 0 , 92% and a metered amount of 1581 kg.
  • Figure (7) shows the corresponding autoscaled diagram with the y-axis as the concentration of n-butyllithium.
  • the calculated concentration in this case amounts to 43.4% n-butyllithium, analytically a content of 41.1% was found, corresponding to a yield of 94.7% based on n-butyl chloride.
  • Example 5 Production of s-butyllithium in vacuum at 40 ° C and a pressure of 290 mbar
  • a dispersion of 230 kg of lithium and 4 kg of sodium in 1450 kg of hexane was placed in the reactor at room temperature and the vacuum was set to 290 mbar.
  • the s-butyl chloride was metered in in the manner mentioned above, that the reaction was first started in a start-up phase. After the reaction had started, the reaction mixture warmed to the boiling point (40 ° C./290 mbar) as a result of the heat of reaction liberated and the s-butyl chloride was metered in continuously.
  • the end point of the dosage was experimentally set to a maximum value Band height of the s-butyl chloride with which the highest yield of s-butyllithium was achieved.
  • Figure (8) shows the IR curve with the IR band height of the s-butyl chloride as the y-axis in an auto-scaled representation
  • Example 6 Production of hexyllithium in vacuum at 40 ° C and a pressure of 290 mbar
  • the n-hexyl chloride was metered in in the manner mentioned above, so that the reaction was first started in a starting phase , After the reaction had started, the reaction mixture warmed up to the boiling point (40 ° C./290 mbar) due to the heat of reaction being released and the n-hexyl chloride was metered in continuously.
  • the end point was fixed to a maximum value of the band height of the n-hexyl chloride, which in this case was 1440 kg, which corresponds to a theoretical final concentration of 51.1%.
  • Example 7 Preparation of Phe ⁇ yllithium in dibutyl ether at 35 ° C.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und Aryllithiumverbindungen durch Reaktion von Lithium-Metall mit Alkyl- oder Arylhalogeniden in einem Lösungsmittel, wobei die Konzentration des Alkyl/Arylhalogenids und der Alkyl/Aryllithiumverbindung durch In-line-Messung im Reaktor mittels IR-Spektroskopie erfasst wird und durch Auswertung der IR-Messung eine exakte Endpunkterkennung der Dosierung der Halogenidkomponente durchgeführt wird. So werden eine optimale Reaktionsführung und Reaktionsausbeute ermöglicht. Durch diese Kenntnis der jeweiligen Konzentration von Edukt und Produkt ist eine sichere Reaktionsführung gegeben. Die Ausbeute der Reaktion lässt sich durch die Endpunktbestimmung der Halogeniddosierung ebenso optimieren wie die Reinheit des Produktes durch eine niedere Konzentration desselben während der Reaktion.

Description

Verfahren zur Herstellung von Alkyllitliiumverbindungen und Aryllithiumverbindungen durch Reaktionsverfolgung mittels IR- Spektroskopie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkyllithiumverbindungen und Aryllithiumverbindungen durch Reaktionsverfolgung mittels IR-Spektroskopie.
Alkyllithiumverbindungen und Aryllithiumverbindungen werden hergestellt durch Reaktion von Lithiummetall mit Alkylhalogeniden, bzw. Arylhalogeniden. Dabei bildet sich die gewünschte Organolithiumverbindung und das entsprechende Lithiumhalogenid. Eine detaillierte Beschreibung dieses Verfahrens findet sich in der WO 95/01982.
Die Reaktion:
2 Li + R-Cl => Li-R + Li-Cl + Nebenprodukte
ist stark exotherm (dH > -300 kJ/mol) und birgt daher bei Ungewisser Reaktionsführung ein hohes Gefahrenpotential in sich. Ebenso kann es zu Folgereaktionen kommen, wie der bekannten Wurtz-Reaktion:
Li-R + R-Cl => R-R + Li-Cl
oder zu radikalisch, bzw. radikalanionisch bedingten Nebenreaktionen, wie z.B.
Li + R-Cl => LiCI + Rπ => Radikalreaktionen von Rπ =>
die zu reduktiver Dehydrohalogenierung oder Konproportionierung führen und so die Reinheit und Ausbeute mindern.
Die Reaktion bedarf daher einer ständigen Reaktionskontrolle. Reaktionshemmungen und die Bildung von Neben- und Folgeprodukten lassen sich nur vermeiden, wenn es gelingt, die Konzentration der Reaktanden zu kennen und die Reaktion unter optimalen Bedingungen zu fahren.
Um eine hohe Reaktionsausbeute bezüglich des eingesetzten Alkyl- bzw.- Arylhalogenids zu gewährleisten, setzt man gewöhnlich Lithium im Überschuss ein, was einen Verlust an Wertschöpfung bedeutet, da das Metall teuer durch Hochtemperaturelektrolyse gewonnen wird. Es ist also wünschenswert, den Überschuss soweit als möglich zu reduzieren und die Edukte möglichst stöchiometrisch einzusetzen. Hier läuft man aber Gefahr, dass die Reaktion leicht überfahren wird und überschüssiges Alkyl- bzw. Arylhalogenid in der fertigen Reaktionslösung verbleibt und infolge der dann stattfindenden Wurtz-Reaktion lösliches bzw. sehr feines Lithiumchlorid gebildet wird, das bei der weiteren Verwendung des Produktes stört.
Wegen des heterogenen Reaktionsgeschehens können bei der Synthese folgende Schwierigkeiten auftreten:
Das Anspringen der Reaktion kann verzögert sein: Die Li-Metalloberfläche ist häufig inertisiert und es kommt zur Reaktionshemmung; akkumulierte Alkyl- bzw. Arylhalogenverbindung kann dann spontan reagieren, wobei die plötzlich frei werdende Reaktionswärme außer Kontrolle geraten kann. (Vgl. WO 96/40692, dort sind diese nachteiligen Phänomene ausführlich beschrieben.)
Der Reaktionsverlauf kann gestört sein: das sich bei der Reaktion bildende Li- Halogenid überkrustet die zur Reaktion notwendige Li-Metalloberfläche; die Reaktion kann zum Erliegen kommen. Durch Wurtz-Kuppluπg
R-Li + R-Hal → R-R + Li-Hal
(R = Alkylrest oder Aryl. est, Hai = Halogenid) vermindert sich die Ausbeute. Dieses Phänomen tritt verstärkt mit zunehmender sterischer Beanspruchung in der Reihenfolge n-, s-, t-Alkylhalogenid auf. Bei den Arylhalogeniden beobachtet man verstärkt die Bildung von Biphenylen.
Schwierigkeiten bei der Temperaturführung können zu hohen Reaktionstemperaturen führen, bei denen zum einen die ungewünschte Wurtz- Reaktion begünstigt ist, als auch ungewünschte Zersetzungen der Alkyllithiumverbindungen gemäß
Li-CH2-CH2-R → Li-H + CH2=CH-R
auftreten können.
Ist die Dosierung des Alkyl-, bzw. Arylhalogenids zu schnell, so akkumuliert es und birgt auf Grund der hohen Reaktionswärme eine zunehmende thermische Gefahr. Ebenso nimmt das Ausmaß an Neben- und Folgeprodukten zu, das bedeutet weniger Produktausbeute und unerwünscht hohe Verunreinigungen.
Ist die Dosierung des Alkyl-, bzw. Arylhalogenids zu langsam, schläft die Reaktion ein und kommt zum Erliegen, es muss neu gestartet werden, mit den oben genannten Gefahren.
Eine nicht exakte Endpunkterkennung der Reaktion führt zu Fehldosierungen des Alkyl-, bzw. Arylhalogenids und damit zu Ausbeuteverlusten und Verunreinigungen im Produkt. Zum einen ist zu vermeiden, dass im Reaktionsraum aktives Lithium zurückbleibt, was zu einer zu geringen Ausbeute bezogen auf Lithium und zu Resten von aktivem Lithium führt, die gefahrvoll zersetzt werden müssen. Zum anderen führt eine Überdosierung von Alkyl-, bzw. Arylhalogenid zu dessen Verbleib in der abfiltrierten Reaktionslösung, was die Nachreaktionszeit verlängert. Dies wiederum führt zu Folgereaktionen wie der Wurtz-Reaktion, die Produktausbeute vermindert sich, und es bildet sich ein besonders feines Lithiumchlorid. Dieses lässt sich als ionogenes Chlorid noch lange in der Reaktionslösung nachweisen, fällt letztlich in sehr feiner Form aus und führt zu erheblichen Problemen bei der Filtration.
Um der aufgezählten Schwierigkeiten Herr zu werden, ist es wünschenswert, immer die Konzentration des Alkyl-, bzw. Arylhalogenids und die Konzentration der Alkyl-, bzw. Aryllithiumverbindung im Reaktionsgemisch zu kennen, um so Rückschlüsse auf den Reaktionsverlauf ziehen zu können und auch unter Sicherheitsaspekten einen Wärmestau vermeiden zu können.
In der DE 10162332 A1 wird vorgeschlagen, die Reaktion durch Messung der Wärmetönung zu verfolgen. Dies ist allerdings nur eine sehr generelle Methode und birgt viele Fehlergrößen, wie Wärmeübergänge und -Abstrahlung, Druck- und Temperaturschwankungen etc. Weiter wird in der DE 10162332 A1 allgemein vorgeschlagen, den Alkylhalogenidgehalt mittels IR-Spektrometerzu analysieren.
Hardwick (Philip Hardwick, "FT-IR Applications in Alkyllithium Manufacturing", Fine, Specialty & Performance Chemicals, June 2002) schlägt bei der Verdünnung von konzentrierten Alkyllithiumlösungen die Verfolgung mittels Fourier-Transform-IR-Spektroskopie im Nah-IR-Bereich vor. Unter Nah-IR (NIR) wird der Wellenlängenbereich von 0,75 bis 2,5 μm verstanden (Römpp, Chemie- Lexikon). Das von Hardwick beschriebene System sieht vor, den IR-Lichtstrahl mittels Glasfasern zum Probenraum hin und zurück zu leiten, wobei die Messung in Transmission oder Reflexion erfolgen kann. Dabei werden Saphir-Fenster eingesetzt. Von Nachteil dieses Systems ist eine nicht produktspezifische Messung im NIR-Bereich, d.h. die Messung bedarf der Kalibrierung. Auch lässt sich dieses System nicht bei der Verfolgung der Reaktion von Li-Metall mit Alkylhalogeniden einsetzten, da das Li-Metall die Saphir-Fenster angreift und in diesem Wellenlängenbereich keine Unterscheidung der auftretenden Oberschwingungen von Edukt und Produkt möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem spezifisch die Konzentrationen des eingesetzten Alkylhalogenids und der erhaltenen Alkyllithiumverbindung im Reaktionsgemisch anzeigt werden.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl- oder Aryllithiumverbindungen durch Reaktion von Lithiummetall mit Alkyl- oder Arylhalogeniden in einem Lösungsmittel, wobei die Konzentration des Alkyl- oder Arylhalogenids und der Alkyl- oder Aryllithiumverbindung durch In-Iine-Messung im Reaktor mittels IR-Spektroskopie erfasst wird.
So wird eine optimale Reaktionsführung und Reaktionsausbeute ermöglicht. Durch diese Kenntnis der jeweiligen Konzentration von Edukt und Produkt ist eine sichere Reaktionsführung gegeben.
Die FTIR-Spektroskopie gestattet es, in kurzen Zeitabständen (z.B. 2 Sekunden bis 2 Minuten) die Lösungskonzentrationen von Edukten, Produkten sowie Neben- und Folgeprodukten zu erfassen. Die Empfindlichkeit der Erfassung geht bei geeigneter Anordnung bis hinunter in den Bereich von 0,01 %. Damit ist die IR-Spektroskopie ein geeignetes Mittel zur Verfolgung des Fortganges einer Reaktion in Lösung. Die IR-Absorption ist über das Lambert-Beersche Gesetz mit der Konzentration verknüpft, die Intensität der Absorption dient dabei als Maß, ihr relativer Verlauf kann somit ohne Kalibrierung als halbquantitatives Kriterium zur Beurteilung herangezogen werden. Ein definierter Wellenlängenbereich lässt sich aber auch spezifisch kalibrieren und ermöglicht so eine exakte quantitative Erfassung der Konzentration.
Für die Synthese von Lithiumorganylen in der oben beschriebenen Weise läßt sich der Nutzen wie folgt darstellen:
Das feste Li(s) nimmt im Laufe der Reaktion mit dem Alky-.Arylhalogenid (z.B. R-Cl) ab, wobei sich unlösliches Li-halogenid(S) bildet, das auf der Li-Oberfläche aufwächst, diese bedeckt und der gewünschten Reaktion entzieht.
Für die Reaktionsgeschwindigkeit der Synthese gilt allgemein: RG = - 1/α * d [R-Cl] / dt = k„ [Li-R]p [Li-Cl]q [Nebenprodukte]' / [Li]s
In der Reaktionslösung lassen sich mit Hilfe der IR-Spektroskopie die Konzentrationen an R-Cl und Li-R sowie in gewissen Fällen die der Neben- und Folge-Produkte erfassen. Die unlöslichen Bestandteile Li(S) und LiCI(S) sind nicht erfassbar, so dass sich obige Gleichung vereinfacht und über den Konzentrationsverlauf von R-Cl und R-Li bewertet werden kann:
RG = - 1/α * d [R-Cl] / dt = km [Li-R]p
Der zeitliche Verlauf der Konzentrationsprofile von R-Cl und R-Li kann somit als ein Hilfsmittel zur Beurteilung des Reaktionsgeschehens herangezogen werden. Es ist jetzt möglich, die Reaktionsbedingungen zu variieren und ihren Einfluss auf das Reaktionsgeschehen zu beurteilen. Damit wird die IR-Spektroskopie zu einem Werkzeug, das hilft, die optimale Ausbeute an Li-R zu erzielen, die Produktreinheit zu erhöhen und die Bildung an Neben- und Folgeprodukten zu vermindern, so dass eine echte Prozeßoptimierung erfolgen kann.
Zur Steigerung der Empfindlichkeit der Messanordung des FTIR-Gerätes empfehlen sich einige Optimierungsmaßnahmen:
Die Lichtwege sind kurz zu halten und Verluste durch Streulicht zu vermeiden, was durch den Einsatz fokussierender Spiegel erreicht wird. Neuere Entwicklungen gehen dahin, geeignete Lichtleiterkabel zu entwickeln.
Ebenso ist ein besonders empfindlicher Detektor notwendig, vorzugsweise wird dieser mit flüssigem Stickstoff gekühlt (MCT-Detektor). Neuere Entwicklungen zielen auf den Einsatz von Peltierelementen. Die geforderte Nachweisgrenze für das Alkyl-, bzw. Arylhalogenid liegt im Bereich von 0,1 - 0,01 %
Es ist ebenfalls bevorzugt, die Messungen unter einem Schutzgas wie Stickstoff oder Argon durchzuführen. Das IR-Gerät ist unter Ex-Schutz zu betreiben, oder muss z.B. durch eine Schutzwand abgetrennt in einem nicht ex-geschützten
Raum örtlich isoliert stehen. Bei Bruch der Optik sorgt ein Sperrventil dafür, dass die pyrophore Produktsuspension nicht in Kontakt mit der heißen IR Quelle und den elektrischen Bauteilen treten kann. Äußere Einflüsse auf die IR-Quelle und den Laser, wie Temperaturschwankungen, sollen vermieden werden, was durch eine besondere Thermostatisierung erfolgt.
Ebenso muss der Lichtstrahl und die IR-Quelle vor Feuchtigkeit und CO2 geschützt werden, was durch Spülen mit Schutzgas wie Argon bzw., Stickstoff erfolgt.
Es ist ebenfalls erforderlich, einen Spannungsregler und -dämpfer zu verwenden, um einen stabilen Lauf des Gerätes zu gewährleisten und gegen Ausfälle zu schützen.
Die Gerätesteuerung kann über eine SPS erfolgen. Über speziell geschriebene Makros kann das Gerät gesteuert werden und bei Bedarf auf ein anderes Produkt "umgestellt" werden, in welchem die Quantifizierung von Edukt und Produkt hinterlegt sind.
Über ein Makro kann ein Test durchgeführt werden (Vergleich Master Background mit neu aufgenommenen Background) der anzeigt, ob das System normal arbeitet.
Über ein speziell eingebautes Fenster im IR-Gerät kann man aufgrund einer LED Anzeige feststellen, ob das Kugelventil wegen eines Flüssigkeitseinbruches oder zu hohem Druck im Arm geschlossen hat.
Die Reinigung des Sensors (Diamantfenster) erfolgt nach jeder Reaktion über ein Tauchrohr mittels eines Sprühstrahls des verwendeten Lösemittels.
Als IR-Gerät wird hier ein handelsübliches Gerät im IR-Bereich von 600 - 4000 cm"1 verwendet (z.B. ASI/Mettler-Toledo: ReactIR oder MP). Die Identifikation des Alkyl-/Arylhalogenids und der Alkyl/Aryllithiumverbindung erfolgt über eine substanzspezifische oder statistisch erarbeitete Methode (chemometrisch z.B. mit Hilfe der Mettler/ASI-Software ConcIRT) und dient als Basis der quantitativen Erfassung der Konzentration von Edukt und Produkt, die substanzspezifisch ermittelt wird,
z.B. bandenspezifisch im Fingerprintbereich: cm"1 cm"1 Me-Li = 957, 1056 Me-Cl = 667
Et-Li = 903, 1077 Et-Cl = 660,973, 1281 n-BuLi= 968, 1376 n-BuCI = 660,729 958,1243 s-Buli = 807,908, s-BuCI = 615,670,845 1057, 1158,1329 i-Buli = 799,938, i-BuCI = 690,737, 1011,1158,1363 1262 t-Buli = 772,945 t-BuCI = 576,810, 1130 1158,1270 Hex-Li= 872,946 Hexyl-Cl = 652,729, 1042 1463
Ph-Li = 702 Ph-Cl = 683, 702, 737,903, 1023, 1085, 1447
Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten einer Zuordnung und verschiedene Verfahren zur Auswertung und Quantifizierung, wie z.B.
- Bandenhöhe, Bandenfläche - Höhe oder Fläche zu Nullinie - Höhe oder Fläche zu Basislinie - Höhe oder Fläche zu einem Basislinienpunkt Höhe oder Fläche zu 2 Basislinienpunkten - oder über statistische Methoden wie P-Matrix oder PLS (partial least square). Die Empfindlichkeit des Nachweises einer Komponente kann gesteigert werden, wenn man das Lösemittel dabei subtrahiert und/oder die Veränderungen in einer Spektrenfolge ebenfalls voneinander abzieht.
Die Möglichkeit zur Quantifizierung ergibt sich aus der Anwendung des Lambert- Beer'schen Gesetzes, das den Zusammenhang zwischen dem absorbiertem Licht und Stoffkonzentration beschreibt:
Ig l0 / l = e * c * d = E
wonach die Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge proportional der Konzentration c und der durchstrahlten Schichtdicke d ist. Die Größe l0 / 1 ist das Intensitätsverhältnis vor und nach dem Probendurchgang, der Ig wird Extinktion (Absorption) und e der Extinktionskoeffizient genannt (M. Hesse, Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie, Georg Thieme Verlag 1991)
Über die Bestimmung der Konzentration von Edukt und Produkt im Reaktionsgemisch lässt sich die Reaktion hinsichtlich Sicherheit und Umsatz optimal führen. Dies zeigt sich bevorzugt, wenn andere Methoden wie Messung der Temperatur oder Wärmeabfuhr zu ungenau sind oder gänzlich versagen, wie es z.B. bei Reaktionen im Vakuum der Fall ist, wo eine gleichzeitige Abhängigkeit von Druck/Temperatur und Wärmeübertragung schwierig ist. Diese Vakuum- Fahrweise wird aber bevorzugt angewendet, wenn thermische Belastung und unerwünschte Neben- und Folgereaktionen (Wurtz-Reaktion, Zersetzung) vermieden werden sollen.
Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. Dabei wird zunächst das Prinzip der Reaktionsverfolgung mittels IR am Beispiel der Synthese von t-Butyllithium dargestellt. Hier wird qualitativ verdeutlicht, dass zum Erreichen einer maximalen Produktausbeute nur eine bestimmte Menge an t-Butylchlorid zudosiert werden darf, in diesem Fall also nicht die übliche Stöchiometrie gemäß: 2 Li + 1 R-Hal => 1 R-Li + 1 LiCI
sondern gemäß
3 Li + 1 t-BuCI => 1 t-BuLi + 1 Li/ΪLiCI
einzuhalten ist, da das Lithium von LiCI überzogen ist und dann eine weitere Durchdringung des voluminösen t-Butylchlorids durch die LiCI-Schale aus sterischen Gründen nicht mehr möglich ist.
Beispiel 1 : Herstellung von t-Butyllithium in Pentan bei 20°C, Ermittlung der optimalen Stöchiometrie,
Im Reaktor wurden 10,5 g Lithium-Pulver (1518 mmol) in 300 ml Pentan bei 20°C vorgelegt und mit 10 ml vorgefertigter t-Buli-Lösung aktiviert. Die Dosierung von 70,3 g t-Butylchlorid (759 mmol = 100 mol-%) erfolgte sodann kontinuierlich innerhalb von 144 Minuten.
Abbildung (1) stellt den beobachteten Verlauf dar, mit den IR-Absorptionsbanden für: t-Butylchlorid, t-Butyllithium und 2-Methylpropen als Nebenprodukt:
Am Reaktionsverlauf ist leicht festzustellen, dass bei 96 Minuten Dosierzeit, entsprechend einer Menge von 66,6 mol-% t-Butylchlorid das Maximum der t- Butyllithiumbildung erreicht ist; bei weiterer Dosierung kommt es zur Nebenreaktion unter Bildung von 2-Methyl-propen und zum Abbau bereits gebildeten t-Butyllithiums durch Wurtz-Reaktion. In halbquantitativer Betrachtung sinkt der Gehalt an t-Butyllithium von maximal = 66 % bei 108 Minuten um 84 % auf 55 % bei Reaktionsende = 160 Minuten (relativ).
Isoliert wurde eine Produktausbeute von 263 mmol (35 % Ausbeute). In der
Bilanz bedeutet dies, dass bei einer optimalen Dosierung von 66 mol-% t-
Butylchlorid eine Ausbeute von 506 mmol t-Butyllithium hätten erzielt werden können, diese aber durch die weitere Zugabe von 33 mol-% = 253 mmol t- Butylchlorid durch Nebenreaktionen wieder auf 505 - 253 = 251 mmol abgebaut wurde.
Die Erklärung ist trivial: das Lithium ist bei 66,6 mol-% Dosierung mit einer Lithiumchloridschicht umgeben. In der Folge diffundiert das t-Butylchlorid und reagiert unter Konproportionierung zu Butan und 2-Methyl-propen und/oder setzt sich unter Wurtz-Reaktion um. Die Umsetzung von Lithium mit t-Butylchhlorid erfolgt somit am günstigsten mit einer Stöchiometrie gemäß:
3 Li + 1 t-BuCI => 1 t-Buli + 1 Li/LiCI
wobei die Dosiergeschwindigkeit des t-Butylchlorids so zu regulieren ist, dass sich möglichst wenig in der Reaktionslösung anreichert.
Beispiel 2: Herstellung von t-Butyllithium in Cyclohexan bei 40°C, Stöchiometrie: + 83 mol % t-Butylchlorid
Im 500-ml-Doppelmantelreaktor wurden 13,8 g Lithium-Pulver (1984 mmol) in 180 g Cyclohexan vorgelegt, mit 6 g vorgefertigter t-Buli-Lösung aktiviert und auf 40 °C erwärmt. Zudosiert wurde ein Gemisch aus t-Butylchlorid, das 1 % MTBE enthielt.
Abbildung (2) zeigt den Reaktionsverlauf, autoskaliert mit der y-Achse als IR- Absorptionsbande des t-Butylchlorids (nicht quantifiziert, d.h. in Analogie dem Lambert-Beer'schen Gesetz):
Zum Starten der Reaktion wurde jeweils 3 mal 1 ml t-Butylchlorid zudosiert, man erkennt die Akkumulation und den nachfolgenden Abbau unter Bildung von t- Butyllithium.
Die kontinuierliche Zugabe des t-Butylchlorids erfolgte in der Zeit von 1 ,25 Stunden bis 3,0 Stunden, insgesamt wurden 76,5 g t-Butylchlorid (826 mmol) zudosiert. Aus dem Verlauf lässt sich leicht erkennen, dass zunächst das t-Butyichlorid akkumuliert, bis auf ein Maximum von 0,0108 absolut bei 1 ,5 Stunden, um dann abzufallen, bei 1 ,7 Stunden = 0,0046 absolut. Danach stieg das t-Butylchlorid stetig und mehr oder weniger gleichmäßig an bis zum Dosierende bei 3 Stunden auf 0,010 absolut, während der Nachreaktion fiel es dann wieder ab.
Die entsprechende Kurve, Abbildung (3), mit der y-Achse als IR- Absorptionsbande des t-Butyllithiums ist unten abgebildet:
Zu Beginn der kontinuierlichen Dosierung betrug die IR-Bandenhöhe des t- Butyllithiums bei 1 ,5 Stunden = 0,0164 absolut. Am Ende der Dosierung betrug die Bandenhöhe bei 3,0 Stunden = 0,208 absolut. Danach stieg sie während der Nachreaktion nochmals etwas an, am Ende bei 4 h liegt sie bei 0,212 absolut.
Der theoretisch berechnete Wert für die Ausbeute an t-Butyllithium liegt bei 22,8 % (826 mmol), analytisch gefunden wurden 12,7 % (410 mmol), entsprechend einer Ausbeute von nur 50 %. Von den optimalen (66,6 mol-% bezogen auf Li =) 660 mmol wurden also nur 62 % erreicht. Aus der vergleichsweise stabilen Endkonzentration des t-Butyllithiums kann nur gefolgert werden, dass es bei den vorgegebenen Reaktionsbedingungen (40 °C in Cyclohexan) bereits zu erheblichen Nebenreaktion, d.h. der Bildung von 2-Methyl-propen und 2-Methylpropan (250 mmol = 30 mol-%), und der Wurtz-Reaktion (166 mmol = 20 mol-% ) kommt.
Das Beispiel verdeutlicht, dass es zu einer Steigerung der Ausbeute notwendig ist, die Konzentration an t-Butylchlorid möglichst gering zu halten um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden.
Beispiel 3: Herstellung von n-Butyllithium, Reaktion am Siedepunkt
Im Reaktor wurde eine Dispersion von ca. 250 kg Lithium-Pulver mit einem Gehalt von 1-3 % Natrium in 1400 kg Hexan vorgelegt. Die Dosierung des n- Butylchlorids erfolgte in 3 Phasen mit variierenden Dosiergeschwindigkeiten für die Startphase, Hauptphase und Endphase:
Die Gesamtzeit belief sich auf ca. 280 Minuten (4,6 h). Die freigesetzte Reaktionswärme von ca. 335 kJ/mol Butylchlorid diente in der 1. Phase (Anspringphase) zum Erwärmen des Reaktionsgemisches von Raumtemperatur auf Siedepunkttemperatur, während der Phasen 2 und 3 wurde dann die Reaktionswärme über die Siedekühlung abgeführt. Bei einer theoretischen Menge von 1632 kg n-Butylchlorid würde so eine Produktlösung mit einem Gehalt von 44,2 % Butyllithium (bei 100 % Umsetzung) erhalten werden.
Die Abbildungen (4) und (5) zeigen (autoskaliert) den Reaktionsverlauf mit den quantifizierten Werten für n-Butyllithium und n-Butylchlorid.
In Abbildung (4) ist die y-Achse (in Gew.-%) dem n-Butyllithium zugeordnet:
In Abbildung (5) ist die Abszisse (Gew.-%) dem n-Butylchlorid zugeordnet:
Man erkennt, dass die Reaktion fast sofort ansprang, sich während der Startphase bis zu 30 Minuten aber ein leichter Gehalt an n-Butylchlorid hielt, der dann auf 0 abfiel um bei ca. 3 Stunden (bei einem Butyllithiumgehalt von ca. 31%) wieder anzusteigen. Die Dosierung des n-Butylchlorids wurde bei einem Gehalt von 0,7 % gestoppt. Der Butyllithiumgehalt belief sich hier auf 41 ,8 %.
Bis zu diesem Zeitpunkt (280 Minuten) wurden 1577 kg n-Butylchlorid dosiert. Die sich daraus ergebende theoretische Konzentration an n-Butyllithium ergibt sich zu 43,3 %, analytisch gefunden wurde ein Gehalt von 42,1 %, entsprechend einer Ausbeute von 97,1 % bezogen auf n-Butylchlorid.
Beispiel 4 : Herstellung von n-Butyllithium
Der Reaktor wurde wie oben beschrieben mit der Li-Dispersion gefüllt und in der beschriebenen Weise mit n-Butylchlorid umgesetzt. Abbildung (6) zeigt das autoskalierte IR-Diagramm mit dem Gehalt an n-Butylchlorid als y-Achse: Man sieht eine leichte Akkumulation an n-Butylchlorid in der Anfahrphase und wieder eine steigende Zunahme nach 3 Stunden Dosierung (30,7 % n- Butyllithium), die Dosierung wurde nach 4 h 26 Minuten gestoppt, bei einem Gehalt an n-Butylchlorid von 0,92 % und einer dosierten Menge von 1581 kg.
Abbildung (7) zeigt das entsprechende autoskalierte Diagramm mit der y-Achse als Konzentration von n-Butyllithium.
Man sieht den kontinuierlichen Anstieg von n-Butyllithium bis zum Dosierende bei 4 Stunden und 44 Minuten auf einem Gehalt von 41,0 %, während der Nachreaktion steigt der Butyllithiumgehalt leicht bis auf 41 ,1 % bei 6 Stunden und 20 Minuten.
Die sich berechnete Konzentration beläuft sich in diesem Fall auf 43,4 % n- Butyllithium, analytisch wurde ein Gehalt von 41 ,1 % gefundenen, entsprechend einer Ausbeute von 94,7 % bezogen auf n-Butylchlorid.
Beispiel 5: Herstellung von s-Butyllithium im Vakuum bei 40 °C und einem Druck von 290 mbar
An diesem Beispiel wird demonstriert, dass ein Quantifizierung der IR-Banden nicht zwingend erforderlich ist, sondern - basierend auf der Gültigkeit des Lambert-Beer'schen Gesetzes- auch über die Bandenhöhe eine Verfolgung und halbqualitative Bewertung der Reaktion möglich ist.
Im Reaktor wurde eine Dispersion von 230 kg Lithium und 4 kg Natrium in 1450 kg Hexan bei Raumtemperatur vorgelegt und das Vakuum auf 290 mbar eingestellt. Die Dosierung des s-Butylchlorids erfolgte in der oben genannten Weise, dass zunächst in einer Anfahrphase die Reaktion gestartet wurde. Nach Anspringen der Reaktion erwärmte sich das Reaktionsgemisch durch die freiwerdende Reaktionswärme zum Siedepunkt (40 °C / 290 mbar) und es erfolgte die kontinuierliche Dosierung des s-Butylchlorids. Der Endpunkt der Dosierung wurde experimentell festgelegt auf einen Maximalwert der Bandenhöhe des s-Butylchlorid mit dem die höchste Ausbeute an s-Butyllithium erzielt wurde.
Abbildung (8) zeigt den IR-Verlauf mit der IR-Bandenhöhe des s-Butylchlorids als y-Achse in autoskalierter Darstellung
Man erkennt deutlich die Akkumulation an s-Butylchlorid während der Startphase, die nach 1 Stunde und 15 Minuten abgeklungen ist und gefolgt wird von einem nur allmählich ansteigendem Gehalt an s-Butylchlorid, bis die Zugabe bei 5 Stunden und 40 Minuten bei einer Bandenhöhe von 0,00154 gestoppt wird.
Die Darstellung zeigt deutlich, dass bei Dosierende die Konzentration an s- Butyllithium mit einer IR-Höhe von 0,48 unter der Maximalkonzentration bei 5 h 52 Minuten liegt mit einer IR-Höhe von 0,49 , was sich durch eine Nachreaktion erklärt.
Siehe hierzu die entsprechende autoskalierte Darstellung der Reaktion mit der y- Achse als IR-Höhe für s-Butyllithium: Abbildung (9)
Einer theoretischen berechneten Konzentration von 43,8 % steht hier eine analytisch gefundene Konzentration von 41 ,8 % gegenüber, entsprechend einer Ausbeute von 95,4 % bezogen auf s-Butylchlorid. .
Beispiel 6: Herstellung von Hexyllithium im Vakuum bei 40 °C und einem Druck von 290 mbar
Im Reaktor wurde eine Dispersion von 180 kg Lithium und 4 kg Natrium in 1050 kg Hexan bei RT vorgelegt und das Vakuum auf 290 mbar eingestellt, Die Dosierung des n-Hexylchlorids erfolgte in der oben genannten Weise, dass zunächst in einer Anfahrphase die Reaktion gestartet wurde. Nach dem Anspringen der Reaktion erwärmte sich das Reaktionsgemisch durch die freiwerdeπde Reaktionswärme bis zum Siedepunkt (40 °C / 290 mbar) und es erfolgt die kontinuierliche Dosierung des n-Hexylchlorids. Der Endpunkt wurde festgelegt auf einen Maximalwert der Bandenhöhe des n-Hexylchlorids, der in diesem Fall bei 1440 kg lag, was einer theoretischen Endkonzentration von 51 ,1 % entspricht. Gefunden wurde eine Konzentration von 48,8 % entsprechend einer Ausbeute von 95,5 % bezogen auf n-Hexylchlorid. Das entsprechende IR- Diagramm (Abbildung 10) mit Hexyllithium (relativ als Ordinate) zeigt den kontinuierlichen Anstieg der Konzentration bis zum Reaktioπsende bei 260 Minuten (Dosierzeit + Nachreaktion).
Das entsprechende IR-Diagramm (Abbildung 11) mit Hexylchlorid (relativ als Ordinate) zeigt die Akkumulation im Reaktionsgemisch ab 150 Minuten bis zum Dosierende bei 235 Minuten (relatives IR-Maximum = 0,00264), danach den schnellen Abfall während der kurzen Nachreaktion bis 260 Minuten
Beispiel 7: Herstellung von Pheπyllithium in Dibutylether bei 35°C
14,3 g Lithium-Pulver (2065 mmol) wurden zusammen mit 0,2 g Lithiumhydrid in 200 g Dibutylether mit 0,6 g Biphenyl als Katalysator (4 mmol) in einem Doppelmantelreaktor bei T(i) = 35 °C vorgelegt. Die Reaktion wurde durch Zugabe von 2,4 g Chlorbenzol initiiert. Nach erfolgreichem Anspringen der Reaktion wurden innerhalb von 4 Stunden 96,5 g Chlorbenzol (857 mmol) kontinuierlich zudosiert und 2 Stunden nachreagiert. Es wird eine Probe gezogen, sie zeigte mit einem Gehalt von 3,091 mmol Phenyllithium/g einen Reaktionsumsatz von 98,3 %. Der Reaktionsansatz wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und über Nacht gerührt. Die erneute Probenahme ergabt einen Gehalt von 3,037 mmol Phenyllithium/g entsprechend einem Umsatz von 96,6 % bezogen auf Chlorbenzol.
Der Verlauf der IR-Banden für Phenyllithium (relativ als Ordinate) ist in Abbildung 12 festgehalten.
Man sieht das Anspringen der Reaktion und die langsame Nachreaktion nach dem Dosierende bei 4500 Minuten (= Maximum Chlorbenzol). Im Vergleich dazu zeigt das entsprechende IR-Diagramm mit Chlorbenzol (relativ als Ordinate) den verzögerten Anstieg bei Reaktionsstart und deutlich das langsame Abklingen während der Nachreaktion (Abbildung 13).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Alkyl- und Aryl-Iithiumverbindungen durch Reaktion von Lithium-Metall mit Alkyl- oder Arylhalogeniden in einem Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Alkyl- /Aryl-halogenids und der Alkyl/Aryl-Iithiumverbindung durch In-Iine-Messung im Reaktor mittels IR-Spektroskopie erfasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein IR- Spektrometer im Wellenzahlenbereich 600 bis 4000 cm"1 verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als IR- Sonde eine Absolut-Total-Reflexions-Zelle (ATR-Zelle) mit Diamant-Sensor und hoher Empfindlichkeit eingesetzt wird, wobei die ATR-Zelle direkt in das Reaktionsgemisch eintaucht und eine besondere Abdichtung erfährt, wobei die Messanordnung Ex-geschützt ist und mit einem Inertgas, wie Argon oder Stickstoff, gespült wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vollständige Messanordnung mit einem Sicherheitsventil ausgestattet ist, um bei mechanischer Beschädigung des Sensors den Austritt pyrophoren Materials zu verhindern.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung einer stabilen Messwerterfassung das Gerät thermostatisiert und gegen externe elektrische Schwankungen gesichert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aliphatische (wie Methyllithium, Ethyllithium, Propyllithium, Butyllithium mit allen Isomeren, Hexyllithium, Octyllithium) oder aromatische Lithiumalkylverbindungen (wie Phenyllithium, Tolyllithium, Mesityllithium) gewonnen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel aliphatische Kohlenwasserstoffe (wie Pentan, Hexan, Heptan, Octan) und cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe (wie Cyclopentan, Cyclohexan oder Methylcyclohexan) oder aromatische Kohlenwasserstoffe (wie Toluol, Xylol oder Mesitylen) oder Ether (wie Diethylether, Diisopropylether, Dibutylether, Methyl-tert-butylether, Tetrahydrofuran, 2- Methyltetrahydrofuran) oder Mischungen davon eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Normaldruck oder im Vakuum oder im Überdruckbereich durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahren bei Temperaturen von - 120 °C bis 100 °C durchgeführt wird.
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