JP2002179686A - 直接法によるアルキルハロシランの製造中にジアルキルジハロシランの生成を促進する方法 - Google Patents
直接法によるアルキルハロシランの製造中にジアルキルジハロシランの生成を促進する方法Info
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Abstract
亜鉛、スズ及びリンを含む触媒との直接法反応中にアル
キルハロシランの生成を促進する方法。 【解決手段】ケイ素の重量に対し1〜5重量%の銅、C
u/Zn重量比が25〜250の範囲にあるような量の
亜鉛、反応混合物の重量に対して100〜1000pp
mのリンを含む反応混合物を維持することにより、粗製
メチルクロロシラン中のジメチルジクロロシランの重量
%が増大することで示されるようにリン含有触媒の性能
が促進される。
Description
シランからのジアルキルジハロシランの生成と回収を促
進する方法に係る。特に、本発明は、ジメチルジクロロ
シランの生成を促進する触媒としてリンを用いると共に
銅に対する亜鉛の低い重量比を維持することによってメ
チルクロロシランを製造する直接法に係る。
チルとの反応を実施することによってメチルクロロシラ
ンを製造するロチョー(Rochow)直接法プロセスが米国特
許第2380995号に示されている。1951年、米
国ニューヨークのジョン・ウィリー・アンド・サンズ(J
ohn Wiley and Sons)刊、「シリコーンの化学(Chemistr
y of the Silicones)」第2版第79〜80頁にロチョ
ー(Rochow)が教示しているように、ジメチルジクロロシ
ランは加水分解されたときにジメチルシロキシ単位、す
なわち「Di」単位の供給源となり、高分子量のポリマ
ーの製造にとって基本的である。ロチョー(Rochow)らに
よりアメリカ化学会誌(J. Am. Chem. Soc.)第63巻第
798頁(1941年)に示されているように、銅に加
えて、亜鉛やスズのような重要な金属促進剤も直接法に
よる粗製メチルクロロシランの製造中にジメチルジクロ
ロシランの生成を促進することができるということは以
前から認識されている。
国際公開第95/01303号(1994年)に、直接
法におけるジメチルジクロロシランの生成促進剤として
リンを使用することを記載している。リン化銅は、米国
特許第4762940号(1990年)においてハーム
(Halm)らにより、直接法においてジメチルジクロロシラ
ン選択性を改良するリンの有用な供給源として引用され
ている。また、米国特許第5059343号に示されて
いるように、ハーム(Halm)らは直接法操作においてジメ
チルジクロロシラン選択性を改良するために銅、スズ及
び亜鉛と組み合わせてリンを使用する効果についても検
討した。直接法によるメチルクロロシランの製造におい
てジメチルジクロロシランの収率を改良する手法は大い
に進歩したとはいっても、さらなる技術が常に求められ
ている。
中にジアルキルジハロシランの生成を促進する方法が提
供される。この方法は、銅(Cu)、ケイ素(Si)、
亜鉛(Zn)及びリン(P)を含む触媒の存在下でハロ
ゲン化アルキルと粉末化ケイ素との反応を実施すること
を含んでおり、アルキルハロシランの生成中、ケイ素の
重量に対して約1〜約5重量%の範囲の平均割合の銅、
Cu/Zn重量比が約25〜約250の範囲の値を有す
るように充分な量の亜鉛、反応混合物の重量に対して約
100〜約1000ppmの範囲の割合のリンを含む反
応混合物を維持する。
ン反応の有効性が高められる。リンはジメチルジクロロ
シラン触媒として認められてはいるが、約25〜約25
0の範囲の銅対亜鉛の高い重量比を維持しつつ反応器に
リンを導入することによって直接法操作の間のジメチル
ジクロロシランの生成に対するリンの有効性を大幅に高
めることができる。銅対亜鉛の重量比は約30〜約20
0の範囲が好ましく、約35〜約100の範囲であると
さらに好ましい。本明細書で「実質的に高まった」ジメ
チルジクロロシランの生成とは、生成するジメチルジク
ロロシランの割合が少なくとも約3%増大することをい
う。リンのレベル及び銅対亜鉛の比はジメチルジクロロ
シランの製造方法に対して相乗効果を示す。リンは反応
混合物の重量に対して約100〜約1000ppmの範
囲で存在する。亜鉛のレベルが低過ぎるか高過ぎると、
リンを添加しても生成するジメチルジクロロシランの量
に対して効果がない。
ロゲン化アルキルとして選択したが、塩化C1-4アルキ
ル、例えば塩化エチル、塩化プロピルなどのような他の
ハロゲン化アルキルも使用することができる。同様に、
「アルキルハロシラン」という用語は、好ましいメチル
クロロシランであるジメチルジクロロシラン(Di)の
ようなジアルキルハロシラン、並びに他のさまざまなア
ルキルハロシラン、例えば、トリメチルクロロシラン
(Mono)、メチルトリクロロシラン(Tri)、四
塩化ケイ素、トリクロロシラン、メチルジクロロシラン
(MH)及びジメチルクロロシラン(M2H)、さらに
はテトラメチルシランを包含する。
プロセスの中には、少なくとも1つの反応器が固定床、
攪拌床又は流動床を含むものが包含される。本発明は連
続的、半連続的又はバッチ式に実施することができる。
特に、固定床反応器はケイ素粒子を収容したカラムであ
ることができ、このカラムの中をハロゲン化アルキルガ
スが通過する。攪拌床は、床を一定の運動状態に保つた
めにある程度の機械的攪拌を伴うという点で、固定床に
類似している。反応は、通常、約250〜約350℃の
範囲、好ましくは約280〜約320℃の範囲の温度で
起こる。また、流動床反応器を使用する場合、高めの圧
力で塩化メチルからメチルクロロシランへの変換速度が
増大するので、約1〜約10気圧の範囲の圧力下で反応
を行うことが推奨される。圧力は約1.1〜約3.5気
圧の範囲であるのが望ましく、約1.3〜約2.5気圧
の範囲であるのが好ましい。
いう表現は、反応物を添加し、ケイ素の約50%が利用
されてしまうまで反応器を作動させることを意味する。
約50%のケイ素が利用された後、ケイ素と触媒の追加
の反応物を加えることができる。バッチモードの反応で
は、反応物成分のすべてを一緒にし、反応物のほとんど
が消費されるまで反応させる。反応を進行させるには、
反応を中断し、追加の反応物を加えなければならない。
固定床と攪拌床はいずれもバッチ条件で作動させること
ができる。流動反応器は通常連続条件で作動する。連続
条件では、さらに反応物を加えるために反応を中止する
必要がない。
ル、アルゴンのような不活性ガス、又はこれらの混合物
を用いてケイ素粒子の床を流動化させることができる。
ケイ素粒子の平均粒度は約700ミクロン未満とするこ
とができ、約20ミクロンより大きく約300ミクロン
未満の平均粒度が好ましい。ケイ素粒子の平均直径は約
100〜約150ミクロンの範囲が好ましい。アルキル
ハロシラン反応に使用するケイ素は、鉄(Fe)含量が
ケイ素全体に対して約0.1〜約1重量%の範囲、カル
シウム(Ca)含量がケイ素全体に対して約0.01〜
約0.2重量%の範囲、アルミニウム(Al)含量がケ
イ素全体に対して約0.02〜約0.5重量%の範囲で
あることができる。通常ケイ素はケイ素が少なくとも約
98重量%の純度で得た後、接触塊の調製のために粉砕
して上記範囲のケイ素粒子とする。本明細書で使用する
「接触塊」とは、予めケイ素粉末と反応させて接触塊を
形成するための銅の供給源をいう。この接触塊を調製す
るには、通常、ケイ素と塩化第一銅を炉内で四塩化ケイ
素の発生が止むまで約280〜約400℃の範囲の温度
で反応させる。得られた固体はケイ素と銅を含有してお
り、接触塊といわれる。この接触塊は他の触媒成分と共
に反応器に加える。
銅(Cu3P)、リン化亜鉛(Zn3P)、三塩化リン
(PCl3)、トリエチルホスフィン[(C2H5)3P]
やトリメチルホスフィン[(CH3)3P]のようなアル
キルホスフィン(R3P)及びこれらの組合せがある
が、これらに限られることはない。
することができる銅化合物の中には銅のカルボン酸塩及
び部分的に酸化した銅がある。別の銅供給源としては、
粒状化した塩化第二銅及び塩化第一銅、銅フレーク、黄
銅、青銅並びにこれらの組合せがあるが、これらに限定
されることはない。
属粉末、塩化亜鉛のような亜鉛のハロゲン化物、酸化亜
鉛、及びこれらの組合せがあるが、これらに限定される
ことはない。銅とスズの重量比に対して、スズは、ジア
ルキルジハロシラン生成の間の反応混合物中に、反応混
合物の全重量の約200〜約3000ppmのスズの範
囲で存在することができる。スズの供給源としては、ス
ズの金属粉、ハロゲン化スズ、酸化スズ、テトラメチル
スズ、ハロゲン化アルキルスズ、黄銅、青銅、及びこれ
らの組合せがあるが、これらに限られることはない。
で粗製試料を秤量してケイ素の利用割合を決定する。一
般に、データはケイ素の利用率約20重量%で記録す
る。選択性は熱伝導率検出器を備えたガスクロマトグラ
フィー「GC」で決定する。個々のシラン成分の分析は
試薬グレードの分析によって行う。GC校正は既知組成
のシラン混合物の分析によって行う。
ppmレベルのリンは、直接法によるメチルクロロシラ
ン製造中にジメチルジクロロシラン生成を促進する効果
を有することができる。これらのデータは、リン供給源
としてリン化銅を用いて広いCu/Zn重量比範囲にわ
たってケイ素利用率約20%で固定床を作動させた結果
である。グラフに示されているように、約30:1及び
約100:1のCu/Zn比の値は、ジメチルジクロロ
シラン製造法の効率を増大するのに特に有効である。
できるように、限定ではなく例示の意味で以下の実施例
を挙げる。特に断らない限り部とあるのはすべて重量部
である。
ような固定床反応器を用いた。この固定床反応器は1.
3センチメートル(cm)の外径を有する長さ20cm
のガラス管であった。端から6cmのところにガラスフ
リットを配置して粉末化したケイ素の床を支えた。床の
サイズは6グラム(g)であった。予想された最高の反
応速度はケイ素1グラムにつき毎時粗製物約1グラムで
あった。
トバージニア州アロイ(Alloy)のエルケム社(Elkem Co.)
から調達した。このケイ素粉末を粉砕して平均表面積
0.38平方メートル/グラムとした。主要元素成分は
ケイ素に対するppmで表してアルミニウム(180
0)、カルシウム(20)、鉄(5000)、リン(4
0)であった。研究に用いた塩化第一銅、粉末スズ及び
粉末亜鉛のような幾つかの触媒成分は、米国ウィスコン
シン州ミルウォーキーのアルドリッチ社(AldrichCo.)か
ら入手した。
グラム(g)とヘキサン5.43gの混合物をCu/S
n比1000:1のCuClとスズ粉から成る固形分1
2.67gのヘキサンスラリーと合わせた。この混合物
を最初は周囲条件下の窒素流で乾燥し、次に周囲温度の
減圧下で充分乾燥した。
内に入れ、アルゴンを流しながら四塩化ケイ素(SiC
l4)の発生が止まるまで300℃に加熱した。水酸化
アンモニウム(NH4OH)を用いて流出物をモニター
した。接触塊調製の反応に伴う揮発性生成物の損失によ
る重量変化は計算した重量損失と誤差範囲内で一致し
た。
間固定床反応を実施した。粉末化ケイ素6gの初期装入
量及び塩化銅(CuCl)の形態の銅5重量%の接触塊
に基づく接触塊を使用した。接触塊中には、スズ(S
n)を約1000ppmの値にすると共にCu/Zn比
を10:1の値にするのに充分な粉末化スズと粉末化亜
鉛も配合した。塩化メチル流量は30ミリリットル/分
に維持した。生成した粗製物の重量に基づいて約20%
のケイ素が利用された後、ジメチルジクロロシランの選
択性はガスクロマトグラフィーで86.6%であった。
のケイ素利用率まで担持させた接触塊を用いて、リンの
存在下又は不在下で、初期Cu/Zn比を10:1又は
100:1として一連の固定床反応実験を行った。
鉛粉及びリン化銅(Cu3P)のようなリン供給源を接
触塊中に配合した。トリクロロホスフィン(PCl3)
やトリメチルホスフィン[(CH3)3P]のような揮発
性のリン化合物は、上流で塩化メチル流と共にリン約
0.15〜約0.20ミリグラム/分の範囲の割合で接
触塊中に注入した。
i」はジメチルジクロロシランである。
0:1でリン500ppmを使用した結果、顕著なジメ
チルジクロロシラン促進効果が示された。例えば、リン
0ppmでは85.6%のジメチルジクロロシランレベ
ルが得られたが、リン500ppmでは94.2%のジ
メチルジクロロシランレベルが得られた。しかし、銅対
亜鉛の比が10:1であると、リンを加えても加えなく
ても生成するジメチルジクロロシラン%はあまり高くな
らなかった。
リンの供給源はトリエチルホスフィン(C2H5)3Pと
した。塩化銅として銅4.75重量%及びスズ粉50p
pmを含有するケイ素ブレンドを用いた。このブレンド
(6.17g)を1.0ミリグラム(mg)の亜鉛粉
(Cu/Zn比300:1)と共にガラス製固定床反応
器に入れた。約220〜約250℃の範囲の床温度で、
塩化メチルを床に通した。合計で3.0mgのリン又は
ケイ素に対して500ppmのトリエチルホスフィン
(C2H5)3Pの5つの同じ試料を、リン約0.15〜
約0.20ミリグラム/分の範囲の割合で床の上流に注
入した。反応は塩化メチル流量35ミリリットル/分で
行った。反応は三回実施した。平均の結果を表2に示
す。
を注入しない以外は実施例2の実験を繰り返した。結果
を表2に示す。
実施例2のケイ素ブレンド(6.17g)をガラス製固
定床反応器に入れた。約220〜約250℃の範囲の床
温度で、塩化メチルを床に通した。PR1 3の5つの同じ
試料(R1はメチル又はエチル。合計で3.0mgのリ
ン又はケイ素に対して500ppm)を、リン約0.1
5〜約0.20ミリグラム/分の範囲の割合で床の上流
に注入した。反応は塩化メチル流量35mL/分で行っ
た。反応は三回実施した。平均の結果を表2に示す。
を注入しない以外は実施例4の実験を繰り返した。結果
を表2に示す。反応は三回実施した。平均の結果を表2
に示す。
ジクロロシラン%の実施例2〜5の結果は、300:1
のCu/Zn床にリンを添加して得られたジメチルジク
ロロシラン%に顕著な改良がみられなかったことを示し
ている。500ppmのリンを有するCu/Zn=30
0:1のときのジメチルジクロロシランレベル89.8
0%(標準偏差0.75)と、0ppmのリンを有する
Cu/Zn=300:1のときのジメチルジクロロシラ
ンレベル87.23%(標準偏差1.36)とを比較す
ると、リンの添加は生成するジメチルジクロロシランの
効率を大幅に高めることはない。対照的に、銅対亜鉛の
比が200:1のとき、リンを添加すると、リンを加え
ないときの87.09%Di(標準偏差0.05)と比
べて92.79%Di(標準偏差0.54)が得られ
た。すなわち、リンの添加により、生成するジメチルジ
クロロシラン%が大きく高まった。
州リサーチトライアングルパーク(Research Triangle P
ark)のオー・エム・ジー・アメリカ(OMG Americas)から
入手した銅フレーク及び粉末化した黄銅とした以外は、
ほぼ実施例1の固定床反応手順を繰り返した。この黄銅
は、銅80重量%、亜鉛19.5重量%、スズ0.5重
量%であった。
及び適当な量の黄銅のブレンドからなる床の重量に対し
て5重量%の銅レベルで実施した。ヘキサン又はトルエ
ン中のケイ素、銅フレーク及び黄銅のマスターバッチス
ラリーを作成した。ケイ素135g、銅フレーク4.2
9g及び黄銅3gを用いて約11:1のCu/Zn重量
比とした。別のスラリーは35:1のCu/Zn重量比
となるように調製した。得られたブレンドを固定床反応
器に装入する前に減圧下で溶媒を分離した。
フィン及び11:1と35:1のCu/Zn重量比を用
いて次の結果が得られた。
ロシラン促進剤としてのリンの有効性が反応中に用いた
特定のCu/Zn重量比範囲によって影響されるかどう
か決定するために銅/亜鉛触媒を使用した。流動床反応
器は内径(ID)3.8cmのガラス管から成り、中央
のガラスフリットがケイ素床を支持していた。この反応
器を、ニクロム(Nichrome)線を巻き付けたガラス加熱管
に入れた。床を流動化するためにバイブレーターと組み
合わせて攪拌機を用いた。
Cu/Zn重量比10:1を有する接触塊20gを装入
した。約300〜約310℃の範囲の床温度で約24〜
約28時間の範囲の時間にわたって塩化メチルを反応器
に供給した。ケイ素が35%利用された後粗製物のジメ
チルジクロロシラン%をガスクロマトグラフィーで分析
した。床がリン500ppmを提供するCu3Pを10
mg含む以外は同じ手順を繰り返した。
外は、10mgのリン化銅を用いて、又は用いないで類
似の流動床手順を繰り返した。Cu/Zn重量比10:
1と100:1をそれぞれ数回繰り返した。表4は、1
0:1と100:1のCu/Zn重量比を用いた流動床
反応器で得られた結果を含んでいる。
を用いた場合粗製メチルクロロシラン中のジメチルジク
ロロシラン%に関して統計的に有意な変化が生じるかど
うか決定するために行った数回の反復実験で得られた平
均値である。リンなしで10:1のCu/Zn比を用い
たDi収率87%(標準偏差=2)を、リンを用いたD
i収率90%(標準偏差=3.7)と比較したところ、
有意な統計的増大は見られなかった。例えば、リンを用
いた場合とリンを用いない場合のジメチルジクロロシラ
ン%の標準偏差を考慮すると、ジメチルジクロロシラン
パーセントの範囲はオーバーラップしている。すなわ
ち、亜鉛が大量に存在する(Cu/Zn比10:1)と
き生成するジメチルジクロロシランの量に統計的な増大
はなかった。しかし、Cu/Zn比が100/1のと
き、リンを用いて得られた92.9%(標準偏差=2.
9)と比べて、リンなしで83.2%(標準偏差=2.
3)の値が得られたので、統計的増大が生起した。
載してきたが、以上の説明は本発明の範囲に何らの限定
も加えるものではない。したがって、本発明の思想と範
囲から逸脱することなく当業者にはさまざまな修正、応
用及び変更が分かるであろう。
変えて生成したジメチルジクロロシランのガスクロマト
グラフィーの結果を示す。
Claims (18)
- 【請求項1】 直接法によるアルキルハロシランの製造
中にジアルキルジハロシランの生成を促進する方法であ
って、銅、ケイ素、亜鉛及びリンを含む直接法触媒の存
在下でハロゲン化アルキルと粉末化ケイ素との反応を実
施することを含んでなり、アルキルハロシランの生成
中、ケイ素の重量に対して約1〜約5重量%の範囲の平
均割合の銅、Cu/Zn重量比が約25〜約250の範
囲の値を有するように充分な量の亜鉛、反応混合物の重
量に対して約100〜約1000ppmの範囲の割合の
リンを含む反応混合物を維持する、前記方法。 - 【請求項2】 直接法触媒がさらにスズを含んでいる、
請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 反応を連続的に行う、請求項1記載の方
法。 - 【請求項4】 反応を流動床反応器で行う、請求項1記
載の方法。 - 【請求項5】 反応を固定床反応器で行う、請求項1記
載の方法。 - 【請求項6】 反応を攪拌床反応器で行う、請求項1記
載の方法。 - 【請求項7】 Cu/Zn重量比が約30〜約200の
範囲の値を有する、請求項1記載の方法。 - 【請求項8】 Cu/Zn重量比が約35〜約100の
範囲の値を有する、請求項1記載の方法。 - 【請求項9】 ジアルキルジハロシランがジメチルジク
ロロシランである、請求項1記載の方法。 - 【請求項10】 リンをリン化銅として反応器に導入す
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項11】 リンをアルキルホスフィンとして反応
器に導入する、請求項1記載の方法。 - 【請求項12】 リンをトリエチルホスフィンとして反
応器に導入する、請求項11記載の方法。 - 【請求項13】 リンをトリメチルホスフィンとして反
応器に導入する、請求項11記載の方法。 - 【請求項14】 リンを三塩化リンとして反応器に導入
する、請求項1記載の方法。 - 【請求項15】 直接法によるメチルクロロシランの製
造中に連続的にジメチルジクロロシランの生成を促進す
る方法であって、銅、ケイ素、亜鉛、スズ及びリンから
なる触媒の存在下流動床反応器で塩化メチルと粉末化ケ
イ素との反応を実施することを含んでなり、メチルクロ
ロシランの生成中、ケイ素の重量に対して約1〜約5%
の範囲の平均割合の銅、Cu/Zn比が約30〜約20
0の範囲の値を有するように充分な量の亜鉛、反応混合
物の重量に対して約100〜約1000ppmの範囲の
割合のリンを有する反応混合物を維持する、前記方法。 - 【請求項16】 リンをリン化銅として導入する、請求
項15記載の方法。 - 【請求項17】 リンを三塩化リンとして導入する、請
求項15記載の方法。 - 【請求項18】 リンをトリエチルホスフィンとして導
入する、請求項15記載の方法。
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