WO2025119570A1 - Method for preparing ultra-pure organoalkoxyhydrogensilanes - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a process for the preparation of ultrapure organoalkoxyhydrogensilanes.
- organohalohydrosilanes Due to their manufacturing process, organohalohydrosilanes contain boron impurities, which are harmful to electronic components. Ultrapure organohalohydrosilanes are required for these semiconductor applications.
- the first step involves pretreating the boron-contaminated reactant with silica or aluminosilicate.
- the silica or aluminosilicate is separated from the organohalohydrosilane in a second step, and the organohalohydrosilane thus prepurified is then reacted with alcohol in a third step. Due to the high flammability of the reactant, it is very desirable from a safety perspective to forgo such prepurification.
- the object of the invention is to improve the state of the art and in particular to provide organoalkoxyhydrogensilanes which contain as little boron as possible.
- the present invention relates to a process for the preparation of an organoalkoxyhydrogensilane of the general formula (I) with a boron content of at most 100 ppb
- R 1 is linear or branched alkyl, cycloalkyl, aryl, alkenyl or arylalkyl radicals having 1 to 12 carbon atoms and Hal is F, Cl, Br or I, with at least one alcohol R 2 -OH where R 2 is methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, tert. -butyl, n-pentyl, isopentyl, neo-pentyl or tert. -pentyl radical means, in the presence of > 1z equivalents of urea, i.e.
- the organic lower phase is separated off, the crude product of the upper phase containing 10 to 2000 [ppm] of hydrogen chloride, and in a second step, the crude product obtained from the upper phase is mixed with 0.5 to 5 wt. % N-methylglucamine, based on the total mass of crude product and N-methylglucamine, and boiled under reflux in a protective atmosphere for between 10 minutes and 2 hours, and then the organoalkoxyhydrogensilane of the general formula (I) is distilled off under a protective atmosphere.
- alkylalkoxyhydrosilanes are preferred and of the alkylalkoxyhydrosilanes , dimethoxymethylsilane and diethoxymethylsilane are preferred , diethoxymethylsilane being particularly preferred .
- radicals R ⁇ preferably have 1 to 6 carbon atoms. Particularly preferred radicals R ⁇ are methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, n-pentyl, isopentyl, neopentyl or tert-pentyl radical and phenyl radical.
- Alcohol R 2 -OH Of the alcohols R 2 -OH, those are preferred in which Methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, tert.-butyl, n-pentyl, iso-pentyl, neo-pentyl or tert.-pentyl radical and phenyl radical, particularly preferred are those with the methyl, ethyl, butyl, n-propyl, iso-propyl radical.
- the lower amount of alcohol results from the stoichiometry, i.e., 2 mol of alcohol per mol of organohalohydrosilane of general formula (II).
- a 50% molar excess is preferred, and a 30% molar excess is particularly preferred.
- Suitable organic solvents other than the alcohol R 2 -OH can be used as solvents.
- Suitable solvents include, for example, aliphatic solvents such as isohexane, pentane, octane, decane, and aromatic solvents such as toluene and xylene. Isohexane, pentane, and decane are preferred in the process according to the invention, with isohexane being particularly preferred.
- Non-polar organic solvents are particularly preferred to reduce the solubility of hydrochlorides.
- At least 1.1z to 1.5z equivalents of urea are used.
- the resulting crude product in the upper phase is slightly acidic because it contains residues of hydrogen chloride in the range of 10 to 2000 [ppm], preferably 50 to 1000 [ppm] hydrogen chloride, and particularly preferably 200 to 800 [ppm] hydrogen chloride.
- Another key feature of the invention is the use of the slightly basic sugar N-methylglucamine.
- the hydrogen chloride present in the crude product is neutralized, and secondly, heating under reflux in a protective atmosphere forms a complex of this sugar and the boron species present as an impurity.
- This complex remains almost quantitatively in the bottoms during the subsequent distillation.
- 0.5 to 5 wt.% N-methylglucamine preferably 1 to 5 wt.%, particularly preferably 2 to 5 wt.%, is used, based on the total mass of crude product plus N-methylglucamine.
- the second step involves boiling under reflux in a protective atmosphere for between 10 minutes and 2 hours.
- the process according to the invention thus offers significant advantages over the prior art, such as considerable time savings in the preparation of organoalkoxyhydrosilanes of general formula (I), in particular diethoxymethylsilane, while simultaneously increasing yield and reducing waste.
- the process according to the invention allows the preparatively undemanding, clean, and virtually safe depletion of boron species from silanes.
- HM-Silane Dichloromethylsilane
- M3E Methyltriethoxysilane wt% weight%
- the NSX-2100H nitrogen analyzer from al enviroscience was used to determine nitrogen levels.
- the sample substance is pyrolyzed in an argon or oxygen stream at 1000°C. After passing through a nickel catalyst, the nitrogen is then oxidized with ozone to nitrogen dioxide. The resulting energy is then detected by chemiluminescence.
- the software used to evaluate the results is the software provided by the device manufacturer.
- a combustion ion chromatograph was used to determine the chlorine content. It consists of an HF-210 oven (al enviroscience), a GA-210 preparation unit (al enviroscience), and an IC Aquion (Thermo Fisher). The sample substance is pyrolyzed in an argon or oxygen stream and then introduced into distilled water. The halogen species are then determined by ion chromatography.
- a microwave digestion system NSX-2100H (MWS) and an ICP-MS Nexion 350S (Perkin Elmer) were used in a clean room atmosphere.
- the sample is digested with nitric acid and hydrofluoric acid and then fed into the MS using ammonia via TCP.
- the determination is based on ISO 11885 "Water quality - Determination of selected elements by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES) (ISO 1185:2007), German version EN ISO 11885:2009", which is used for the analysis of acidic, aqueous solutions (e.g., acidified drinking water, wastewater, and other
- HCl content was determined wet-chemically using a Titrino 904 (Metrohm) and an Optrode (Metrohm) using tetrabromophenolphthalein ethyl ester as an indicator. The corresponding value was then determined using the included tiamo software.
- the percentage composition of the products was determined by gas chromatography.
- An Agilent GC 7890B with an autosampler (G4513, Agilent) was used.
- urea 150 g of urea were placed in an N2-purged 1 L three-necked flask (left: T-piece with reflux condenser and dropping funnel; center: KPG stirrer; right: thermometer) with a drain tap.
- 196 g of ethanol and 144 g of isohexane were added under N2 blanketing.
- 156 g of HM-silane (dichloromethylsilane) were added dropwise via the dropping funnel over a period of 120 min with stirring. The temperature rose to a maximum of 49°C. After stirring for a further 10 min, the stirrer was turned off, and phase separation was initiated for 1 h. The lower phase (316.1 g) was then drained off and discarded.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung von ultrareinen Or ganoal koxyhydr ogen s i 1 anen Process for the preparation of ultrapure organoalkyloxyhydrogen s i 1 anes
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung von ultrareinen Or ganoal koxyhydr ogensil anen . The invention relates to a process for the preparation of ultrapure organoalkoxyhydrogensilanes.
Organohalogenhydrogensilane enthalten herstellungsbedingt Bor- Verunreinigungen welches für Elektronikbauteile störend ist . Für diese Anwendungen im Halbleiterbereich werden ultrareine Organohalogenhydrogensilane benötigt . Due to their manufacturing process, organohalohydrosilanes contain boron impurities, which are harmful to electronic components. Ultrapure organohalohydrosilanes are required for these semiconductor applications.
Methoden zur Borabreicherung durch Zusatz diverser Verbindung sind schon seit langem im Stand der Technik beschrieben . Beispielsweise of fenbart US2012095248A (=Äquivalentes zu DE102009027257A1 ) ein Verfahren zur Herstellung von Organoalkoxyhydrogensilanen mit einem Borgehalt unter 100 ppb . Für die Borabreicherung erfolgt zunächst in einem ersten Schritt die Vorbehandlung des mit Bor verunreinigten Eduktes mit Kieselsäure oder Alumosilikat . Die Kieselsäure bzw . das Alumosilikat wird in einem zweiten Schritt vom Organohalogenhydrogensilan abgetrennt und das so vorgereinigte Organohalogenhydrogensilan wird anschließend in einem dritten Schritt mit Alkohol umgesetzt . Auf Grund der hohen Entzündlichkeit des Eduktes ist es sicherheitstechnisch sehr wünschenswert auf einen solche Vorreinigung zu verzichten . Methods for boron depletion by adding various compounds have long been described in the prior art. For example, US2012095248A (= equivalent to DE102009027257A1) discloses a process for producing organoalkoxyhydrosilanes with a boron content of less than 100 ppb. For boron depletion, the first step involves pretreating the boron-contaminated reactant with silica or aluminosilicate. The silica or aluminosilicate is separated from the organohalohydrosilane in a second step, and the organohalohydrosilane thus prepurified is then reacted with alcohol in a third step. Due to the high flammability of the reactant, it is very desirable from a safety perspective to forgo such prepurification.
Aufgabe der Erfindung ist es , den Stand der Technik zu verbessern und insbesondere Organoalkoxyhydrogensilane bereitzustellen, die möglichst wenig Bor enthalten . The object of the invention is to improve the state of the art and in particular to provide organoalkoxyhydrogensilanes which contain as little boron as possible.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Organoalkoxyhydrogensilans der allgemeinen Formel ( I ) mit einem Borgehalt von höchstens 100 ppb The present invention relates to a process for the preparation of an organoalkoxyhydrogensilane of the general formula (I) with a boron content of at most 100 ppb
RixHySi ( OR2 ) ( I ) wobei x+y+z = 4 und x, y, z größer gleich 1, wobei in einem ersten Schritt mindestens ein mit Bor verunreinigtes Organohalogenhydrogensilan der allgemeinen Formel (II) RixHySi ( OR 2 ) ( I ) where x+y+z = 4 and x, y, z greater than or equal to 1, wherein in a first step at least one boron-contaminated organohalohydrogensilane of the general formula (II)
R1xHySiHalz (II) wobei x+y+z = 4 ist, x, y, z größer gleich 1 ist, und R 1 xH y SiHal z (II) where x+y+z = 4, x, y, z is greater than or equal to 1, and
R1 lineare oder verzweigte Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkenyl- oder Arylalkylreste mit 1 bis 12 Kohlenstoff atomen sind und Hal F, CI, Br oder J ist, mit mindestens einem Alkohol R2 -OH wobei R2 Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert . -Butyl- , n-Pentyl-, iso-Pentyl-, neo- Pentyl- oder tert . -Pentylrest bedeutet, in Anwesenheit von > 1z Äquivalenten Harnstoff, also mindestens die äquivalente Menge an Harnstoff bezogen auf die Hal-Menge des verunreinigten Organohalogenhydrogensilan der allgemeinen Formel (II) , und in Anwesenheit mindestens eines organischen Lösungsmittels, umgesetzt wird, und anschließend die organische Unterphase abgetrennt wird, wobei das Rohprodukt der Oberphase 10 bis 2000 [ppm] Chlorwasserstoff enthält, und in einem zweiten Schritt das erhaltene Rohprodukt aus der Oberphase mit 0 , 5 bis 5 Gew . -% N-Methylglucamin versetzt wird, bezogen auf die Gesamtmasse aus Rohprodukt und N- Methylglucamin, und unter Rückfluss in Schutzatmosphäre zwischen 10 Minuten und 2 Stunden aufgekocht wird, und anschließend das Organoalkoxyhydrogensilan der allgemeinen Formel ( I ) unter Schutzatmosphäre abdestilliert wird . R 1 is linear or branched alkyl, cycloalkyl, aryl, alkenyl or arylalkyl radicals having 1 to 12 carbon atoms and Hal is F, Cl, Br or I, with at least one alcohol R 2 -OH where R 2 is methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, tert. -butyl, n-pentyl, isopentyl, neo-pentyl or tert. -pentyl radical means, in the presence of > 1z equivalents of urea, i.e. at least the equivalent amount of urea based on the Hal amount of the contaminated organohalohydrogensilane of the general formula (II) , and in the presence of at least one organic solvent, and then the organic lower phase is separated off, the crude product of the upper phase containing 10 to 2000 [ppm] of hydrogen chloride, and in a second step, the crude product obtained from the upper phase is mixed with 0.5 to 5 wt. % N-methylglucamine, based on the total mass of crude product and N-methylglucamine, and boiled under reflux in a protective atmosphere for between 10 minutes and 2 hours, and then the organoalkoxyhydrogensilane of the general formula (I) is distilled off under a protective atmosphere.
Um die Seitenzahl der Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht zu umfangreich zu gestalten, werden im Folgenden nur die bevorzugten Aus führungs formen der einzelnen Merkmale auf geführt . In order to avoid making the number of pages of the description of the present invention too extensive, only the preferred embodiments of the individual features are listed below.
Der fachkundige Leser soll diese Art der Of fenbarung aber expli zit so verstehen, dass damit auch j ede Kombination aus unterschiedlichen Bevorzugungsstufen expli zit of fenbart und expli zit gewünscht ist . However, the expert reader should understand this type of disclosure to mean that every combination of different levels of preference is explicitly disclosed and explicitly desired.
Organoalkoxyhydrogensilans der allgemeinen Formel ( I ) Organoalkoxyhydrogensilane of the general formula ( I )
Von den Organoalkoxyhydrogensilanen der allgemeinen Formel ( I ) sind Alkylalkoxyhydrogensilane bevorzugt und von den Alkylalkoxyhydrogensilanen sind das Dimethoxymethylsilan und das Diethoxymethylsilan bevorzugt , besonders bevorzugt ist das Diethoxymethylsilan . Of the organoalkoxyhydrosilanes of the general formula ( I ) , alkylalkoxyhydrosilanes are preferred and of the alkylalkoxyhydrosilanes , dimethoxymethylsilane and diethoxymethylsilane are preferred , diethoxymethylsilane being particularly preferred .
Ersten Verfahrensschritt First procedural step
Mit Bor verunreinigtes Organohalogenhydrogensilan der allgemeinen Formel ( II ) Boron-contaminated organohalohydrosilane of the general formula ( II )
Bevorzugt weisen die Reste R^ 1 bis 6 Kohlenstof f atome auf . Besonders bevorzugte Reste R^ sind Methyl- , Ethyl- , n-Propyl- , iso-Propyl- , n-Butyl- , iso-Butyl- , tert . -Butyl- , n-Pentyl- , iso-Pentyl- , neo-Pentyl- oder tert . -Pentylrest und Phenylrest . The radicals R^ preferably have 1 to 6 carbon atoms. Particularly preferred radicals R^ are methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, n-pentyl, isopentyl, neopentyl or tert-pentyl radical and phenyl radical.
Alkohol R2 -OH Von den Alkoholen R2 -OH sind solche bevorzugt, bei denen Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert . -Butyl- , n-Pentyl-, iso-Pentyl-, neo-Pentyl- oder tert.- Pentylrest und Phenylrest ist, besonders bevorzugt sind solche mit dem Methyl-, Ethyl-, Buthyl-, n-Propyl-, iso-Propylrest . Alcohol R 2 -OH Of the alcohols R 2 -OH, those are preferred in which Methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, tert.-butyl, n-pentyl, iso-pentyl, neo-pentyl or tert.-pentyl radical and phenyl radical, particularly preferred are those with the methyl, ethyl, butyl, n-propyl, iso-propyl radical.
Die untere Menge des Alkohols ergibt sich aus der Stöchiometrie, d.h. 2 mol Alkohol je mol Organohalogenhydrogensilan der allgemeinen Formel (II) . Bevorzugt ist ein 50% molarer Überschuss, besonders bevorzugt ist ein 30% molarer Überschuss. The lower amount of alcohol results from the stoichiometry, i.e., 2 mol of alcohol per mol of organohalohydrosilane of general formula (II). A 50% molar excess is preferred, and a 30% molar excess is particularly preferred.
Organisches Lösungsmittel Organic solvent
Als Lösungsmittel können bekannte organische Lösungsmittel eingesetzt werden, die sich vom Alkohol R2 -OH unterscheiden. Geeignet sind beispielsweise aliphatische Lösungsmittel, wie Isohexan, Pentan, Oktan, Dekan, aromatische Lösungsmittel wie Toluol, Xylol. Bevorzugt werden Isohexan, Pentan und Dekan, besonders bevorzugt Isohexan beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt . Known organic solvents other than the alcohol R 2 -OH can be used as solvents. Suitable solvents include, for example, aliphatic solvents such as isohexane, pentane, octane, decane, and aromatic solvents such as toluene and xylene. Isohexane, pentane, and decane are preferred in the process according to the invention, with isohexane being particularly preferred.
Bevorzugt sind gleiche molare Mengen an organischen Lösungsmittel wie die Mengen an Organohalogenhydrogensilan der allgemeinen Formel (II) , besonders bevorzugt zwischen 0, 6 und 1 mol organische Lösungsmittel je mol Organohalogenhydrogensilan der allgemeinen Formel (II) . Preference is given to the same molar amounts of organic solvent as the amounts of organohalohydrosilane of the general formula (II), particularly preferably between 0.6 and 1 mol of organic solvent per mol of organohalohydrosilane of the general formula (II).
Besonders bevorzugt sind unpolare organische Lösungsmittel, um die Löslichkeit von Hydrochloriden herabzusetzen. Non-polar organic solvents are particularly preferred to reduce the solubility of hydrochlorides.
Säurefänger Harnstoff Unerwartet hat sich gezeigt, dass es erfindungswesentlich ist, dass die eingesetzte Menge an Harnstoff (der als Säurefänger fungiert) > 1z Äquivalenten Harnstoff beträgt, also mindestens die äquivalente Menge an Harnstoff bezogen auf die Hal-Menge des verunreinigten Organohalogenhydrogensilan der allgemeinen Formel (II) . Dies führt dazu das unerwartet wesentlich mehr Produkt entsteht, was gleichzeitig auch weniger Abfall bedeutet. Weiterhin führt dies zudem zu einer geringeren HC1- Belastung . Acid scavenger urea Unexpectedly, it has been shown that it is essential to the invention that the amount of urea used (which acts as an acid scavenger) be > 12 equivalents of urea, i.e., at least the equivalent amount of urea relative to the amount of Hal in the contaminated organohalohydrosilane of general formula (II). This leads to the unexpectedly significant production of more product, which simultaneously also means less waste. Furthermore, it also leads to a lower HCl load.
Bevorzugt werden mindestens 1,1z bis 1,5z Äquivalente Harnstoff eingesetzt . Preferably, at least 1.1z to 1.5z equivalents of urea are used.
Das entstehende Rohprodukt in der Oberphase ist leicht sauer, denn es enthält Reste von Chlorwasserstoff im Bereich von 10 bis 2000 [ppm] , bevorzugt 50 bis 1000 [ppm] Chlorwasserstoff, und insbesondere bevorzugt 200 bis 800 [ppm] Chlorwasserstoff. The resulting crude product in the upper phase is slightly acidic because it contains residues of hydrogen chloride in the range of 10 to 2000 [ppm], preferably 50 to 1000 [ppm] hydrogen chloride, and particularly preferably 200 to 800 [ppm] hydrogen chloride.
Zweiter Verfahrensschritt Second procedural step
Basischer Zucker N-Methylglucamin Basic sugar N-methylglucamine
Ein weiteres erfindungswesentliche Merkmal ist der Einsatz des leicht basischen Zuckers N-Methylglucamin. Einerseits wird der im Rohprodukt vorliegende Chlorwasserstoff neutralisiert und andererseits durch das Erwärmen unter Rückfluss in Schutzatmosphäre ein Komplex aus diesem Zucker und den als Verunreinigung vorliegenden Borspezies gebildet, der bei der anschließenden Destillation fast quantitativ im Sumpf zurückbleibt. Üblicherweise werden 0,5 bis 5 Gew.-% N- Methylglucamin, bevorzugt 1 bis 5 Gew.%, besonders bevorzugt 2 bis 5 Gew.-% eingesetzt, bezogen auf die Gesamtmasse aus Rohprodukt plus N-Methylglucamin. Another key feature of the invention is the use of the slightly basic sugar N-methylglucamine. Firstly, the hydrogen chloride present in the crude product is neutralized, and secondly, heating under reflux in a protective atmosphere forms a complex of this sugar and the boron species present as an impurity. This complex remains almost quantitatively in the bottoms during the subsequent distillation. Typically, 0.5 to 5 wt.% N-methylglucamine, preferably 1 to 5 wt.%, particularly preferably 2 to 5 wt.%, is used, based on the total mass of crude product plus N-methylglucamine.
Das Kochen unter Rückfluss in Schutzatmosphäre erfolgt im zweiten Schritt zwischen 10 Minuten und 2 Stunden. Damit zeigt das erfindungsgemäße Verfahren wesentliche Vorteile zum Stand-der-Technik, wie die erhebliche Zeitersparnis bei der Herstellung der Organoalkoxyhydrogensilans der allgemeinen Formel ( I ) , insbesondere von Diethoxymethylsilan, bei gleichzeitiger Ausbeutesteigerung und Abfallverminderung . Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die präparativ anspruchslose , saubere und quasi gefahrlose Abreicherung von Borspezies aus Silanen . The second step involves boiling under reflux in a protective atmosphere for between 10 minutes and 2 hours. The process according to the invention thus offers significant advantages over the prior art, such as considerable time savings in the preparation of organoalkoxyhydrosilanes of general formula (I), in particular diethoxymethylsilane, while simultaneously increasing yield and reducing waste. The process according to the invention allows the preparatively undemanding, clean, and virtually safe depletion of boron species from silanes.
Beispiele Examples
Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die prinzipielle Ausführbarkeit der vorliegenden Erfindung, ohne j edoch diese auf die darin of fenbarten Inhalte zu beschränken . The following examples describe the basic feasibility of the present invention, without, however, limiting it to the contents disclosed therein.
In den nachfolgenden Beispielen beziehen sich alle Angaben von Teilen und Prozentsätzen, soweit nicht anders angegeben, auf das Gewicht . Sofern nicht anders angegeben, werden die folgenden Beispiele bei einem Druck der umgebenden Atmosphäre , also bei etwa 1000 hPa, und bei Raumtemperatur, also etwa 20 ° C bzw . einer Temperatur, die sich beim Zusammengehen der Reaktanten bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Hei zung oder Kühlung einstellt , durchgeführt . In the following examples, all parts and percentages are by weight unless otherwise stated. Unless otherwise stated, the following examples are carried out at ambient atmospheric pressure, i.e., approximately 1000 hPa, and at room temperature, i.e., approximately 20 °C or a temperature that occurs when the reactants combine at room temperature without additional heating or cooling.
Verwendete Abkürzungen n . b . = nicht bestimmt GC = Gaschromatographie EtOH = Ethanol Abbreviations used n . b . = not determined GC = Gas Chromatography EtOH = Ethanol
HM-Silan = Dichlormethylsilan HM-Silane = Dichloromethylsilane
M2E = Methyldiethoxysilan M2E = Methyldiethoxysilane
M3E = Methyltriethoxysilan wt% Gewichts-% M3E = Methyltriethoxysilane wt% weight%
Normen und Messmethoden Standards and measurement methods
N-Gehalt N content
Zur Bestimmung von N-Gehalten wurde der Stickstoff analysator NSX-2100H der Firma al enviroscience eingesetzt. Dabei wird die Probensubstanz im Argon- bzw. Sauerstoff ström bei 1000°C pyrolisiert. Nach der Passage eines Nickelkatalysators wird der Stickstoff anschließend mit Ozon zu Stickstoffdioxid oxidiert. Die dabei entstehende Energie wird dann mittels Chemilumineszenz detektiert. Die verwendete Software zur Auswertung der Ergebnisse ist die vom Gerätehersteller beigefügte . The NSX-2100H nitrogen analyzer from al enviroscience was used to determine nitrogen levels. The sample substance is pyrolyzed in an argon or oxygen stream at 1000°C. After passing through a nickel catalyst, the nitrogen is then oxidized with ozone to nitrogen dioxide. The resulting energy is then detected by chemiluminescence. The software used to evaluate the results is the software provided by the device manufacturer.
Chlorgehalt Chlorine content
Zur Bestimmung der Chlorgehalte kam ein Combustion- lonenchromatograph zum Einsatz, bestehend aus dem Ofen HF-210 (al enviroscience) , der Präparationseinheit GA-210 (al enviroscience) und einem IC Aquion (Thermo Fisher) . Dabei wird die Probensubstanz im Argon- bzw Sauerstoff ström pyrolisiert und im Anschluss in destilliertes Wasser eingeleitet. Die Halogenspezies werden dann in Folge ionenchromatographisch bestimmt. Die Bestimmung orientiert sich an der ISO 11885 „Wasserbeschaffenheit - Bestimmung von ausgewählten Elementen durch induktiv gekoppelte Plasma-Atom-Emissionsspektrometrie (ICP-OES) (ISO 1185:2007) , Deutsche Fassung EN ISO 11885:2009", die zur Untersuchung saurer, wässriger Lösungen eingesetzt wird (z.B. angesäuerte Trinkwasser-, Abwasser- und andere Wasserproben, Königswasserextrakte von Böden und Sedimenten) . Die verwendete Software zur Auswertung der Ergebnisse ist die vom Gerätehersteller beigefügte. Borgehalt A combustion ion chromatograph was used to determine the chlorine content. It consists of an HF-210 oven (al enviroscience), a GA-210 preparation unit (al enviroscience), and an IC Aquion (Thermo Fisher). The sample substance is pyrolyzed in an argon or oxygen stream and then introduced into distilled water. The halogen species are then determined by ion chromatography. The determination is based on ISO 11885 "Water quality - Determination of selected elements by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES) (ISO 1185:2007), German version EN ISO 11885:2009", which is used to examine acidic, aqueous solutions (e.g., acidified drinking water, wastewater, and other water samples, aqua regia extracts from soils and sediments). The software used to evaluate the results is that supplied by the device manufacturer. Boron content
Zur Bestimmung der Borgehalte kam ein Mikrowellenaufschlussgerät NSX-2100H (MWS) und ein ICP-MS Nexion 350S (Perkin Eimer) in Reinraumatmosphäre zum Einsatz. Dabei wird die Probe mit Salpetersäure und Flusssäure aufgeschlossen und mittels Ammoniak via TCP in das MS geleitet. Die Bestimmung orientiert sich an der ISO 11885 „Wasserbeschaffenheit - Bestimmung von ausgewählten Elementen durch induktiv gekoppelte Plasma-Atom-Emissionsspektrometrie (ICP-OES) (ISO 1185:2007) , Deutsche Fassung EN ISO 11885:2009", die zur Untersuchung saurer, wässriger Lösungen eingesetzt wird (z.B. angesäuerte Trinkwasser-, Abwasser- und andereTo determine the boron content, a microwave digestion system NSX-2100H (MWS) and an ICP-MS Nexion 350S (Perkin Elmer) were used in a clean room atmosphere. The sample is digested with nitric acid and hydrofluoric acid and then fed into the MS using ammonia via TCP. The determination is based on ISO 11885 "Water quality - Determination of selected elements by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES) (ISO 1185:2007), German version EN ISO 11885:2009", which is used for the analysis of acidic, aqueous solutions (e.g., acidified drinking water, wastewater, and other
Wasserproben, Königswasserextrakte von Böden und Sedimenten) . Die verwendete Software zur Auswertung der Ergebnisse ist die vom Gerätehersteller beigefügte. Water samples, aqua regia extracts from soils and sediments). The software used to evaluate the results is that supplied by the device manufacturer.
HCl -Gehalt HCl content
Die Bestimmung des HCl-Gehalts wurde nasschemisch mit einem Titrino 904 (Metrohm) und einer Optrode (Metrohm) unter Einsatz von Tetrabrom-phenolphthaleinethylester als Indikator durchgeführt. Mit Hilfe der beigefügten Software tiamo wird dann der entsrpechende Wert ermittelt. The HCl content was determined wet-chemically using a Titrino 904 (Metrohm) and an Optrode (Metrohm) using tetrabromophenolphthalein ethyl ester as an indicator. The corresponding value was then determined using the included tiamo software.
Reinheiten der Produkte Purity of the products
Die prozentualen Zusammensetzungen der Produkte wurde gaschromatographisch bestimmt. Dafür kam ein Agilent GC 7890B mit Autosampler (G4513, Fa . Agilent) zum Einsatz. Gearbeitet wurde mit einer MXT 1-Trennsäule ( 60 , Om* 0 , 28mm) der Firma Restek und Helium als Trägergas. Die Quantifizierung erfolgte mir der Software „Compass CDS" (Scion Instruments) . 1.1: Ansatz mit 1,8 Äquivalenten Harnstoff, mit Neutralisation gemäß US2012095248A (=Äquivalentes zu DE102009027257A1 ) (nicht erfindungsgemäß ) The percentage composition of the products was determined by gas chromatography. An Agilent GC 7890B with an autosampler (G4513, Agilent) was used. An MXT 1 column (60, Om* 0, 28 mm) from Restek was used, using helium as the carrier gas. Quantification was performed using the Compass CDS software (Scion Instruments). 1.1: Batch with 1.8 equivalents of urea, with neutralization according to US2012095248A (=equivalent to DE102009027257A1) (not according to the invention)
In einem N2-gespülten 1-L-Dreihalskolben (links: T-Stück mit Rückflusskühler und Tropf trichter; mittig: KPG-Rührer; rechts: Thermometer) mit Ablasshahn wurden 150g Harnstoff vorgelegt und unter N2-Überlagerung 196g Ethanol und 144g Isohexan hinzugefügt. Über den Tropf trichter wurde unter Rühren 156g HM- Silan (Dichlor-methyl-silan) über einen Zeitraum von 120 min. zugetropft. Die Temperatur stieg dabei auf maximal 49°C. Nach weiteren 10 min. Rühren, wurde der Rührer ausgeschaltet und die Phasentrennung für 1 h eingeleitet. Anschließend wurde die Unterphase (316,1 g) abgelassen und verworfen. Die zurückbleibende Oberphase (329,9 g) wurde zunächst mit 9,7g NaHCO3 versetzt und für 1 h gerührt. Nach einer zweiten Zugabe von 4,5g NaHCO3 und einer weiteren Stunde unter Rühren, wurde das Produkt über einen Faltenfilter filtriert und anschließend beprobt . Die Messergebnisse finden sich in der Tabelle 1. Der Wert liegt bei 960 ppb Bor, was völlig unzureichend ist. Um Werte unter 100 ppb zu erreichen, muss daher gemäß US2012095248A (=Äquivalentes zu DE102009027257A1 ) anschließend noch zwingend eine finale Aufarbeitung erfolgen. Diese ist äußerst zeitaufwändig, da zunächst das Lösungsmittel und überschüssiger Ethanol über eine Kolonne mit 10 Böden abgezogen und das Diethoxymethylsilan bei einem Rücklaufverhältnis von 1 zu 3 fraktioniert destilliert werden muss. 150 g of urea were placed in an N2-purged 1 L three-necked flask (left: T-piece with reflux condenser and dropping funnel; center: KPG stirrer; right: thermometer) with a drain tap. 196 g of ethanol and 144 g of isohexane were added under N2 blanketing. 156 g of HM-silane (dichloromethylsilane) were added dropwise via the dropping funnel over a period of 120 min with stirring. The temperature rose to a maximum of 49°C. After stirring for a further 10 min, the stirrer was turned off, and phase separation was initiated for 1 h. The lower phase (316.1 g) was then drained off and discarded. The remaining upper phase (329.9 g) was first treated with 9.7 g of NaHCO3 and stirred for 1 h. After a second addition of 4.5 g of NaHCO3 and stirring for another hour, the product was filtered through a fluted filter and then sampled. The measurement results are shown in Table 1. The value is 960 ppb boron, which is completely inadequate. To achieve values below 100 ppb, a final processing step is mandatory according to US2012095248A (=equivalent to DE102009027257A1). This is extremely time-consuming, as the solvent and excess ethanol must first be removed via a 10-tray column, and the diethoxymethylsilane must be fractionally distilled at a reflux ratio of 1 to 3.
Tabelle 1 1.2: Ansatz mit 2,3 Äquivalenten Harnstoff, ohne NeutralisationTable 1 1.2: Batch with 2.3 equivalents of urea, without neutralization
In einem N2-gespülten 500-mL-Dreihalskolben (links: T-Stück mitIn a N2-purged 500 mL three-necked flask (left: T-piece with
Rückflusskühler und Tropf trichter; mittig: KPG-Rührer; rechts: Thermometer) mit Ablasshahn wurden 60g Harnstoff vorgelegt und unter N2-Überlagerung 63,2g Ethanol und 43,3g Isohexan hinzugefügt. Über den Tropf trichter wurde unter Rühren 50g HM- Silan (Dichlor-methyl-silan) über einen Zeitraum von 50 min. zugetropft. Die Temperatur stieg dabei auf maximal 50°C. Nach weiteren 10 min. Rühren, wurde der Rührer ausgeschaltet und die Phasentrennung für 1 h eingeleitet. Anschließend wurde die Unterphase (114,9 g) abgelassen und verworfen. Die zurückbleibende Oberphase (102,7 g) wurde beprobt (GC und Elementaranalyse auf Bor. Die Messergebnisse finden sich in der Tabelle 2. Im Folgenden wird das Rohprodukt mit 2,3 Äquivalenten Harnstoff ohne Neutralisation M2E-roh-sauer genannt . 60 g of urea were placed in a reflux condenser and dropping funnel (center: KPG stirrer; right: thermometer) with a drain tap, and 63.2 g of ethanol and 43.3 g of isohexane were added under nitrogen. 50 g of HM-silane (dichloromethylsilane) was added dropwise via the dropping funnel over a period of 50 minutes while stirring. The temperature rose to a maximum of 50°C. After stirring for a further 10 minutes, the stirrer was turned off and phase separation was initiated for 1 hour. The lower phase (114.9 g) was then drained off and discarded. The remaining upper phase (102.7 g) was sampled (GC and elemental analysis for boron). The measurement results can be found in Table 2. In the following, the crude product with 2.3 equivalents of urea without neutralization is referred to as M2E-crude-acidic.
Tabelle 2 Table 2
1.3: Destillation von M2E-roh-sauer unter Zusatz von variablen Mengen N-Methylglucamin 1.3: Distillation of M2E crude acid with the addition of variable amounts of N-methylglucamine
In einem N2-gespülten 100-mL-Rundkolben wurde M2E-roh-sauer mit Rührfisch vorgelegt und N-Methylglucamin entsprechend der untenstehenden Tabelle hinzugegeben. Dann wurde ein Rückflusskühler mit Stickstoff-Überlagerung aufgesetzt und für 30 min. unter Rückfluss gekocht. Nach kurzer Abkühlung unter die Siedetemperatur wurde der Rückflusskühler durch eine N2- gespülte Destillationsbrücke mit Thermometer (eingetaucht in Eduktkolben) und Vorlagekolben ersetzt und im Anschluss erneut aufgeheizt. Die Destillation wurde so lange fortgesetzt, bis bei einer Innentemperatur von 100°C kein weiteres Destillat in der Vorlage anfiel (Destillationszeit ca. 15 min.) . Das Destillat wurde auf Bor beprobt . Die Einwaagen sowie die Ergebnisse sind der nachstehenden Tabelle 3 zu entnehmen. In a N2-purged 100 mL round-bottom flask, crude acidic M2E was placed with a stir bar, and N-methylglucamine was added according to the table below. A reflux condenser with nitrogen blanketing was then attached and refluxed for 30 min. After briefly cooling below boiling temperature, the reflux condenser was replaced by a N2-purged distillation bridge with a thermometer (immersed in The reactant flask and the receiver flask were replaced and then reheated. Distillation was continued until no further distillate accumulated in the receiver at an internal temperature of 100°C (distillation time approx. 15 min). The distillate was sampled for boron. The sample weights and results can be found in Table 3 below.
Tabelle 3 Table 3
* erfindungsgemäß * according to the invention
Erst durch die erfindungsgemäße Menge von N-Methylglucamin wird eine effiziente Borabreicherung erzielt, die zu den gewünschten 100 ppb Gesamtbor führt. Auch die anderen Spezifikationen (Produktreinheit, HCl-Gehalt, Gesamtchlorgehalt, Stickstof fgehalt ) werden durch den Zusatz von N-Methylglucamin nicht beeinträchtigt (siehe Tabelle oben; hier: nur HCl-Wert gezeigt) . Only the amount of N-methylglucamine used according to the invention achieves efficient boron depletion, resulting in the desired 100 ppb total boron. The other specifications (product purity, HCl content, total chlorine content, nitrogen content) are also not affected by the addition of N-methylglucamine (see table above; here: only the HCl value is shown).
1.4: Destillation von M2E-roh unter Zusatz von in der Literatur beschriebenen Verbindungen zur Borabrei cherung 1.4: Distillation of crude M2E with addition of compounds described in the literature for boron enrichment
In einem N2-gespülten 100-mL-Rundkolben wurde M2E-roh mit Rührfisch vorgelegt und das entsprechende Additiv zugegebenIn a N2-purged 100 mL round-bottom flask, M2E crude was placed with a stir bar and the appropriate additive was added
(siehe Tabelle) . Dann wurde ein Rückflusskühler mit Stickstoff- Überlagerung aufgesetzt und für 30 min. unter Rückfluss gekocht. Nach kurzer Abkühlung unter die Siedetemperatur wurde der Rückflusskühler durch eine N2-gespülte Destillationsbrücke mit Thermometer ( eingetaucht in Eduktkolben) und Vorlagekolben ersetzt und im Anschluss erneut aufgehei zt . Die Destillation wurde so lange fortgesetzt , bis bei einer Innentemperatur von 100 ° C kein weiteres Destillat in der Vorlage anfiel ( Destillations zeit ca . 15 min . ) . Das Destillat wurde auf Bor beprobt . Die Einwaagen sowie die Ergebnisse sind der nachstehenden Tabelle 4 zu entnehmen . (see table). Then, a reflux condenser with nitrogen blanketing was placed on the flask and refluxed for 30 min. After a brief cooling below boiling temperature, the reflux condenser was replaced by a N2-purged distillation bridge. with a thermometer (immersed in the reactant flask) and the receiver flask were replaced and then heated again. The distillation was continued until no further distillate was obtained in the receiver at an internal temperature of 100 °C (distillation time approx. 15 min.). The distillate was sampled for boron. The initial weights and the results can be found in Table 4 below.
Tabelle 4 Table 4
Keines der in der Literatur beschriebenen und hier getesteten Additive konnte den Borgehalt im erwünschten Maße reduzieren . None of the additives described in the literature and tested here could reduce the boron content to the desired extent.
Auch durch Zusatz von N-Methylglucamin zum üblichen Rohprodukt (= M2E-roh) konnte der gewünschte Wert von 100 ppb Bor oder weniger nicht erreicht werden, wie aus nachstehender Tabelle 5 zu entnehmen ist . Even by adding N-methylglucamine to the usual crude product (= M2E crude), the desired value of 100 ppb boron or less could not be achieved, as can be seen from Table 5 below.
Tabelle 5 Table 5
Das gewünschte Ergebnis der ef fi zienten Borabreicherung ergibt sich ausschließlich aus dem erfindungsgemäßen Zusammenspiel zwischen dem nicht neutralisierten, leicht sauren Rohprodukt (= M2E-roh-sauer ) und dem Zusatz von N-Methylglucamin vor der Reindestillation des M2E-roh-sauer . The desired result of efficient boron depletion results exclusively from the inventive interaction between the non-neutralized, slightly acidic crude product (= M2E-crude-acidic) and the addition of N-methylglucamine before the pure distillation of the M2E-crude-acidic.
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