EP1723153A1 - Method for producing alkyl lithium compounds and aryl lithium compounds by monitoring the reaction by means of ir-spectroscopy - Google Patents
Method for producing alkyl lithium compounds and aryl lithium compounds by monitoring the reaction by means of ir-spectroscopyInfo
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- 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
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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
The invention relates to a method for producing alkyl lithium compounds and aryl lithium compounds by reacting lithium metal with alkyl or aryl halogenides in a solvent, the concentration of the alkyl/aryl halogenide and the alkyl/aryl lithium compound being detected according to an in-line measurement in the reactor by means of IR spectroscopy, and an exact recognition of the end point of the dosing of the halogenide constituents being carried out by evaluation of the IR measurement. Said method enables an optimum reactive process and reaction yield. The identification of the respective concentration of the educt and the product is a reliable reactive process. The yield of the reaction is also optimised by determining the end point of the halogenide dosing, as is the purity of the product due to a lower concentration thereof during the reaction.
Description
Verfahren zur Herstellung von Alkyllitliiumverbindungen und Aryllithiumverbindungen durch Reaktionsverfolgung mittels IR- Spektroskopie Process for the preparation of alkyl lithium compounds and aryllithium compounds by reaction monitoring using IR spectroscopy
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkyllithiumverbindungen und Aryllithiumverbindungen durch Reaktionsverfolgung mittels IR-Spektroskopie.The invention relates to a method for producing alkyl lithium compounds and aryllithium compounds by reaction monitoring using IR spectroscopy.
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.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.
Die Reaktion:The reaction:
2 Li + R-Cl => Li-R + Li-Cl + Nebenprodukte2 Li + R-Cl => Li-R + Li-Cl + by-products
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:is strongly exothermic (dH> -300 kJ / mol) and therefore bears a high risk potential if the reaction is uncertain. Follow-up reactions can also occur, such as the well-known Wurtz reaction:
Li-R + R-Cl => R-R + Li-ClLi-R + R-Cl => R-R + Li-Cl
oder zu radikalisch, bzw. radikalanionisch bedingten Nebenreaktionen, wie z.B.or to free-radical or free radical-anionic side reactions, e.g.
Li + R-Cl => LiCI + Rπ => Radikalreaktionen von Rπ =>Li + R-Cl => LiCI + R π => radical reactions of R π =>
die zu reduktiver Dehydrohalogenierung oder Konproportionierung führen und so die Reinheit und Ausbeute mindern.which lead to reductive dehydrohalogenation or proportioning and thus reduce the purity and yield.
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.The 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.
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.In order to ensure a high reaction yield with regard to the alkyl or aryl halide used, 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. Here, however, there is a risk that 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.
Wegen des heterogenen Reaktionsgeschehens können bei der Synthese folgende Schwierigkeiten auftreten:Due to the heterogeneous reaction process, the following difficulties can arise during synthesis:
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.)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.)
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-KuppluπgThe course of the reaction can be disturbed: the Li halide that forms during the reaction encrusts the Li metal surface required for the reaction; the reaction may stop. By Wurtz-Kuppluπg
R-Li + R-Hal → R-R + Li-HalR-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.(R = alkyl radical or aryl.est, shark = halide) the yield decreases. This phenomenon occurs increasingly with increasing steric stress in the order n-, s-, t-alkyl halide. The formation of biphenyls is increasingly observed in the aryl halides.
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 gemäßDifficulties in temperature control can lead to high reaction temperatures at which the undesired Wurtz reaction is favored, as well as undesirable decomposition of the alkyl lithium compounds
Li-CH2-CH2-R → Li-H + CH2=CH-RLi-CH 2 -CH 2 -R → Li-H + CH 2 = CH-R
auftreten können.may occur.
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.If the dosing of the alkyl or aryl halide is too fast, it accumulates and poses an increasing thermal hazard due to the high heat of reaction. The extent of by-products and secondary products also increases, which means less product yield and undesirably high impurities.
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.If the dosing of the alkyl or aryl halide is too slow, the reaction falls asleep and comes to a standstill, it has to be restarted with the dangers mentioned above.
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.Inaccurate detection of the end point of the reaction leads to incorrect dosing of the alkyl or aryl halide and thus to losses in yield and contamination in the product. On the one hand, it is to be avoided that active lithium remains in the reaction space, which leads to an insufficient yield in relation to lithium and to residues of active lithium which have to be decomposed dangerously. On the other hand, an overdose of alkyl or aryl halide leads to its remaining in the filtered reaction solution, which extends the post-reaction time. This in turn leads to subsequent reactions such as the Wurtz reaction, the product yield is reduced and a particularly fine lithium chloride is formed. This can still be used as ionic chloride Detect for a long time in the reaction solution ultimately precipitates in a very fine form and leads to considerable problems in the 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 order to master the difficulties listed, it is desirable to always know the concentration of the alkyl or aryl halide and the concentration of the alkyl or aryllithium compound in the reaction mixture, in order to be able to draw conclusions about the course of the reaction and also from a safety point of view to be able to avoid heat build-up.
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.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.
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.Hardwick (Philip Hardwick, "FT-IR Applications in Alkyllithium Manufacturing", Fine, Specialty & Performance Chemicals, June 2002) suggests using Fourier Transform IR spectroscopy in the near-IR range for the dilution of concentrated alkyl lithium solutions. Near-IR (NIR) means the wavelength range from 0.75 to 2.5 μm (Römpp, Chemie-Lexikon). The system described by Hardwick provides for the IR light beam to be guided back and forth to the sample space by means of glass fibers, whereby the measurement can be carried out in transmission or reflection. Sapphire windows are used. The disadvantage of this system is a non-product-specific measurement in the NIR range, i.e. the measurement requires calibration. This system also cannot be used to monitor the reaction of Li metal with alkyl halides, since the Li metal attacks the sapphire windows and it is not possible to distinguish between the harmonics of the starting material and product in this wavelength range.
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.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.
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.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.
So wird eine optimale Reaktionsführung und Reaktionsausbeute ermöglicht. Durch diese Kenntnis der jeweiligen Konzentration von Edukt und Produkt ist eine sichere Reaktionsführung gegeben.This enables optimal reaction management and reaction yield. This knowledge of the respective concentration of starting material and product ensures reliable reaction management.
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.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. However, a defined wavelength range can also be calibrated specifically and thus enables an exact quantitative determination of the concentration.
Für die Synthese von Lithiumorganylen in der oben beschriebenen Weise läßt sich der Nutzen wie folgt darstellen:The benefits for the synthesis of lithium organyls in the manner described above can be illustrated as follows:
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.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.
Für die Reaktionsgeschwindigkeit der Synthese gilt allgemein:
RG = - 1/α * d [R-Cl] / dt = k„ [Li-R]p [Li-Cl]q [Nebenprodukte]' / [Li]s The following generally applies to the reaction rate of the synthesis: RG = - 1 / α * d [R-Cl] / dt = k „[Li-R] p [Li-Cl] q [by-products] '/ [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:In the reaction solution, 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:
RG = - 1/α * d [R-Cl] / dt = km [Li-R]p RG = - 1 / α * d [R-Cl] / dt = k m [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.The course of the concentration profiles of R-Cl and R-Li over time can thus be used as an aid for assessing the course of the reaction. It is now possible to vary the reaction conditions and to assess their influence on the course of the reaction. This makes IR spectroscopy a tool that helps to achieve the optimum yield of Li-R, increase product purity and reduce the formation of by-products and secondary products, so that real process optimization can take place.
Zur Steigerung der Empfindlichkeit der Messanordung des FTIR-Gerätes empfehlen sich einige Optimierungsmaßnahmen:To increase the sensitivity of the measurement arrangement of the FTIR device, some optimization measures are recommended:
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.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.
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 %A particularly sensitive detector is also necessary, preferably it is cooled with liquid nitrogen (MCT detector). Recent developments aim at the use of Peltier elements. The required detection limit for the alkyl or aryl halide is in the range of 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-geschütztenIt is also preferred to carry out the measurements under a protective gas such as nitrogen or argon. The IR device must be operated under explosion protection, or must e.g. separated by a protective wall in a non-explosion-proof
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.Stand space isolated. If the optics break, a 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.
Ebenso muss der Lichtstrahl und die IR-Quelle vor Feuchtigkeit und CO2 geschützt werden, was durch Spülen mit Schutzgas wie Argon bzw., Stickstoff erfolgt.Likewise, 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.
Es ist ebenfalls erforderlich, einen Spannungsregler und -dämpfer zu verwenden, um einen stabilen Lauf des Gerätes zu gewährleisten und gegen Ausfälle zu schützen.It is also necessary to use a voltage regulator and damper to ensure stable operation of the device and to protect against failures.
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.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.
Über ein Makro kann ein Test durchgeführt werden (Vergleich Master Background mit neu aufgenommenen Background) der anzeigt, ob das System normal arbeitet.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.
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.Via a specially built-in window in the IR device, you can determine from an LED display whether the ball valve has closed due to a liquid intrusion or excessive pressure in the arm.
Die Reinigung des Sensors (Diamantfenster) erfolgt nach jeder Reaktion über ein Tauchrohr mittels eines Sprühstrahls des verwendeten Lösemittels.The sensor (diamond window) is cleaned after each reaction via a dip tube using a spray of the solvent used.
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,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,
z.B. bandenspezifisch im Fingerprintbereich: cm"1 cm"1 Me-Li = 957, 1056 Me-Cl = 667eg band-specific in the fingerprint area: 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 1463Et-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, 1447Ph-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.There are several options for assignment and different methods for evaluation and quantification, such as
- 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.- Band height, band area - Height or area to zero line - Height or area to baseline - Height or area to a baseline point Height or area to 2 baseline points - or using statistical methods such as P-Matrix or PLS (partial least square). The sensitivity of the detection of a component can be increased if the solvent is subtracted and / or the changes in a spectrum are also subtracted from one another.
Die Möglichkeit zur Quantifizierung ergibt sich aus der Anwendung des Lambert- Beer'schen Gesetzes, das den Zusammenhang zwischen dem absorbiertem Licht und Stoffkonzentration beschreibt:The possibility of quantification results from the application of Lambert-Beer law, which describes the relationship between the absorbed light and substance concentration:
Ig l0 / l = e * c * d = EIg l 0 / 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)after which the absorption at a certain wavelength is proportional to the concentration c and the irradiated layer thickness d. 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)
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.By determining the concentration of starting material and product in the reaction mixture, 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.
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 LiCIThe subject matter of the invention is illustrated by the following examples. The principle of reaction monitoring by means of IR is first illustrated using the example of the synthesis of t-butyllithium. It is made qualitatively clear here that only a certain amount of t-butyl chloride may be metered in in order to achieve a maximum product yield, in this case not the usual stoichiometry according to: 2 Li + 1 R-Hal => 1 R-Li + 1 LiCI
sondern gemäßbut according to
3 Li + 1 t-BuCI => 1 t-BuLi + 1 Li/ΪLiCI3 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.It must be observed, since the lithium is coated with LiCI and then a further penetration of the voluminous t-butyl chloride through the LiCI shell is no longer possible for steric reasons.
Beispiel 1 : Herstellung von t-Butyllithium in Pentan bei 20°C, Ermittlung der optimalen Stöchiometrie,Example 1: Production of t-butyllithium in pentane at 20 ° C., determination of the optimal stoichiometry,
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.10.5 g of lithium powder (1518 mmol) in 300 ml of pentane were placed in the reactor at 20 ° C. and activated with 10 ml of prefabricated t-Buli solution. 70.3 g of t-butyl chloride (759 mmol = 100 mol%) were then metered in continuously over 144 minutes.
Abbildung (1) stellt den beobachteten Verlauf dar, mit den IR-Absorptionsbanden für: t-Butylchlorid, t-Butyllithium und 2-Methylpropen als Nebenprodukt:Figure (1) shows the observed course, with the IR absorption bands for: t-butyl chloride, t-butyllithium and 2-methylpropene as a by-product:
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).From the course of the reaction it is easy to determine that the maximum t-butyllithium formation is reached at a dosage time of 96 minutes, corresponding to an amount of 66.6 mol% of t-butyl chloride; with further dosing there is a side reaction with the formation of 2-methyl-propene and the breakdown of already formed t-butyllithium by the Wurtz reaction. From a semi-quantitative perspective, the t-butyllithium content drops by 84% from a maximum of = 66% at 108 minutes to 55% at the end of the reaction = 160 minutes (relative).
Isoliert wurde eine Produktausbeute von 263 mmol (35 % Ausbeute). In derA product yield of 263 mmol (35% yield) was isolated. In the
Bilanz bedeutet dies, dass bei einer optimalen Dosierung von 66 mol-% t-Balance sheet means that with an optimal dosage of 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.Butyl chloride a yield of 506 mmol t-butyllithium could have been achieved, but this by the further addition of 33 mol% = 253 mmol t- Butyl chloride was reduced again to 505-253 = 251 mmol by side reactions.
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:The explanation is trivial: the lithium is surrounded by a layer of lithium chloride at a dosage of 66.6 mol%. As a result, 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:
3 Li + 1 t-BuCI => 1 t-Buli + 1 Li/LiCI3 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.the metering rate of the t-butyl chloride being regulated so that as little as possible accumulates in the reaction solution.
Beispiel 2: Herstellung von t-Butyllithium in Cyclohexan bei 40°C, Stöchiometrie: + 83 mol % t-ButylchloridExample 2: Preparation of t-butyllithium in cyclohexane at 40 ° C, stoichiometry: + 83 mol% t-butyl chloride
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.13.8 g of lithium powder (1984 mmol) in 180 g of cyclohexane were placed in the 500 ml double-jacket reactor, activated with 6 g of prefabricated t-Buli solution and heated to 40.degree. A mixture of t-butyl chloride, which contained 1% MTBE, was metered in.
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):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):
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.To start the reaction, 3 times 1 ml of t-butyl chloride was metered in, the accumulation and the subsequent degradation can be seen to form 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.The t-butyl chloride was added continuously over a period of 1.25 hours to 3.0 hours, and a total of 76.5 g of t-butyl chloride (826 mmol) were metered in. From the course it can easily be seen that the t-butyichloride first accumulates, up to a maximum of 0.0108 absolute at 1.5 hours, and then drops off at 1.7 hours = 0.0046 absolute. Thereafter, the t-butyl chloride rose steadily and more or less uniformly to the end of the dosage at 3 hours to 0.010 absolute, and then decreased again during the after-reaction.
Die entsprechende Kurve, Abbildung (3), mit der y-Achse als IR- Absorptionsbande des t-Butyllithiums ist unten abgebildet:The corresponding curve, Figure (3), with the y-axis as the IR absorption band of t-butyllithium is shown below:
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.At the beginning of the continuous metering, the IR band height of the t-butyllithium was 1.5 hours = 0.0164 absolute. At the end of the dosing, 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.
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.The theoretically calculated value for the yield of t-butyllithium is 22.8% (826 mmol), analytically found 12.7% (410 mmol), corresponding to a yield of only 50%. Only 62% of the optimal (66.6 mol% based on Li =) 660 mmol was reached. From the comparatively stable final concentration of t-butyllithium it can only be concluded that under the given reaction conditions (40 ° C in cyclohexane) there is already a considerable side reaction, i.e. the formation of 2-methyl-propene and 2-methylpropane (250 mmol = 30 mol%), and the Wurtz reaction (166 mmol = 20 mol%).
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.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.
Beispiel 3: Herstellung von n-Butyllithium, Reaktion am SiedepunktExample 3: Preparation of n-butyllithium, reaction at the boiling point
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:A dispersion of about 250 kg of lithium powder with a content of 1-3% sodium in 1400 kg of hexane was placed in the reactor. The dosage of the n Butyl chloride was carried out in 3 phases with varying dosing speeds for the start phase, main phase and end phase:
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.The total time was approx. 280 minutes (4.6 h). The heat of reaction released of approx. 335 kJ / mol of butyl chloride was used in the 1st phase (light-off phase) to heat the reaction mixture from room temperature to the boiling point temperature, during phases 2 and 3 the heat of reaction was then removed via evaporative cooling. With a theoretical amount of 1632 kg of n-butyl chloride, a product solution with a content of 44.2% butyllithium (with 100% conversion) would be obtained.
Die Abbildungen (4) und (5) zeigen (autoskaliert) den Reaktionsverlauf mit den quantifizierten Werten für n-Butyllithium und n-Butylchlorid.Figures (4) and (5) show (autoscaled) the course of the reaction with the quantified values for n-butyllithium and n-butyl chloride.
In Abbildung (4) ist die y-Achse (in Gew.-%) dem n-Butyllithium zugeordnet:In Figure (4) the y-axis (in% by weight) is assigned to n-butyllithium:
In Abbildung (5) ist die Abszisse (Gew.-%) dem n-Butylchlorid zugeordnet:In Figure (5) the abscissa (% by weight) is assigned to n-butyl chloride:
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 %.It can be seen that the reaction started almost immediately, but a slight content of n-butyl chloride persisted for up to 30 minutes, which then dropped back to 0 by about 3 hours (with a butyllithium content of about 31%) to increase. The dosing of the n-butyl chloride was stopped at a content of 0.7%. The butyllithium content here was 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.Up to this point (280 minutes), 1577 kg of n-butyl chloride had been metered in. The resulting theoretical concentration of n-butyllithium is 43.3%, analytically a content of 42.1% was found, corresponding to a yield of 97.1% based on n-butyl chloride.
Beispiel 4 : Herstellung von n-ButyllithiumExample 4: Preparation of 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.The reactor was filled with the Li dispersion as described above and reacted with n-butyl chloride in the manner described. Figure (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.
Abbildung (7) zeigt das entsprechende autoskalierte Diagramm mit der y-Achse als Konzentration von n-Butyllithium.Figure (7) shows the corresponding autoscaled diagram with the y-axis as the concentration of 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.One sees the continuous increase from n-butyllithium to the end of dosing at 4 hours and 44 minutes to a content of 41.0%, during the post-reaction the butyllithium content rises slightly to 41.1% at 6 hours and 20 minutes.
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.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.
Beispiel 5: Herstellung von s-Butyllithium im Vakuum bei 40 °C und einem Druck von 290 mbarExample 5: Production of s-butyllithium in vacuum at 40 ° C and a pressure of 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.This example demonstrates that a quantification of the IR bands is not absolutely necessary, but - based on the validity of the Lambert-Beer law - also about the band height a tracking and semi-qualitative evaluation of the reaction is possible.
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.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.
Abbildung (8) zeigt den IR-Verlauf mit der IR-Bandenhöhe des s-Butylchlorids als y-Achse in autoskalierter DarstellungFigure (8) shows the IR curve with the IR band height of the s-butyl chloride as the y-axis in an auto-scaled representation
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.One can clearly see the accumulation of s-butyl chloride during the starting phase, which subsided after 1 hour and 15 minutes and is followed by an only gradually increasing content of s-butyl chloride until the addition at 5 hours and 40 minutes at a band height of 0 , 00154 is stopped.
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.The illustration clearly shows that at the end of the dose the concentration of s-butyllithium with an IR level of 0.48 is below the maximum concentration at 5 h 52 minutes with an IR level of 0.49, which is explained by a subsequent reaction.
Siehe hierzu die entsprechende autoskalierte Darstellung der Reaktion mit der y- Achse als IR-Höhe für s-Butyllithium: Abbildung (9)See the corresponding autoscaled representation of the reaction with the y-axis as IR height for s-butyllithium: Figure (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. .A theoretically calculated concentration of 43.8% contrasts with an analytically found concentration of 41.8%, corresponding to a yield of 95.4% based on s-butyl chloride. ,
Beispiel 6: Herstellung von Hexyllithium im Vakuum bei 40 °C und einem Druck von 290 mbarExample 6: Production of hexyllithium in vacuum at 40 ° C and a pressure of 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).A dispersion of 180 kg of lithium and 4 kg of sodium in 1050 kg of hexane at RT was placed in the reactor and the vacuum was set to 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%. A concentration of 48.8% was found, corresponding to a yield of 95.5% based on n-hexyl chloride. The corresponding IR diagram (Figure 10) with hexyllithium (relative as ordinate) shows the continuous increase in concentration up to the end of the reaction at 260 minutes (dosing time + after-reaction).
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 MinutenThe corresponding IR diagram (Figure 11) with hexyl chloride (relative as ordinate) shows the accumulation in the reaction mixture from 150 minutes to the end of the dosing at 235 minutes (relative IR maximum = 0.00264), then the rapid decrease during the short post-reaction until 260 minutes
Beispiel 7: Herstellung von Pheπyllithium in Dibutylether bei 35°CExample 7: Preparation of Pheπyllithium in dibutyl ether at 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.14.3 g of lithium powder (2065 mmol) were placed together with 0.2 g of lithium hydride in 200 g of dibutyl ether with 0.6 g of biphenyl as catalyst (4 mmol) in a jacketed reactor at T (i) = 35 ° C. The reaction was initiated by adding 2.4 g of chlorobenzene. After the reaction had started successfully, 96.5 g of chlorobenzene (857 mmol) were metered in continuously over the course of 4 hours and the reaction was continued for 2 hours. A sample is taken, it showed a reaction conversion of 98.3% with a content of 3.091 mmol phenyllithium / g. The reaction mixture was cooled to room temperature and stirred overnight. The renewed sampling showed a content of 3.037 mmol phenyllithium / g corresponding to a conversion of 96.6% based on chlorobenzene.
Der Verlauf der IR-Banden für Phenyllithium (relativ als Ordinate) ist in Abbildung 12 festgehalten.The course of the IR bands for phenyllithium (relative as ordinate) is shown in Figure 12.
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).
You can see the start of the reaction and the slow post-reaction after the end of dosing at 4500 minutes (= maximum chlorobenzene). In comparison, the corresponding IR diagram with chlorobenzene (relative as ordinate) shows the delayed rise at the start of the reaction and clearly the slow decay during the post-reaction (Figure 13).
Claims
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.1. A process for the preparation of alkyl and aryl lithium compounds by reaction of lithium metal with alkyl or aryl halides in a solvent, characterized in that the concentration of the alkyl / aryl halide and the alkyl / aryl lithium compound by in- Iine measurement in the reactor is recorded by means of IR spectroscopy.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein IR- Spektrometer im Wellenzahlenbereich 600 bis 4000 cm"1 verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that an IR spectrometer in the wavenumber range 600 to 4000 cm "1 is used.
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.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that an absolute total reflection cell (ATR cell) with a diamond sensor and high sensitivity is used as the IR probe, the ATR cell being immersed directly in the reaction mixture and undergoes a special seal, the measuring arrangement being explosion-protected and being flushed with an inert gas such as argon or nitrogen.
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.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the complete measuring arrangement is equipped with a safety valve to prevent the emergence of pyrophoric material in the event of mechanical damage to the sensor.
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.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the device is thermostatted and secured against external electrical fluctuations to ensure stable measured value acquisition.
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. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that aliphatic (such as methyl lithium, ethyl lithium, propyllithium, butyllithium with all isomers, hexyllithium, octyllithium) or aromatic lithium alkyl compounds (such as phenyllithium, tolyllithium, mesityllithium) are obtained.
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.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the solvent is aliphatic hydrocarbons (such as pentane, hexane, heptane, octane) and cycloaliphatic hydrocarbons (such as cyclopentane, cyclohexane or methylcyclohexane) or aromatic hydrocarbons (such as toluene, xylene or mesitylene ) or ethers (such as diethyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, methyl tert-butyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran) or mixtures thereof.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Normaldruck oder im Vakuum oder im Überdruckbereich durchgeführt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the method is carried out at normal pressure or in a vacuum or in the overpressure range.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahren bei Temperaturen von - 120 °C bis 100 °C durchgeführt wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the method is carried out at temperatures from - 120 ° C to 100 ° C.
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