DE69000288T2

DE69000288T2 - Verfahren zur herstellung von dielektrischen fluessigkeiten.

Info

Publication number: DE69000288T2
Application number: DE9090402722T
Authority: DE
Inventors: Noelle Berger; Raymond Commandeur; Pierre Jay; Jacques Kervennal
Original assignee: Elf Atochem SA
Current assignee: Arkema France SA
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1990-10-02
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2010-10-03
Also published as: FI97478C; NO904393L; EP0422986A1; CA2027445C; ATE80176T1; FR2653134A1; FR2653134B1; JPH03134095A; CN1050894A; DE69000288D1; JP2569214B2; NO904393D0; CA2027445A1; EP0422986B1; DK0422986T3; US5186864A; IE64608B1; GR3006387T3; PT95588A; KR930005531B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese dielektrischer Flüssigkeiten, insbesondere eine Verbesserung der Verfahren, die eine Kondensation vom Typ FRIEDEL und CRAFTS, katalysiert mit Eisenchlorid, umfassen. In der europäischen Patentanmeldung 8251 sind dielektrische Flüssigkeiten der Formel
beschrieben, in welcher die Symbole n, x, y und z den Wert 1 oder 2 haben. Diese Produkte können durch Kondensation von
in Gegenwart eines FRIEDEL und CRAFTS Katalysators hergestellt werden, wobei n, x, y, z die gleiche Bedeutung wie oben haben. Nach der Kondensation wird der Katalysator, beispielsweise durch Zugabe einer verdünnten wäßrigen Salzsäure - Lösung, gefolgt von einer Auswaschung der organischen Phase zerstört. Die Anmelderin hat gefunden, daß es bei Verwendung von Eisenchlorid als FRIEDEL-CRAFTS Katalysator nicht notwendig ist, den Katalysator zu zersetzen und auszuwaschen; das heißt, daß man am Ende des Herstellungsverfahrens, bei dem die Stufe der Zerstörung und die Wäsche des Katalysators weggelassen hat, dielektrische Flüssigkeiten mit den gleichen Eigenschaften erhält, wie bei dem konventionellen Verfahren mit Zerstörung und Wäsche.
Benutzt man dagegen andere Katalysatoren, wie z. B. Aluminiumchlorid, kann man nicht auf diesen Schritt der Zersetzung und der Wäsche verzichten. Wenn man nämlich diesen Schritt unterläßt, sind die erhaltenen Produkte zum Gebrauch als dielektrische Flüssigkeit ungeeignet. Diese Entdeckung erlaubt jedoch, ein bedeutendes technisches Problem zu lösen. In der Tat wird die Zersetzung des Katalysators der FRIEDEL- CRAFTS-Kondensation sehr oft mit einer wäßrigen Lösung durchgeführt. Man erhält also eine wäßrige Lösung, die organische Produkte enthält, und obwohl die Menge der organischen Produkte gering ist, ist es notwendig, diese wäßrige Lösung vor dem Verwerfen zu behandeln.
Die europäische Patentanmeldung 136 230 beschreibt dielektrische Flüssigkeiten, die Oligomere von Polyarylalkanen sind, welche durch Kondensation von Benzylchlorid C&sub6;H&sub5;CH&sub2;Cl und Benzylidenchlorid C&sub6;H&sub5;CHCl&sub2; an Toluol in Gegenwart eines FRIEDEL-CRAFTS-Katalysators erhalten wurden. Die Anmelderin hat die gleiche Beobachtung gemacht, wie bei dem Verfahren der zuvor zitierten EP-Anmeldung 8251, d. h., bei Anwendung von Eisenchlorid kann man den Waschschritt unterlassen und trotzdem eine Flüssigkeit erzeugen, die für dielektrische Zwecke geeignet ist.
Die Anmelderin hat ein besonders einfaches Verfahren gefunden, um durch eine FRIEDEL-CRAFTS-Kondensation dielektrische Flüssigkeiten zu synthetisieren.
Die vorliegende Erfindung liegt also bei einem Syntheseverfahren für dielektrische Flüssigkeiten, das folgende Stufen umfaßt:
a) Kondensation aromatischer Halogenide und aromatischer Verbindungen in Gegenwart von Eisenchlorid als Katalysator
b) Entfernung des Katalysators durch Neutralisation oder Waschen oder beliebige Kombination dieser Maßnahmen
c) gegebenenfalls Destillation der überschüssigen Reaktionsteilnehmer
d) Destillation der gesamten Kondensationsprodukte oder wenigstens eines davon, gefolgt von ihrer Konditionierung zur dielektrischen Flüssigkeit, wobei die Verbesserung darin besteht, den Schritt b wegzulassen.
Das Verfahren der Schritte a bis d ist bekannt, es ist zum Beispiel in der europäischen Patentanmeldung 8251 beschrieben. Die Kondensation von Schritt a ist eine FRIEDEL-CRAFTS-Reaktion.
Die aromatischen Halogenide bedeuten beispielsweise Alkylbenzole oder (Poly)alkylbenzole, welche wenigstens ein Halogen in Benzylstellung an der Alkylkette haben, wobei der Benzolkern - zusätzlich zu den halogenierten Alkylketten - mit Halogenen, mit Alkylgruppen mit bis zu drei Kohlenstoffatomen oder Nitril oder NO&sub2; substituiert sein kann.
Die wenigstens ein Halogen tragenden Alkylketten können gleich oder verschieden sein und bis zu drei Kohlenstoffatome haben.
Diese aromatischen Halogenide können zum Beispiel Produkte der Formeln sein:
Der Kern kann durch ein oder zwei Chloratome substituiert sein.
Der Kern kann durch ein oder zwei Chloratome substituiert sein.
Die vorhergehenden aromatischen Halogenide werden mit aromatischen Verbindungen kondensiert. Diese aromatischen Verbindungen sind zum Beispiel Benzol, das durch eine oder mehrere gleiche oder verschiedene Alkylgruppen, die bis zu acht Kohlenstoffatome enthalten, Halogene, Nitril oder NO&sub2; substituiert sein kann.
Diese aromatischen Verbindungen können zum Beispiel Benzol, Toluol, Xylol oder Produkte der folgenden Formeln sein:
Die Kondensation der Stufe a findet in der Praxis bei einer Temperatur zwischen 50ºC und 150ºC statt. Die Menge an Eisenchlorid beträgt gewöhnlich zwischen 50 ppm und ein Gewichtsprozent (1%) der Reaktionsmasse.
Man kann in dieser Stufe a einen Überschuß an dem aromatischen Halogenid oder an der aromatischen Verbindung verwenden. Gemäß den Verhältnissen der unterschiedlichen Reagenzien erhält man verschiedene Kondensationsprodukte, die ihrerseits Mischungen sind. Meistens ist es erforderlich, den Überschuß der Ausgangsstoffe abzudestillieren (Stufe c), weil diese Produkte, selbst im Gemisch mit den Kondensationsprodukten, keine dielektrischen Eigenschaften haben oder wegen ihrer zu großen Flüchtigkeit nicht als Dielektrika verwendet werden können.
In der Stufe d gewinnt man die Gesamtheit oder wenigstens eines der Kondensationsprodukte. Tatsächlich erhält man bei der Kondensation (Stufe a) häufig ein Gemisch von Produkten.
Kondensiert man z. B. Benzylchlorid mit Toluol, so erhält man ein Oligomeres A, das eine Mischung von Isomeren der Formel
ist, in der n&sub1; und n&sub2; einen Wert von 0,1 oder 2 haben und n&sub1;+n&sub2; kleiner oder gleich 3 ist.
Die Mischung kann das Kondensationsprodukt n&sub1; und n&sub2;=0 enthalten, das man Monobenzyltoluol (MBT) nennt, und das Produkt, in dem n&sub1;+n&sub2; =1 ist, das man Dibenzyltoluol (DBT) nennt.
Kondensiert man beispielsweise Benzylidenchlorid C&sub6;H&sub5;CHCl&sub2; mit Toluol oder DBT, erhält man ein Oligomeres B, das eine Mischung von Isomeren der Formel
ist, in der n'&sub1;, n''&sub1; und n&sub4; den Wert 0,1 oder 2 haben und n'&sub2;, n''&sub2;, n&sub3;, n'&sub3; und n&sub5; den Wert von 0 oder 1 haben, wobei die Summe n' &sub1;+n'&sub1;+n'&sub2;+n''&sub2;+n&sub3;+n'&sub3;+n&sub4;+n&sub5; kleiner oder gleich 2 ist.
Kondensiert man eine Mischung von C&sub6;H &sub5;CH&sub2;Cl und C&sub6;H&sub5;CHCl&sub2; mit Toluol, erhält man eine Mischung der Oligomere A und B.
In der Stufe d trennt man die Isomere oder die gewünschten Isomerenmischungen durch Destillation ab und konditioniert sie zu dielektrischen Flüssigkeiten. Die Konditionierung der Produkte zum dielektrischen Gebrauch ist an sich bekannt und bereits auf Seite 4 der europäischen Patentanmeldung 8251 beschrieben. Sie besteht aus einer vorhergehenden Reinigungsbehandlung mit Alkalien wie NaOH, Na&sub2;CO&sub3; oder analogen Verbindungen des Calciums oder Kaliums bei einer Temperatur, die von 20 bis 350ºC reicht. Manchmal kann eine spätere Destillation vorteilhaft sein.
Nach dieser Vorbehandlung besteht die folgende Reinigungsphase darin, Bleicherde oder aktiviertes Aluminiumoxid, entweder allein oder in Mischung, gemäß den spezifischen Techniken einzusetzen, die auf dem Gebiet dielektrischer Flüssigkeiten bekannt sind. Ebenso kann es vorteilhaft sein, Stabilisatoren vom Epoxidtyp oder anderer Beschaffenheit, wie z. B. Zinntetraphenyl oder Anthrachinon-Verbindungen zuzusetzen.
Man verläßt nicht den Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn man in der Stufe a Mischungen aromatischer Halogenide mit Mischungen aromatischer Verbindungen kondensiert.
Wenn sich die aromatischen Halogenide von den genannten aromatischen Verbindungen ableiten, z. B. Benzylchlorid und Toluol oder Methylbenzylchlorid (CH&sub3;C&sub6;H&sub4;CH&sub2;Cl) und Xylol, kann man vor Stufe a eine partielle Halogenierung der aromatischen Verbindung durchführen. Man erhält so eine Mischung aus aromatischem Halogenid und aromatischer Verbindung, der nur noch Eisenchlorid hinzugefügt zu werden braucht, um die Stufe a des Verfahrens auszuführen.

Beispiel 1

In ein mit Rührer und Kühler ausgestattetes Reaktionsgefäß läßt man in 4 Stunden 6 Mol Benzylchlorid in 30 Mol Toluol, die 35 g FeCl&sub3; enthalten, bei einer Temperatur von 105ºC zulaufen.
Nach Beendigung der Zugabe von Benzylchlorid wird das Reaktionsgemisch noch 1,5 Stunden lang bei 105ºC gehalten. Das Ganze wird danach einer einfachen Destillation unterworfen, die die Trennung der folgenden Fraktionen erlaubt:
a) Das nicht umgesetzte Toluol, bei einem Vakuum von 15 mm Quecksilber mit einer Sumpftemperatur von 105ºC. Das erhaltene Toluol ist farblos, mit einer Reinheit von mehr als 99% gemäß der chromatographischen Analyse und enthält weniger als 2 ppm Eisen.
b) Das zuvor beschriebene Oligomere A, das bei 105 bis 263ºC unter einem Vakuum von 15 mm Quecksilber destilliert. Das erhaltene Produkt (900 g), das leicht gelblich ist, hat die folgende Zusammensetzung:
n&sub1; + n&sub2;= 0 75%
n&sub1; + n&sub2; = 1 21%
n&sub1; + n&sub2; = 2 4%
Die Verbindung n&sub1;+n&sub2;=0 besteht einzig aus einer Isomerenmischung von Benzyltoluol im Verhältnis
o/m/p = 42,7/6,6/50,7.
Die dielektrischen Eigenschaften wurden bestimmt und sind in der Tabelle von Beispiel 7 in Spalte 7.1 wiedergegeben.
Ein auf die gleiche Weise erhaltenes Produkt, bei dem jedoch die folgenden Wäschen der organischen Phase am Ende der Reaktion des Benzylchlorids durchgeführt wurden:
2·1000 cm³ 3% Salzsäure
3·1000 cm³ Wasser,
führt zu einem Produkt, dessen Eigenschaften in der Tabelle des Beispiels 7, Spalte 7.2 dargestellt sind.
Man stellt fest, daß es keinen Unterschied in den dielektrischen Eigenschaften gibt.

Beispiel 2 (nicht erfindungsgemäß)

Man führt das gleiche Kondensationsverfahren von Benzylchlorid mit Toluol wie in Beispiel 1 durch, wobei man aber das Eisenchlorid durch 35 g Aluminiumchlorid ersetzt. Am Ende der Reaktion des Benzylchlorids wird die Reaktionsmischung einer einfachen Destillation wie in Beispiel 1 unterworfen, was zu folgenden Produkten führt:
a) Das nicht umgesetzte Toluol bei einem Vakuum von 15 mm Quecksilber mit einer Sumpftemperatur von 105ºC.
Dieses Toluol ist gelb und enthält 3,2 ppm Aluminium. Die chromatographische Analyse zeigt, daß dieses Toluol sehr unrein ist und vor allem nicht zu vernachlässigende Mengen an Benzol und Xylol enthält.
b) Die Destillation der schwereren Produkte wird fortgesetzt, indem man nach und nach die Temperatur bei stärkerem Vakuum erhöht. Diese Destillation ist sehr schwierig, denn es findet eine permanente Zersetzung unter Bildung von Benzol, Toluol und Xylol statt, mit Schwierigkeiten, das Vakuum aufrechtzuerhalten.
Man erhält nur 300 g eines stark gefärbten Produktes, das 17 ppm Aluminium enthält und folgende Zusammensetzung hat:
Benzol 1,3%
Toluol 16,0%
Xylol 7,0%
Diphenylmethan 7,5%
Benzyltoluol 34,0%
Benzylxylol 22,0%
Dieses Produkt ist für eine dielektrische Anwendung offensichtlich unbrauchbar. Andererseits bleibt eine sehr bedeutende Menge im Destillationskolben in Form eines kompakten, nicht wiedergewinnbaren Klumpens zurück.
Folglich ist ein Rohprodukt der Benzylierung von Toluol, katalysiert mit Aluminiumchlorid, nicht ohne vorhergehende Wäsche destillierbar, die es ermöglicht, den Katalysator zu entfernen.

Beispiel 3

Man verfährt wie in Beispiel 1 des Patents, außer daß man, anstatt reines Benzylchlorid zu benutzen, ein Rohprodukt der Photochlorierung von Toluol verwendet. Dafür führt man 6 Mol Chlor in 24 Mol Toluol unter photochemischer Bestrahlung bei der Temperatur von 90ºC ein. Das Reaktionsprodukt, das 35 g FeCl&sub3; enthält, wird nach und nach in 12 Mol Toluol bei 105ºC eingeführt. Nach Beendigung der Reaktion wird das Reaktionsgemisch wie in Beispiel 1 destilliert, wobei folgendes getrennt werden kann:
a) das nicht umgesetzte Toluol mit einer Reinheit über 99%, das in einem neuen Syntheseverfahren direkt verwendbar ist;
b) eine Mischung der oben beschriebenen Oligomeren A und B im Gewichtsverhältnis 97,5/2,5.
Die dielektrischen Eigenschaften sind bestimmt worden und in der Tabelle von Beispiel 7, Spalte 7.3 wiedergegeben.
Ein auf gleiche Art erhaltenes Produkt, bei dem jedoch Waschschritte mit wäßriger Salzsäure und Wasser an der organischen Phase am Ende der FRIEDEL-CRAFTS-Reaktion durchgeführt werden, führt zu einem Produkt, dessen dielektrische Eigenschaften in der Tabelle des Beispiels 7, Spalte 7.4 dargestellt sind. Es zeigt sich, daß es keinen Unterschied in den dielektrischen Eigenschaften gibt.

Beispiel 4

Man wiederholt Beispiel 3, in dem man jedoch Eisenchlorid durch 35 g Aluminiumchlorid bei der FRIEDEL-CRAFTS-Reaktion ersetzt. Das Reaktionsgemisch wird anschließend destilliert. Es zeigen sich die gleichen Schwierigkeiten, die bereits in Beispiel 2 beobachtet wurden, was zu einem für die dielektrische Anwendung ungeeigneten Produkt führt.

Beispiel 5

Man verfährt wie in Beispiel 3 des Patents, außer daß man eine Mischung von Isomeren des Dichlortoluols (33% von 2-4, 26,5% von 2-5, 18,8% von 2-6, 11,6% von 2-3, 8,1% von 3-4) verwendet. Man führt die photochemische Reaktion von 6 Mol Chlor mit 24 Mol Dichlortoluol bei 120ºC durch. Danach führt man die FRIEDEL-CRAFTS-Reaktion aus, indem man das Reaktionsgemisch der Photochlorierung mit 12 Mol Dichlortoluol in Gegenwart von 20 g FeCl&sub3; bei einer Temperatur von 140ºC reagieren läßt. Die Zugabe erfolgt in 4,5 Stunden mit regelmäßigem Zusatz von kleinen Mengen FeCl&sub3;. Das Reaktionsgemisch wird noch 1,5 Stunden lang unter Rühren bei 140ºC gehalten, dann einer einfachen Destillation unter Vakuum unterworfen, die die Trennung der folgenden Fraktionen erlaubt:
a) die nicht umgesetzten Dichlortoluole, unter einem Vakuum von 15 mm Quecksilber mit einer Sumpftemperatur von 150ºC. Das erhaltene Destillat ist farblos und enthält weniger als 1 ppm Eisen. Die chromatographische Analyse zeigt, daß der Gehalt an Dichlortoluolen größer als 99% ist;
b) die Produkte der Formel:
Unter Vakuum von 15 mm Quecksilber bei einer Dampftemperatur von 260ºC bis 280ºC werden 1500 g erhalten. Das ist eine gelbliche Flüssigkeit, die weniger als 1 ppm Eisen enthält. Dieses Produkt eignet sich perfekt zur dielektrischen Anwendung.
Ein auf gleiche Art erhaltenes Produkt, jedoch mit Auswaschen der organischen Phase, aus der FRIEDEL- CRAFTS-REAKTION, mit wäßriger Salzsäure und anschliessend mit Wasser, führt zu einem Produkt identisch demjenigen, welches ohne Auswaschen des Katalysators erhalten wurde.
Man hat die dielektrischen Eigenschaften dieser beiden Produkte (mit und ohne Wäsche) wie in Beispiel 7 gemessen; es gibt keinen Unterschied, beide Produkte eignen sich als Dielektrische.

Beispiel 6 (nicht erfindungsgemäß)

Man wiederholt das Beispiel 5, indem man jedoch Eisenchlorid durch 35 g Aluminiumchlorid ersetzt. Das Produkt wird nach Beendigung der FRIEDEL-CRAFTS-Reaktion einer einfachen Destillation unterworfen, um folgendes zu trennen:
a) die nicht umgesetzten Dichlortoluole unter Vakuum von 15 mm Quecksilber mit einer Sumpftemperatur von 150ºC. Wegen der Bildung von auf Zersetzungsreaktionen zurückzuführendem Schaum, ist die Destillation schwer zu beherrschen. Die erhaltenen Dichlortoluole sind stark gefärbt und enthalten 95 ppm Aluminium. Die Reinheit gemäß der GC-Analyse beträgt nur 85% (sie enthalten 10% leichte Produkte und 5% schwere Produkte).
b) Die schwereren Produkte: Bei fortschreitender Temperatursteigerung bis auf 240-280ºC entstehen weißliche Niederschläge, das sehr gefärbte Destillat verdickt sich, man erhält nur 1200 g eines Produktes, das wenigstens 10% leichtere (Dichlorbenzole und durch Zersetzung gebildete Dichlortoluole) und 170 ppm Aluminium enthält.
Dieses Produkt ist für eine Verwendung als Dielektrikum offensichtlich ungeeignet.
Am Boden des Kolbens bleibt eine bedeutende Menge des Produkts in Form eines schwarzen, kompakten, nicht wiedergewinnbaren Klumpens zurück.
Folglich kann man keine erwünschten Produkte ohne vorherige Wäsche des Reaktionsgemisches zur Entfernung von Aluminiumchlorid erhalten.

Beispiel 7: Dielektrische Eigenschaften

Sie werden anhand von Alterungsversuchen in einer Zelle bei 100ºC gemessen.
Die Proben wurden nach zufügen von 1% des Epoxids DGEBA (Bisphenol A - Diglycidäther) eine Nacht bei Raumtemperatur mit 3% aktiviertem TONSIL 13 behandelt.
Die filtrierten Proben wurden in eine Meßzelle von tan δ (zwei Zellen pro Probe) gegeben. Diese Zellen wurden in einen Trockenschrank bei 100ºC gestellt, und tan δ wurde über 500 Stunden lang verfolgt.
Die erhaltenen Resultate, dargestellt in der Tabelle weiter unten, zeigen, daß die vier Produkte gleiche Stabilität besitzen. Zeit Ende

Claims

1. In einem Verfahren zur Synthese von dielektrischen Flüssigkeiten, enthaltend die folgenden Schritte:

a) Kondensation von aromatischen Halogeniden und aromatischen Verbindungen in Gegenwart von Eisenchlorid als Katalysator,

b) Entfernung des Katalysators durch Neutralisation oder Waschen oder durch eine Kombination dieser Mittel,

c) gegebenenfalls Destillation des Überschusses der Reagenzien,

d) Destillation der gesamten Kondensationsprodukte oder wenigstens eines davon, gefolgt von ihrer Konditionierung zur dielektrischen Flüssigkeit, die Verbesserung, die darin besteht den Schritt

b) wegzulassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aromatische Halogenid Benzylchlorid und die aromatische Verbindung Toluol ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aromatische Halogenid ein Gemisch aus Benzylchlorid (C&sub6;H&sub5;CH&sub2;Cl) und Benzylidenchlorid (C&sub6;H&sub5;CHCl&sub2;) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aromatische Halogenid ein Produkt der Formel

ist, und daß die aromatische Verbindung Dichlortoluol ist.