CN101687651B - 催化氢化 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种催化氢化卤代硅烷或卤代锗烷的方法，其中将卤代的单硅烷、低聚硅烷或聚硅烷或者卤代的单锗烷、低聚锗烷或聚锗烷用氢化的路易斯酸碱对氢化或者部分氢化，且所述部分卤化的路易斯酸碱对在排出卤化氢和特别是在随后添加H2及其在所述路易斯酸碱对上异裂的情况下再次被氢化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于催化氢化卤代硅烷或卤代锗烷的方法，其中将卤化的单硅烷、低聚硅烷或聚硅烷或者卤化的单锗烷、低聚锗烷或聚锗烷用氢化的路易斯酸碱对氢化或者部分氢化，且所述部分卤化的路易斯酸碱对在放出卤化氢和特别是在随后添加H2及其在所述路易斯酸碱对上异裂的情况下再次被氢化。
背景技术
在现有技术中已知各种用于氢化硅烷和锗烷的方法。卤硅烷可以利用金属氢化物来氢化，如根据例如SU 1766925A1或JP 50017035利用氢化钛，根据例如JP 2003313190 A2利用氢化钠，根据例如JP1234316或EP 102293 A2利用氢化锂，根据例如RU 2266293 C1或US 5965762 A利用氢化锂铝或根据例如JP 2003119200 A2利用氢化钠硼。金属氢化物可以是有机取代的，例如在JP 61063515 A2中描述了氢化二乙基铝。卤化的低聚硅烷可以利用卤化氢在各种催化剂存在下通过Si-Si-键***而被部分氢化，例如在EP 737687 A1或EP 574912A1中公开的。SiCl4可以例如根据US 5716590利用氢催化反应生成HSiCl3。在卤化物受体例如Al-、Mg-或Zn金属存在下，卤硅烷也可以与氢反应，例如在US 2406605、US 5329038 A或DE 4119578 A1中所述。SiH4可以例如根据JP 11156199 AA或JP 59121110 AA通过取代基交换由HSiCl3获得，其中同时产生SiCl4。
已知方法的缺点一方面是低产率和大量副产物，另一方面是需要用于使氢化剂再生的电化学步骤。
由现有技术，根据1)G.C.Welch，R.R.S.Juan，J.D.Masuda，D.W.Stephan，“Reversible，metal-free hydrogen activation”，Science 2006，314，1124和2)G.C.Welch，D.W.Stephan，“Facile heterolytic cleavage of dihydrogen by phoshines and boranes”，J.Am.Chem.Soc.2007，129，1880已知，适合的膦PR3与硼烷BR′3的组合异裂出氢。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种氢化卤化硅或卤化锗的方法，利用所述方法可以在低份额的副产物的情况下达到特别高的产率。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在第一步骤中，在添加H2的情况下将路易斯酸碱对氢化，和在第二步骤中，将单体的、低聚的或聚合的卤化硅或卤化锗利用包含H-的路易斯酸碱对来氢化，且在第三步骤中，在分离出卤化氢的情况下将含卤素的路易斯酸碱对再生。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，使用R 3E作为路易斯碱，其中E＝N、P或As，且R＝烷基、芳基、烷氧基、芳氧基或卤素；且使用R′3E′作为路易斯酸，其中E′＝B、Al或Ga，且R′＝烷基、芳基、卤代烷基、卤代芳基或卤素。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，利用氯或氟来卤化硅或锗。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述路易斯酸碱对的氢化在-80℃和200℃之间的温度下实施。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述路易斯酸碱对的氢化在0.1MPa和10.0MPa之间的压力下实施。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述单体的，低聚的或聚合的卤化硅或卤化锗的氢化利用在-20℃和200℃之间的温度来实施。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述单体的，低聚的或聚合的卤化硅或卤化锗的氢化利用在0.05MPa和0.5MPa之间的压力来实施。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，第二步骤在氢化反应 器(4)中进行。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，第三步骤在氢化反应器(12)中进行。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在氢化反应器(4)中作为固体沉淀出来的氢化的硅化合物或锗化合物化合物通过在所述反应器底部的排出装置排出。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在氢化反应器(4)中作为气体逸出的氢化的硅化合物或锗化合物化合物经由排出装置获得。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在所述再生反应器(12)中产生的卤化氢被热排出并且经由阀门(16)从过程中除去。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述卤化氢在100℃和300℃之间的温度下进行进一步的热分解。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述再生的路易斯酸碱对被再次输送到氢化反应器(4)中。
氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在第三步骤中在重新添加H2的条件下将所述含卤素的路易斯酸碱对重新氢化。
优选地，使用R3E作为路易斯碱，其中E＝N、P或As，R＝烷基、芳基、O-烷基、O-芳基或卤素，且使用R′3E′作为路易斯酸，其中E′＝B、Al或Ga，R′＝烷基、芳基、卤代烷基取代基和卤代芳基取代基或卤素。
利用氯或氟来卤化优选的第四主族元素。
所述路易斯酸碱对的氢化优选利用在-80℃和200℃之间的温度进行。另外，所述路易斯酸碱对的氢化优选在0.1MPa和10.0MPa之间的压力下进行。
所述卤代硅烷/锗烷的氢化优选利用在-20℃和200℃之间的温度来实施。此外，所述卤代硅烷/锗烷的氢化优选利用在0.05MPa和0.5MPa之间的压力来实施。
在根据本发明的方法的改进方案中，在氢化反应器中作为固体沉 淀出来的第四主族元素-氢-化合物通过在所述反应器底部的排出装置排出。在氢化反应器中作为气体移除(ausgasenden)的第四主族元素-氢-化合物经由排出装置获得。
在再生反应器(Reaktionsreaktor)中产生的卤化氢优选被热排出并且经由阀门从过程中除去。所述卤化氢的***优选在100℃和300℃之间的温度下进行。
在根据本发明的方法的特殊实施方式中，所述第二步骤在第一反应器中实施且所述第三步骤在第二反应器中实施。在此过程中，所述再生的路易斯酸碱对优选被再次导入到第一反应器中。
符合本发明目的的是，所述含卤素的路易斯酸碱对在第三步骤中通过重新添加H2而被重新氢化。
本发明的方法的基础是实现了催化剂体系，该催化体系用于将单体的、低聚的或聚合的卤代硅烷借助H2催化转化成相应的氢化聚硅烷SinHn+2和[SiH2]n。同样适用于使用锗烷的情况。
相应地还适用于由不同的卤代硅烷或卤代锗烷组成的混合物。
这种催化转化可以如下表达：
所述新方法除了卤化的低聚硅烷或聚硅烷的氢化之外，还包括相应的四氯硅烷或卤代单硅烷向SiH4的转化。
所述催化氢化的新方法可以实现例如从SiCl4向HSiCl3的部分氢化，其中这种部分氢化产物自身可以用于其它用途或者可以导回过程中用于完全氢化。
由现有技术已知的是，由于其空间位阻结构不可以直接形成加合物的路易斯酸碱对可以用作异裂H2的催化剂。路易斯酸和路易斯碱可以作为分开的化合物存在，还可以包含于一个分子化合物内。另外， 催化活性的化合物可以固定存在于载体上。
元素E＝N、P或As的化合物可以用作路易斯碱，元素E′＝B、Al和Ga的化合物可以用作路易斯酸。
为了氢化卤代硅烷，新型催化循环例如经过如下循环
其中R＝烷基、芳基、O-烷基、O-芳基或卤素，R′＝烷基、芳基、卤代烷基取代基和卤代芳基取代基或卤素，R*＝H、卤素、烷基、芳基、甲硅烷基、O-烷基或O-芳基，且X＝F、Cl、Br、I。
根据本发明的方法基本上以三个步骤来运行：
-H2的异裂(步骤1)通过催化剂优选在-80℃至200℃的温度范围内在0.1MPa-10.0MPa的压力下进行，
-卤素化合物(R* 3SiX)的氢化和氢化产物的分离在步骤2中优选在-20℃至200℃和0.05-0.5MPa的压力下进行，
-在第三步骤中，HX的***以热的方式或任选地借助于空间上非常符合要求的和/或非亲核的碱来实施。所述热***优选在100℃至300℃的下发生。
附图说明
本发明的方法在图1中以第一实施方式说明。在所述实施方式中，催化剂的氢化、硅烷/锗烷的反应和催化剂的再生在同一溶剂或溶剂混 合物中进行。
本发明的方法在图2中以第二实施方式说明。在所述实施方式中，催化剂的氢化可以在与硅烷/锗烷的反应不同的另外的溶剂或溶剂混合物中进行，且在再生之前通过蒸馏将催化剂分离。
附图标记
1.到氢化反应器4的输送装置
2.卤代硅烷或卤代锗烷的进料装置
3.气态的氢化硅烷和部分氢化的卤代硅烷或卤代锗烷的导出装置
4.氢化反应器
5.以气态存在的氢化硅烷和部分氢化的卤代硅烷或者相应的锗烷
6.卤代硅烷或卤代锗烷的进料管
7.氢化反应器中的反应混合物
8.氢化的聚硅烷或部分氢化的卤化聚硅烷或相应的锗烷的沉淀
9.排出管
10.循环泵
11.所用的路易斯酸碱对再生用的进料装置
12.排出HX的再生反应器
13.加热蛇形管
14.再生反应器中的液位
15.气态HX的排出管
16.排出阀门
17.气态HX
18.冷却器
19.H2的进料管
20.用于H2异裂的反应混合物
21.用于再次氢化路易斯酸碱对的反应器
22.H2的进料阀门
23.H2的进料装置
24.用于除去气体的催化剂的排出管
25.加热套
26.再生反应器的填充水平
27.用于溶剂蒸气和气态HCl的导出管
28.排出阀门
29.气态溶剂和/或HCl
30.用于氢化的催化剂的排出管
31.用于溶剂和除去气体的催化剂的进料装置
32.溶剂的进料装置
33.氢化的催化剂的进料装置
Claims (16)
1.氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在第一步骤中，在添加H2的情况下将路易斯酸碱对氢化，和在第二步骤中，将单体的、低聚的或聚合的卤化硅或卤化锗利用包含H-的路易斯酸碱对来氢化，且在第三步骤中，在分离出卤化氢的情况下将含卤素的路易斯酸碱对再生。
2.根据权利要求1的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，使用R3E作为路易斯碱，其中E＝N、P或As，且R＝烷基、芳基、烷氧基、芳氧基或卤素；且使用R′3E′作为路易斯酸，其中E′＝B、Al或Ga，且R′＝烷基、芳基、卤代烷基、卤代芳基或卤素。
3.根据权利要求1或2的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，利用氯或氟来卤化硅或锗。
4.根据权利要求1或2的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述路易斯酸碱对的氢化在-80℃和200℃之间的温度下实施。
5.根据权利要求1或2的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述路易斯酸碱对的氢化在0.1MPa和10.0MPa之间的压力下实施。
6.根据权利要求1或2的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述单体的，低聚的或聚合的卤化硅或卤化锗的氢化利用在-20℃和200℃之间的温度来实施。
7.根据权利要求1或2的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述单体的，低聚的或聚合的卤化硅或卤化锗的氢化利用在0.05MPa和0.5MPa之间的压力来实施。
8.根据权利要求1的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，第二步骤在氢化反应器(4)中进行。
9.根据权利要求8的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，第三步骤在再生反应器(12)中进行。
10.根据权利要求8的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在氢化反应器(4)中作为固体沉淀出来的氢化的硅化合物或氢化的锗化合物通过在所述反应器底部的排出装置排出。
11.根据权利要求8的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在氢化反应器(4)中作为气体逸出的氢化的硅化合物或氢化的锗化合物经由排出装置获得。
12.根据权利要求9的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在所述再生反应器(12)中产生的卤化氢被热排出并且经由阀门(16)从过程中除去。
13.根据权利要求1或2的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述卤化氢在100℃和300℃之间的温度下进行进一步的热分解。
14.根据权利要求9的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，所述再生的路易斯酸碱对被再次输送到氢化反应器(4)中。
15.根据权利要求1或2的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在第三步骤中在重新添加H2的条件下将所述含卤素的路易斯酸碱对重新氢化。
16.根据权利要求14的氢化卤化硅或卤化锗的方法，其特征在于，在第三步骤中在重新添加H2的条件下将所述含卤素的路易斯酸碱对重新氢化。
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