四卤化硅或有机卤硅烷的等离子体辅助的有机官能化.pdf

本发明涉及一种等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其中通过在由选自烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃的一种或更多种挥发性有机化合物与SiX4和/或有机卤硅烷RnSiX4-n(X＝F、Cl、Br或I；n＝1-4；R＝烷基、烯基、炔基、芳基)组成的混合物中激发等离子体，形成总通式为Rm1Ro2SiX4-p(X＝F、Cl、Br或I；p＝1-4；p＝m+o；m＝1-4；o＝0-3；R1、R2＝烷基、烯基、炔基、芳基)的有机卤硅烷和/或总通式为R3qSiX3-qCH2SiR4rX3-r(X＝F、Cl、Br或I；q＝0-3；r＝0-3；R3、R4＝烷基、烯基、炔基、芳基)的碳硅烷。

1、  等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，通过在由选自烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃的一种或更多种挥发性有机化合物与SiX₄和/或有机卤硅烷R_nSiX_4-n(X＝F、Cl、Br或I；n＝1-4；R＝烷基、烯基、炔基、芳基)组成的混合物中激发等离子体，形成总通式为R_m¹R_o²SiX_4-p(X＝F、Cl、Br或I；p＝1-4；p＝m+o；m＝1-4；o＝0-3；R¹、R²＝烷基、烯基、炔基、芳基)的有机卤硅烷和/或总通式为R³_qSiX_3-qCH₂SiR⁴_rX_3-r(X＝F、Cl、Br或I；q＝0-3；r＝0-3；R³、R⁴＝烷基、烯基、炔基、芳基)的碳硅烷。

2、  根据权利要求1的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，通过应用非等温等离子体使所述反应物混合物发生反应。

3、  根据权利要求1或2的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，在降低的压力下使所述反应物混合物发生反应。

4、  根据权利要求1-3中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，引导所述反应物混合物通过至少一个等离子体反应区。

5、  根据权利要求1-4中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，引导所述反应物混合物通过多个互相交替连接的反应区和静止区。

6、  根据权利要求1-5中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，所述反应物混合物在等离子体反应器内在0.1至100hPa，优选1.0至10.0hPa的压力下进行反应。

7、  根据权利要求1-6中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，所述反应物混合物在等离子反应器中在-80℃至+400℃，优选0℃至250℃的反应温度下进行反应。

8、  根据权利要求1-7中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，为了实施等离子体反应，使交变电磁场优选在1.0MHz至2.45GHz范围内耦合。

9、  根据权利要求1-8中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，所述等离子体反应器之后的收集容器(7)内的反应产物通过在约-80℃下的低温冷冻冷凝来获得。

10、  根据权利要求1-9中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，来自蒸馏容器(10)的有机卤硅烷在蒸馏柱(9)中通过蒸馏而获得，并且收集在收集容器(15)中。

11、  根据权利要求1-10中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，利用SiX₄清洗所述反应器和收集容器。

12、  根据权利要求1-11中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，单独使用甲烷或者除甲烷之外还使用选自脂肪烃和/或芳香烃的其它挥发性化合物。

13、  根据权利要求12的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，除了甲烷之外还使乙烷、乙烯和/或乙炔反应。

14、  根据权利要求1-13中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，不得到烷基化卤硅烷或除了烷基化卤硅烷之外，以如下方式得到芳基化卤硅烷：不使用烷烃而使用芳香烃或除了烷烃之外还使用芳香烃。

15、  根据权利要求1-13中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，不得到烷基化卤硅烷或除了烷基化卤硅烷之外，以如下方式得到烯基化卤硅烷：不使用烷烃而使用烯烃或除了烷烃之外还使用烯烃。

16、  根据权利要求1-13中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，不得到烷基化卤硅烷或除了烷基化卤硅烷之外，以如下方式得到炔基化卤硅烷：不使用烷烃而使用炔烃或除了烷烃之外还使用炔烃。

17、  根据权利要求1-16中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，制备具有不同的有机取代基的有机卤硅烷。

18、  根据权利要求1-17中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，不输送SiX₄，而向等离子体反应器中输送Si₂X₆。

19、  根据权利要求1-18中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，使用选自卤硅烷，特别是SiF₄、SiCl₄和/或SiBr₄的一种或更多种挥发性化合物。

20、  根据权利要求1-18中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，使选自有机卤硅烷，特别是甲基三氯硅烷的一种或更多种挥发性化合物反应。

21、  根据权利要求1-20中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，通过蒸馏在收集容器(15)中收集的有机卤硅烷来获得挥发性化合物，优选以MeSiX₃形式的挥发性化合物。

22、  根据权利要求1-21中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，额外地使氢反应。

23、  根据权利要求1-22中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，制备双重甲硅烷化的甲烷(碳硅烷)，特别是双(甲硅烷基)甲烷X₃Si-CH₂-SiX₃。

24、  根据权利要求1-23中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，额外地制备双(甲硅烷基)甲烷H₃Si-CH₂-SiH₃和/或双(甲硅烷基)甲烷的甲硅烷基有机化的和/或甲硅烷基卤化的衍生物。

25、  根据权利要求1-24中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，额外地在初始混合物中包含一种或多种有机卤硅烷，特别是R_nSiX_4-n作为反应物，其中R尤其选自乙烯基和乙炔基。

26、  根据权利要求1-25中任一项的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法，其特征在于，额外地制备一种或多种有机取代的双(甲硅烷基)甲烷，特别是RX₂Si-CH₂-SiX₃和/或(RX₂Si)₂CH₂，其中R尤其选自乙烯基和乙炔基。

四卤化硅或有机卤硅烷的等离子体辅助的有机官能化
本发明涉及一种等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法。
现有技术的特征在于，根据所谓的Müller-Rochow方法由硅和甲基氯(气体)在270至350℃下获得二甲基二氯硅烷。为此需要高质量的金属硅，还必须添加催化剂(Cu)和准确量的促进剂(少量的各种金属)。缺点是，必须利用相对昂贵的金属硅和昂贵且有毒(致癌)的甲基氯来操作。除了期望的Me₂SiCl₂之外，还产生变化量的其它硅烷如MeSiCl₃、Me₃SiCl、Me₄Si和SiCl₄以及更高沸点的低聚硅烷。
由单晶硅制成的太阳能电池提供高效率，但是它的制造很昂贵。然而，由非晶硅(a-Si)制成的层是价格低廉的，然而在应用中有利的是，在氢化的非晶硅层(a-Si:H)中置入碳(a-SiC_x:H)，因为由此显著地扩大了太阳光的有效波长范围。
a-SiC_x:H通常通过从硅烷、烃和氢构成的气体混合物的气相化学沉积(例如等离子体CVD)而获得。然而，元素Si、C和H根据所述方法以不能足够精确地控制的方式沉积，从而可能形成不期望的化学键，其降低了效率。为了避免这种效果，用烷基硅烷代替气体混合物来制备a-SiC_x:H层。因为甲基硅烷在热以及等离子体沉积中导致产生具有相对低的Si含量或高的C含量的层，并且导致高电阻，根据现有技术使用富含甲硅烷基的化合物，例如双(甲硅烷基)甲烷、H₃SiCH₂SiH₃(参见US-PS 4690830、EP-A-0233613)。这种化合物的制备根据现有技术通过氯仿与三氯硅烷(HSiCl₃)在胺的存在下反应生成H₂C(SiCl₃)₂，将其利用氢化铝锂(LiAlH₄)还原成双(甲硅烷基)甲烷而进行。另一种制备路径从二溴甲烷与KSiH₃的反应出发[参见Z.Naturforsch.41b，1527-1534页(1986)]。在DE 3941997 C1中报道了一种三阶段合成方法。
CH₂X₂+2PhSiH₂X+2Mg→CH₂(SiH₂Ph)₂+2MgX₂
CH₂(SiH₂Ph)₂+2HBr→CH₂(SiH₂Br)₂+2PhH
2CH₂(SiH₂Br)₂+LiAlH₄→2CH₂(SiH₃)₂+AlBr₃+LiBr
另外，适用于制备二甲硅烷基甲烷的初始化合物是(X₃Si)₂CH₂类型的全卤化双(甲硅烷基)甲烷，其中X在有利的情况下是氯。然而，至今为止还没有由简单可得的并因此成本低廉的构成单元四氯化硅和甲烷合成(Cl₃Si)₂CH₂的合成方法。
本能发明的目的在于，提供一种特别简单且成本低廉的等离子体辅助合成有机卤硅烷的方法。
所述目的根据本发明通过一种方法得以实现，其特征在于，通过在由选自烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃的一种或更多种挥发性有机化合物与SiX₄和/或有机卤硅烷R_nSiX_4-n(X＝F、Cl、Br或I；n＝1-4；R＝烷基、烯基、炔基、芳基)组成的混合物中激发等离子体，形成总通式为R_m¹R_o²SiX_4-p(X＝F、Cl、Br或I；p＝1-4；p＝m+o；m＝1-4；o＝0-3；R¹、R²＝烷基、烯基、炔基、芳基)的有机卤硅烷和/或总通式为R³_qSiX_3-qCH₂iR⁴_rX_3-r(X＝F、Cl、Br或I；q＝0-3；r＝0-3；R³、R⁴＝烷基、烯基、炔基、芳基)的碳硅烷。
本发明的方法的改进方案在从属权利要求中有所描述。因此，改进方案的特征在于，通过应用非等温等离子体使所述反应物混合物发生反应。另外，优选在降低的压力下使所述反应物混合物发生反应。
符合目的的是，引导所述反应物混合物通过至少一个等离子体反应区。另外，引导所述反应物混合物通过多个互相交替连接的反应区和静止区。
优选地，使所述反应物混合物在等离子体反应器内在0.1至100hPa，优选1.0至10.0hPa的压力下进行反应。符合目的的是，所述反应物混合物在-80℃至+400℃，优选0℃至250℃的反应温度下进行反应。
为了实施等离子体反应，使优选在1.0MHz至2.45GHz范围内的交变电磁场耦合。
在改进方案中，所述等离子体反应器之后的收集容器内的反应产物通过在约-80℃下的低温冷冻冷凝来获得。来自蒸馏容器的有机卤硅烷优选在蒸馏柱中通过蒸馏而获得，并且收集在收集容器中。所述反应器和收集容器可以利用SiX₄清洗。
优选单独使用甲烷或者除甲烷之外还使用选自脂肪烃和/或芳香族的其它挥发性化合物。在此，除了甲烷之外还使乙烷、乙烯和/或乙炔反应。
不得到烷基化卤硅烷或除了烷基化卤硅烷之外，以如下方式得到芳基化卤硅烷：不使用烷烃而使用芳香烃或除了烷烃之外还使用芳香烃。不得到烷基化卤硅烷或除了烷基化卤硅烷之外，以如下方式得到烯基化卤硅烷：不使用烷烃而使用烯烃或除了烷烃之外还使用烯烃。不得到烷基化卤硅烷或除了烷基化卤硅烷之外，以如下方式得到炔基化卤硅烷：不使用烷烃而使用炔烃或除了烷烃之外还使用炔烃。
优选制备具有不同的有机取代基(Organylsubstituenten)的有机卤硅烷。
不输送SiX₄，也可将Si₂X₆输送到等离子体反应器中。
优选使用选自卤硅烷，特别是SiF₄、SiCl₄和/或SiBr₄的一种或更多种挥发性化合物。还可以使选自有机卤硅烷，特别是甲基三氯硅烷的一种或更多种挥发性化合物反应。通过蒸馏在收集容器中收集的有机卤硅烷可以获得优选MeSiX₃形式的挥发性化合物。
在另一种实施方式中，额外地使氢反应。
在另一种实施方式中，制备双重甲硅烷化的甲烷(碳硅烷)，特别是双(甲硅烷基)甲烷X₃Si-CH₂-SiX₃。
在另一种实施方式中，可以额外地制备双(甲硅烷基)甲烷H₃Si-CH₂-SiH₃和/或双(甲硅烷基)甲烷的甲硅烷基有机化(silylorganyliertes)的和/或甲硅烷基卤化的衍生物。
另外，还可以在初始混合物中额外地包含一种或多种有机卤硅烷，特别是R_nSiX_4-n作为反应物，其中R特别是选自乙烯基和乙炔基。
在又一种实施方式中，还可以额外地制备一种或多种有机取代的双(甲硅烷基)甲烷，特别是RX₂Si-CH₂-SiX₃和/或(RX₂Si)₂CH₂，其中R特别是选自乙烯基和乙炔基。
根据本发明的方法通过如下方式解决了开篇所述的问题：由廉价的SiX₄或相应的有机卤硅烷和甲烷(无毒)或其它选自烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃的挥发性化合物出发。通过等离子体激发这些物质并且使它们发生反应，其中尤其产生期望的硅烷Me₂SiX₂、MeSiX₃和(X₃Si)₂CH₂。另一个优点是，通过以另一种挥发性烃代替甲烷还可以在硅上连接其它基团。
这例如还以如下方式实现：等离子体辅助地使乙烯或乙炔与四氯硅烷在反应器中反应，其中可以得到乙烯基-或乙炔基卤硅烷和双(甲硅烷基)烷烃(X₃Si)₂CH₂、RX₂SiCH₂SiX₃和(RSiX₂)₂CH₂(R＝乙烯基、乙炔基)。
如果在等离子体反应器中，不用四卤硅烷，而使有机取代的卤硅烷R_nSiX_4-n(n＝1-3)与烃反应，则成功地合成了在硅原子上具有更高级有机取代(Organosubstitution)的产物，或者提高了其在反应混合物中的份额(由四卤化硅出发)。
用于SiX₄或有机卤硅烷的等离子体辅助有机官能化的方法经过多个方法步骤，并且以SiCl₄为例根据附图如下说明：
1.通过气体入口(1)将CH₄和SiCl₄导入到反应器(5)中，并
2.在降低的压力(0.1-100hPa)下通过施加交变电磁场激发等离子体。
3.在此过程中，所述反应器可以包含多个等离子体区(2)和静止区(3)以及冷却面。反应气体流过反应器(5)流向真空泵，其中
4.易挥发的成分(SiCl₄、MeSiCl₃、Me₂SiCl₂等)通过低温冷冻(16)(例如利用低温恒温器在-80℃下)保留在收集容器中。
5.在确定的时间之后结束反应并且将所收集的硅烷混合物排出到蒸馏容器(10)中，在其中
6.可以通过分馏蒸馏分离成单个组分。在此得到无色液体形式的SiCl₄(反应物)、MeSiCl₃和Me₂SiCl₂。
7.另外，在反应区域得到黄色至棕色的甲基化的低聚硅烷和聚硅烷的层，其
8.通过用SiCl₄溶解输送到聚硅烷的收集容器(13)中。
在具有下列附图标记的附图中说明了四氯硅烷的甲基化的方法：
1.四氯硅烷和甲烷的进料管
2.等离子体反应器
3.等离子体静止区
4.等离子体电极
5.等离子体反应容器
6.通向真空泵的管
7.低温冷冻收集容器
8.冷却器
9.蒸馏柱
10.蒸馏容器
11.底部排出管
12.排出阀门
13.收集容器1
14.用于充入保护气体或真空的工作阀门
15.收集容器2
16.低温冷冻装置
实施例
1.一般操作方式
将SiCl₄与反应物气体(约10至15l/分钟)一起喷入到反应器(5)中并且激发等离子体。在此过程中，可以任意改变SiCl₄/反应物气体的体积比，可以混入其它惰性气体或者氢。作为反应物气体还可以使用具有各种混合比例的气体混合物(例如甲烷/乙烯或甲烷/氢)。在反应器的出口处收集SiCl₄/产物混合物并且蒸馏处理。在此过程中，根据产物的沸点来将其分离并且用分光计识别。在此描述的实施例中，产物尽可能不含SiCl₄，其中产物的形成率视条件而定在25和60％之间。利用气象色谱检验所述产物混合物，单个化合物的身份通过与确证的样品比较片段模型(Fragmentierungsmuster)和滞留时间来确认。
产物的生成可以在预先给定的等离子体条件下形式上理解为自由基反应(例如SiCl4→Cl·+Cl₃Si·；CH₄→·CH₃+H·；Cl₃Si·+H·→Cl₃SiH；Cl₃Si·+·Me→Cl₃SiMe)与碳烯导入到Si-C和Si-Si键中的反应
(例如的组合
解释/定义：
Me＝甲基＝-CH₃
Vi＝乙烯基＝-CH＝CH₂
Et＝乙烷基＝-CH₂-CH₃
1.SiCl₄在甲烷CH₄存在下：
Me(H)SiCl₂(3％)，MeSiCl₃(8％)，Me₂SiCl₂( 5％)
通过混入氢(H₂)特别是提高了Me(H)SiCl₂的份额：
Me(H)SiCl₂(18％)，MeSiCl₃(17％)，Me₂SiCl₂(12％)
如果甲烷的份额明显减少，则形成超过40％份额的Cl₃SiCH₂SiCl₃，Me(H)SiCl₂＞＞MeSiCl₃＞Me₂SiCl₂的份额现在明显较低。
如果使用乙烷C₂H₆替代甲烷，则提高了反应混合物中甲基自由基和碳烯(·CH₃或)的相对份额，由此提高了甲基化产物和碳硅烷的份额：
Cl₃SiCH₂CH₃(2.8％)，ViSiCl₃(25.49％)，MeViSiCl₂(1.6％)，Cl₃SiCH₂SiCl₃(53％)，ViCl₂SiCH₂SiCl₂Me(17.6％)，除此之外产生少量的Cl₃SiH、Me(H)SiCl₂、Cl₆Si₂。
2.SiCl₄在乙烯C₂H₄存在下：
HSiCl₃(3％)，ViSiCl₃(29％)，Cl₃Si-C≡CH(10.6％)，Vi₂SiCl₂(2.4％)，ViEtSiCl₂(12.7％)，Cl₃SiCH₂CH₂CH₃(4.7％)，Cl₃SiCH₂SiCl₃(38％)，Cl₃SiCH₂SiCl₂Vi(2.6％)。如果只通入少量乙烯，则主要产生氯化的烃、苯，且在硅烷方面实际上除了少量ViSiCl₃之外只有Cl₃SiCH₂SiCl₃。如果向乙烯中另外添加甲烷CH₄，则形成下列产物：
HSiCl₃(2％)，MeSiCl₃(1％)，Me₂SiCl₂(＜1％)，Cl₃SiC≡CH(3.4％)，Cl₃SiCH₂CH₃(5.2％)，Cl₃SiCH＝CH₂(26％)，MeViSiCl₂(0.6％)，EtSiCl₃痕量，Cl₃SiCH₂CH＝CH₂(26％)，Cl₃SiCH₂CH₂CH₃(1.5％)，Cl₂ViSi(C≡C-CH＝CH₂)(18％)，Cl₃SiCH₂SiCl₃(18％)。
3.通过使用甲基三氯甲烷MeSiCl₃代替SiCl₄，在甲烷存在下明显提高了Me₂SiCl₂的份额。如果使用MeSiCl₃/乙烯的组合，则分离出下列产物：SiCl₄(6.9％)，Me₂ViSiH(1.2％)，ViSiCl₃(32.2％)，EtSiCl₃(6.4％)，MeViSiCl₂(31％)，Cl₃SiCH₂SiCl₃(17.2％)，MeCl₂SiCH₂SiCl₃(5.1％)。MeSiCl₃/CH≡CH(4至5l/分钟)的组合得到下列产物：SiCl₄(43.4％)，ViSiCl₃(3.6％)，MeViSiCl₂(6.8％)，Cl₃SiCH₂SiCl₃(46.4％)。
4.利用减少的气体流(各0.2l/分钟)的选择性操作方式：将CH₄和SiCl₄(1∶1)的混合物经由管1在1至2hPa的压力下导入到等离子体反应容器5中，并且在等离子体电极(4)区域内产生等离子体。由此，甲基化的氯代聚硅烷在等离子体反应容器5中和收集容器13中沉积。更易挥发的氯-和甲基氯硅烷在容器7内冷凝并且收集在容器10内，而气态的反应产物经由管6排出。在2.5个小时的进程中，容器10中收集了181g产物混合物，将它们经由蒸馏柱9分离成单个产物。在此由产物混合物得到无色液体形式的21.6g MeSiCl₃和1.8gMe₂SiCl₂。甲基化的氯代聚硅烷通过溶解在SiCl₄中而被从等离子体反应容器5输送到收集容器13中，并且经由底部排出管(11)除去。