DE60005565T2

DE60005565T2 - Reinigung einer metallorganischen verbindung durch umkristallisieren

Info

Publication number: DE60005565T2
Application number: DE60005565T
Authority: DE
Inventors: H. Nam TRAN; N. Joseph CHRISTOPHER; J. Timothy MICHALEC
Original assignee: Akzo Nobel NV
Current assignee: Akzo Nobel NV
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JP2003518007A; WO2000071551A3; ATE250616T1; KR20020005751A; EP1259516B1; EP1259516A2; WO2000071551A2; TW593325B; DE60005565D1; US6482968B1

Description

Es gibt verschiedene Offenbarungen, die mehrere Arten von Techniken beschreiben, die für die Reinigung von metallorganischen Verbindungen, wie Trimethylaluminium, eingesetzt werden, einschließlich der folgenden: Die Japanische Patentveröffentlichung Nr. 08/12,678 beschreibt die Verwendung eines Kühlrohrs zur Fällung der gewünschten metallorganischen Verbindung in gereinigter Form aus einer Schmelzzusammensetzung einer metallorganischen Verbindung. Diese Technik behandelt eine unverdünnte Zusammensetzung der metallorganischen Verbindung, die gereinigt werden soll.
In Chemical Abstracts, Vol. 106, 84687 (1999), wird beschrieben, dass Apparaturen, die insbesondere für die gerichtete Kristallisation vorgesehen sind, für die Reinigung einer metallorganischen Verbindung geeignet sind.
Das US-Patent Nr. 4,362,560 beschreibt die Verwendung eines vakuumthermischen Zersetzungsverfahrens zur Herstellung von hochreinem Gallium aus Gallium und Arsen enthaltendem Abfall.
Die Adduktbildung zwischen der metallorganischen Verbindung und einem adduktbildenden Reagens mit anschließender späterer Dissoziation mit thermischen Mitteln ist in den Internationalen PCT-Patentveröffentlichungen Nr. WO 85/04405 und WO 93/10125, den Britischen Patenten Nr. 2,123,423 und 2,201,418 und in den US-Patenten Nr. 4,720,561 und 4,847,399 beschrieben.
Das Britische Patent Nr. 1,051,830 beschreibt ein rohes Trennungsverfahren, das sich auf einen gemischten Trialkylaluminiumstrom bezieht, wobei die Alkylgruppen ein höheres Molekulargewicht haben als diejenigen, die in der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind. Ebenso ist das Produkt in diesem Britischen Patent ein Gemisch von Verbindungen und keine reine Verbindung, wie es in der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, die sich auf ein Reinigungsverfahren bezieht.
Das US-Patent Nr. 3,627,808 bezieht sich auf die Handhabung von Triphenylaluminium und nicht von Trialkylaluminium-Spezies. Außerdem zeigt die knappe Offenbarung in Spalte 3, Zeile 58-60 und 69-71, der Umkristallisation ihrer unterschiedlichen Spezies aus Toluol keine Anwesenheit eines Kühlschritts oder legt einen solchen nahe.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Umkristallisationstechnik für die Reinigung einer metallorganischen Verbindung, wobei die metallorganische Verbindung unter Kühlungsbedingungen aus einem Lösungsmittel, das die metallorganische Verbindung enthält, umkristallisiert wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird zwar unter besonderer Bezugnahme auf die Reinigung von Trimethylaluminium (TMAL) beschrieben, ist jedoch auch für andere metallorganische Verbindungen geeignet, wie unter anderem die Trialkylverbindungen von Aluminium, Gallium oder Indium, die ein bis vier Kohlenstoffatomen in den Alkylgruppen enthalten.
Eine übliche Methode, mit der zum Beispiel TMAL hergestellt wird, beinhaltet die folgenden Reaktionen, die diskontinuierlich durchgeführt werden (wobei Me Methyl bedeutet und Et Ethyl bedeutet):
Das TMAL-Produkt aus dem obigen Reaktionstyp enthält typischerweise zum Beispiel etwa 50 bis etwa 200 ppm Silicium als Verunreinigung aufgrund der Anwesenheit einer solchen Verunreinigung aus dem Triethylaluminium und den Methylaluminiumsesquichlorid-Reagentien, die in diesem Verfahren eingesetzt werden. Die letztendliche Quelle dieser Verunreinigung ist das Aluminiumpulver, das in den Verfahren verwendet wird, die bei der Herstellung des Triethylaluminiums und Methylaluminiumsesquichlorids eingesetzt werden.
Es hat sich als möglich erwiesen, das TMAL-Produkt aus einer solchen Verunreinigungskomponente zu reinigen, indem man es zum Beispiel in einem geeigneten Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel, wie Isopentan, Hexan oder Heptan, löst und die resultierende Lösung dann auf eine Temperatur von etwa 0°C oder darunter abkühlt, um die Umkristallisation des TMAL aus der Lösung zu erzwingen. Das Umkristallisationsverfahren kann vorteilhafterweise bei Drücken im Bereich von Niedervakuum bis zu einem mäßigen Druck (zum Beispiel von etwa 0 psia bis etwa 45 psia) durchgeführt werden. Es ist für die Verwendung der vorliegenden Erfindung wesentlich, dass die Kristallisationstemperatur der metallorganischen Verbindung (wie TMAL) höher sein muss als die Verfestigungstemperatur des ausgewählten Lösungsmittels. Da die Siliciumverunreinigungen in dem TMAL zum Beispiel anscheinend als nichtassoziierte und nichtkomplexierte Silane vorhanden sind, bleiben diese Verunreinigungen zum Beispiel weitgehend in dem Lösungsmittel, nachdem das TMAL daraus umkristallisiert ist. Die Lauge, die die Verunreinigungen enthält, wird dann entweder durch Dekantieren oder Filtration von den TMAL-Kristallen abgetrennt, und die gewonnenen TMAL-Kristalle können mit frischem Lösungsmittel gewaschen werden. Der endgültige Schritt ist vorzugsweise das Schmelzen und Destillieren von TMAL, um die letzten Spuren an Lösungsmittel daraus zu entfernen.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung näher.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird die Siliciumentfernung aus TMAL durch Kristallisation aus einer Isopentanlösung (1 Cyclus) veranschaulicht. TMAL (393 g), das ungefähr 60 ppm Si enthielt, wurde unter einer Stickstoffatmosphäre in einen 1-Liter-Reaktor mit Mantel gegeben. Dann wurde Isopentan (101 g) hinzugefügt, und die Lösung wurde gemischt. Der Mischer wurde abgeschaltet, und dann wurde der Reaktor über zwei Stunden hinweg auf eine Temperatur von –23,5°C gekühlt. Bei dieser Temperatur wurde nur das TMAL gefroren. Die restliche Lösung (etwa 100 ml) wurde dann aus dem Boden des Reaktors abgelassen. Der Reaktor wurde dann auf Raumtemperatur erwärmt, und aus dem TMAL in dem Reaktor wurde eine Probe entnommen. Bei einer ICP-Analyse der Probe wurde bestimmt, dass der Siliciumgehalt auf 17,1 ppm reduziert worden war.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wird die Siliciumentfernung aus TMAL durch Kristallisation aus einer Isopentanlösung (2 Cyclen) gezeigt. TMAL (414 g), das ungefähr 60 ppm Si enthielt, wurde unter einer Stickstoffatmosphäre in einen 1-Liter-Reaktor mit Mantel gegeben. Dann wurde Isopentan (190 g) hinzugefügt, und die Lösung wurde gemischt. Der Mischer wurde abgeschaltet, und dann wurde der Reaktor über zwei Stunden hinweg auf eine Temperatur von –26°C gekühlt. Die restliche Lösung (etwa 90 ml) wurde dann aus dem Boden des Reaktors abgelassen. Der Reaktor wurde mehrere Stunden lang bei tiefer Temperatur ruhen gelassen, und die restliche Flüssigkeit (etwa 200 ml) wurde wiederum ablaufen gelassen. Dann wurde der Reaktor auf Raumtemperatur erwärmt, und aus dem TMAL in dem Reaktor wurde eine Probe entnommen. Weiteres Isopentan (220 g) wurde in den Reaktor gegeben, und die Lösung wurde mehrere Minuten lang gemischt. Dann wurde der Reaktor über zwei Stunden hinweg auf eine Temperatur von –28°C gekühlt. Die restliche Lösung (etwa 200 ml) wurde dann aus dem Boden des Reaktors abgelassen. Der Reaktor wurde mehrere Stunden lang bei tiefer Temperatur ruhen gelassen, und die restliche Flüssigkeit (etwa 175 ml) wurde wiederum ablaufen gelassen. Dann wurde der Reaktor auf Raumtemperatur erwärmt, und aus dem TMAL in dem Reaktor wurde eine Probe entnommen. Bei einer ICP-Analyse der Proben wurde bestimmt, dass der Siliciumgehalt nach dem ersten Kristallisationscyclus auf 10,4 ppm und nach dem zweiten Kristallisationscyclus weiter auf 3,4 ppm reduziert worden war.
Vergleichsbeispiel 3
In diesem Beispiel wird TMAL (97,85 g), das ungefähr 60 ppm Si enthält, unter einer Stickstoffatmosphäre in ein dickwandiges 175-ml-Reagenzglas mit Stopfen übergeführt. Das Reagenzglas wurde zu 80% in ein Trockeneis/Aceton-Bad abgesenkt. Als 80-90% des TMAL gefroren zu sein schienen, wurde die restliche Flüssigkeit (13,88 g) mit einer Kanüle entfernt. Man ließ das TMAL schmelzen und entnahm eine Probe daraus. Das Reagenzglas wurde wiederum zu 80% in ein Trockeneis/Aceton-Bad abgesenkt. Als 80-90% des TMAL gefroren zu sein schienen, wurde die restliche Flüssigkeit (8,09 g) mit einer Kanüle entfernt. Man ließ das restliche TMAL schmelzen und entnahm eine Probe daraus. Bei einer ICP-Analyse der Proben wurde bestimmt, dass der Siliciumgehalt nach dem ersten Kristallisationscyclus nur auf 57,1 ppm und nach dem zweiten Kristallisationscyclus weiter auf 42,6 ppm reduziert worden war.
Vergleichsbeispiel 4
Dieses Beispiel veranschaulicht die Entfernung von Silicium aus TMAL durch Destillation.
TMAL (1868,2 g), das 60 ppm Si enthielt, wurde in ein 1-gallon-Glasreaktionsgefäß gegeben, das Bestandteil einer Destillationsapparatur war, die außerdem eine 51-inch-Füllkörper-Destillationskolonne und einen Kühler umfasste. Unter einer Stickstoffatmosphäre wurde das TMAL bei ungefähr 800 Torr destilliert. Unter Verwendung eines Rückfluss-zu-Produkt-Verhältnisses von 20:1 wurde ein 20%-Vorlauf entnommen, wobei die Überkopftemperatur zwischen 102°C und 126°C lag. Dann wurde das Rückfluss-zu-Produkt-Verhältnis für den Rest der Destillation auf 1:1 eingestellt, und bei 126°C–127°C wurden ungefähr 1300 g Produkt (70%) erzeugt. Bei einer ICP-Analyse des Produkts wurde bestimmt, dass der Siliciumgehalt auf 6,3 ppm reduziert worden war.
Beispiel 5
Dieses Beispiel veranschaulicht ebenfalls die Entfernung von Silicium aus TMAL durch Kristallisation.
Unter Verwendung eines 1-gallon-Reaktionsgefäßes unter einer Stickstoffatmosphäre und bei Raumtemperatur (25°C) wurde Hexan (992,0 g) zu einer Lösung von TMAL (1308 g) gegeben, die 60 ppm Si enthielt. Nach fünf Minuten Mischen der Lösung wurde die Reaktionsaufschlämmung über einen Zeitraum von ungefähr zwei Stunden auf –46,6°C gekühlt, wobei man ein Trockeneis-Aceton-Bad verwendete. Bei dieser Temperatur enthielt das Reaktionsgefäß eine gefrorene Masse von TMAL, die mit einer flüssigen Hexanschicht bedeckt war. Dieser flüssige Teil (632,9 g) wurde aus dem Gefäß entfernt und verworfen. Dann wurde der Reaktor auf Raumtemperatur erwärmt, und zu diesem Zeitpunkt wurde wiederum Hexan (911,0 g) hinzugefügt. Dann wurde die Lösung wie zuvor auf –45,2 °C gekühlt. Der flüssige Teil (1443,0 g) wurde wiederum von dem gefrorenen TMAL entfernt, und das Reaktionsgefäß wurde auf Raumtemperatur erwärmt, und zu diesem Zeitpunkt wurde eine Probe des TMAL entnommen. Der Kristallisationsvorgang wurde ein drittes Mal wiederholt. Hexan (604,0 g) wurde hinzugefügt, und die Lösung wurde auf –53,3°C gekühlt. Der flüssige Teil (586,7 g) wurde von dem gefrorenen TMAL entfernt. Die Aufschlämmung in dem Reaktionsgefäß wurde auf Raumtemperatur erwärmt, und eine Probe wurde entnommen. Eine ICP-Analyse der Proben wies darauf hin, dass der Siliciumgehalt nach dem zweiten bzw. dritten Kristallisationscyclus auf 13,45 ppm bzw. 1,56 ppm gesenkt worden war. Nach der Destillation des Kristallisationsprodukts wurde der Siliciumgehalt auf 0,80 ppm gesenkt.
Beispiel 6
Dieses Beispiel veranschaulicht ebenfalls die Entfernung von Silicium aus TMAL, wobei ein einfacher 1-gallon-Kristallisator verwendet wurde, wie er in der Zeichnung gezeigt ist, welche einen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bildet.
Der 1-gallon-Kristallisator, der in der Zeichnung gezeigt ist, umfasst: 1) einen offenen Trockeneis/Aceton-Mantel; 2) ein inneres gerades Mittelrohr für Heizöl; 3) eine Entlüftung; 4) einen Flüssigchargenanschluss; und 5) ein Sumpfventil für die Produktentnahme. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wurden TMAL (2200 g, 3000 ml), das 7 ppm Sienthielt, und Isopentan (400 ml) in den Kristallisator übergeführt. Das TMAL und das Isopentan wurden gut durchmischt, indem man Stickstoff durch das Bodenventil (5) einleitete. Während das temperierte Heizöl (40°C) durch das innere Rohr zirkulierte, wurde der äußere offene Mantel dann mit Trockeneis und Aceton (–79°C) aufgefüllt. Man ließ das TMAL aus der TMAL/Isopentan-Lösung ausfrieren. Nach einer Stunde Kühlen wurde das nicht gefrorene TMAL/Isopentan (400 cm³) aus dem Kristallisator entfernt. Dann wurde das kristallisierte TMAL mit frischem Isopentan (200 cm³) gewaschen, und die Isopentan-Waschflüssigkeit wurde nach dreißig Minuten Kühlen entfernt. Das Waschen wird zweimal wiederholt. Nach dem Waschen ließ man das kristallisierte TMAL über Nacht schmelzen. Dann wurde das gereinigte TMAL (2900 cm³) fraktioniert destilliert, um Isopentanrückstand zu entfernen. Nach der Destillation enthielt das zurückgewonnene TMAL (2470 cm³) 0,6 ppm Si.
Die obigen Beispiele veranschaulichen lediglich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sollten aus diesem Grund nicht als einschränkend angesehen werden. Der begehrte Schutzumfang ist in den folgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Verfahren zur Reinigung einer trialkylgruppenhaltigen metallorganischen Verbindung mit einem bis vier Kohlenstoffatomen in den Alkylgruppen, umfassend das Abkühlen einer Lösung der metallorganischen Verbindung in einem Lösungsmittel, so dass die Kristallisation der metallorganischen Verbindung aus dem Lösungsmittel bewirkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Verbindung eine Trialkylverbindung von Aluminium ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei es sich bei der Verbindung um Trimethylaluminium handelt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–3, wobei das Lösungsmittel ein Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–3, wobei das Lösungsmittel ein Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel ist und die Lösung auf eine Temperatur von unter 0°C gekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–5, wobei das Lösungsmittel, das Verunreinigungen enthält, nach dem Abkühlen entweder durch Dekantieren oder Filtrieren von der kristallisierten gereinigten Verbindung abgetrennt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die kristallisierte gereinigte Verbindung mit frischem Lösungsmittel gewaschen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die kristallisierte gereinigte Verbindung mit frischem Lösungsmittel gewaschen und dann geschmolzen und destilliert wird, um sie weiter zu reinigen.