專利名稱：來自直接方法的高沸點(diǎn)殘余物轉(zhuǎn)化成甲硅烷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是從高沸點(diǎn)殘余物生產(chǎn)甲硅烷的方法，，該殘余物是從有機(jī)氯化物與硅準(zhǔn)金屬(silicon metalloid)在一種典型地稱作“直接方法”的方法中反應(yīng)得到的。這一方法包括形成一種包括有機(jī)硅烷和高沸點(diǎn)殘余物的混合物，和讓混合物在氫氣存在下與催化量的有效促進(jìn)從高沸點(diǎn)殘余物形成甲硅烷的催化劑組分接觸。我們的方法的優(yōu)選催化劑組分包括三氯鋁，其至少一部分是在直接方法和高沸點(diǎn)殘余物的分離過程中就地形成的。
在由直接方法制備有機(jī)鹵代硅烷的過程中，形成了復(fù)雜混合物，它一般經(jīng)過蒸餾使甲硅烷與存在于混合物中的其它組分分離。例如，在“直接方法”中，除了甲硅烷以外，在甲基氯硅烷的情況下它包括二甲基二氯硅烷，甲基三氯硅烷，和三甲基氯硅烷，獲得了沸點(diǎn)高于甲基氯硅烷(即高于70℃)的殘余物。這一殘余物在下面稱作“高沸點(diǎn)殘余物”。
“直接方法”描述在專利文獻(xiàn)，例如US專利2,380,995和2,488,487中。在甲硅烷的餾頭物餾出之后保留的殘余物是包括較高沸點(diǎn)含硅化合物的復(fù)雜混合物，這些化合物例如在分子中含有SiSi，SiOSi和SiCSi鍵。該殘余物也可以含有硅顆粒和金屬或它們的化合物。由直接方法的產(chǎn)物的蒸餾獲得的典型高沸點(diǎn)殘余物例如描述在US專利2,598,435和2,681,355中。
在進(jìn)行該直接方法的目前使用的工業(yè)操作中，高沸點(diǎn)殘余物占所得到的產(chǎn)物的比例高達(dá)5wt％。所以，希望將高沸點(diǎn)殘余物轉(zhuǎn)化成工業(yè)上可接受的產(chǎn)物，從而減少廢物處理量和改進(jìn)原料利用率。
US專利2,606,811教導(dǎo)了一種氫化方法，其中含有鹵素和Si-Si鍵的化合物在氫氣存在下被加熱升溫至至少300℃的溫度。所得到的產(chǎn)物是甲硅烷。
US專利3,639,105描述了一種方法，其中氫化硅烷(hydrosilane)是通過讓乙硅烷與氫氣在加壓下接觸和然后在過渡金屬催化劑如鈀/碳存在下加熱該混合物制得。其中，乙硅烷可能是來自直接方法的混合物中的一組分，此外，當(dāng)乙硅烷是甲基氯乙硅烷時(shí)，所得到的產(chǎn)物含有4-28wt％的甲基三氯硅烷。一般來說，有機(jī)三鹵硅烷如甲基三氯硅烷具有有限的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，并為此限制了該方法專利的用途。
US專利4,079,071要求了一種制備高產(chǎn)率的氫化硅烷的方法，通過在銅催化劑存在下在25-350℃之間的溫度下讓甲基氯聚硅烷與氫氣反應(yīng)。這些甲基氯聚硅烷是通常作為直接方法的副產(chǎn)物產(chǎn)生的那些物質(zhì)。
其中有用的銅催化劑包括銅金屬，銅鹽和銅鹽與有機(jī)配位基的配合物。在一些情況下由該專利方法形成了至多29wt％的甲基三氯硅烷。
US專利4,393,229提供了一種將從烷基鹵代硅烷的制備過程中所獲得的殘余物中富含烷基的乙硅烷轉(zhuǎn)化成富含鹵素的聚硅烷的方法。該方法包括在升高的溫度下在催化劑和催化量的氫化硅烷反應(yīng)促進(jìn)劑的存在下用烷基三鹵硅烷或四鹵化硅處理該含有富含烷基的乙硅烷的殘余物。三氯化鋁在該方法中是有用的催化劑，當(dāng)與氫化硅烷促進(jìn)劑一起使用時(shí)。所得到的富含鹵素的聚硅烷能夠在單獨(dú)的步驟中由該專利方法裂解形成甲硅烷。
US 5,175,329披露了一種從直接方法的高沸點(diǎn)殘余物生產(chǎn)有機(jī)硅烷的方法，該方法導(dǎo)致實(shí)際上純消耗有機(jī)三氯硅烷。在該方法中，在氫化催化劑和再分布催化劑存在下高沸點(diǎn)殘余物與有機(jī)三氯硅烷和氫氣接觸。
US專利5,430,168是從直接方法的高沸點(diǎn)殘余物生產(chǎn)甲硅烷的另一方法。該方法包括在氫氣和催化量的三氯化鋁存在下形成一種混合物，該混合物包括有機(jī)三鹵硅烷和高沸點(diǎn)殘余物。
本發(fā)明的目的是提供一種簡單的方法，其中來自用于生產(chǎn)有機(jī)鹵代硅烷的直接方法的高沸點(diǎn)殘余物被轉(zhuǎn)化成工業(yè)有用的甲硅烷。我們發(fā)現(xiàn)，這一目的是通過讓高沸點(diǎn)殘余物與有機(jī)硅烷，氫氣和催化量的有效促進(jìn)從高沸點(diǎn)殘余物形成甲硅烷的催化劑組分接觸來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的方法是通過如下來進(jìn)行的將高沸點(diǎn)殘余物，有機(jī)硅烷和氫氣作為共原料(co-feeds)加入到反應(yīng)器中形成一種混合物，它然后與催化劑組分接觸形成甲硅烷。該方法得到取決于有機(jī)硅烷原料的獨(dú)特的產(chǎn)物分布。所以，從使用特定的有機(jī)硅烷得到的甲硅烷產(chǎn)物在該方法的隨后操作中用作共原料，從而提供一種控制所生產(chǎn)的甲硅烷的方式以滿足工業(yè)需要。
本發(fā)明是一種將從有機(jī)氯化物與硅準(zhǔn)金屬的反應(yīng)得到的高沸點(diǎn)殘余物轉(zhuǎn)化成甲硅烷的方法。該方法包括(A)形成一種混合物，該混合物包括從有機(jī)氯化物和硅準(zhǔn)金屬的反應(yīng)得到的高沸點(diǎn)殘余物和由通式RmHnSiCl4-m-n(1)表述的有機(jī)硅烷，其中各R獨(dú)立地是選自包含1-6個(gè)碳原子的烷基，芳基，包含1-6個(gè)碳原子的烷氧基，三甲基甲硅烷基和三氟丙基，m＝1-4，n＝0-2和m+n＝2-4；和(B)在150-500℃范圍內(nèi)的溫度和0.69-34.5MPa(100-5,000psi)的總反應(yīng)器表壓下在催化量的有效促進(jìn)從高沸點(diǎn)殘余物形成甲硅烷的催化劑組分存在下讓混合物與氫氣接觸。
本發(fā)明方法進(jìn)一步包括(C)回收由通式RyHzSiCl4-y-z表述的甲硅烷，其中R如以上所定義，y＝0-4，z＝0-3和y+z＝0-4。
本發(fā)明方法可以在適合與氯硅烷接觸的任何標(biāo)準(zhǔn)壓力反應(yīng)器中進(jìn)行。該方法可按連續(xù)方法或間歇方法進(jìn)行。該方法例如在攪拌床式反應(yīng)器，連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器，鼓泡塔式反應(yīng)器，噴淋床式反應(yīng)器或活塞式流動反應(yīng)器中進(jìn)行。
本發(fā)明的方法用于將從有機(jī)氯化物與硅準(zhǔn)金屬的反應(yīng)得到的高沸點(diǎn)殘余物轉(zhuǎn)化成有用的甲硅烷。在典型的方法中，該方法是在合適的催化劑存在下在300-350℃之間的溫度下進(jìn)行的，然后氣體產(chǎn)物和原料與細(xì)顆粒物一起連續(xù)從該方法過程中排出。排出的物料然后經(jīng)過蒸餾回收有機(jī)氯硅烷，留下“高沸點(diǎn)的殘余物”。
用于本發(fā)明中的優(yōu)選的高沸點(diǎn)殘余物是從反應(yīng)產(chǎn)物中蒸餾甲基氯硅烷得到的沸點(diǎn)高于70℃的物質(zhì)，該反應(yīng)產(chǎn)物來自氯代甲烷與硅準(zhǔn)金屬的反應(yīng)。該高沸點(diǎn)殘余物的典型組成包括50-60wt％的通式Si2Q6的乙硅烷，其中各Q獨(dú)立地選自甲基或氯和乙硅烷含有2-4個(gè)甲基取代基/每分子；15-25wt％的由通式Q3SiCH2SiQ3表述的亞甲基硅烷(silmethylene)，其中Q如以上所定義和該亞甲基硅烷含有2-4個(gè)甲基取代基/每分子；由通式Q3Si(SiQ2)a(CH2)b(SiQ2)cSiQ3表述的亞烷基硅烷(silalkylene)，其中Q如以上所定義，該亞烷基硅烷含有2-4個(gè)甲基取代基/每分子，a＝0-4，b＝1-3，c＝0-4和a+b+c≥1；5-15wt％的其它高沸點(diǎn)含硅化合物；從直接方法帶來的催化劑如銅和銅化合物；含有硅的顆粒物；和少量的金屬如鋁，鈣和鐵及其化合物。
如以上所討論的，已知的是高沸點(diǎn)殘余物能夠用氫化催化劑和氫氣處理來生產(chǎn)甲硅烷。然而，這一方法的結(jié)果是生產(chǎn)出了有機(jī)三鹵硅烷，它們具有有限的用途和因而是不希望的產(chǎn)物。我們所要求的方法獲得了取決于有機(jī)硅烷原料的獨(dú)特的產(chǎn)物分布。所以，因使用特定的有機(jī)硅烷所獲得的甲硅烷產(chǎn)物在該方法的后續(xù)操作中用作共原料，從而提供了一種控制所生產(chǎn)的甲硅烷的類型的方式以滿足工業(yè)需要。例如，當(dāng)有機(jī)硅烷原料是二甲基二氯硅烷時(shí)，本方法的主要產(chǎn)物是甲基二氯硅烷和少量的二甲基氯硅烷。甲基二氯硅烷進(jìn)而用作本方法的后續(xù)階段中的原料，得到主要產(chǎn)物二甲基二氯硅烷。按照這種方式，由我們的方法所生產(chǎn)的甲基二氯硅烷，二甲基氯硅烷和二甲基二氯硅烷的量經(jīng)控制后滿足工業(yè)需要。
在所要求的方法中，上述高沸點(diǎn)殘余物的混合物是與通式(1)表述的有機(jī)硅烷一起形成的。這一混合物是在反應(yīng)器以外形成的然后加入到反應(yīng)器中或它是通過將各組分加入到該反應(yīng)器中而形成的。有機(jī)硅烷含有1-4個(gè)取代基R，其中各R獨(dú)立地選自包含1-6個(gè)碳原子的烷基；芳基；包含1-6個(gè)碳原子的烷氧基；三甲基甲硅烷基和三氟丙基。取代基R例如是甲基，乙基，丙基，異丙基，叔丁基，甲氧基，乙氧基，苯基，甲苯基，萘基，三甲基甲硅基和三氟丙基。優(yōu)選的是R為甲基。
有機(jī)硅烷例如是二甲基二氯硅烷，乙基甲基二氯硅烷，甲基苯基二氯硅烷，甲基(3，3，3-三氟-丙基)二氯硅烷，甲基二氯硅烷，乙基二氯硅烷，苯基二氯硅烷，三甲基氯硅烷，乙基二甲基氯硅烷，四甲基硅烷和三甲氧基氯硅烷。當(dāng)有機(jī)硅烷選自二甲基二氯硅烷，甲基二氯硅烷，三甲基氯硅烷和四甲基硅烷時(shí)是優(yōu)選的。
有機(jī)硅烷在與高沸點(diǎn)殘余物的混合物中的重量百分?jǐn)?shù)對于本發(fā)明方法來說并不嚴(yán)格。一般來說，其中有機(jī)硅烷占混合物的0.1-95wt％時(shí)的混合物被認(rèn)為是有用的。優(yōu)選的是有機(jī)硅烷占混合物的30-80wt％。
該混合物與氫氣在0.69-34.5MPa(100-5,000psi)內(nèi)的反應(yīng)器表壓下進(jìn)行接觸。優(yōu)選的反應(yīng)器表壓是在2.07-10.3MPa(300-1500psi)范圍內(nèi)。更優(yōu)選的反應(yīng)器表壓是在4.14-7.6MPa(600-1100psi)范圍內(nèi)。以上列舉的反應(yīng)器表壓是指反應(yīng)器內(nèi)的總壓。
加入到本方法中的氫氣量不是很嚴(yán)格的并且可以是足以達(dá)到可接受的氫化水平的任何量。一般，0.05-10wt％的氫氣在本方法中被認(rèn)為是有用的，以在本方法中存在的混合物，氫氣和催化劑組分的總重量為基礎(chǔ)計(jì)。當(dāng)氫氣以1-5wt％的量加入到我們的方法中時(shí)則是優(yōu)選的，以同樣的基礎(chǔ)計(jì)。
接著包含高沸點(diǎn)殘余物和有機(jī)硅烷的混合物在氫氣存在下與催化量的有效促進(jìn)從高沸點(diǎn)殘余物形成甲硅烷的催化劑組分接觸。我們相信，我們的方法需要一種催化劑組分，它同時(shí)促進(jìn)烷基和氯基團(tuán)在硅原子之間的再分布，氫化和硅-硅鍵和任選地硅-碳鍵的斷裂。所以，催化劑組分包括一種或多種化學(xué)實(shí)體，為這些組分的反應(yīng)提供所述的活性。
典型地，任何路易斯酸或其等同物可用來為催化劑組分提供再分布活性。進(jìn)行再分布的有用化學(xué)實(shí)體的例子是在US專利4,393,229和5,175,329中描述的那些。在我們的方法中實(shí)施再分布的此類化學(xué)實(shí)體的特定例子包括三氯化鋁，五氯化銻，四氯化鋯，四氯化鉀鋁，鹵化季鏻鹽，鹵化季銨鹽，鹵化銨，氯化亞銅，硼酸和鹵化硼。
在催化劑組分中實(shí)施氫化的有用化學(xué)實(shí)體的例子包括由US專利5,175,329中描述的那些氫化催化劑。為催化劑組分提供氫化活性的化學(xué)實(shí)體例如是三氯化鋁，五氯化銻，鎳，擔(dān)載的鎳，有機(jī)金屬鎳化合物，配合的鎳鹽，無機(jī)鎳化合物，鈀，擔(dān)載的鈀，有機(jī)金屬鈀化合物，配合的鈀鹽，無機(jī)鈀化合物，鉑，擔(dān)載的鉑，有機(jī)金屬鉑化合物，配合的鉑鹽和無機(jī)鉑化合物。
通常，促進(jìn)烷基和氯原子在硅原子之間的再分布的那些化學(xué)實(shí)體和在我們的方法中促進(jìn)氫化的那些化學(xué)實(shí)體也將促進(jìn)硅-硅鍵和任選地硅-碳鍵的斷裂。因此，沒有必要向我們的催化劑組分中添加附加的化學(xué)實(shí)體來促進(jìn)硅-硅鍵和任選地硅-碳鍵的斷裂。如果需要這一化學(xué)實(shí)體，可以將化學(xué)實(shí)體如三氯化鋁或五氯化銻加入到我們的催化劑組分中。
在本發(fā)明方法中，優(yōu)選的是催化劑組分包括在我們的方法條件下促進(jìn)再分布、氫化和鍵斷裂的單一化學(xué)實(shí)體。這類化學(xué)實(shí)體包括三氯化鋁和五氯化銻。
本發(fā)明的方法要求存在催化量的以上所述的催化劑組分。“催化量”是指足以促進(jìn)上述高沸點(diǎn)殘余物中含硅化合物轉(zhuǎn)化成甲硅烷的催化組成的量。催化劑組分的優(yōu)選催化量是足以促進(jìn)聚硅烷，例如高沸點(diǎn)殘余物中的甲基氯硅烷類、亞甲基硅烷類和亞烷基硅烷類，轉(zhuǎn)化成甲硅烷的那一用量。所需要的催化劑組分的量將取決于包含于該催化劑組分中的化學(xué)實(shí)體，而這一量能夠由現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中那些熟練人員容易地確定。
當(dāng)三氯化鋁或五氯化銻包括催化劑組分時(shí)，0.01-20wt％的催化劑組分在本發(fā)明方法中就足夠，以催化劑組分和高沸點(diǎn)殘余物的合并重量為基礎(chǔ)計(jì)。當(dāng)三氯化鋁或五氯化銻包括催化劑組分時(shí)，在我們方法中優(yōu)選的催化劑組分的量是在0.5-5wt％范圍內(nèi)，以同樣的基礎(chǔ)計(jì)。
用于我們方法中的優(yōu)選催化劑組分是三氯化鋁。它可以作為一種化合物加入到本方法中或通過將那些可以形成三氯化鋁的原料加入就地形成。催化量三氯化鋁中的全部或一部分可以在直接方法和分離甲硅烷級分以形成高沸點(diǎn)殘余物的過程中就地形成。為形成三氯化鋁所需要的鋁和氯的來源可以來自直接方法中使用的原料，特別是硅準(zhǔn)金屬和有機(jī)氯化物原料。催化量的三氯化鋁可以是所添加的三氯化鋁和保留在從直接方法中分離出來的高沸點(diǎn)殘余物中的就地形成的三氯化鋁兩者之混合物。
本發(fā)明方法是在150-500℃之間的溫度下進(jìn)行的。優(yōu)選在275-425℃之間的溫度。最優(yōu)選溫度300-350℃。
從本發(fā)明的方法中回收由通式(2)表述的甲硅烷。甲硅烷通過用于分離液體混合物的標(biāo)準(zhǔn)方法來分離，例如蒸餾。這些甲硅烷含有0-4個(gè)取代基R，其中R如以上所述。甲硅烷也可含有在每一硅原子上取代的0-3個(gè)氫。甲硅烷可進(jìn)一步含有在每一硅原子上取代的0-4個(gè)氯原子。優(yōu)選的甲硅烷選自二甲基二氯硅烷，甲基二氯硅烷和二甲基氯硅烷。
下面的實(shí)施例用來說明本發(fā)明。在實(shí)施例中，Me表示甲基。
實(shí)施例使用各種甲基氯硅烷作為共原料在攪拌-間歇式反應(yīng)器中評價(jià)三氯化鋁對高沸點(diǎn)殘余物的轉(zhuǎn)化的催化能力。該反應(yīng)器是650ml的氣動攪拌式ParrBomb反應(yīng)器。接著向反應(yīng)器中加入0.15mol的高沸點(diǎn)殘余物，該殘余物是從由氯甲烷與硅準(zhǔn)金屬的反應(yīng)制備甲基氯硅烷的直接方法中得到的。高沸點(diǎn)殘余物是在70℃下蒸餾出甲硅烷級分之后仍然保留在釜底的級分。高沸點(diǎn)殘余物經(jīng)過濾減少顆粒物。在各實(shí)驗(yàn)中使用的高沸點(diǎn)殘余物的主要組分按照重量百分?jǐn)?shù)基礎(chǔ)給出在表1中。
表1高沸點(diǎn)殘余物的主要組分實(shí)驗(yàn)編號組分C DEFG重量百分?jǐn)?shù)Cl2MeSiSiMe30.4 0.7 1.2 0.5 0.5ClMe2SiSiMe2Cl6.2 2.2 1.1 2.2 2.4Cl2MeSiSiMe2Cl 32.2 15.316.8 5.6 9.3Cl2MeSiSiMeCl253.5 15.316.915.4 15.2ClMe2SiCH2SiMe2Cl0.8 2.2 1.1 0.5 0.5Cl2MeSiCH2SiMe2Cl3.2 3.1 3.1 1.5 1.8Cl2MeSiCH2SiMeCl23.7 3.1 2.7 2.2 2.6對于各實(shí)驗(yàn)，在高沸點(diǎn)殘余物中存在3-4wt％的氯化鋁，以高沸點(diǎn)殘余物為基礎(chǔ)計(jì)。然后對于各實(shí)驗(yàn)，將0.9-1mol氫氣(在6.9-9.7MPa(1000-1400psi)范圍內(nèi)的表壓下)加入到反應(yīng)器中，將反應(yīng)器加熱至325℃并攪拌2.8小時(shí)。加入反應(yīng)器中的有機(jī)硅烷的類型和量如下實(shí)驗(yàn)C，無；實(shí)驗(yàn)D，55wt％MeSiCl3；實(shí)驗(yàn)E，54.2wt％Me2SiCl2；實(shí)驗(yàn)F，70.3wt％MeHSiCl2；和實(shí)驗(yàn)G，65wt％Me3SiCl。
在每一實(shí)驗(yàn)的結(jié)束時(shí)，通過使用熱導(dǎo)檢測器(TCD)由氣相色譜法(GC)分析反應(yīng)器中的樣品。分析結(jié)果記錄在表2中。各實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物分布，作為按照各類甲硅烷占產(chǎn)物中所存在的全部甲硅烷的重量百分?jǐn)?shù)來計(jì)算的凈值，給出在表2中。在表2中，被轉(zhuǎn)化成甲硅烷產(chǎn)物的高沸點(diǎn)殘余物的重量百分?jǐn)?shù)記錄在標(biāo)有“HBR轉(zhuǎn)化率”的一排中。
表2產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率和分布實(shí)驗(yàn)編號甲硅烷 C D E F G重量百分?jǐn)?shù)MeSiCl322.30.0 25.239.23.8Me2SiCl227.2 28.3 1.045.1 64.3Me3SiCl 1.20.7 9.6 1.60.0MeHSiCl234.7 48.6 43.9 0.09.9Me2HSiCl 9.63.1 16.1 6.3 15.6MeH2SiCl 4.35.6 4.1 7.62.4HSiCl30.80.0 0.7 0.30.0HBR轉(zhuǎn)化率 66.2 81.2 94.489.5 89.權(quán)利要求
1.一種將從有機(jī)氯化物與硅準(zhǔn)金屬的反應(yīng)得到的高沸點(diǎn)殘余物轉(zhuǎn)化成甲硅烷的方法，該方法包括(A)形成一種混合物，該混合物包括所述高沸點(diǎn)殘余物和由通式RmHnSiCl4-m-n表述的有機(jī)硅烷，其中各R獨(dú)立地是選自包含1-6個(gè)碳原子的烷基，芳基，包含1-6個(gè)碳原子的烷氧基，三甲基甲硅烷基和三氟丙基，m＝1-4，n＝0-2和m+n＝2-4；和(B)在150-500℃范圍內(nèi)的溫度和0.69-34.5MPa(100-5,000psi)的反應(yīng)器表壓下在催化量的有效促進(jìn)從所述殘余物形成甲硅烷的催化劑組分存在下讓混合物與氫氣接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中催化劑組分選自三氯化鋁，五氯化銻及其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中催化量的三氯化鋁中至少一部分是就地形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，它進(jìn)一步包括回收由通式RyHzSiCl4-y-z表述的甲硅烷，其中R如以上所述，y＝0-4，z＝0-3和y+z＝0-4。
全文摘要
一種從高沸點(diǎn)殘余物生產(chǎn)甲硅烷的方法,該殘余物是從有機(jī)氯化物與硅準(zhǔn)金屬在一般稱為“直接方法”的方法中的反應(yīng)得到的。本發(fā)明方法包括:形成一種包括有機(jī)硅烷和高沸點(diǎn)殘余物的混合物,和讓混合物在氫氣存在下與催化量的有效促進(jìn)從高沸點(diǎn)殘余物形成甲硅烷的催化劑組分接觸。優(yōu)選的催化劑組分包括三氯化鋁,其中至少一部分可在進(jìn)行直接方法和高沸點(diǎn)殘余物的分離過程中就地形成的。
文檔編號B01J27/125GK1169996SQ9711321
公開日1998年1月14日 申請日期1997年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月13日
發(fā)明者J·A·布林森, S·K·福里伯尼, R·F·小·加維斯 申請人:陶氏康寧公司