ES2444515A1 - Compounds associated with silicon diimide, method for obtaining same, and application thereof in the production of an amorphous, porous material - Google Patents
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Abstract
Compuestos relacionados con la diimida de silicio, método de obtención, y su aplicación en la preparación de un material poroso amorfo. La presente invención se refiere a un compuesto de fórmula general: SixM1-xNyHz donde M se refiere al menos a un elemento del grupo formado por germanio, aluminio y galio; x está comprendido entre 0 y 0.5; y está comprendido entre 2 y 4; y z está comprendido entre 2 y 8; dicho compuesto conteniendo enlaces entre los átomos de silicio y átomos de nitrógeno y entre el elemento M y los átomos de nitrógeno. Asimismo, la presente invención se refiere a un método de obtención del compuesto mediante reacción de amonolisis con los compuestos precursores en líquido iónico y amoniaco gaseoso a una temperatura comprendida entre -15ºC y 200ºC. Otro objeto de la invención es el método de preparación de un material poroso amorfo a partir del compuesto descrito, así como el propio material y sus múltiples usos.Compounds related to silicon diimide, method of obtaining it, and its application in the preparation of an amorphous porous material. The present invention refers to a compound of the general formula: SixM1-xNyHz where M refers to at least one element from the group formed by germanium, aluminum and gallium; x is between 0 and 0.5; y is between 2 and 4; and z is between 2 and 8; said compound containing bonds between the silicon atoms and nitrogen atoms and between the element M and the nitrogen atoms. Likewise, the present invention refers to a method for obtaining the compound by means of an ammonolysis reaction with the precursor compounds in ionic liquid and gaseous ammonia at a temperature between -15ºC and 200ºC. Another object of the invention is the method of preparing an amorphous porous material from the described compound, as well as the material itself and its multiple uses.
Description
La presente invención se encuadra en diversos sectores de aplicación, entre los que se encuentran el sector químico en general, el cerámico y el de los materiales luminiscentes. En el primer caso, estos materiales pueden utilizarse de dos maneras distintas. En primer lugar, como catalizadores para la síntesis de un muy amplio conjunto de compuestos químicos de alto valor añadido, debido a que contienen centros básicos que por sí mismos son capaces de catalizar reacciones químicas. En segundo lugar, pueden utilizarse como soportes de catalizadores, por ejemplo como soporte de nanopartículas de metales nobles, que son capaces de dar lugar a reacciones bifuncionales, en las que tanto el soporte con sus centros catalíticos básicos como el metal soportado The present invention falls within various application sectors, among which are the chemical sector in general, the ceramic and the luminescent materials. In the first case, these materials can be used in two different ways. First, as catalysts for the synthesis of a very large set of chemical compounds of high added value, because they contain basic centers that are capable of catalyzing chemical reactions. Secondly, they can be used as catalyst supports, for example as a support for noble metal nanoparticles, which are capable of giving rise to bifunctional reactions, in which both the support with its basic catalytic centers and the supported metal
15 intervendrían en la reacción catalítica. Asimismo, podrían utilizarse en la preparación de membranas para la filtración de gases y líquidos o como fase estacionaria para cromatografía. 15 would intervene in the catalytic reaction. They could also be used in the preparation of membranes for the filtration of gases and liquids or as a stationary phase for chromatography.
En lo que respecta al sector cerámico, podrían utilizarse como precursores de los correspondientes nitruros, tales como nitruro de silicio o nitruro de aluminio, de alta superficie específica y pequeño tamaño de cristal. With regard to the ceramic sector, they could be used as precursors of the corresponding nitrides, such as silicon nitride or aluminum nitride, with a high specific surface area and small crystal size.
Los materiales descritos en la presente invención también podrían utilizarse como base la preparación de materiales luminiscentes, mediante su adecuada combinación con metales pertenecientes a los grupos de los metales alcalinos, alcalinotérreos o a las tierras raras. The materials described in the present invention could also be used as a basis for the preparation of luminescent materials, by their suitable combination with metals belonging to the alkali metal, alkaline earth metal or rare earth groups.
Los materiales inorgánicos porosos basados en redes que contienen enlaces entre átomos de silicio y átomos de oxígeno, y que también pueden contener átomos de aluminio, de los que los silicatos microporosos cristalinos como las zeolitas serían los ejemplos más conocidos, tienen una gran aplicación como catalizadores, adsorbentes selectivos o intercambiadores iónicos en numerosos sectores industriales. Las propiedades de este tipo de materiales están determinadas por la naturaleza del enlace entre los átomos de silicio, y eventualmente también aluminio, y los átomos de oxígeno que conforman la estructura. Las redes de ese tipo de materiales están constituidas por tetraedros MO4, en donde M representa un átomo de silicio o de aluminio, unidos entre sí a través de los átomos de oxígeno de los vértices, de tal manera que sus propiedades fisicoquímicas están 35 determinadas por la naturaleza de los átomos que conforman la red, tanto los que se encuentran en coordinación tetraédrica, como el silicio y el aluminio, como las del oxígeno, que se enlaza a dos tetraedros. Así, la sustitución de átomos de oxígeno por átomos de nitrógeno, cuyas propiedades atómicas intrínsecas son muy diferentes a las del átomo de oxígeno, da lugar a compuestos con propiedades particulares que difieren de las de los compuestos basados en oxígeno. Por ese motivo, las propiedades fisicoquímicas de las diversas formas cristalinas de la sílice, SiO2, por ejemplo, son muy distintas a la de un compuesto análogo como sería el nitruro de silicio, Si3N4. En efecto, aunque en ambos casos el átomo de silicio se encuentra en coordinación tetraédrica enlazado a cuatro átomos de oxígeno de los vértices de un tetraedro en el primer caso, [SiO4], o a cuatro de nitrógeno en el segundo, formando unidades [SiN4], en el primer caso cada átomo de oxígeno se comparte entre dos tetraedros, debido a la valencia (II) del oxígeno, mientras que en el caso del nitrógeno cada átomo de este Porous inorganic materials based on networks that contain bonds between silicon atoms and oxygen atoms, and which may also contain aluminum atoms, of which crystalline microporous silicates such as zeolites would be the best known examples, have great application as catalysts , selective adsorbents or ion exchangers in numerous industrial sectors. The properties of this type of materials are determined by the nature of the bond between silicon atoms, and eventually also aluminum, and the oxygen atoms that make up the structure. The networks of this type of materials are constituted by MO4 tetrahedra, where M represents a silicon or aluminum atom, joined together through the oxygen atoms of the vertices, so that their physicochemical properties are determined by the nature of the atoms that make up the network, both those in tetrahedral coordination, such as silicon and aluminum, and those of oxygen, which binds to two tetrahedra. Thus, the substitution of oxygen atoms for nitrogen atoms, whose intrinsic atomic properties are very different from those of the oxygen atom, gives rise to compounds with particular properties that differ from those of oxygen-based compounds. For this reason, the physicochemical properties of the various crystalline forms of silica, SiO2, for example, are very different from that of an analogous compound such as silicon nitride, Si3N4. Indeed, although in both cases the silicon atom is in tetrahedral coordination linked to four oxygen atoms of the vertices of a tetrahedron in the first case, [SiO4], or four of nitrogen in the second, forming units [SiN4] , in the first case each oxygen atom is shared between two tetrahedra, due to the valence (II) of the oxygen, while in the case of nitrogen each atom of this
45 elemento está compartido por tres tetraedros, debido a que es trivalente. A causa de esas diferencias químicas y estructurales, las propiedades del nitruro de silicio son muy diferentes de las del óxido de silicio, lo que hace que el primero tenga un campo de aplicación específico dentro de los materiales cerámicos que no tiene el óxido de silicio. 45 element is shared by three tetrahedra, because it is trivalent. Because of these chemical and structural differences, the properties of silicon nitride are very different from those of silicon oxide, which makes the former have a specific field of application within ceramic materials that silicon oxide does not have.
Desde el punto de vista de la estructura electrónica, el grupo formado por un átomo de nitrógeno enlazado a un átomo de hidrógeno, expresado de manera simplificada como [NH], es isoelectrónico con el átomo de oxígeno, y posee dos valencias libres de las tres que posee el nitrógeno para enlazarse con otros átomos, por ejemplo átomos de silicio. Es decir, el grupo Si-[NH]-Si sería equivalente al grupo de átomos Si-O-Si, característico este último de la sílice y los diversos silicatos. De esta manera, se podrían obtener materiales que desde el punto de From the point of view of the electronic structure, the group formed by a nitrogen atom linked to a hydrogen atom, expressed in a simplified way as [NH], is isoelectronic with the oxygen atom, and has two free valences of the three which possesses the nitrogen to bond with other atoms, for example silicon atoms. That is, the group Si- [NH] -Si would be equivalent to the group of Si-O-Si atoms, the latter characteristic of the silica and the various silicates. In this way, materials that from the point of
55 la organización de los enlaces químicos serían análogos a la sílice amorfa, pero que tendrían propiedades químicas muy distintas debido a la presencia del grupo [NH]. Este tipo de compuestos tendría una fórmula empírica general Si[NH]2, análogo a la fórmula SiO2 en el caso de la sílice, en la que dos átomos de oxígeno habrían sido remplazados por dos grupos [NH]. Además, este tipo de materiales serían precursores del nitruro de silicio, ya que su tratamiento a muy alta temperatura provocaría el desprendimiento de amoniaco y su consiguiente transformación en nitruro de silicio Si3N4, en el que ya no existiría ningún átomo de hidrógeno unido a átomos de nitrógeno. 55 The organization of chemical bonds would be analogous to amorphous silica, but they would have very different chemical properties due to the presence of the group [NH]. This type of compounds would have a general empirical formula Si [NH] 2, analogous to the formula SiO2 in the case of silica, in which two oxygen atoms would have been replaced by two groups [NH]. In addition, this type of materials would be precursors of silicon nitride, since its treatment at a very high temperature would cause the release of ammonia and its subsequent transformation into silicon nitride Si3N4, in which there would no longer be any hydrogen atom attached to atoms of nitrogen.
Se han descrito diferentes métodos para la preparación del compuesto Si[NH]2 , que se denomina diimida de silicio. Estos métodos están basados generalmente en la reacción entre un compuesto de silicio reactivo y 65 amoniaco, en distintas condiciones de reacción. El ejemplo más antiguo (M. Persoz, Ann. Chim. Phys. 44 (1830) 315) consiste en la reacción entre haluros de silicio, en particular tetracloruro de silicio, con amoniaco, según la Different methods have been described for the preparation of compound Si [NH] 2, which is called silicon diimide. These methods are generally based on the reaction between a reactive silicon compound and ammonia, under different reaction conditions. The oldest example (M. Persoz, Ann. Chim. Phys. 44 (1830) 315) is the reaction between silicon halides, in particular silicon tetrachloride, with ammonia, according to
reacción: reaction:
SiCl4 + 6NH3 → Si(NH)2 + 4 NH4Cl (1) SiCl4 + 6NH3 → Si (NH) 2 + 4 NH4Cl (1)
5 Aunque esta es una reacción aparentemente sencilla, hay que tener en cuenta que la síntesis de la diimida de silicio conlleva un proceso de polimerización de los átomos de silicio, ya que como se expuso anteriormente, la diimida de silicio contiene enlaces Si-N-Si que no existen en el tetracloruro de silicio, inicial, que es un compuesto molecular en el que sólo existen enlaces entre el átomo de silicio y cada uno de los cuatro átomos de cloro de la molécula. Ese proceso de polimerización es de extrema importancia, ya que afecta a las propiedades del material resultante, tales como el área superficial, el volumen de poro, la distribución de volumen de poro y sus propiedades químicas. En efecto, el proceso de formación de la diimida de silicio mediante la reacción entre un compuesto molecular que contenga silicio, tal como el tetracloruro de silicio, y el amoniaco, es análogo al proceso de formación de geles de sílice de que se produce cuando se hidrolizan, es decir, cuando se hacen reaccionar con agua, compuestos moleculares de silicio, tales como los haluros de silicio o alcoxisilanos, tales, 5 Although this is a seemingly simple reaction, it should be borne in mind that the synthesis of silicon diimide entails a polymerization process of silicon atoms, since as stated above, silicon diimide contains Si-N- bonds. If they do not exist in silicon tetrachloride, initial, which is a molecular compound in which there are only links between the silicon atom and each of the four chlorine atoms in the molecule. This polymerization process is extremely important, since it affects the properties of the resulting material, such as the surface area, the pore volume, the pore volume distribution and its chemical properties. Indeed, the process of forming silicon diimide by the reaction between a molecular compound containing silicon, such as silicon tetrachloride, and ammonia, is analogous to the process of forming silica gels that occurs when hydrolyze, that is, when silicon molecular compounds, such as silicon halides or alkoxysilanes, such as are reacted with water,
15 como el tetraetoxisilano, procesos bien conocidos y que dan como resultado la obtención de materiales muy diversos caracterizados por poseer propiedades texturales, tales como área superficial y porosidad, que dependen del método particular con el que se obtuvieron. 15 such as tetraethoxysilane, well-known processes that result in obtaining very diverse materials characterized by having textural properties, such as surface area and porosity, which depend on the particular method with which they were obtained.
La reacción descrita en la ecuación (1) se ha llevado a cabo en diferentes condiciones, por ejemplo mediante el empleo de disolventes orgánicos, según se describe en US 4,196.178 (1980) y en Mazdiyasni y Cooke, J. Am. Ceram. Soc. 56 (1973) 628, empleando este último n-hexano como disolvente. Estos procedimientos presentan además un problema añadido como es la separación del cloruro amónico formado en la reacción, que requiere el tratamiento del sólido con amoniaco líquido para disolver el cloruro amónico, dejando un residuo de diimida de silicio (Cornell, Lin y Philipp, NASA Technical Memorandum 102570, 1990). The reaction described in equation (1) has been carried out under different conditions, for example by using organic solvents, as described in US 4,196,178 (1980) and in Mazdiyasni and Cooke, J. Am. Ceram. Soc. 56 (1973) 628, using the latter n-hexane as solvent. These procedures also present an additional problem such as the separation of the ammonium chloride formed in the reaction, which requires the treatment of the solid with liquid ammonia to dissolve the ammonium chloride, leaving a silicon diimide residue (Cornell, Lin and Philipp, NASA Technical Memorandum 102570, 1990).
25 Otros métodos para la formación de diimida de silicio conllevan el empleo de otros precursores distintos a los haluros de silicio, es decir, compuestos de silicio que también puedan reaccionar con amoniaco. Con esta finalidad, se ha descrito el empleo de tetraaminoalkil silanos, compuestos con la fórmula general Si(NRR’)4 , siendo R un grupo orgánico (US 5,258,169 (1993)). 25 Other methods for the formation of silicon diimide involve the use of precursors other than silicon halides, that is, silicon compounds that can also react with ammonia. For this purpose, the use of tetraaminoalkyl silanes has been described, compounds with the general formula Si (NRR ’) 4, where R is an organic group (US 5,258,169 (1993)).
Se ha descrito en diversas publicaciones el empleo de la diimida de silicio como precursor para la síntesis de nitruro de silicio (Kaskel y col., Phys. Chem. Chem. Phys., 4 (2002) 1675-1681); Lange, Wötting y Winter, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 30 (1991) 1579-1597). Además de su interés como precursor para la síntesis de nitruro de silicio, la diimida de silicio tiene interés por sí misma como catalizador básico (Kaskel y Schlichte, J. Catal., 201 The use of silicon diimide as a precursor for the synthesis of silicon nitride has been described in various publications (Kaskel et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 4 (2002) 1675-1681); Lange, Wötting and Winter, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 30 (1991) 1579-1597). In addition to its interest as a precursor for the synthesis of silicon nitride, silicon diimide has an interest in itself as a basic catalyst (Kaskel and Schlichte, J. Catal., 201
35 (2001) 270-274); como soporte de catalizadores metálicos (Cheng y col., Chem. Mater., 18 (2006) 5996-6005); como precursor en la preparación de membranas de filtración (Cheng y col., J. Membr. Sci., 280 (2006) 530-535); y en la preparación de materiales luminiscentes (Schlieper y col., Z. Anorg. Allg. Chem. 621 (1995) 1380; Zeuner y col., Chem. Mater. 21 (2009) 2467). 35 (2001) 270-274); as a support for metal catalysts (Cheng et al., Chem. Mater., 18 (2006) 5996-6005); as a precursor in the preparation of filtration membranes (Cheng et al., J. Membr. Sci., 280 (2006) 530-535); and in the preparation of luminescent materials (Schlieper et al., Z. Anorg. Allg. Chem. 621 (1995) 1380; Zeuner et al., Chem. Mater. 21 (2009) 2467).
Un aspecto muy importante con vistas a la aplicación de la diimida de silicio en esos diversos campos lo constituyen sus propiedades texturales, es decir, su superficie específica, distribución y tamaño medio de poro, así como la naturaleza de los grupos funcionales que presenta. Respecto a este último aspecto, hay que tener en cuenta que la diimida de silicio no solo contiene grupos Si-NH-Si, en donde el grupo NH constituiría un centro activo de carácter básico capaz de catalizar reacciones típicamente catalizadas por bases, sino que además 45 presenta una proporción variable de grupos terminales Si-NH2 que también son centros básicos. Con el fin de controlar el tamaño de poro de los materiales resultantes del tratamiento térmico de la diimida de silicio, una etapa necesaria cuando se desea utilizar este material a temperaturas elevadas, como por ejemplo en catálisis, se ha utilizado como precursor compuestos de tipo aminosilanos, en particular tris(dimetilamino)sililamina [(CH3)2N]3SiNH2 , que se hace reaccionar con amoniaco en acetonitrilo y en presencia de diversas aminas de cadena larga, que actúan como modificadores del tamaño de poro (Farrusseng y col., Angew. Chem. Int. Ed. 40 (2001) 4204-4206). Los materiales así obtenido calentados en una corriente de amoniaco a una temperatura de 550 ºC son microporosos, con un diámetro de poro comprendido entre 11 y 16 Å. En esta misma línea, Rovai y col. (Angew. Chem. Int. Ed. 38 (1999) 2036-2038) reportan que cuando el mismo aminosilano descrito en la referencia anterior se calienta en presencia de amoniaco a 110 ºC, se obtiene diimida de silicio con un área 55 superficial muy pequeña, de solo 50 m2/g. Cuando este sólido se trata con ácido trifluorometanosulfónico se forman ciclosilazanos (compuestos cíclicos que contienen enlaces Si-N-Si), que tratados con amoniaco dan lugar a un gel similar a la diimida de silicio pero que contiene grupos metilo residuales, que hay que tratar en una corriente de amoniaco a 50 ºC y 15 horas para la completa eliminación de esos grupos metilo y la obtención de un gel poroso de diimida de silicio. El mismo método ha sido utilizado por Roser y col., Microp. Mesop. Mater., 156 (2012) 196-201. También se han utilizado como compuestos de silicio de partida metilclorosilanos (Bradley y col., Adv. Mater., 10 (1998) 938-942; Vollmer y col., J. Mol. Cat. A: Chemical, 146 (1999) 87-96), que se hacen reaccionar en una primera etapa con amoniaco en un disolvente como el tetrahidrofurano para dar ciclosilazanos, que a continuación polimerizan mediante adición de cantidades catalíticas de hidruro de potasio y idouro de metilo. El producto sólido así obtenido se trata en una corriente de amoniaco a 650 ºC, y el material resultante es A very important aspect with a view to the application of silicon diimide in these various fields is its textural properties, that is, its specific surface area, distribution and average pore size, as well as the nature of the functional groups it presents. Regarding this last aspect, it should be borne in mind that silicon diimide not only contains Si-NH-Si groups, where the NH group would constitute a basic active center capable of catalyzing reactions typically catalyzed by bases, but also 45 has a variable proportion of Si-NH2 terminal groups that are also basic centers. In order to control the pore size of the materials resulting from the heat treatment of the silicon diimide, a necessary step when it is desired to use this material at elevated temperatures, such as in catalysis, aminosilane type compounds have been used as a precursor , in particular tris (dimethylamino) silylamine [(CH3) 2N] 3SiNH2, which is reacted with ammonia in acetonitrile and in the presence of various long chain amines, which act as pore size modifiers (Farrusseng et al., Angew. Chem. Int. Ed. 40 (2001) 4204-4206). The materials thus obtained heated in an ammonia stream at a temperature of 550 ° C are microporous, with a pore diameter between 11 and 16 Å. Along the same lines, Rovai et al. (Angew. Chem. Int. Ed. 38 (1999) 2036-2038) report that when the same aminosilane described in the previous reference is heated in the presence of ammonia at 110 ° C, silicon diimide with a very small surface area 55 is obtained , of only 50 m2 / g. When this solid is treated with trifluoromethanesulfonic acid, cycilazanes (cyclic compounds containing Si-N-Si bonds) are formed, which treated with ammonia give rise to a gel similar to silicon diimide but containing residual methyl groups, which must be treated in a stream of ammonia at 50 ° C and 15 hours for the complete elimination of these methyl groups and obtaining a porous silicon diimide gel. The same method has been used by Roser et al., Microp. Mesop Mater., 156 (2012) 196-201. Methylchlorosilane starting silicon compounds have also been used (Bradley et al., Adv. Mater., 10 (1998) 938-942; Vollmer et al., J. Mol. Cat. A: Chemical, 146 (1999) 87 -96), which are reacted in a first stage with ammonia in a solvent such as tetrahydrofuran to give cyclosilazanes, which are then polymerized by the addition of catalytic amounts of potassium hydride and methyl idouro. The solid product thus obtained is treated in an ammonia stream at 650 ° C, and the resulting material is
65 microporoso, con un diámetro medio de poro de 7 Å y una superficie de alrededor de 400 m2/g. 65 microporous, with an average pore diameter of 7 Å and an area of about 400 m2 / g.
Kaskel y col. (Phys. Chem. Chem. Phys., 4 (2002) 1675-1681) reportan que el tratamiento a una temperatura de al menos 800 ºC de la mezcla resultante de la reacción (1), que se realiza con el objeto de eliminar el cloruro amónico y obtener sólidos que contengan menos del 2% de cloro, da lugar a productos sólidos mesoporosos no estequiométricos de silicio y nitrógeno. Sin embargo, estos materiales presentan un severo inconveniente para Kaskel et al. (Phys. Chem. Chem. Phys., 4 (2002) 1675-1681) report that the treatment at a temperature of at least 800 ° C of the mixture resulting from the reaction (1), which is carried out in order to eliminate the Ammonium chloride and obtaining solids containing less than 2% chlorine, results in non-stoichiometric solid silicon and nitrogen mesoporous products. However, these materials have a severe inconvenience to
5 su empleo en catálisis, y es que contienen una cantidad muy reducida de grupos NH, debido a que los grupos NH que están coordinados a dos átomos de silicio, formando la agrupación Si-NH-Si, son activos en catálisis, mientras que la deshidrogenación de la diimida de silicio que se produce a alta temperatura según el procedimiento descrito por Kaskel y col. da lugar a la formación de compuestos que tienen el átomo de nitrógeno coordinado a 3 átomos de silicio, con lo que está fuertemente impedido para activar moléculas mediante mecanismos de catálisis básica. Este inconveniente no solo afecta al empleo de esos materiales como catalizadores, sino que también existiría para todas aquellas aplicaciones que requieran la presencia de una alta proporción de grupos NH en el material. 5 their use in catalysis, and is that they contain a very small number of NH groups, because the NH groups that are coordinated to two silicon atoms, forming the Si-NH-Si cluster, are active in catalysis, while the dehydrogenation of silicon diimide that occurs at high temperature according to the procedure described by Kaskel et al. It results in the formation of compounds that have the nitrogen atom coordinated to 3 silicon atoms, which is strongly prevented from activating molecules through basic catalysis mechanisms. This drawback not only affects the use of these materials as catalysts, but would also exist for all those applications that require the presence of a high proportion of NH groups in the material.
En definitiva, los procedimientos que se han descrito hasta ahora para la obtención de materiales porosos In short, the procedures that have been described so far for obtaining porous materials
15 derivados de la diimida de silicio requieren el empleo de precursores de silicio costosos, con varias etapas de reacción y de separación de los productos intermedios formados, y además conducen generalmente a la formación de sólidos que en la mayoría de los casos son microporosos, es decir, poseen diámetros de poro menores de 2.0 nm, o bien son mesoporosos pero tienen el inconveniente de contener una pequeña proporción de grupos NH activos. Estos hechos suponen un grave inconveniente para su utilización como catalizadores, sobre todo en fase líquida y cuando se desea procesar moléculas de gran tamaño, debido a los problemas que esas moléculas voluminosas tienen para acceder a los centros activos del catalizador. 15 derivatives of silicon diimide require the use of expensive silicon precursors, with various stages of reaction and separation of the intermediate products formed, and also generally lead to the formation of solids that in most cases are microporous, it is that is, they have pore diameters smaller than 2.0 nm, or they are mesoporous but have the disadvantage of containing a small proportion of active NH groups. These facts represent a serious inconvenience for their use as catalysts, especially in the liquid phase and when it is desired to process large molecules, due to the problems that these bulky molecules have to access the active centers of the catalyst.
Por tanto, en base a los antecedentes expuestos, es un objetivo de la presente invención el proporcionar un nuevo método para la obtención de compuestos relacionados con la diimida de silicio porosa que no presente los Therefore, based on the background, it is an objective of the present invention to provide a new method for obtaining compounds related to porous silicon diimide that does not have the
25 inconvenientes de los métodos descritos anteriormente, en la que, además, una parte de los átomos de silicio está sustituida por átomos de otros elementos que también forman enlaces del tipo MN4, como por ejemplo el germanio, el aluminio y el galio. Es también un objetivo de la presente invención los materiales nanoporosos de alta área superficial obtenidos mediante el tratamiento térmico de esos compuestos en corriente de amoniaco a alta temperatura. 25 drawbacks of the methods described above, in which, in addition, a part of the silicon atoms is replaced by atoms of other elements that also form bonds of the MN4 type, such as for example germanium, aluminum and gallium. It is also an objective of the present invention the high surface area nanoporous materials obtained by heat treating these compounds in high temperature ammonia stream.
La presente invención se refiere, en un primer objeto, a un compuesto de fórmula general: The present invention relates, in a first object, to a compound of the general formula:
35 SixM1-xNyHz 35 SixM1-xNyHz
donde M se refiere al menos a un elemento del grupo formado por germanio, aluminio y galio; x está comprendido entre 0 y 0.5; y está comprendido entre 2 y 4; y z está comprendido entre 2 y 8; dicho compuesto conteniendo enlaces entre los átomos de silicio y átomos de nitrógeno y entre el elemento M y los átomos de nitrógeno. where M refers to at least one element of the group consisting of germanium, aluminum and gallium; x is between 0 and 0.5; and is between 2 and 4; and z is between 2 and 8; said compound containing bonds between silicon atoms and nitrogen atoms and between element M and nitrogen atoms.
El compuesto descrito es un compuesto relacionado con la diimida de silicio, que se prepara mediante la reacción entre compuestos químicos precursores de los elementos que lo componen y amoniaco gas en un líquido iónico. The compound described is a compound related to silicon diimide, which is prepared by the reaction between precursor chemical compounds of the elements that compose it and ammonia gas in an ionic liquid.
45 Así, un segundo objeto de la presente invención está constituido por un método de obtención del compuesto descrito anteriormente, caracterizado por que comprende la etapa de someter a reacción de amonolisis una mezcla de precursores de dicho compuesto que contienen los elementos M y Si en un líquido iónico, mediante una corriente de amoniaco gaseoso a una temperatura comprendida entre -15ºC y 200ºC, incluidos ambos límites. El método tiene la particularidad de que se lleva a cabo sin la presencia de compuestos orgánicos que suelen actuar de agentes directores de estructura, a diferencia de los procedimientos conocidos hasta ahora en el campo. Thus, a second object of the present invention is constituted by a method of obtaining the compound described above, characterized in that it comprises the step of subjecting to ammonolysis reaction a mixture of precursors of said compound containing the elements M and Si in a ionic liquid, through a stream of gaseous ammonia at a temperature between -15ºC and 200ºC, including both limits. The method has the peculiarity that it is carried out without the presence of organic compounds that tend to act as structure directing agents, unlike the procedures known so far in the field.
El procedimiento descrito en esta invención está basado en el empleo de un líquido iónico como medio de The process described in this invention is based on the use of an ionic liquid as a means of
55 reacción. El amoniaco es muy soluble en líquidos iónicos (Yokozeki y col., Ind. Eng. Chem. Res., 46 (2007) 1258; Applied Energy, 84 (2007) 1258), llegando a alcanzar una solubilidad cercana a la que tiene en el agua, que es muy superior a la que tiene en los disolventes orgánicos utilizados habitualmente en la reacción de amonolisis. Esta elevada solubilidad del amoniaco en líquidos iónicos permite que aquel actúe como un elemento mineralizante en las reacciones de polimerización que conducen a la formación de la red del compuesto a partir de la reacción de amonolisis del tetracloruro de silicio con el amoniaco, es decir, en el presente caso el disolvente desempeña un papel activo en el proceso de preparación del compuesto relacionado con la diimida de silicio. Éste es un hecho diferencial de la presente invención que está ausente del resto de procedimientos reportados hasta el momento, en los que el disolvente orgánico utilizado es simplemente un medio de controlar la temperatura que produce la reacción de amonolisis, que es fuertemente exotérmica, mientras que en la presente 55 reaction. Ammonia is very soluble in ionic liquids (Yokozeki et al., Ind. Eng. Chem. Res., 46 (2007) 1258; Applied Energy, 84 (2007) 1258), reaching a solubility close to what it has in water, which is much higher than what it has in the organic solvents commonly used in the ammonolysis reaction. This high solubility of ammonia in ionic liquids allows it to act as a mineralizing element in the polymerization reactions that lead to the formation of the compound network from the ammonolysis reaction of silicon tetrachloride with ammonia, that is, in In the present case the solvent plays an active role in the process of preparing the compound related to silicon diimide. This is a differential fact of the present invention that is absent from the rest of the procedures reported so far, in which the organic solvent used is simply a means of controlling the temperature produced by the ammonolysis reaction, which is strongly exothermic, while at the moment
65 invención el amoniaco disuelto en el líquido iónico desempeña el papel de agente mineralizante, al igual que lo desempeñan los iones hidroxilos, por ejemplo, en la preparación de geles de sílice mediante hidrólisis en medio Invention the ammonia dissolved in the ionic liquid plays the role of mineralizing agent, as do hydroxyl ions, for example, in the preparation of silica gels by hydrolysis in medium.
básico de compuestos de silicio tales como alcóxidos de silicio. Basic silicon compounds such as silicon alkoxides.
Los líquidos iónicos tienen las características adecuadas para ser utilizados en la presente invención, ya que, además de que son excelentes disolventes del amoniaco, son líquidos a temperatura ambiente y en el rango de 5 temperaturas utilizados en la presente invención y tienen una alta estabilidad química, de manera que no reaccionan con los reactivos presentes en el medio de síntesis. Ionic liquids have the characteristics suitable for use in the present invention, since, in addition to being excellent solvents for ammonia, they are liquid at room temperature and in the range of 5 temperatures used in the present invention and have high chemical stability. , so that they do not react with the reagents present in the synthesis medium.
El sólido así obtenido, tras ser lavado con metanol y filtrado, puede tratarse térmicamente en corriente de amoniaco a una temperatura elevada para obtener un material sólido amorfo que presenta una alta superficie The solid thus obtained, after being washed with methanol and filtered, can be heat treated in an ammonia stream at an elevated temperature to obtain an amorphous solid material having a high surface area.
10 específica y un alto volumen de poro, y pueden presentar una distribución de tamaños de poro estrecha en el rango comprendido entre 1 nm y 50 nm. Este procedimiento tiene la ventaja adicional de que el líquido iónico puede recuperarse a partir del metanol utilizado en el lavado, y ser reutilizado. 10 specific and a high pore volume, and may have a narrow pore size distribution in the range between 1 nm and 50 nm. This procedure has the additional advantage that the ionic liquid can be recovered from the methanol used in the washing, and reused.
Puede contemplarse también la posibilidad de obtener un material poroso amorfo a partir del compuesto aquí The possibility of obtaining a porous amorphous material from the compound here can also be contemplated.
15 descrito relacionado con la diimida de silicio sin necesidad de obtener éste último previamente, es decir, partiendo de dicho derivado en estado puro, una vez ya preparado. De esta forma, un tercer objeto de la presente invención es un método de preparación de un material poroso amorfo a partir del compuesto objeto de interés de la presente memoria, caracterizado por que comprende la etapa de someter a tratamiento térmico dicho compuesto, mediante atmósfera de amoniaco gaseoso a una temperatura comprendida entre 500ºC y 15 described related to the silicon diimide without obtaining the latter previously, that is, starting from said derivative in its pure state, once already prepared. Thus, a third object of the present invention is a method of preparing an amorphous porous material from the compound of interest herein, characterized in that it comprises the step of thermally treating said compound, by means of an atmosphere of gaseous ammonia at a temperature between 500 ° C and
20 1200ºC, incluidos ambos límites, durante un tiempo comprendido entre 30 minutos y 10 horas, incluidos ambos límites. 20 1200 ° C, including both limits, for a time between 30 minutes and 10 hours, including both limits.
La presente invención se caracteriza porque el tratamiento térmico del compuesto descrito en una atmósfera de amoniaco a una temperatura entre 500ºC y 1200 ºC por un tiempo comprendido entre 30 minutos y 10 horas da The present invention is characterized in that the heat treatment of the compound described in an atmosphere of ammonia at a temperature between 500 ° C and 1200 ° C for a time between 30 minutes and 10 hours gives
25 lugar a un material sólido que tiene una alta área superficial y puede tener un tamaño de poro medio comprendido entre 1 nm y 50 nm, y que presenta un contenido muy pequeño de azufre y carbono residual. Además, este procedimiento conduce a la formación de un producto resultante del tratamiento térmico que presenta una alta concentración de grupos NH, que son centros activos capaces de promover reacciones catalizadas por bases. This results in a solid material that has a high surface area and can have an average pore size between 1 nm and 50 nm, and which has a very small sulfur and residual carbon content. In addition, this process leads to the formation of a product resulting from the heat treatment that has a high concentration of NH groups, which are active centers capable of promoting reactions catalyzed by bases.
30 La eficiencia de este procedimiento de tratamiento térmico en amoniaco para eliminar los restos de líquido iónico y otros compuestos orgánicos que puedan estar ocluidos en el producto no calcinado se puede determinar mediante el análisis del contenido de nitrógeno y de azufre. El espectro infrarrojo de los productos calcinados muestra la presencia de bandas que se asignan a diferentes modos de vibración de enlaces Si-N, y de enlaces The efficiency of this process of heat treatment in ammonia to remove the remains of ionic liquid and other organic compounds that may be occluded in the uncalcined product can be determined by analyzing the nitrogen and sulfur content. The infrared spectrum of calcined products shows the presence of bands that are assigned to different vibration modes of Si-N links, and links
35 N-H. La presencia de estos enlaces N-H cobra especial relevancia desde el punto de vista de las aplicaciones catalíticas, ya que los grupos N-H son centros activos en reacciones de catálisis básica. 35 N-H. The presence of these N-H bonds is particularly relevant from the point of view of catalytic applications, since N-H groups are active centers in basic catalysis reactions.
Un cuarto objeto de la presente invención lo constituye un material poroso amorfo obtenible mediante el procedimiento anterior, caracterizado por que comprende una distribución de volumen de poro comprendida A fourth object of the present invention is an amorphous porous material obtainable by the above procedure, characterized in that it comprises a pore volume distribution comprised
40 entre 1 nm y 50 nm, incluidos ambos límites. 40 between 1 nm and 50 nm, including both limits.
Dado que el material poroso amorfo presenta unas propiedades novedosas que lo diferencian de otros materiales similares ya conocidos, la presente invención cubre asimismo el propio material poroso amorfo independientemente de que sea obtenido por el procedimiento descrito anteriormente. Since the amorphous porous material has novel properties that differentiate it from other similar materials already known, the present invention also covers the amorphous porous material itself regardless of whether it is obtained by the process described above.
45 El quinto y último objeto de la invención es el uso del material poroso amorfo como catalizador, como soporte para catalizador, en membranas para filtración de gases y líquidos, como precursor de nitruros en la fabricación de productos cerámicos, o en la fabricación de materiales luminiscentes. The fifth and final object of the invention is the use of porous amorphous material as a catalyst, as a catalyst support, in membranes for filtration of gases and liquids, as a precursor of nitrides in the manufacture of ceramic products, or in the manufacture of materials. luminescent.
50 En primer lugar, los materiales porosos amorfos pueden emplearse como catalizadores para la síntesis de un muy amplio conjunto de compuestos químicos de alto valor añadido, debido a que contienen centros básicos que por sí mismos son capaces de catalizar reacciones químicas. En segundo lugar, pueden utilizarse como soportes de catalizadores, por ejemplo como soporte de nanopartículas de metales nobles, que son capaces de dar lugar a reacciones bifuncionales, en las que tanto el soporte con sus centros catalíticos básicos como el metal 50 First, amorphous porous materials can be used as catalysts for the synthesis of a very large set of chemical compounds with high added value, because they contain basic centers that are capable of catalyzing chemical reactions. Secondly, they can be used as catalyst supports, for example as a support for noble metal nanoparticles, which are capable of giving rise to bifunctional reactions, in which both the support with its basic catalytic centers and metal
55 soportado intervendrían en la reacción catalítica. 55 supported would intervene in the catalytic reaction.
Asimismo, como se ha afirmado, podrían utilizarse en la preparación de membranas para la filtración de gases y líquidos, o como fase estacionaria para cromatografía. Likewise, as stated, they could be used in the preparation of membranes for the filtration of gases and liquids, or as a stationary phase for chromatography.
60 Podrían utilizarse también como precursores de los correspondientes nitruros, tales como nitruro de silicio o nitruro de aluminio, de alta superficie específica y pequeño tamaño de cristal. 60 They could also be used as precursors of the corresponding nitrides, such as silicon nitride or aluminum nitride, of high specific surface area and small crystal size.
Los materiales descritos en la presente invención también podrían utilizarse como base la preparación de materiales luminiscentes, mediante su adecuada combinación con metales pertenecientes a los grupos de los The materials described in the present invention could also be used as a basis for the preparation of luminescent materials, by their suitable combination with metals belonging to the groups of the
65 metales alcalinos, alcalinotérreos o a las tierras raras. 65 alkali metals, alkaline earth metals or rare earths.
De manera preferida, en la fórmula general del compuesto x está comprendido entre 0.05 y 0.5; es decir, presenta siempre cierta cantidad de Si unido a los átomos de N, acompañando al elemento M. Preferably, in the general formula of the compound x is between 0.05 and 0.5; that is, it always has a certain amount of Si attached to the atoms of N, accompanying the element M.
5 En cuanto al procedimiento de obtención del compuesto, los precursores de silicio utilizados son preferentemente seleccionados dentro del grupo compuesto por: As regards the process for obtaining the compound, the silicon precursors used are preferably selected from the group consisting of:
- --
- haluros de silicio de fórmula SiX4 donde X designa cloro, bromo o yodo (por ejemplo, y más preferentemente, tetracloruro de silicio); silicon halides of formula SiX4 where X designates chlorine, bromine or iodine (for example, and more preferably, silicon tetrachloride);
- --
- aminosilanos de fórmula general SiX4(NRR´)x, donde R y R´ son idénticos o diferentes y representan grupos alquilo con un número de átomos de carbono comprendido entre 1 y 6, o grupos vinilo, fenilo o hidrógeno, donde X representa cloro, bromo, yodo o hidrógeno, estando el valor de x comprendido entre 0 y 4 (por ejemplo, y más preferentemente, cloroaminosilanos); y aminosilanes of the general formula SiX4 (NRR ') x, where R and R' are identical or different and represent alkyl groups with a number of carbon atoms between 1 and 6, or vinyl, phenyl or hydrogen groups, where X represents chlorine, bromine, iodine or hydrogen, the value of x being between 0 and 4 (for example, and more preferably, chloroaminosilanes); Y
15 -cualquier mezcla de ellos. 15 -Any mix of them.
Por su parte, los precursores de M son preferiblemente compuestos de fórmula general MX, donde M representa germanio, aluminio o galio; e y es 4 para germanio y 3 para aluminio y galio, mientras que X representa un átomo de halógeno (por ejemplo, y más preferentemente, cloruros anhidros de los elementos indicados). De esta forma, el precursor puede ser tricloruro de aluminio anhidro, tricloruro de galio anhidro, o tetracloruro de germanio. On the other hand, the precursors of M are preferably compounds of general formula MX, where M represents germanium, aluminum or gallium; e y is 4 for germanium and 3 for aluminum and gallium, while X represents a halogen atom (for example, and more preferably, anhydrous chlorides of the indicated elements). In this way, the precursor can be anhydrous aluminum trichloride, anhydrous gallium trichloride, or germanium tetrachloride.
Dado que el tipo de compuestos como el aquí descrito, como es la diimida de silicio, es sensible al aire y la humedad, es preferible emplear en la presente invención líquidos iónicos que tengan un carácter preferentemente hidrófobo, pero en modo alguno ello puede considerarse una limitación de la invención. El Since the type of compounds such as that described herein, such as silicon diimide, is sensitive to air and moisture, it is preferable to use ionic liquids in the present invention that have a preferably hydrophobic character, but in no way can this be considered a limitation of the invention He
25 líquido iónico 1-etil-3-metilimidazolio bis[(trifluorometil)sulfonil]amida tiene un punto de fusión de -18 ºC, tiene una alta estabilidad térmica y la solubilidad del amoniaco en el mismo es muy elevada, por lo que resulta un líquido iónico adecuado para la presente invención. Otros líquidos iónicos también adecuados para ser utilizados según el procedimiento descrito en la presente invención son derivados del anillo imidazolio que presentan la fórmula general 1-ethyl-3-methylimidazolium bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide ionic liquid has a melting point of -18 ° C, has a high thermal stability and the ammonia solubility therein is very high, resulting in a Ionic liquid suitable for the present invention. Other ionic liquids also suitable for use according to the process described in the present invention are derivatives of the imidazolium ring having the general formula
R R
N+ N +
X X
N N
R'R '
35 en la que R y R’ designan grupos orgánicos alquilo que pueden ser iguales o distintos y representan grupos orgánicos con un número de átomos de carbono comprendido entre 1 y 10, y en donde X designa a un anión, como por ejemplo puede ser preferiblemente seleccionado dentro del grupo compuesto por: el anión bis[(trifluorometil)sulfonil]amida, el anión cloruro, tetrafluoroborato y tetrafluorofosfato. Preferentemente, el número de átomos de carbono está comprendido entre 1 y 6, y más preferentemente entre 1 y 4. In which R and R 'designate alkyl organic groups that may be the same or different and represent organic groups with a number of carbon atoms between 1 and 10, and where X designates an anion, as for example it may preferably be selected from the group consisting of: bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide anion, chloride, tetrafluoroborate and tetrafluorophosphate anion. Preferably, the number of carbon atoms is between 1 and 6, and more preferably between 1 and 4.
El método en cuestión puede realizarse en corriente de amoniaco bien a presión atmosférica o bien bajo presión de amoniaco, a una presión comprendida entre la presión atmosférica y 200 atm, incluidos ambos límites. Si el The method in question can be carried out in ammonia stream either at atmospheric pressure or under ammonia pressure, at a pressure between atmospheric pressure and 200 atm, including both limits. If he
45 método se realiza bajo presión de amoniaco, dicha presión está comprendida preferentemente entre 1 y 50 atm. The method is performed under ammonia pressure, said pressure is preferably between 1 and 50 atm.
De manera preferida, el método de obtención del compuesto se realiza a una temperatura comprendida entre 20ºC y 200ºC, estando más preferentemente todavía comprendidos entre 15ºC y 180ºC. Preferably, the method of obtaining the compound is carried out at a temperature between 20 ° C and 200 ° C, more preferably still between 15 ° C and 180 ° C.
El tiempo de reacción de amonolisis está comprendido entre 5 minutos y 50 días, estando más preferentemente comprendido entre 1 hora y 10 días. En una realización preferida, este tiempo de reacción está comprendido entre 30 minutos y 7 días, y en otro caso preferido entre 30 minutos y un día. The reaction time of ammonolysis is between 5 minutes and 50 days, more preferably between 1 hour and 10 days. In a preferred embodiment, this reaction time is between 30 minutes and 7 days, and in another preferred case between 30 minutes and one day.
Esta reacción de amonolisis se realiza habitualmente en un matraz por el que se hace pasar la corriente de 55 amoniaco, aunque esta práctica no debe considerarse limitante de la invención. This ammonolysis reaction is usually carried out in a flask through which the ammonia current is passed, although this practice should not be considered as limiting the invention.
En una realización preferida, tras la reacción de amonolisis el producto obtenido de dicha reacción se calienta a una temperatura comprendida entre 20 ºC y 200 ºC durante un tiempo de reacción comprendido entre 1 hora y 10 días, con o sin presión de amoniaco gas, y si es con presión ésta está comprendida entre 1 y 200 atmósferas. Esta etapa de maduración del compuesto influye de manera determinante en las propiedades del material que posteriormente se puede obtener a partir de él, y se suele realizar en un autoclave, aunque este aspecto no es limitante de la invención. Tras esta etapa, es conveniente mantener el producto en atmósfera inerte para evitar el contacto con la atmósfera y, como consecuencia, su oxidación. In a preferred embodiment, after the ammonolysis reaction the product obtained from said reaction is heated at a temperature between 20 ° C and 200 ° C for a reaction time between 1 hour and 10 days, with or without ammonia gas pressure, and if it is under pressure it is between 1 and 200 atmospheres. This stage of maturation of the compound has a decisive influence on the properties of the material that can subsequently be obtained from it, and is usually carried out in an autoclave, although this aspect is not limiting of the invention. After this stage, it is convenient to keep the product in an inert atmosphere to avoid contact with the atmosphere and, as a consequence, its oxidation.
65 Preferiblemente, tras la reacción de amonolisis o tras el calentamiento del producto con o sin corriente de gas amoniaco cuando se lleva a cabo, el producto obtenido de dicha reacción se lava con un disolvente, para eliminar tanto los restos de elementos sobrantes (exceso de líquido iónico) como los que se forman durante la reacción (cloruro amónico), y posteriormente se filtra dicho producto, para disponer del compuesto en estado puro susceptible de utilizarse como materia prima en la preparación de un material poroso amorfo como el descrito en el apartado Descripción General. En el caso más preferido, el disolvente es metanol. 65 Preferably, after the ammonolysis reaction or after the heating of the product with or without ammonia gas flow when it is carried out, the product obtained from said reaction is washed with a solvent, to remove both the remnants of leftover elements (excess of ionic liquid) such as those formed during the reaction (ammonium chloride), and then the product is filtered, to have the compound in its purest form that can be used as a raw material in the preparation of an amorphous porous material as described in the section General description. In the most preferred case, the solvent is methanol.
5 Una ventaja de la presente invención es que el líquido iónico sobrante de la reacción se disuelve en el disolvente utilizado en el lavado, que es preferentemente metanol, y puede recuperarse y reutilizarse mediante procedimientos bien conocidos que también permiten el reciclado del metanol utilizado en el lavado. An advantage of the present invention is that the excess ionic liquid of the reaction is dissolved in the solvent used in the wash, which is preferably methanol, and can be recovered and reused by well known methods that also allow the recycling of the methanol used in the washed.
En un ejemplo de realización preferido del método de obtención del compuesto relacionado con la diimida de silicio, un compuesto precursor o mezcla de varios compuestos precursores se dispone en un matraz, al que se añade al menos un líquido iónico derivado del catión imidazolio según la fórmula descrita anteriormente, en donde R y R´ pueden ser iguales o distintos y representan grupos orgánicos con un número de átomos de carbono comprendido entre 1 y 10, preferentemente entre 1 y 4; X representa un anión, tal como el anión In a preferred embodiment of the method of obtaining the compound related to silicon diimide, a precursor compound or mixture of several precursor compounds is arranged in a flask, to which at least one ionic liquid derived from the imidazolium cation is added according to the formula described above, where R and R 'may be the same or different and represent organic groups with a number of carbon atoms between 1 and 10, preferably between 1 and 4; X represents an anion, such as the anion
15 bis[(trifluorometil)sulfonil]amida o el anión cloruro. 15 bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide or the chloride anion.
La mezcla de reacción se introduce en un matraz que se mantiene a una temperatura comprendida entre -15 ºC y 200 ºC, y se pone en contacto con amoniaco gaseoso, durante un tiempo comprendido entre 5 minutos y una semana, preferentemente entre 30 minutos y un día. Al cabo de ese tiempo, la mezcla de reacción es preferiblemente introducida en una autoclave provista de una funda de teflón, y calentada a temperaturas comprendidas entre 20 ºC y 200 ºC. Al cabo de un tiempo de reacción comprendido entre 30 minutos y 10 días, la autoclave se enfría hasta temperatura ambiente y se introduce en un sistema cerrado que contenga una atmósfera inerte, como nitrógeno, o helio, como una bolsa de guantes o una “caja seca”, para evitar su contacto con el aire y por lo tanto su oxidación. El contenido de la autoclave se lava con metanol seco para eliminar el The reaction mixture is introduced into a flask that is maintained at a temperature between -15 ° C and 200 ° C, and is contacted with gaseous ammonia, for a time between 5 minutes and a week, preferably between 30 minutes and a day. After that time, the reaction mixture is preferably introduced into an autoclave provided with a Teflon sheath, and heated to temperatures between 20 ° C and 200 ° C. After a reaction time between 30 minutes and 10 days, the autoclave is cooled to room temperature and introduced into a closed system containing an inert atmosphere, such as nitrogen, or helium, such as a glove bag or a “box dry ”, to avoid its contact with the air and therefore its oxidation. The contents of the autoclave are washed with dry methanol to remove the
25 exceso de reactivos, y se filtra para recuperar un producto sólido. Excess reagents, and filtered to recover a solid product.
En una aplicación preferente de esta invención, la mezcla de reacción obtenida tras la reacción de amonolisis con amoniaco gas e introducida en las autoclaves de acero inoxidable, se trata con amoniaco de alta pureza a temperaturas comprendidas entre 20 y 200 ºC, y presiones comprendidas entre 1 y 200 atmósferas. Después de un tiempo de reacción comprendido entre 1 hora y 10 días, la autoclave se enfría y su contenido se trata con metanol como se explicó anteriormente. In a preferred application of this invention, the reaction mixture obtained after the reaction of ammonolysis with gas ammonia and introduced into the stainless steel autoclaves is treated with high purity ammonia at temperatures between 20 and 200 ° C, and pressures between 1 and 200 atmospheres. After a reaction time between 1 hour and 10 days, the autoclave is cooled and its content is treated with methanol as explained above.
El compuesto lavado y filtrado se puede someter adicionalmente a tratamiento térmico para obtener un material poroso amorfo, en las condiciones especificadas en el apartado anterior. En este caso la temperatura del The washed and filtered compound can be further subjected to heat treatment to obtain an amorphous porous material, under the conditions specified in the previous section. In this case the temperature of the
35 tratamiento térmico, que está comprendida entre 500ºC y 1200ºC, está preferentemente comprendida entre 600ºC y 800ºC. The heat treatment, which is between 500 ° C and 1200 ° C, is preferably between 600 ° C and 800 ° C.
Respecto al uso del material poroso amorfo como catalizador, dicho uso es preferido en reacciones catalizadas por bases, como son las seleccionadas entre reacciones de alquilación de compuestos alquilaromáticos con metanol o reacciones de condensación de compuestos orgánicos que contienen grupos metileno CH2 activos, tales como reacciones de condensación de Michael. Regarding the use of the porous amorphous material as a catalyst, said use is preferred in reactions catalyzed by bases, such as those selected from alkylaromatic compound alkylation reactions with methanol or condensation reactions of organic compounds containing active CH2 methylene groups, such as reactions of condensation of Michael.
En caso de que el material se utilice como soporte de catalizadores, dicho catalizador está preferentemente constituido por nanopartículas de metales nobles. In case the material is used as a catalyst support, said catalyst is preferably constituted by nanoparticles of noble metals.
Figura 1. Isoterma de adsorción/desorción de nitrógeno de la muestra tratada en amoniaco a una temperatura de 600 ºC preparada según se describe en el Ejemplo 1. Figure 1. Nitrogen adsorption / desorption isotherm of the sample treated in ammonia at a temperature of 600 ° C prepared as described in Example 1.
Figura 2. Distribución de tamaño de poro de la muestra cuya isoterma se muestra en la Figura 1. Figure 2. Pore size distribution of the sample whose isotherm is shown in Figure 1.
Figura 3. Espectros FTIR de las muestras tratadas en amoniaco a 600 ºC preparadas en los Ejemplos 1 (espectro b) y 2 (espectro a). En la región del espectro comprendida entre 1400-600 cm-1, las muestras Figure 3. FTIR spectra of the samples treated in ammonia at 600 ° C prepared in Examples 1 (spectrum b) and 2 (spectrum a). In the region of the spectrum between 1400-600 cm -1, the samples
55 presentan dos bandas a 925 y 1030 cm-1 que pueden asignarse a las vibraciones de tensión asimétricas del enlace Si-N (υas(Si-N)) y una banda en torno a 1200 cm-1 que puede atribuirse a la deformación de los grupos NH unidos a los átomos de silicio (δ(NH)). Ambos espectros presentan además, una banda en torno a 786 cm-1 correspondiente a la deformación de los grupos Si-NH2 (δ(Si-NH2)). 55 have two bands at 925 and 1030 cm-1 that can be assigned to the asymmetric tension vibrations of the Si-N bond (υas (Si-N)) and a band around 1200 cm-1 that can be attributed to the deformation of NH groups attached to silicon atoms (δ (NH)). Both spectra also have a band around 786 cm -1 corresponding to the deformation of the Si-NH2 (δ (Si-NH2)) groups.
Figura 4. Distribución de tamaño de poro de la muestra tratada en corriente de amoniaco a una temperatura de 600 ºC preparada según el ejemplo 3. Figure 4. Pore size distribution of the sample treated in ammonia stream at a temperature of 600 ° C prepared according to example 3.
65 A continuación se describen tres ejemplos de la presente invención, que en ningún caso pueden considerarse como ejemplos limitantes de la invención. 65 Three examples of the present invention are described below, which in no case can be considered as limiting examples of the invention.
Ejemplo 1: Example 1:
En un vaso de reacción se pesan 47.5 g del líquido iónico 1-etil-3-metilimidazolio bis[(trifluorometil)sulfonil]amida y a continuación se añaden 14.2 g de SiCl4. El vaso de reacción se sumerge en un baño de agua-hielo y se In a reaction vessel, 47.5 g of the 1-ethyl-3-methylimidazolium bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide ionic liquid are weighed and then 14.2 g of SiCl4 are added. The reaction vessel is immersed in an ice-water bath and is
5 conecta a un burbujeador con silicona y a un vaso de seguridad. Seguidamente se adiciona el amoniaco gaseoso mientras se mantiene la mezcla bajo agitación magnética constante. Tras la reacción se obtiene un gel blanco altamente viscoso. 5 connects a bubbler with silicone and a safety glass. The gaseous ammonia is then added while maintaining the mixture under constant magnetic stirring. After the reaction a highly viscous white gel is obtained.
A continuación, en una bolsa de guantes se extrae el contenido del vaso de reacción, se homogeniza se Then, in a glove bag the contents of the reaction vessel are extracted, homogenized,
10 introduce en autoclaves de acero inoxidable de de 17 ml de volumen con fundas de vidrio provistos de una válvula. 10 introduces 17 ml volume stainless steel autoclaves with glass sleeves fitted with a valve.
A continuación, se pone en contacto las autoclaves con amoniaco gaseoso a una presión parcial de amoniaco en el sistema de 7.5 atm, disolviéndose 0.6 g de amoniaco gaseoso en la mezcla contenida en las autoclaves. A The autoclaves are then contacted with gaseous ammonia at a partial pressure of ammonia in the 7.5 atm system, 0.6 g of gaseous ammonia being dissolved in the mixture contained in the autoclaves. TO
15 continuación, las autoclaves se calientan en una estufa a 180 ºC durante 43 horas en régimen estático. The autoclaves are then heated in an oven at 180 ° C for 43 hours in a static regime.
Tras este proceso, los sólidos obtenidos se extraen en el interior de la bolsa de guantes, se lavan con metanol seco previamente redestilado y se filtran bajo corriente de nitrógeno. After this process, the solids obtained are extracted inside the glove bag, washed with previously re-distilled dry methanol and filtered under a stream of nitrogen.
20 El producto obtenido se introduce en un reactor tubular de cuarzo y se trata en corriente de amoniaco a una temperatura de 600 ºC durante dos horas. En la Figura 1 se representa la isoterma de adsorción de nitrógeno del material calcinado, cuyo área superficial determinado partir de la isoterma de adsorción resultó ser de 629 m2/g, y el volumen de poro de 1.43 cm3/g. En la Figura 2 se representa la distribución de volumen de poro, observándose en ella que la distribución está centrada en 12 nm, es decir, en el rango de los mesoporos. En la The product obtained is introduced into a quartz tubular reactor and treated in an ammonia stream at a temperature of 600 ° C for two hours. Figure 1 shows the nitrogen adsorption isotherm of the calcined material, whose surface area determined from the adsorption isotherm was found to be 629 m2 / g, and the pore volume of 1.43 cm3 / g. Figure 2 shows the pore volume distribution, showing that the distribution is centered at 12 nm, that is, in the range of the mesopores. In the
25 Figura 3 se representa el espectro de infrarrojo del material, en el que se identifican claramente las bandas debidas a la presencia de enlaces Si-N y N-H. Figure 3 depicts the infrared spectrum of the material, in which the bands due to the presence of Si-N and N-H bonds are clearly identified.
Ejemplo 2: Example 2:
30 La reacción de amonolisis se lleva a cabo siguiendo el procedimiento descrito en el Ejemplo 1. El gel obtenido se extrae en el interior de una bolsa de guantes, se homogeniza y se introduce en autoclaves de acero inoxidable de 60 ml de volumen provistas de fundas de teflón y se calientan en una estufa a 180 ºC durante 43 horas en régimen estático. The ammonolysis reaction is carried out following the procedure described in Example 1. The gel obtained is extracted inside a glove bag, homogenized and introduced into 60 ml volume stainless steel autoclaves provided with covers. Teflon and heated in an oven at 180 ° C for 43 hours in static mode.
35 Los sólidos obtenidos tras este proceso se someten al mismo tratamiento de lavado y filtrado descrito en el Ejemplo 1. El producto sólido se trata con amoniaco a 600 ºC en las mismas condiciones que las descritas en el Ejemplo 1. El producto así tratado tiene un área superficial de 251 m2/g y un volumen de poro de 0.07 cm3/g. The solids obtained after this process are subjected to the same washing and filtering treatment described in Example 1. The solid product is treated with ammonia at 600 ° C under the same conditions as those described in Example 1. The product thus treated has a surface area of 251 m2 / g and a pore volume of 0.07 cm3 / g.
En la Figura 3 representa el espectro de infrarrojo del material, en el que se identifican claramente las bandas 40 debidas a la presencia de enlaces Si-N y N-H. In Figure 3 it represents the infrared spectrum of the material, in which the bands 40 due to the presence of Si-N and N-H bonds are clearly identified.
Ejemplo 3: Example 3:
En un vaso de reacción se pesan 47.5 g del líquido iónico 1-etil-3-metilimidazolio bis[(trifluorometil)sulfonil]amida In a reaction vessel, 47.5 g of the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide is weighed
45 y a continuación se añaden 14.2 g de SiCl4 y 1,11 g de AlCl3. El vaso de reacción se sumerge en un baño de agua-hielo y se conecta a un burbujeador con silicona y a un vaso de seguridad. Seguidamente se adiciona el amoniaco gaseoso mientras se mantiene la mezcla bajo agitación magnética constante. Tras la reacción se obtiene un gel blanco altamente viscoso. 45 and then 14.2 g of SiCl4 and 1.11 g of AlCl3 are added. The reaction vessel is immersed in an ice-water bath and connected to a silicone bubbler and a safety glass. The gaseous ammonia is then added while maintaining the mixture under constant magnetic stirring. After the reaction a highly viscous white gel is obtained.
50 A continuación, en una bolsa de guantes se extrae el contenido del vaso de reacción, se homogeniza, se introduce en autoclaves de acero inoxidable de de 17 ml de volumen con fundas de vidrio provistos de una válvula. A continuación, se pone en contacto las autoclaves con amoniaco gaseoso a una presión parcial de amoniaco en el sistema de 7.5 atm, disolviéndose 0.6 g de amoniaco gaseoso en la mezcla contenida en las autoclaves. A continuación, las autoclaves se calientan en una estufa a 180 ºC durante 43 horas en régimen 50 Then, in a glove bag, the contents of the reaction vessel are extracted, homogenized, placed in 17 ml volume stainless steel autoclaves with glass covers fitted with a valve. The autoclaves are then contacted with gaseous ammonia at a partial pressure of ammonia in the 7.5 atm system, 0.6 g of gaseous ammonia being dissolved in the mixture contained in the autoclaves. The autoclaves are then heated in an oven at 180 ° C for 43 hours
55 estático. 55 static.
Tras este proceso, los sólidos obtenidos se extraen en el interior de la bolsa de guantes, se lavan con metanol seco previamente redestilado y se filtran bajo corriente de nitrógeno. El producto así obtenido se somete al tratamiento con amoniaco a una temperatura de 600 ºC tal y como se describe en el Ejemplo 1. El sólido así After this process, the solids obtained are extracted inside the glove bag, washed with previously re-distilled dry methanol and filtered under a stream of nitrogen. The product thus obtained is subjected to the ammonia treatment at a temperature of 600 ° C as described in Example 1. The solid thus
60 obtenido tiene un área superficial de 336 m2/g y un volumen de poro de 1.06 cm3/g. En la Figura 4 se representa la distribución de volumen de poro, observándose en ella que la distribución está centrada en 13 nm. 60 obtained has a surface area of 336 m2 / g and a pore volume of 1.06 cm3 / g. The pore volume distribution is shown in Figure 4, showing that the distribution is centered at 13 nm.
Claims (22)
- --
- cualquier mezcla de ellos. Any mix of them.
- 5. 5.
- El método según la reivindicación anterior, donde el haluro de silicio es tetracloruro de silicio, y el aminosilano es un cloroaminosilano. The method according to the preceding claim, wherein the silicon halide is silicon tetrachloride, and the aminosilane is a chloroaminosilane.
- 6. 6.
- El método según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, donde los precursores de M son compuestos de The method according to any one of claims 3 to 5, wherein the M precursors are compounds of
- 7. 7.
- El método según la reivindicación anterior, donde el precursor de M es seleccionado dentro del grupo compuesto por tricloruro de aluminio anhidro, tricloruro de galio anhidro y tetracloruro de germanio. The method according to the preceding claim, wherein the precursor of M is selected from the group consisting of anhydrous aluminum trichloride, anhydrous gallium trichloride and germanium tetrachloride.
- 8. 8.
- El método según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, donde el líquido iónico es un líquido hidrófobo. The method according to any one of claims 3 to 7, wherein the ionic liquid is a hydrophobic liquid.
- 9. 9.
- El método según la reivindicación anterior, donde el líquido iónico es seleccionado entre 1-etil-3metilimidazolio bis[(trifluorometil)sulfonil]amida y un derivado del anillo imidazolio que presentan la fórmula general: The method according to the preceding claim, wherein the ionic liquid is selected from 1-ethyl-3-methylimidazolium bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide and an imidazolium ring derivative having the general formula:
- 11. eleven.
- El método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, donde el anión X es seleccionado dentro del grupo compuesto por: el anión bis[(trifluorometil)sulfonil]amida, el anión cloruro, tetrafluoroborato y tetrafluorofosfato. The method according to any one of claims 9 or 10, wherein the X anion is selected from the group consisting of: the bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide anion, the chloride anion, tetrafluoroborate and tetrafluorophosphate.
- 12. 12.
- El método según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 11, donde la corriente de amoniaco está a presión atmosférica o a una presión comprendida entre la presión atmosférica y 200 atm, incluidos ambos límites. The method according to any one of claims 3 to 11, wherein the ammonia stream is at atmospheric pressure or at a pressure between atmospheric pressure and 200 atm, including both limits.
- 18. 18.
- El método según la reivindicación anterior, donde el disolvente es metanol. The method according to the preceding claim, wherein the solvent is methanol.
- 19. 19.
- El método según una cualquiera de las reivindicaciones 17 ó 18, donde el líquido iónico sobrante de la The method according to any one of claims 17 or 18, wherein the excess ionic liquid of the
- 925 925
- 1030 1030
- 1200 1200
- 786 786
- b) b)
- a) to)
- 1400 1400
- 1200 1000 800 Número de ondas (cm-1) FIG. 3 600 1200 1000 800 Number of waves (cm-1) FIG. 3 600
- 1,5 1.5
- Categoría Category
- 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas 56 Documents cited Claims Affected
- A TO
- F. CHENG et al., “Preparation of a mesoporous silicon aluminium nitride via non-aqueous sol-gel route”, J. Mater. Chem., 2005, vol. 15, páginas 772-777. 1-28 F. CHENG et al., "Preparation of a mesoporous silicon aluminum nitride via non-aqueous sol-gel route", J. Mater. Chem., 2005, vol. 15, pages 772-777. 1-28
- A TO
- WO 2006046012 A1 (THE UNIVERSITY OF HULL) 04.05.2006, página 5, líneas 16-27; página 6, líneas 14-23; página 8, líneas 4-9; reivindicaciones 1,6-10. 1-28 WO 2006046012 A1 (THE UNIVERSITY OF HULL) 04.05.2006, page 5, lines 16-27; page 6, lines 14-23; page 8, lines 4-9; claims 1,6-10. 1-28
- A TO
- F. CHENG et al., “Catalytic ammonolytic sol-gel preparation of a mesoporous silicon aluminium nitride from a single-source precursor”, J. Organomet. Chem., 2007, vol. 692, páginas 3816-3822. 1-28 F. CHENG et al., "Catalytic ammonolytic sol-gel preparation of a mesoporous silicon aluminum nitride from a single-source precursor", J. Organomet. Chem., 2007, vol. 692, pages 3816-3822. 1-28
- A TO
- F. CHENG et al., “General method of preparation of mesoporous M/Si3N4 nano-composites via a non-aqueous sol-gel route”, Chem. Commun., 2005, vol. 45, páginas 5662-5664. 1-28 F. CHENG et al., "General method of preparation of mesoporous M / Si3N4 nano-composites via a non-aqueous sol-gel route", Chem. Commun., 2005, vol. 45, pages 5662-5664. 1-28
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 14.10.2013 Date of realization of the report 14.10.2013
- Examinador E. Dávila Muro Página 1/4 Examiner E. Dávila Muro Page 1/4
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-28 SI NO Claims Claims 1-28 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-28 SI NO Claims Claims 1-28 IF NOT
- Documento Document
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date
- D01 D01
- F. CHENG et al., J. Mater. Chem., 2005, vol. 15, pp. 772-777. F. CHENG et al., J. Mater. Chem., 2005, vol. 15, pp. 772-777.
- D02 D02
- WO 2006046012 A1 (THE UNIVERSITY OF HULL) 04.05.2006 WO 2006046012 A1 (THE UNIVERSITY OF HULL) 04.05.2006
- D03 D03
- F. CHENG et al., J. Organomet. Chem.,2007, vol. 692, pp. 3816-3822. F. CHENG et al., J. Organomet. Chem., 2007, vol. 692, pp. 3816-3822.
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-
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Patent Citations (1)
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Also Published As
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| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20150417 |