JP2023554569A - トリアルキルアルミニウム化合物及びトリアルキルアルミニウムの製造方法 - Google Patents

トリアルキルアルミニウム化合物及びトリアルキルアルミニウムの製造方法 Download PDF

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Abstract

アルミニウムの溶液をアルキル化剤に曝露させることによってトリアルキルアルミニウム化合物及びそれによって得られるトリアルキルアルミニウムを製造する新規な方法。

Description

トリアルキルアルミニウム化合物は、触媒、有機及び無機合成、並びに化学蒸着及び原子層堆積の用途、すなわち電子機器向けなどの半導体材料の製造に有用である。このようなトリアルキルアルミニウム化合物はいくつかの方法で得ることができる。
G.B.Buckton,W.Odling,Ann.Chem.Suppl.,4(1865)109は、80~120℃の温度での適当なアルキル水銀化合物と過剰のアルミニウム金属との反応(トランスメタル化)によるトリアルキルアルミニウム化合物の調製について示している。この合成は、トリアルキルアルミニウム化合物を製造するための方法としてはおそらく最も古いものである。
Niesmeyanov及びSokolik(The Organic Compounds of Boron,Aluminum,Gallium,Indium and Thallium,North-Holland,Amsterdam 1967)は、この方法では、高級アルキル水銀誘導体が反応条件下で十分に安定でないので、低級トリアルキルアルミニウム化合物のみが十分な収率で得られることを示している。しかしながら、両方法とも、非常に毒性のアルキル水銀化合物の使用を必要とする。
T.Mole,E.A.Jeffrey,Organoaluminium Compounds,Elsevier,New York,1972は、エチルアルミニウム化合物及びイソブチルアルミニウム化合物が、アルミニウム、水素及び対応するアルケンから、対応するトリアルキルアルミニウムの存在下で、2段階反応で工業的に得られることを示している。第1段階において、ジアルキルヒドロアルミニウムが、約200気圧の圧力及び約120℃の温度で生成される。第2段階は、より穏やかな条件下で行われる。アルケンをAl-H結合に結合させてトリアルキルアルミニウムを得るためには、わずか約20気圧の圧力と60℃までの温度が必要である。しかしながら、この方法は、低級アルキルアルミニウム化合物にはあまり適しておらず、必要なアルケンが存在しないので、最小のトリアルキルアルミニウム(トリメチルアルミニウム)をこの方法によって調製することはできない。
Comprehensive Organometallic Chemistry,Eds.G.Wilkinson,FGA Stone and EW Abel,Pergamon Press,Oxford JJ Eisch,Aluminum Organic Compounds,Vol.1,(1982),p.555では、金属アルミニウムとアルキル、アルケニル及びアリールの塩化物、臭化物及びヨウ化物との反応により、トリアルキルアルミニウムなどの対応する有機アルミニウム化合物が形成されることが教示されている。第1段階において、アルキルアルミニウムセスキハライド(RAlX及びRAlXの等モル混合物(式中、Rはアルキル基であり、Xはハライド基である))が形成される。第2段階は、NaClで錯化されたRAlXからRAlXを蒸留分離するものであり、この化合物を適切な量のナトリウム及びカリウム合金で第3の還元を行うと、トリアルキルアルミニウムが形成される。収率は低く、アルミニウムに対して33%未満であり、これは以下の反応式にしたがって多量のアルミニウムが浪費されるためである。
1)6Al+9MeCl→3MeAlCl
2)3MeAlCl+3NaCl→3MeAlCl↑+3Na[MeAlCl
3)3MeAlCl+3Na/K→2MeAl+Al+3Na/KCl
PL192855は、アルミニウム金属粉末とトリメチルガリウムとのトランスメタル化反応によるトリメチルアルミニウムの調製のためのバッチプロセスについて教示している。この方法では、かなり高い温度が使用されるため、その温度感受性のために反応生成物に悪影響が及ぼされる。
PL192855
G.B.Buckton,W.Odling,Ann.Chem.Suppl.,4(1865)109 Niesmeyanov及びSokolik(The Organic Compounds of Boron,Aluminum,Gallium,Indium and Thallium,North-Holland,Amsterdam 1967) T.Mole,E.A.Jeffrey,Organoaluminium Compounds,Elsevier,New York,1972 Comprehensive Organometallic Chemistry,Eds.G.Wilkinson,FGA Stone and EW Abel,Pergamon Press,Oxford JJ Eisch,Aluminum Organic Compounds,Vol.1,(1982),p.555
これらすべての方法において、有毒な抽出物、不十分な収率、及び最終生成物中で数ppmの酸素が含まれる高酸素含有量など、種々の欠点が観察される可能性がある。この問題は、本特許出願の方法によって解決される。
本発明は、金属ガリウムの存在下でトリアルキルガリウムを金属アルミニウムと反応させることによってトリアルキルアルミニウムを製造する方法であって、アルミニウムが、ガリウム中に少なくとも部分的に溶解し、これにより固体アルミニウムを含む、かつ25℃~100℃の温度で行われる反応全体を通して液体のままであるアルミニウム/ガリウム合金がもたらされる、方法に関する。
発明の簡単な説明
1. 金属ガリウムの存在下でトリアルキルガリウムを金属アルミニウムと反応させることによってトリアルキルアルミニウムを製造する方法であって、アルミニウムが、ガリウム中に少なくとも部分的に溶解し、これにより固体アルミニウムを含む、かつ25℃~100℃の温度で行われる反応全体を通して液体のままであるアルミニウム/ガリウム合金がもたらされる、方法。
2. アルキルがメチル又はエチルである、項目1に記載の方法。
3. アルミニウム/ガリウム合金が、ガリウム中に溶解したアルミニウムの飽和溶液を含む、項目1又は2に記載の方法。
4. 反応中の圧力が、500hPa~1500hPa、700hPa~1300hPa又は1000hPa~1050hPaである、項目1~3のいずれか一項に記載の方法。
5. 反応中の温度が、30~95℃又は40~90℃又は50~85℃、特に65~85℃である、項目1~4のいずれか一項に記載の方法。
6. トリアルキルガリウムが気体形態である、項目1~5のいずれか一項に記載の方法。
7. トリアルキルガリウムが反応混合物に連続的に添加される、項目1~6のいずれか一項に記載の方法。
8. トリアルキルガリウムが、少なくとも1種の不活性ガス、特に窒素又はアルゴンと混合して添加される、項目1~7のいずれか一項に記載の方法。
9. トリアルキルアルミニウムが蒸留によって単離される、項目1~8のいずれか一項に記載の方法。
10. トリアルキルガリウムが1ppm未満の酸素含有量を示す、項目1~9のいずれか一項に記載の方法。
11. トリアルキルアルミニウムが1ppm未満の酸素含有量を示す、項目1~10のいずれか一項に記載の方法。
12. 以下の工程、すなわち、
ガリウム中に溶解したアルミニウムの飽和溶液を提供する工程と、
固体アルミニウムを添加して反応混合物を形成する工程と、
トリアルキルガリウムを含むガス流を、25~100℃の温度及び500~1500hPaの圧力で反応混合物に連続的に通過させる工程と、
同時に、生成されたトリアルキルアルミニウムを蒸留分離する(distilling off)工程と、
を含む、項目1~11のいずれか一項に記載の方法。
13. 1ppm未満の酸素含有量を示す、トリアルキルアルミニウム。
14. トリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムである、項目13に記載のトリアルキルアルミニウム。
15. ガリウム含有量が50ppm未満及び/若しくはケイ素含有量が50ppm未満を示すか、又はガリウム含有量が30ppm未満及び/若しくはケイ素含有量が30ppm未満を示すか、又はガリウム含有量が10ppm未満及び/若しくはケイ素含有量が10ppm未満を示すか、又はガリウム含有量が1000ppb未満及び/若しくはケイ素含有量が1000ppb未満を示す、項目13及び14に記載のトリアルキルアルミニウム。
アルキルは、原則として、任意の種類のアルキル又はシクロアルキル、特に、1~8個、特に1~6個又は1~5個の炭素原子を有するアルキルであり得る。通常、エチル、メチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、イソブチル、tert-ブチル、n-ペンチル、特にエチル、メチル、n-プロピル、イソプロピル、より具体的にはメチル又はエチルなどの1~4個の炭素原子又は1~3個の炭素原子のアルキルを用いて、非常に良好な結果を得ることができる。
特定の実施形態では、アルミニウム/ガリウム合金は、5~10重量パーセントのアルミニウム及び90~95重量パーセントのガリウム、より具体的には約10重量パーセントのアルミニウム及び約90重量パーセントのガリウムを含む。より具体的には、アルミニウム/ガリウム合金は、ガリウム中に溶解したアルミニウムの飽和溶液を含む。更により具体的には、アルミニウム/ガリウム合金は、ガリウム中に溶解したアルミニウムの飽和溶液である。飽和溶液は、アルミニウム濃度が低い場合よりもトリアルキルガリウムとの反応に利用できるアルミニウムの量が多くなる。
一方では、実質的に、顆粒又は粉末などの粒子のような分散形態で存在し得る金属アルミニウムが存在することにより、確実にアルミニウム/ガリウム合金が多量のアルミニウムを含有し続けること、特に、反応全体を通してガリウム中に溶解したアルミニウムの飽和溶液であり続けることとなる。他方では、ガリウムは、アルミニウム粒子の表面を活性化し、アルミニウム粒子の表面が反応に関与することを可能にする。
一般に、反応は、アルミニウム/ガリウム合金が確実に液体である温度、例えば、約25℃~約100℃、より具体的には30~95℃、又は40~90℃、又は40~90℃、特に65~85℃の温度で行われ得る。
反応中の圧力は、一般に、500hPa~1500hPa、例えば700hPa~1300hPa又は1000hPa~1050hPaであり得る。
別の特定の実施形態では、トリアルキルガリウムが連続的に添加される。より具体的には、トリアルキルガリウムは気体形態で添加される。特に、トリアルキルガリウムは、気体形態で、1つ以上の不活性ガス、より具体的には窒素、アルゴン又はそれらの組み合わせと混合して添加される。トリアルキルガリウムを含むガスは、例えば、液体アルミニウム/ガリウム合金を通過してもよく、又はアルミニウム/ガリウム合金の表面に提供されてもよく、又はその両方であってもよい。
より具体的には、トリアルキルガリウムはトリメチルガリウム又はトリエチルガリウムであることができ、その結果、トリアルキルアルミニウムはトリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムとなる。
使用されるトリアルキルガリウムは、低酸素含有量、特に5ppm未満、特に1ppm未満の酸素含有量を有し得る。したがって、トリアルキルアルミニウムの酸素含有量は1ppm未満である。
このようにして生成されたトリアルキルアルミニウム、特にトリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムは、蒸留によって単離することができる。一般に、反応は、アルミニウム/ガリウム合金、好ましくは金属アルミニウムも含むアルミニウム/ガリウム合金を含有する反応器中で、ほぼ所望の反応温度、例えば約65℃~85℃で、本質的に酸素及び水を含まない条件下で行われる。そのような酸素及び水を含まない条件は、酸素及び水のレベルを5ppm未満に、特に3ppm未満のレベルに、より具体的には1ppm未満に維持する。トリメチルガリウム又はトリエチルガリウムなどのトリアルキルガリウムが提供され、5ppm未満、特に3ppm未満、より具体的には1ppm未満の酸素及び水を含有する窒素などの不活性ガスとの気体混合物の形態で、液体アルミニウム/ガリウム合金を通過させることができる。
こうして生成されたトリアルキルアルミニウムは蒸発し、不活性ガスと共に反応器から出て冷却トラップを通過することができ、そこでトリアルキルアルミニウムが凝縮し、反応中に収集される。これは、蒸留によりトリアルキルアルミニウムを単離する可能な方法である。当然のことながら、反応生成物を更に精製するために、追加の蒸留工程を行ってもよい。
本明細書で特許請求される方法によって得られるトリアルキルアルミニウムは、通常、50ppm未満、特に30ppm未満、より具体的には10ppm未満又は1000ppb未満のガリウムの低ガリウム含有量で高純度のものを示す。それはまた、50ppm未満、特に30ppm、より具体的には10ppm未満、又は1000ppb未満のケイ素のケイ素含有量を示す。酸素含有量は、一般に、1ppm未満、有利には0.5ppm未満、特に0.1ppm未満である。
したがって、本発明は、1ppm以下の酸素含有量を示すトリアルキルアルミニウム、特にトリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムにも関する。
したがって、本発明は、50ppm以下又は30ppm以下のガリウム含有量を示すトリアルキルアルミニウム、特にトリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムにも関する。
したがって、本発明は、50ppm以下又は30ppm以下のケイ素含有量を示すトリアルキルアルミニウム、特にトリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムにも関する。
したがって、本発明は、1ppm以下の酸素含有量、50ppm以下若しくは30ppm以下のガリウム含有量及び/又は50ppm以下若しくは30ppm以下のケイ素含有量を示すトリアルキルアルミニウム、特にトリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムにも関する。
一般に、本発明の方法は、有利には、不活性条件下で、すなわち本質的に水及び酸素を含まず、例えば窒素又はアルゴンなどの不活性ガスの保護雰囲気下で行われる。
別の実施形態は、上記の方法であって、以下の工程、すなわち、
ガリウム中に溶解したアルミニウムの飽和溶液を提供する工程と、
固体アルミニウムを添加して反応混合物を形成する工程と、
トリアルキルガリウムを含むガス流を、25~100℃の温度及び500~1500hPaの圧力で反応混合物に連続的に通過させる工程と、
同時に、生成されたトリアルキルアルミニウムを蒸留分離する工程と、
を含む、方法に関する。

出発合金を調製する:
700gのガリウムを60℃で溶融した。ガリウムが完全に溶融した後、7gのアルミニウム顆粒を添加し、混合物を室温で撹拌した。アルミニウム顆粒が完全に溶解した後、3gのアルミニウム顆粒を少量ずつ加え、撹拌しながら溶解させた。完全に溶解した後、相分離を行った。下相をデカンテーションにより分離した。この光沢のある溶融物をトリアルキルガリウムとの反応に使用し、これは必要になるまで100℃で保存することができる。
製造プラント:
製造プラントは、ソースバブラーと、1つの反応バブラーと、1つの回収バブラーからなる。不活性ガス流がディップチューブを通ってバブラー及び収容された液体に入ることができるように、ソースバブラーを反応バブラーに接続した。ガス流がソースバブラーのガス出口から反応バブラーにそのディップチューブを介して導かれ、トリメチルガリウムで飽和したガス流が液体合金を通過してバブリングされるようにした。ガス流をガス出口から回収バブラーのディップチューブに導入し、そこで生成物が凝縮され、不活性ガスがガス出口を通って系から排出された。
酸素及び水分不含状態の維持を可能にするために、すべてのバブラーを真空/不活性ガスマニホールドに取り付けた。
ソースバブラーはアルキル化試薬、この場合はトリメチルガリウムを含み、これはプロセス中-3℃に冷却した。
反応バブラーはアルミニウム/ガリウム合金を含み、合金を液体に保ち、反応に反応するように75±10℃に加熱した。
回収バブラーは10℃に冷却し、反応生成物、この場合はトリメチルアルミニウムが収集される受容容器として使用した。
不活性ガス流量は2000(±10)sccmに設定した。sccmは、質量流量の標準単位であり、ドイツDIN 1343にしたがって定義される。
使用された不活性ガスは、標準的な方法(例えば、酸素ゲッター)によって精製され、酸素含有量は、標準的な酸素センサー(例えば、電位差ジルコニア酸素ガスセンサー)によって監視される。
第1のラン:
950gのトリメチルガリウム(8.28モル)を含有するバブラーをプラントに取り付けた。反応バブラーに、11kgの出発合金及び725gのアルミニウムペレットを不活性条件下で充填した。その後、バブラーを脱酸素化するために、系を窒素でパージした。高純度窒素からなる低速ガス流がトリメチルガリウムバブラーを通過し、この窒素流(トリメチルガリウムで飽和)は反応バブラー内の液体ガリウムアルミニウム合金を通過した。トリメチルアルミニウムを窒素ガス流と共に回収バブラーに送達した。500gのトリメチルアルミニウム(アルミニウムに対して6.93モル、84%)を回収バブラーから単離した。
真空/不活性ガスマニホールドの使用下で空のソースバブラーを取り外し、950gのトリメチルガリウムを含有する新たなソースバブラーと交換した。高純度窒素からなる低速ガス流がトリメチルガリウムバブラーを通過し、この窒素流(トリメチルガリウムで飽和)は液体ガリウムアルミニウム合金を通過した。トリメチルアルミニウムを窒素ガス流と共に回収バブラーに送達した。500gのトリメチルアルミニウム(アルミニウムに対して6.93モル、84%)を回収バブラーから単離した。
2回目のランが終わるごとに(すなわち、2回目のソースバブラーが空になるごとに)、真空/不活性ガスマニホールドの使用下で反応バブラーを開いた。500gのアルミニウムペレットを合金に添加し、合金の上部をスキムし、反応バブラーから1kgの合金を取り出した。その後、反応バブラーを再び閉じた。系の不活性化後、手順は、上記の「第1のラン」の時点から開始して進行することができる。
得られたトリメチルアルミニウムを酸素について分析したところ、1ppm未満の酸素含有量を示した。

トリメチルアルミニウムの同定は、そのプロトンNMRスペクトル及びICPによって確認した。
微量金属不純物をICP-MSによって測定したところ、合計で1000ppb未満であった。
酸素含有量は、プロトンNMR分光法により、純粋な生成物と酸素含有不純物に起因し得るシグナルを比較することによって測定した。シグナル強度から、不純物と純粋な生成物のモル質量を用いてモル比を計算することができる。

Claims (13)

  1. 金属ガリウムの存在下でトリアルキルガリウムを金属アルミニウムと反応させることによってトリアルキルアルミニウムを製造する方法であって、
    ガリウム中に溶解したアルミニウムの飽和溶液を提供する工程と、
    固体アルミニウムを添加して反応混合物を形成する工程と、
    トリアルキルガリウムを含むガス流を、25~100℃の温度及び500~1500hPaの圧力で前記反応混合物に連続的に通過させる工程と、
    同時に、生成された前記トリアルキルアルミニウムを蒸留分離する工程と、
    を含む、方法。
  2. 前記アルキルがメチル又はエチルである、請求項1に記載の方法。
  3. 前記反応中の圧力が、700hPa~1300hPa又は1000hPa~1050hPaである、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記反応中の温度が、30~95℃又は40~90℃又は50~85℃、特に65~85℃である、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記トリアルキルガリウムが気体形態である、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記トリアルキルガリウムが前記反応混合物に連続的に添加される、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記トリアルキルガリウムが、少なくとも1種の不活性ガス、特に窒素又はアルゴンと混合して添加される、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記トリアルキルアルミニウムが蒸留によって単離される、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記トリアルキルガリウムが1ppm未満の酸素含有量を示す、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記トリアルキルアルミニウムが1ppm未満の酸素含有量を示す、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 1ppm未満の酸素含有量を示す、トリアルキルアルミニウム。
  12. トリメチルアルミニウム又はトリエチルアルミニウムである、請求項11に記載のトリアルキルアルミニウム。
  13. ガリウム含有量が50ppm未満及び/若しくはケイ素含有量が50ppm未満を示すか、又はガリウム含有量が30ppm未満及び/若しくはケイ素含有量が30ppm未満を示すか、又はガリウム含有量が10ppm未満及び/若しくはケイ素含有量が10ppm未満を示すか、又はガリウム含有量が1000ppb未満及び/若しくはケイ素含有量が1000ppb未満を示す、請求項11又は12に記載のトリアルキルアルミニウム。
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