Способ получения изопропилата алюминия

Способ получения изопропилата алюминия

Реферат

Изобретение относится к химической технологии, а именно к способу получения изопропилата алюминия высокой чистоты, который благодаря своей доступности имеет широкий спектр практического применения, начиная от катализа органических реакций и заканчивая получением на его основе сверхчистого оксида алюминия, а также смешанных оксидов переходных и редкоземельных металлов - материалов для создания лейкосапфиров, нанокерамики и других компонентов микроэлектроники.

К настоящему времени известно большое число технических решений по получению алкоголятов алюминия, которые в основной массе своей основаны на взаимодействии различных спиртов с металлическим алюминием. Эти технологии требуют предварительной активации алюминия путем его обработки различными химическими соединениями, как: сулема (US 3446829, опубл. 27.05.1969), йод и йодиды металлов (CN 1424296, опубл. 18.06.2003; CN 1062135, опубл. 24.06.1992), галлий или индий (JP 2013060388, опубл. 04.04.2013; SU 742422, опубл. 25.06.1980), олово (RU 2395514, опубл. 27.07.2010), а также их эвтектические смеси (RU 2124518, опубл. 10.01.1999). Вышеуказанные соединения загрязняют алкоголяты алюминия и не позволяют получать высокочистые продукты на их основе. Кроме того, эти технологии требуют использования обезвоженных спиртов, так как наличие даже следовых количеств воды в спирте существенно влияет на скорость процесса активации алюминия, поскольку пассивирует его поверхность, что приводит к замедлению реакции алкоголиза и снижению ее селективности.

Абсолютировать продажный изопропиловый спирт можно путем прибавления к нему готового изопропилата алюминия (или магния) и кипячения в течение 6-8 часов с последующей перегонкой. Очевидно, что такая трудоемкая и энергозатратная дополнительная стадия ведет к усложнению и удорожанию технологии в целом.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение и удешевление технологии получения изопропилата алюминия за счет возможности использования обводненного спирта, а также получение целевого продукта высокой чистоты.

Выявлено два релевантных технических решения с идентичной решаемой задачей. В патенте «Способ получения алкоголятов алюминия» (RU 2005711, опубл. 15.01.1994) процесс взаимодействия металлического алюминия с алифатическим влажным спиртом ведут при подаче спирта со скоростью, обеспечивающей поддержание температуры в реакторе не ниже 165°C, а обезвоживание спирта осуществляют путем отгонки содержащейся в нем воды в виде азеотропа за счет тепла реакции алкоголиза. Однако эта технология применима только для спиртов, имеющих 4-8 атомов углерода, и не может рассматриваться в качестве прототипа исследуемого объекта.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ получения алкоголятов алюминия с использованием обводненного спирта, описанный в американском патенте «Preparation of aluminum alcoholates from non-anhydrous lower alcohols» (US 3083218, опубл. 26.03.1963). Получение изопропилата алюминия включает нагрев (82°C) смеси алюминия, избытка изопропилового спирта, хлористого алюминия и катализатора (ацетат ртути) до окончания выделения водорода. Затем продукт выделяют дистилляцией.

К недостаткам описанного в патенте способа следует отнести:

- использование катализатора - ацетата ртути, который загрязняет алкоголят и не позволяют получать высокочистый оксид алюминия на его основе;

- использование большого количества хлорида алюминия - от 15 до 40 вес.% по отношению к алюминию в зависимости от обводненности спирта;

- необходимость удаления избытка спирта (усложнение технологии) при выделении целевого продукта;

- дистилляция не обеспечивает достаточной чистоты продукта.

Заявляемое изобретение направлено на решение этих проблем и позволяет удешевить и упростить процесс получения изопропилата алюминия, а также добиться высокой чистоты целевого продукта и соответственно продуктов на его основе.

Технический результат - повышение чистоты целевого продукта и упрощение (удешевление) технологии за счет активации процесса растворения алюминия в техническом изопропиловом спирте под воздействием электрического тока в присутствии фоновой соли - хлорида алюминия.

Суть изобретения заключается в том, что процесс активации алюминия осуществляют электролизом смеси алюминия (чистота не менее 99,5%), небольшой части (порядка 15%) от рассчитанного количества изопропилового спирта и электропроводящей (фоновой) соли, в качестве которой используют хлорид алюминия в количестве 3-5 мас.% по отношению к алюминию. Электролиз проводят при температуре кипения спирта и плотности тока 0.02-0.06 А/см² с использованием алюминиевых электродов до начала интенсивного выделения газа - водорода. Тогда электролиз прекращают и добавляют основную часть изопропилового спирта с такой скоростью, чтобы поддерживать равномерное кипение спирта (мольное соотношение алюминий : спирт = 1:3). Температуру реакционной смеси доводят до 120°С и выдерживают до прекращения кипения спирта и выделения газа. Полученный изопропилат алюминия очищают перегонкой при пониженном давлении с использованием ректификационной колонны.

Заявляемый способ иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1

В реактор объемом 25 л помещают 2355 г металлического алюминия, продувают инертным газом, добавляют 94 г AlCl₃ (4 мас.% по отношению к алюминию) и 3000 мл (15% от расчетного количества) изопропилового спирта. Далее, в токе инертного газа погружают алюминиевые электроды в раствор хлористого алюминия в изопропаноле (электролит), пропускают через них электрический ток (плотность тока 0,04 А/см²) и нагревают реакционную смесь до кипения изопропилового спирта. Реакция начинается через 30 мин после закипания изопропилового спирта. Начало реакции определяют по постоянному и интенсивному выделению газа. После того как реакция запустилась, источник тока отключают, электроды извлекают, а реакционную смесь интенсивно перемешивают и прибавляют 17000 мл изопропилового спирта с такой скоростью, чтобы поддерживать равномерное кипение спирта. Затем смесь нагревают до 120°C до полного прекращения кипения спирта и выделения водорода. После окончания реакции целевой продукт очищают перегонкой при пониженном давлении с использованием ректификационной колонны (т. кип. от 132 до 140° при 7-10 мм рт. ст.), отбирая первую порцию (~1-2%) дистиллята в отдельную емкость в качестве предгона. Оставшуюся часть собирают в приемник для чистого продукта. Получено 16370 г (92%) изопропилата алюминия в виде прозрачной вязкой жидкости с содержанием основного вещества 99,996%.

Пример 2

Способ осуществляют аналогично примеру 1, только AlCl₃ добавляют в количестве 70 г (3 мас.% по отношению к алюминию). Далее, в токе инертного газа погружают алюминиевые электроды в раствор электролита, пропускают через них электрический ток (плотность тока 0,04 А/см²) и нагревают реакционную смесь до кипения изопропилового спирта. Реакция начинается через 50 мин после закипания изопропилового спирта. Далее весь процесс проводят, как описано в примере 1. Выход изопропилата алюминия с содержанием основного вещества 99,996% после ректификации составляет 16192 г (91%).

Пример 3

Способ осуществляют аналогично примеру 1, только AlCl₃ добавляют в количестве 118 г (5 мас.% по отношению к алюминию). Далее, в токе инертного газа погружают алюминиевые электроды в раствор электролита, пропускают через них электрический ток (плотность тока 0,04 А/см²) и нагревают реакционную смесь до кипения изопропилового спирта. Реакция начинается через 30 мин после закипания изопропилового спирта. Далее весь процесс проводят, как описано в примере 1. Выход изопропилата алюминия с содержанием основного вещества 99,996% после ректификации составляет 16370 г (92%).

Пример 4

Способ осуществляют аналогично примеру 1, только через алюминиевые электроды в раствор электролита пропускают электрический ток меньшей плотности (плотность тока 0,02 А/см²) и нагревают реакционную смесь до кипения изопропилового спирта. Реакция начинается через 60 мин после закипания изопропилового спирта. Далее весь процесс проводят, как описано в примере 1. Выход изопропилата алюминия с содержанием основного вещества 99,996% после ректификации составляет 16014 г (90%).

Пример 5

Способ осуществляют аналогично примеру 1, только через алюминиевые электроды в раствор электролита пропускают электрический ток большей плотности (плотность тока 0,06 А/см²) и нагревают реакционную смесь до кипения изопропилового спирта. Реакция начинается через 30 мин после закипания изопропилового спирта. Далее весь процесс проводят, как описано в примере 1. Выход изопропилата алюминия с содержанием основного вещества 99,996% после ректификации составляет 15658 г (88%).

Пример 6

Способ осуществляют аналогично примеру 1. Далее, в токе инертного газа погружают алюминиевые электроды в раствор электролита, пропускают через них электрический ток (плотность тока 0,04 А/см²) без нагревания реакционной смеси. Реакция не начинается даже через 120 мин.

Заявляемый новый способ получения изопропилата алюминия позволяет:

использовать технический спирт (массовая доля воды до 6%), что при промышленном производстве сильно упрощает и удешевляет технологию в целом;

полностью использовать оба компонента реакционной смеси (спирт и алюминий), что позволяет существенно снизить затраты на выделение изопропилата алюминия, в частности исключается стадия отгонки избыточного спирта;

получать целевой продукт высокой чистоты из-за отсутствия необходимости использования катализаторов активации алюминия на основе других металлов, а также применения ректификационной колонны.

1. Способ получения изопропилата алюминия, включающий взаимодействие активированного алюминия с изопропанолом при нагревании в присутствии хлористого алюминия с последующей очисткой целевого продукта, отличающийся тем, что:

- взаимодействие активированного алюминия с изопропанолом осуществляют в мольном соотношении 1:3;

- алюминий предварительно активируют электролизом смеси алюминия и раствора хлористого алюминия в изопропаноле (порядка 15% от общего объема изопропанола) с использованием алюминиевых электродов;

- очистку продукта проводят вакуумной ректификацией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электролиз проводят при плотности тока 0.02-0.06 А/см².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие активированного алюминия с изопропанолом осуществляют путем прибавления изопропанола к алюминию со скоростью, поддерживающей равномерное кипение спирта.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что хлористый алюминий используют в количестве 3-5 мас.% по отношению к алюминию.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изопропанол может содержать до 6 мас.% воды.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что алюминий используют чистоты не менее 99.5%.