改进的烷基锂制备方法 本发明涉及通过在35至120℃下使锂金属与烷基卤化物反应制备含有2至16个碳原子的烷基铝的高温制备方法。
在此领域已有许多作者公布了各种烷基锂的制备方法，例如C.W.Kamienski等人的美国专利3,452,112。C.Guo及其合作者在J.Am.Chem.Soc.，1985，107，6030上揭示了一种用于生产含有6个或6个以上碳原子的烷基锂(例如辛基锂)的方法，他们使用回流己烷介质并进行4小时的再回流以得到约70％的产率。
高纯度浓缩的烷基锂是非常需要的，这是因为烷基锂产物中不含烯烃或至少只含少量的烯烃是重要的，因为烯烃会导致烷基锂产物显现出深黄色。氯离子杂质的含量是重要的，因为氯离子含量达到和超过300ppm时通常会使烷基锂产物出现混浊。虽然浓缩的纯的在烃溶剂中的烷基锂溶液显然是理想的，但它们是难以得到的。原因之一是烷基锂化合物的浓缩溶液是高粘性的，所以反应中通常使用地未反应的过量的锂很难用过滤或其它常规颗粒分离装置去除。现有技术方法制备的烷基锂化合物含有百万分之300以上的溶解的无机卤化物，通常是氯化锂，它通过过滤不能去除。当这些稀溶液通过蒸馏或其它溶剂去除装置浓缩时，卤化锂在产物溶液中形成细晶粒，使产物混浊而外观不纯净，并且有时卤化物沉淀。烷基锂的高产率(90％或更高)在经济上是非常需要的。
本发明提供一种用于以高产率和高纯度制备烷基锂的改进的方法，该方法通过伯烷基卤化物与锂金属在液态烃溶剂中和惰性气氛下反应。以一种含2至16个碳原子的烷基卤化物及其混合物在烃熔剂中，35至125℃条件下与细粉状金属锂反应，可获得至少90％产率的烷基锂。
对于不同的化合物，适宜的反应温度也不同，每种化合物都有各自的适宜条件。令人惊奇的是，在烷基卤化物/锂金属反应的优选温度范围内，最佳反应条件出现在回流条件下。例如，在35℃和50℃回流条件下进行制备丁基锂的反应，比在35℃或50℃不回流条件下进行的同样反应达到更高的产率和更高的纯度。这可以通过将表中Run7742与Run7743以及Run7746与Run7747进行比较看出。Run7742与Run7743的比较说明，在较低的温度范围，在回流(35℃)下反应，提高了产率并且略为减少了可溶性氯化物的含量。Run7746与Run7747的比较说明，在温度范围的中部附近，50℃，在回流下反应，提高了产率并且大大地减少了可溶性氯化物的含量。随着温度的升高丁基锂产率的提高也可从图1中看出，锂金属与丁基氯化物反应制备丁基锂的产率对温度的曲线显示较佳的范围为35℃至60℃，最佳为50℃。
在烷基氯化物/锂的反应中使用高的反应温度不仅提高了烷基锂的产率，而且改进了反应引发和促进了相应的烷基氯化物反应的完成，从而减少副产物偶合和歧化反应。由于不仅得到了提高的产率，而且产物溶液中存在的溶解的无机氯化物和烯烃的量较少，所以这些现象是显然的。表1数据普遍支持对于选定的烷基氯化物随着反应温度的升高产率提高的结论。然而，对于每一种烷基氯化物，有一个最佳温度，如果超出该温度，产率会下降。正丁基氯化物与锂在回流溶剂中反应(如图3所示)在约50℃时产率高达98.5％，而在70℃时略降至95.3％。当该丁基氯化物—锂金属反应是在甲苯中80℃下进行时，产率跌至86.6％(Run7824)。
在本方法中所用的锂金属可以是任何纯净的锂金属，较好的是含有0.4至0.76％的钠。使用超过化学计量高达10％(重量)的锂金属以确保反应中所用的所有烷基氯化物都反应。为了达到本发明的最佳效果，最好使用颗粒状的锂金属，尺寸较佳为小于300微米，最佳为10至300微米。典型的是使用市售的含有0.5至0.76％钠的锂分散体，但使用纯的锂金属分散体也能获得良好的结果。
本发明中所用的烷基卤化物典型的是由醇制备的，所以这些烷基卤化物可能含有一些残余的醇，而这残余的醇可能有催化作用。在本申请中所有实施例都是用市售的烷基卤化物进行的。有用的烷基卤化物含有2至16个碳原子，而卤离子可以是溴、氯或碘，其中由于氯较价廉且较易获得因而是优选的。
在本发明的方法中适用的溶剂包括含有5至12个碳原子的饱和的脂族和脂环族烃类，例如异戊烷、正戊烷、正己烷、正庚烷、2-乙基己烷、异辛烷、正辛烷、癸烷、十二烷等等，或含有5至12个碳原子的饱和的环烃类，如环戊烷或甲基环己烷等等及其混合物。也可以使用含有6至12个碳原子的芳香烃类，例如苯、甲苯、正丙苯、异丙苯、二甲苯、1，2，3，4-四氢萘等等。由于回流条件与最佳反应温度有关，所以烃类混合物是非常有用的。尽管如此，单独的液态烃还是比混合烃类更理想。
如上所述可以使用35至125℃的反应温度，以及虽然每一种烷基卤化物具有各自的优选反应温度曲线和特定的最佳反应温度，然而在回流条件下可得到最佳的结果。在较低的温度下可以使用较长的反应时间但得到的结果比在回流条件下得到的结果差。加入烷基卤化物的速率可以是不同的。可以使用低烷基卤化物加入速率同时用外加热方法预热；可以通过供给热量以帮助引发反应并调节加入速率以控制放热反应。当开始加入烷基卤化物时，如果锂金属/烃类混合物处于溶剂的回流温度，则反应引发更快，但在此过程中产率没有较大的提高。反应一旦完成，应冷却反应介质或使其冷却至环境温度。应避免Meals，J.在Org.Chem.，9，PP211—218(1944)中提到的反应完成后的加热(the post reaction heating)。
在惰性条件下使用各种市售的烷基氯化物和市售的颗粒尺寸小于300微米的锂金属分散体进行了大量的实验。在溶剂中洗涤锂分散体以去除分散油并漂洗直至该金属成为清洁的，无油的。将该清洁的金属加入反应器中的选定的溶剂中，该反应器装有回流冷凝器、搅拌器、用于加入烷基氯化物的加料装置和用于加热反应器和反应物的装置。令人惊奇的是，在本方法中不需要Kamienski等人在美国专利3,452,112中提出的金属调理漆(the metal conditioner)。搅拌锂—溶剂混合物并加热至选定的反应温度，通常是溶剂的回流温度，并且开始加入烷基氯化物。然后，通过烷基氯化物的加入速率控制温度。对于方法的可变性，例如反应温度、卤化物加入速率、过量锂、锂中存在的钠、锂的清洗，以及对这些可变性对产率和纯度的影响进行了广泛的研究。反应是在惰性气氛中进行的。结果包含在总结许多种化合物和条件的各种曲线和表中。总的来说该表说明了每种烷基卤化物的产率和最佳温度。每种烷基氯化物的最佳温度产生最低含量的可溶性氯化物。所用的氯化物分析技术具有＜13ppm的较低检测极限。
图1—该图显示在己烷中用10％过量的含有0.48％钠的锂在多种温度下制备的正丁基锂(◇)的产率随温度所升高而提高。
图2—该图显示一系列可比较的实验的结果，其中所用溶剂为甲苯。同样，随着温度的升高产率确实提高。锂中含有0.76％钠。“干”甲苯含有30ppmH2O(◇)而“湿”甲苯含有226ppmH2O(+)。
图3所示为一系列使用10％过量锂(含0.48％Na)制备正丁基锂的实验，实验是在下述在回流溶剂中进行的：戊烷，沸点(BP)36.1℃(◇)，环戊烷，BP49.3℃(+)以及己烷，BP68.7℃(*)。图3清楚地显示，产率随温度而增加，但随后随着温度的进一步升高而开始下降。
图4显示正丁基氯化物在己烷中的分散体的加料速率的变化结果。在35℃(*)产率逐渐增加(虽然非常轻微)。在回流条件下(◇)在较短加料时间(0.5至1.5小时)时产率没有变化，但在较长加料时间时产率下降。
图5—该图显示了在制备正丁基锂时改变锂金属的量的结果。在回流条件下(◇)产率的下降对反应温度的敏感性只是略为低于在35℃时(*)的反应，在回流时比在35℃时的下降2％减少约1％。大于10摩尔％的过量的锂导致同样的产率的提高。
图6—该图显示当丁基氯化物/锂在35℃(*)下进行反应时，钠在锂金属中含量为合金水平(低于0.3至0.4)时，正丁基锂产率大大减小，但在回流(◇)条件下没有减小。
图7—该图显示，随着在己烷中反应温度升高，正丁基锂产物中可溶性无机氯化物的含量大大减小(*)。
图8—该图显示，随着在甲苯中反应温度升高，正丁基锂产物中可溶性无机氯化物的含量大大减小(*)。
图9—该图显示在回流溶剂中约70℃下最佳己基锂产率。所述溶剂包括环戊烷(+)、己烷(○)、环己烷(□)和庚烷(×)。
图10—该图显示在回流溶剂中辛基锂产率在70至80℃达到最高。所用溶剂：环戊烷(◇)、己烷(+)、环己烷(*)和庚烷(□)。
图11—该图显示在不同回流溶剂中2—乙基己基锂的产率。所用溶剂：环己烷(◇)、庚烷(+)、环戊烷(*)和辛烷(□)。
图12—该图进一步证明在回流己烷中得到的各种烷基锂的高的产率。所试验的烷基锂有丁基、己基、辛基、癸基和十二烷基锂。
图13显示当反应是在较高温度下进行时，正己基锂氯化物的值较低。
下面的实施例进一步说明了本发明。除非另有说明，所有的实施例都是在惰性氢气氛中进行的。
实施例1在较高的温度下制备正丁基锂Run7739
反应器和装置包括：500ml装有回流冷凝器的Morton Cleaved三颈瓶，用于加料的y管，125ml均压加料(滴加)漏斗，带有聚四氟乙烯(teflon)叶片的搅拌轴，搅拌马达，带有电子显示的温度探测器和保持反应器中惰性气氛的装置。
将颗粒尺寸小于300微米的市售的锂金属分散体用己烷洗涤两次并用戊烷洗涤一次，用氩气干燥。然后称取该金属12.10g(1.743摩尔)。
用310毫升己烷通过转移管将锂转入反应器中。加热回流(在冷凝器中有干冰/己烷)该己烷-锂混合物并开始滴加正丁基氯化物。反应立即进行(激烈回流)并去除热源。在40分钟期间加入73.4g(0.7924摩尔)正丁基氯化物，通过回流速率严格控制反应热。在2.5小时期间，在搅拌下使反应混合物冷却至环境温度。过滤该混合物并在25—30分钟期间用己烷洗涤氯化锂残余物三次(每次50ml)。称重合并的滤液和洗涤液。测定产物溶液的样品总的含碱度，测定比色指数，计算正丁基锂的产率。
实施例2较高温度回流实施例，Run7622，414—43，1-己基锂己烷
500ml Morton三颈瓶配有机械搅拌器，250ml均压加料漏斗，以及装有回流冷凝器、热电偶和氩气导入管的克莱森(Claisen)接管。该装置在烘箱中125℃下干燥过夜，趁热装配，并用氩气流使冷却至室温。用己烷(2×100ml)、戊烷(1×100ml)洗涤22.00g(3.17摩尔，20％过量Li，2.40当量)锂分散体以去除矿物油，在氩气流中干燥，然后用210ml己烷转移至烧瓶中。将得到的浆液在470RPM下搅拌并加热至66℃。回流形成之后，去除热源。通过加料漏斗滴加159.32g(1.32摩尔，1.00当量)1-己基氯化物。反应温度迅速上升至回流温度。通过调节卤化物的加入速率使反应混合物保持回流状态。总的卤化物加料时间为3.25小时。加料结束时，反应温度迅速下降。将反应混合物在470RPM下搅拌1小时，在300RPM下搅拌2小时，然后转移至烧结玻璃过滤器中。迅速过滤溶液，在1.38×104Pa(2psi)氩气压力下1.5分钟之内收集到300ml滤液。用新鲜的己烷(2×50ml)使该固体再成浆液，而将这些洗涤液与主滤液合并。这样便产生一种透明的深黄色溶液，产量＝450ml，329.5g。总碱量＝34.9％活性C-Li＝34.7％根据活性C-Li(碳-锂)分析的产率为94.1％可溶性Cl(氯化物)＜26ppm
实施例3较高温度下，非回流实施例，Run7853，442—3，在庚烷中的2-乙基己基锂
1升Morton三颈瓶装有机械搅拌器，250ml均压加料漏斗，以及配有回流冷凝器、热电偶和氩气导入管的克莱森(Claisen)接管。该装置在烘箱中125℃下干燥过夜，趁热装配，并用氩气流冷却至室温。用戊烷(3×100ml)洗涤18.50g(2.67摩尔，20％过量Li，2.40当量)锂分散体以去除矿物油，在氩气流中干燥，然后用400ml庚烷将之转移到烧瓶中。将得到的浆液在470RPM下搅拌，然后用加热罩加热至70℃。随后去除加热罩，通过加料漏斗滴加165.03g(1.11摩尔，1.00当量)2-乙基己基氯化物。原料加入约3％之后使反应温度缓慢上升。通过以己烷/干冰冷却浴中间歇冷却，使温度保持在70℃至75℃。总的卤化物加料时间为2.25小时。加料结束时，反应温度迅速下降。将反应混合物在470RPM下搅拌1小时，在300RPM下搅拌1小时，然后转移至烧结玻璃过滤器中。迅速过滤溶液，在1分钟之内1.38×104Pa(2psi)氩气压力下收集600ml滤液。用新鲜的庚烷(65ml，60ml)使该固体再成浆液，而将这些洗涤液与主滤液合并。这样便产生一种透明的无色溶液，产量＝700ml，480.4g。总碱量＝27.3％活性C-Li＝27.3％根据活性C-Li分析的产率为98.4％可溶性Cl＜13ppm
实施例4较高温度下，回流实施例，Run8507，442—60，在己烷中的1-辛基锂
1升Morton三颈瓶中配有机械搅拌器，250ml均压加料漏斗，以及装有热电偶、回流冷凝器和氩气入口管的克莱森(Claisen)接管。该装置在烘箱中125℃下通宵干燥，趁热装配，并用氩气流冷却至室温。用己烷(2×100ml)、戊烷(1×100ml)洗涤20.50g(2.953摩尔，20％过量Li，2.40当量)锂分散体以去除矿物油，在氩气流中干燥，然后用450ml己烷将它转移到反应烧瓶中。将得到的浆液在450RPM下搅拌并用由调压变压器控制的加热罩加热至67℃。回流形成之后，去除热源。通过加料漏斗滴加182.97g(1.231摩尔，1.00当量)1-氯辛烷。观察到瞬间放热。反应温度迅速上升至回流温度。通过调节卤化物的加入速率使反应混合物保持回流状态。总的卤化物加料时间为100分钟。在卤化物加完时，反应温度迅速下降。将反应混合物在450RPM下搅拌1小时，在300RPM下搅拌1.25小时，然后转移至干燥的有氩气压力的烧结玻璃过滤器中。迅速过滤溶液，在2.167分钟之内2.07×104pa(3psi)氩气压下收集550ml滤液。用新鲜的己烷(2×75ml)使该固体再成浆液，而将这些洗涤液与主滤液合并。这样即产生一种清彻的淡黄色溶液，产量＝790ml，548.7g。总碱量＝25.6％活性C-Li＝24.6％根据活性C-Li(碳-锂)分析的产率为91.4％可溶性Cl(氯化物)＜31ppm在低温下用水水解该溶液的1ml等分试样。用气相色谱法分析有机层。用带真实标样的共洗脱鉴定组分。该水解样品的组成分析如下：正辛烷(93.84％)、1-氯辛烷(1.77％)，以及副反应产物(偶合，歧化)(4.38％)。对照例1Run7605，414—32，在己烷中的1-己基锂
500ml Morton三颈瓶配有机械搅拌器，250ml均压加料漏斗，以及装有回流冷凝器、热电偶和氩气导入管的克莱森(Claisen)接管。该装置在烘箱中125℃下通宵干燥，趁热装配，并用氩气流冷却至室温。用己烷(2×100ml)、戊烷(1×100ml)洗涤9.00g(1.30摩尔，20％过量Li，2.40当量)锂分散体以去除矿物油，在氩气流中干燥，然后用170ml己烷将之转移到烧瓶中。将得到的浆液在470RPM下搅拌。通过加料漏斗滴加65.13g(0.54摩尔，1.00当量)1-己基氯化物。原料加入约3％之后使反应温度缓慢上升。用己烷/干冰冷却浴间歇冷却使温度保持在30℃至35℃。总的卤化物加料时间为2小时。加料结束时，反应温度迅速下降。将反应混合物在470RPM下搅拌30分钟，在300RPM下搅拌1.5小时，然后转移至烧结玻璃过滤器中。用新鲜的己烷(2×35ml)使该固体再成浆液，而将这些洗涤液与主滤液合并。这样便产生一种清彻的淡黄色溶液，产量＝240ml，168.4g。总碱量＝24.6％活性C-Li＝24.6％根据活性C-Li分析的产率为81.7％可溶性Cl为302ppm。对照例2
Run8518，442—63，在己烷中的1-辛基锂
1升Morton三颈瓶配有机械搅拌器，250ml均压加料漏斗，以及装有热电偶、回流冷凝器和氩气导入管的克莱森(Claisen)接管。该装置在烘箱中125℃下通宵干燥，趁热装配，并用氩气流冷却至室温。用己烷(3×100ml)、戊烷(1×100ml)洗涤21.50g(3.098摩尔，20％过量Li，2.40当量)锂分散体以去除矿物油，在氩气流中干燥，然后用480ml己烷将之转移到反应烧瓶中。将得到的浆液在450RPM下搅拌并用空气加热枪加热至35℃。去除热源。通过加料漏斗滴加191.95g(1.291摩尔，1.00当量)1-氯辛烷。当原料加入2％之后观察到放热。用干冰/己烷冷却浴使反应混合物保持在30—35℃。总的卤化物加料时间为108分钟。在卤化物加完时，反应温度迅速下降。将反应混合物在450RPM下搅拌1小时，在300RPM下搅拌1.25小时，然后转移至干燥的带有氩气压的烧结玻璃过滤器中。非常缓慢地过滤溶液，在2.07×104Pa(3psi)氩气压下15分钟之内收集550ml滤液。用新鲜的己烷(2×75ml)使该固体再成浆液，而将这些洗涤液与主滤液合并。这样产生一种清彻的淡黄色溶液，产量＝800ml，563.8g。总碱量＝23.9％活性C-Li＝23.3％根据活性C-Li(碳-锂)分析的产率为84.8％可溶性Cl(氯化物)＝208ppm在低温下用水水解该溶液的1ml等分试样。用气相色谱法分析有机层。用带真实标样的共洗脱鉴定组分。该水解样品的组成为：正辛烷(81.14％)、1-氯辛烷(4.31％)，以及副反应产物(偶合，歧化)(11.55％)。
表
反应温度可溶性氯化物 实验标号 卤化物溶剂 (℃) 产率 (ppm) 组分 7728 正丁基氯化物己烷 35 91.9 240 7730 正丁基氯化物己烷 35 91.6 289 7743 正丁基氯化物己烷 35 90.1 398 7746 正丁基氯化物己烷 50 93.7 299 7752 正丁基氯化物己烷 50 93.7 124 7755 正丁基氯化物己烷 50 94.8 7812 正丁基氯化物己烷 70 95.2 30 回流 7813 正丁基氯化物己烷 70 94.7 30 回流 7840 正丁基氯化物己烷 70 95.5 ＜13 回流 7843 正丁基氯化物己烷 70 95.9 ＜13 回流 7945 正丁基氯化物己烷 70 96.1 ＜13 回流 7849 正丁基氯化物己烷 70 95.5 13 回流 7742 正丁基氯化物戊烷 35 95.9 378 回流 7747 正丁基氯化物环戊烷 50 98.5 135 回流 7756 正丁基氯化物甲苯 20 90.5 304 7712 正丁基氯化物甲苯 35 95.2 252 7733 正丁基氯化物甲苯 35 94.6 7753 正丁基氯化物甲苯 50 97.4 64 7788 正丁基氯化物甲苯 50 97.9 86 7748 正丁基氯化物甲苯 60 99.2 16 7749 正丁基氯化物甲苯 60 95.9 94 7824 正丁基氯化物甲苯 80 86.6 20 7864 1-氯-2-甲基丁烷己烷 70 98.4 ＜13 回流 7605 1-氯己烷己烷 35 81.7 302 7622 1-氯己烷己烷 70 94.1 ＜26 回流 7650 1-氯己烷己烷 70 94.0 27 回流 7905 1-氯己烷己烷 70 93.7 62 回流
表(续)
反应温度可溶性氯化物 实验标号 卤化物溶剂 (OC) 产率 (ppm) 组分 7713 1-氯己烷环戊烷 50 85.4 205 回流 7696 1-氯己烷环戊烷 80 80.2 ＜26 回流 7691 1-氯己烷庚烷 100 46.1 15210 回流 7701 1-氯己烷庚烷 70 93.9 48 7871 1-氯己烷甲苯 60 98.1 15 7863 1-氯庚烷己烷 70 95.0 ＜13 回流 7734 1-氯辛烷环戊烷 50 87.6 250 回流 8516 1-氯辛烷己烷 35 83.0 158 8518 1-氯辛烷己烷 35 84.8 208 7629 1-氯辛烷己烷 70 95.4 90 回流 8507 1-氯辛烷己烷 70 91.4 31 回流 8512 1-氯辛烷己烷 70 91.8 38 回流 7685 1-氯辛烷环己烷 80 95.3 ＜21 回流 7681 1-氯辛烷庚烷 100 75.8 379 回流 7714 1-氯-2-乙基己烷环戊烷 50 93.3 25 回流 7853 1-氯-2-乙基己烷庚烷 70 98.4 ＜13 7678 1-氯-2-乙基己烷庚烷 70 95.6 96 7680 1-氯-2-乙基己烷庚烷 100 89.8 39 回流 7700 1-氯-2-乙基己烷环己烷 80 91.9 ＜10 回流 7741 1-氯-2-乙基己烷辛烷 125 44.4 回流 7754 1-氯癸烷己烷 70 98.9 27 回流 7787 1-氯十二烷己烷 70 100.0 20 回流 8044 1-氯十二烷环戊烷 50 78.4 461 回流 8046 1-氯十二烷环戊烷 50 82.3 146 回流，持续 附加3.5小 时回流 8037 1-氯十二烷甲苯 60 81.8 71 8041 1-氯十二烷甲苯 80 88.5 27 8048 1-氯十二烷甲苯 110 59.4 34 回流