СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННОГО В ПОЛОЖЕНИИ 3 ПРОПИЛСИЛАНА

Настоящее изобретение относится к способу получения функционализованных в положении 3 пропилсиланов.

Известно, что из гидросиланов взаимодействием, например, с аллилхлоридом в присутствии гомогенных или гетерогенных платиновых катализаторов можно получать 3-хлорпропилсиланы. Эту реакцию называют, как правило, гидросилилированием (см., например, уравнение I)

О гомогенном гидросилилировании говорят в тех случаях, когда в качестве катализаторов применяют растворимые платиновые соединения, в простейшем случае, например, Н₂PtCl₆×6Н₂0 (ср. DE-OS 2851456, CS 176910, US 4292433, US 4292434, DE-AS 1187240, DE 1165028). При гетерогенном гидросилилировании применяют элементарную платину либо платиновые соединения (ср. US 2637738, DE 2012229 и DE 2815316).

Известно далее, что при взаимодействии, например, аллилхлорида с гидросиланами с получением 3-хлорпропилсиланов часть используемого аллилхлорида вступает с гидросиланом в побочную реакцию с образованием пропена и хлорсилана, соответствующего используемому в каждом случае гидросилану (см., например, уравнение II)

Так, например, при взаимодействии аллилхлорида с трихлорсиланом 25-30 мол.% вводимого в реакцию аллилхлорида в результате указанной побочной реакции превращаются в пропен. При этом образуется эквивалентное количество тетрахлорида кремния.

Молярное соотношение между образующимся хлорпропилсиланом и тетрахлоридом кремния является мерой определения селективности реакции и достигает обычно значений от 2,33:1 (выход 70% в пересчете на аллилхлорид) до 3:1 (выход 75%).

Известно далее, что благодаря особому проведению реакции в аппаратах под давлением образование пропена удается снизить. Такая технология обеспечивает условия, при которых пропен практически полностью реагирует далее с гидросиланом с образованием пропилсиланов. При проведении реакций в таких аппаратах при нормальном давлении и но обычной технологии образующийся в результате побочной реакции пропен также удается в значительной степени в ходе последующей побочной реакции с гидросиланами превращать в соответствующие пропилсиланы (см. заявку DE 3404703 С) (см., например, уравнение III)

Так, например, в промышленной установке, где реакцию между аллилхлоридом и трихлорсиланом осуществляют в присутствии гетерогенного катализатора и в содержащей активированный уголь с платиновым покрытием кислоте, получают на каждые 1000 кг 3-хлорпропилтрихлорсилана вплоть до 230 кг пропилтрихлорсилана. Это означает, что потребность в трихлорсилане превышает примерно на 28% его количество, содержащееся в целевом продукте (см. также DE 4119994 A1).

Недостаток известных способов состоит в том, что, во-первых, существует дополнительная потребность в гидросилане, а во-вторых, отделение нежелательных пропилсиланов связано со значительными трудностями. Следует отметить и то, что для получаемых таким путем соединений практически отсутствуют возможности их применения, а это обусловливает существенные затраты на их утилизацию.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой способ получения функционализованных в положении 3 пропилсиланов, который не имел бы указанных недостатков.

В соответствии с этим объектом изобретения является способ получения функционализованных в положении 3 пропилсиланов, осуществляемый по реакции присоединения аллильных соединений общей формулы I

где Х может представлять собой Cl, Br, I, F, CN, SCN, SH, SR, ОН, NRR¹ и OR, a R R¹ оба независимо друг от друга обозначают (С₁-C₆)алкил или (С₃-С₇)алкил, к силанам формулы II

где R², R³ и R⁴ каждый независимо друг от друга может обозначать водород, галоген, (С₁-С₆)алкил, (С₁-С₆)галоалкил, (С₃-С₆)аллил, (С₁-С₄)алкоксигруппу, фенил, арил или аралкил, при температурах в интервале от 0 до 200°С и давлении в пределах от 800 мбар до 25 бар и в присутствии платинового катализатора. Такой способ отличается тем, что применяемый силан формулы II подвергают взаимодействию с катализатором в 3-100-кратном молярном избытке по отношению к пропеновому соединению формулы I.

Неожиданным образом было установлено, что образование побочного продукта удается подавить в тех случаях, когда гидросилан используют со значительным избытком по отношению к катализатору. При этом, например, достигаемая при реакции между аллилхлоридом и трихлорсиланом избирательность, результатом которой выход хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС-выход) составляет обычно 74% в пересчете на аллилхлорид, повышается вплоть до 85%. Количество же образующегося побочного продукта пропилтрихлорсилана снижается на 50%, а расход эдуктов - трихлорсилана и аллилхлорида снижается па 20% и 12% соответственно.

Предпочтительным значением Х является галоген, прежде всего хлор.

Работать можно при нормальном, повышенном и пониженном давлении, предпочтительно при давлении в пределах от 800 мбар до 10 бар, прежде всего от 800 мбар до 6 бар.

При осуществлении способа по изобретению целесообразно работать таким образом, чтобы аллильное соединение и применяемый в большом стехиометрическом избытке гидросилан в соответствующем реакторе совместно взаимодействовали с катализатором при температурах в интервале от 0 до 300°С, предпочтительно от 25 до 200°С, до тех пор, пока не завершится полное превращение аллильного соединения. При этом полный расход предусматриваемых согласно изобретению больших стехиометрических избытков силанов формулы II при взаимодействии с платиновым катализатором можно реализовать в технологическом отношении различным путем. Одна из таких возможностей состоит в том, чтобы избыток компонента II по отношению к катализатору обеспечивать непосредственно смешением компонентов I и II. Другая возможность заключается в том, чтобы обеспечить контактирование обоих компонентов реакции присоединения с катализатором в соответствующем реакторе и тем самым их взаимодействие друг с другом, выбирая при этом любое приемлемое соотношение компонентов, т.е. в том числе и предусматриваемый согласно изобретению большой избыток силанового компонента. При этом реактор может представлять собой котел с работающей в периодическом режиме мешалкой или же заполненный катализатором трубчатый реактор, работающий в непрерывном режиме.

Еще одна возможность достичь избыток компонента II по отношению к катализатору может быть реализована за счет применения каскада из по меньшей мере двух, предпочтительно двух-десяти, трубчатых реакторов, при этом компонент I добавляют в требуемых количествах соответственно на входе в каждый последующий реактор, где этот реагент практически полностью расходуется. Рассматриваемый вариант осуществления изобретения схематично представлен на фиг.1.

Согласно этому варианту осуществления изобретения при использовании работающих в непрерывном режиме, заполненных катализатором трубчатых реакторов достичь предусматриваемых в изобретении избытков силанового компонента можно также благодаря тому, что по меньшей мере два, предпочтительно два-десять, однотипных трубчатых реакторов последовательно соединяют друг с другом таким образом, что и первый реактор загружают смесь, содержащую значительный избыток силанового компонента, причем в этом первом реакторе аллильный компонент расходуется практически полностью. Затем поступающую из первого реактора смесь продуктов смешивают с небольшим количеством аллильного компонента, в результате чего повторно обеспечивается большой избыток силанового компонента; эту образованную таким путем новую смесь подают во второй реактор. Данную технологию можно применять и для всех последовательно соединенных друг с другом, заполненных катализатором трубчатых реакторов, т.е. добавляя на входе в каждый последующий реактор соответствующее количество аллильного компонента. Тем самым на катализаторе постоянно обеспечивается наличие предусматриваемого в изобретении большого избытка силанового компонента.

Согласно другому варианту осуществления изобретения вместо каскада можно применять один единственный трубчатый реактор, при этом образующийся по мере расхода недостаток компонента I компенсируют его добавлением по меньшей мере одному, предпочтительно одному-девяти трубопроводам, размещенным сбоку от реактора. Данный вариант осуществления изобретения представлен на фиг.2. В соответствии с этим с целью подачи в реактор в каждом случае требуемого небольшого количества аллильного компонента можно предусмотреть по всей длине одного единственного реактора от одного до девяти дополнительных мест для такого дозированного добавления аллильного компонента. Тем самым повсеместно и постоянно обеспечивается требуемый большой избыток силана по отношению к катализатору.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения избыток силана по отношению к катализатору можно повысить за счет возврата большей части проходящего через трубчатый реактор массопотока в его головную часть, удаляя при этом из рецикла лишь то количество продуктовой смеси, которую с другой стороны добавляют в виде смеси эдуктов. Регулируемый в потоке эдуктов при проведении процесса избыток силанового компонента в пересчете на аллильный компонент в зависимости от установившегося соотношения между рециркулируемым количеством и количеством эдуктов может быть увеличен в несколько раз, поскольку аллильный компонент по мере прохождения через реактор практически полностью расходуется. Данный вариант осуществления изобретения схематично представлен на фиг.3.

Таким путем при избытке силана в потоке эдуктов 3:1 благодаря соответствующему выбору параметров можно достичь избыток силана по отношению к катализатору, превышающий 15:1.

Вышеописанные варианты осуществления способа по изобретению, целью которых является достижение высоких избытков силанового компонента при взаимодействии с катализатором, могут использоваться и в соответствующем сочетании.

Применяемые согласно изобретению в качестве исходного компонента силаны включают таковые со структурой типа II

где R², R³ и R⁴ каждый независимо друг от друга может представлять собой водород, галоген, (С₁-С₆)алкил. (С₁-С₆)алкоксигруппу, (С₁-С₆)галоалкил, (С₃-С₆)аллил, фенил, С₃арил или аралкил.

Предпочтительно применять силаны, такие как трихлорсилан, или силаны со смешанным замещением, такие, например, как метил-, этил-, пропилгидродихлорсилан и диметилгидрохлорсилан.

Платиновый катализатор может применяться на любой стадии окисления. Катализ можно осуществлять с помощью как гомогенного, так и гетерогенного катализатора. При гетерогенном катализе каталитически активное платиновое соединение можно использовать нанесенным на соответствующий носитель (ср. US 2637738, DE 2012229 и DE 2915316).

Катализатор может применяться как в стехиометрических, так и в каталитических количествах, составляющих, например, от 0:1 до 10000 ч./млн, предпочтительно от 10 до 500 ч./млн, в каждом случае в пересчете на используемое аллильное соединение. Предпочтительно применять гетерогенный катализатор.

Под понятием «селективность» в контексте настоящего описания имеется в виду молярное соотношение между требуемым продуктом, т.е. 3-хлорнропилтрихлорсиланом (Cl-ПТС) и тетрахлоридом кремния.

Представленные ниже примеры, где указаны достигаемая селективность и выход 3-хлорпропилтрихлорсилана, однозначно подтверждают преимущества предлагаемого в изобретении способа.

Пример 1 (сравнительный пример)

В обогреваемый трубчатый реактор длиной 40 см и объемом 150 мл, заполненный примерно 100 г покрытого платиной гранулированного активированного угля (1 мас.% платины), сначала добавляют для увлажнения катализатора 1 л 3-хлорпропилтрихлорсилана. Затем при температуре около 90°С и давлении 2 бара каждый час добавляют 200 мл смеси из трихлорсилана и аллилхлорида (молярное соотношение 1,43:1). По истечении 5 ч работы в таком режиме на выходе реактора отбирают пробу, охлаждают и анализируют. Ниже представлен состав полученного продукта

6,75 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,00 мас.% аллилхлорида (АХ)

19,31 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

19,26 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

54,68 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 2,27:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 69,4%.

Пример 2

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 1 с тем, однако, отличием, что молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом составляет 2,8:1. Согласно анализу получают продукт следующею состава:

43,22 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,00 мас.% аллилхлорида (АХ)

9,69 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

10,14 мас.% пропилтрихлорсилана (ГПС)

39,96 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции и пересчете на используемые количества веществ составляет 3,06:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете па аллилхлорид 75,4%.

Пример 3

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 1 с тем, однако, отличием, что большую часть поступающей па выходе реактора продуктовой смеси перекачивают насосом обратно в головную часть реактора. При этом соотношение между объемом рециркулируемой смеси и объемом эдуктов устанавливается равным 13:1. В результате устанавливающегося баланса массопотоков молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом в головной части реактора составляет 3:1. При такой технологии пробу смеси продуктов отбирают и анализируют только по истечении 97 ч. Ниже представлен состав полученного продукта

7,82 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,19 мас.% аллилхлорида (ЛХ)

15,67 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

16,39 мас.% пропилтрихлорсилана (IITC)

59,13 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 3,02:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 75,1%.

Пример 4

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 3 с тем, однако, отличием, что молярное соотношение эдуктов трихлорсилана и аллилхлорида составляет 2,8:1. В результате устанавливающегося баланса массопотоков молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом в головной части реактора составляет 14:1. Ниже представлен состав полученного продукта

42,41 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,68 мас.% аллилхлорида (АХ)

7,80 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

7,52 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

41,35 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 4,25:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 81,0%.

Пример 5

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 3 с тем, однако, отличием, что молярное соотношение эдуктов трихлорсилана и аллилхлорида составляет 2,0:1. Кроме того, соотношение между объемом рециркулируемой смеси и объемом эдуктов составляет 30:1. В результате устанавливающегося баланса массопотоков молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом в головной части реактора составляет 25:1. Ниже представлен состав полученного продукта

30,71 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,78 мас.% аллилхлорида (АХ)

7,51 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

8,05 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

52,96 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 5,65:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 85%.

Пример 6

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 3 с тем, однако, отличием, что половину общего добавляемого количества аллилхлорида дополнительно подают в реактор на высоте в центре последнего. Другую же половину этого количества аналогично примеру 3 добавляют в головную часть реактора совместно с ТХС. В результате образуется соответственно молярный избыток ТХС по отношению к катализатору, составляющий приблизительно 14:1. Ниже представлен состав полученного продукта

33,69 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,68 мас.% аллилхлорида (ЛХ)

10,36 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

10,47 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

44,80 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 3,5:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 78%.

Пример 7

В рассматриваемом примере работают аналогично примеру 2, но с двумя отличиями, а именно: реакцию осуществляют в двух соединенных последовательно реакторах объемом 1,7 л каждый, а смесь добавляют в количестве 250 мл. В результате молярный избыток ТХС на входе первого реактора составляет приблизительно 2,8:1. Ниже представлен состав полученного продукта

46,56 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,00 мас.% аллилхлорида (АХ)

8,92 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

9,34 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

35,18 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете па используемые количества веществ составляет 3,1:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 76%.

Пример 8

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 7 с тем, однако, отличием, что половину общего добавляемого количества аллилхлорида подают на входе второго реактора, тогда как другую половину этого количества аналогично примеру 7 вводят совместно с ТХС в первый реактор. В результате на входе первого реактора образуется молярный избыток ТХС, составляющий приблизительно 5,6:1, а на входе второго реактора это соотношение составляет приблизительно 4,4:1. Ниже представлен состав полученного продукта

47,55 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,00 мас.% аллилхлорида (АХ)

7,59 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

8,03 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

36,83 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 3,6:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 78%.

Пример 9

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 8 с тем, однако, отличием, что реакцию осуществляют в трех соединенных последовательно реакторах объемом 1,7 л каждый. По одной трети общего добавляемого количества аллилхлорида подают соответственно во второй и третий реакторы, а остальную треть совместно с ТХС вводят в первый реактор. В результате на входе первого реактора образуется молярный избыток ТХС, составляющий приблизительно 8,4:1, тогда как на входе второго и третьего реакторов это соотношение составляет приблизительно 7,3:1 и приблизительно 6,1:1 соответственно. Ниже представлен состав полученного продукта

48,14 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,00 мас.% аллилхлорида (АХ)

6,89 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

7,26 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

37,71 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный па основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете па используемые количества веществ составляет 4,0:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 80%.

Пример 10

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 9, но с двумя отличиями: во-первых, используют реакторы объемом 0,8 л каждый, а во-вторых, молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом составляет 3,4:1. Большую часть поступающего на выходе третьего реактора смеси продуктов перекачивают насосом на вход первого реактора, при этом соотношение между объемом рециркулируемой смеси и объемом эдуктов устанавливается равным 10:1. В результате устанавливающегося баланса массопотоков на входе первого реактора образуется молярный избыток ТХС, составляющий приблизительно 57:1, а на входе второго и третьего реакторов это соотношение составляет приблизительно 55:1 и приблизительно 54:1 соответственно. Ниже представлен состав полученного продукта

57,55 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,16 мас.% аллилхлорида (АХ)

3,77 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

3,94 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

34,58 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 5,7:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 85%.

Пример 11

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 7, но с двумя отличиями, а именно: молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом составляет 3,4:1, а большую часть поступающей на выходе второго реактора смеси продуктов перекачивают насосом на вход первого реактора. При этом соотношение между объемом рециркулируемой смеси и объемом эдуктов устанавливается равным 10:1. В результате устанавливающегося баланса массопотоков образующийся на входе первого реактора молярный избыток ТХС составляет приблизительно 23:1. Ниже представлен состав полученного продукта

56,79 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,03 мас.% аллилхлорида (АХ)

4,42 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

4,62 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

34,14 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 5,1:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 84%.

Пример 12

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 4 с тем, однако, отличием, что используют реактор объемом 4 м³. Молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом составляет 1,8:1 и добавляют 1180 л смеси. Соотношение между объемом рециркулируемой смеси и объемом эдуктов устанавливается при этом равным 5,5:1. В результате устанавливающегося баланса массопотоков образующейся на входе реактора молярный избыток ТХС составляет приблизительно 4,5:1. Ниже представлен состав полученного продукта

26,15 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,11 мас.% аллилхлорида (АХ)

11,13 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

11,63 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

50,98 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 3,5:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 78%.

Пример 13

В рассматриваемом случае работают аналогично примеру 8, но с двумя отличиями, а именно: молярное соотношение между трихлорсиланом и аллилхлоридом составляет 2,0:1, а большую часть поступающей на выходе второго реактора смеси продуктов перекачивают насосом на вход первого реактора. При этом соотношение между объемом рециркулируемой смеси и объемом эдуктов устанавливается равным 11,5:1. В результате устанавливающегося баланса массопотоков образующийся на входе первого реактора молярный избыток ТХС составляет приблизительно 21:1, а на входе второго реактора приблизительно 20:1. Ниже представлен состав полученного продукта

33,27 мас.% трихлорсилана (ТХС)

0,09 мас.% аллилхлорида (АХ)

7,30 мас.% тетрахлорида кремния (ТХК)

7,62 мас.% пропилтрихлорсилана (ПТС)

51,72 мас.% 3-хлорпропилтрихлорсилана (Cl-ПТС)

Определенный на основании этих данных показатель селективности реакции в пересчете на используемые количества веществ составляет 4,8:1. Это соответствует выходу 3-хлорпропилтрихлорсилана в пересчете на аллилхлорид 83%.